Рис. 201. Генератор пневматиче ских колебаний с акустической линией отрицательной обратной связи, частота которого зависит от какого-либо физического па
раметра
элемента подведено низкое давление |
питания р01 порядка |
2000 Па, а к усилителю 6 давление р0 2 |
из нормального диапа |
зона — около 0,2 МПа. Резонатор 4 настроен на частоту свист ка 1 .
Питающая струя, вытекающая из капилляра 3, направляется в канал 5, на выходе которого создается сигнал р\, который, бу
дучи усилен по давлению и мощности в усилителе 6 , |
приводит |
в действие свисток 1. Сигнал свистка направляется |
к горлу 2 |
резонатора 4 и турбулпзпрует ламинарную струю, вытекающую из капилляра 3, и давление р\ уменьшается до нуля. Генератор че рез время, определяемое инерцион ностью системы, перестает работать.
Питающая струя уже не турбулизпруется и поступает в канал 5, на выходе которого появляется давле ние р\, и колебательный цикл повто ряется снова. При неизменном рас стоянии /, составе и температуре га за частота работы преобразователя не будет меняться.
При изменении расстояния I ме жду свистком 1 и резонатором 4 меняется частота колебаний всего
устройства, т. е. устройство работает в режиме частотного дат чика расстояния. Действительно, если расстояние /, например, уменьшается, а параметры газа ие изменяются, то и скорость звука в нем неизменна, и, следовательно, время прохождения звукового сигнала в цепи отрицательной обратной связи умень шается, что ведет к увеличению частоты колебаний давления р на выходе частотного преобразователя. Если расстояние / воз растает, то частота колебаний давления р уменьшается.
При изменении иного физического параметра, например, тем пературы проходящего между генератором и приемным акусти
|
|
|
|
|
ко-пневматическим элементом газа, но неизменном |
его составе |
и расстоянии /, частота колебаний давления |
р на выходе рас |
сматриваемого устройства |
будет однозначно |
определяться тем |
пературой, |
т. е. устройство |
в целом будет работать |
в режиме |
частотного |
датчика температуры. Действительно, |
увеличение |
температуры ведет к уменьшению плотности среды и увеличению скорости распространения звука в цепи отрицательной обратной связи. При неизменных расстоянии I и составе среды увеличение скорости распространения звукового сигнала ведет к возраста нию частоты колебаний давления на выходе преобразователя. У опытного образца такого датчика расстояние I увеличивалось до нескольких метров, при этом частота была равна долям герца.
'Акустико-пневматический элемент, показанный на рис. 192, б, позволяет создать электропневматический преобразователь без
контактов и подвижных деталей, что несомненно повышает его надежность.
Дискретный бесконтактный электропневмопреобразователь (рис. 202, а) состоит из мультивибратора 1 на транзисторах, пре
образующего напряжение 12 В постоянного тока в прямоуголь ные импульсы, телефона 2 (ДЭМША) и акустико-пневматичес
кого приемного элемента 3, собственная частота резонатора которого совпадает с частотой импульсов, поступающих с выхо-
Рис. 202. Электропневматнческии преобразователь без контактов и под вижных детален:
а — схема; б — внешний вид
да мультивибратора (4 кГц). Постоянный ток, преобразованный мультивибратором в прямоугольные импульсы, подается в теле фон, который преобразует их в звуковые колебания той же час тоты. Звуковой сигнал, поступая на вход акустико-пневматичес кого приемного элемента, вызывает падение давления на его выходе. Принципиально в электропневмопреобразователе этого типа можно было бы использовать элемент Аугера. Однако при менение акустико-пневматического элемента, описанного ранее, оказывается в данном случае более целесообразным, так как резонатор усиливает звуковые колебания и тем самым повышает чувствительность устройства.
Рис. 203. Акустико-пневматическая логическая ячейка НЕ—ИЛИ на п акустических входных сигналов
Давление питания дискретного электропневмопреобразовате ля ро = 1700 Па, входное напряжение 10—15 В, потребляемая мощность электрического тока 0,2 Вт, изменение выходного дав ления р = 800 Па, габаритные размеры 93 X 45 X 27 мм. Испы тания преобразователя прошли успешно. Внешний вид устрой ства представлен на рис. 202, б.
Акустико-пневматические логические ячейки. Используя акустико-пневматические приемные элементы, можно построить целый ряд логических ячеек. Входными сигналами, управляющи ми этими ячейками, служат звуковые колебания с разными час тотами, получаемые от генера торов звуковых колебаний, а выходными — пневматические сигналы. Если пневматические сигналы, получаемые на выхо де логических ячеек, снова пре образовать с помощью соответ ствующих генераторов звуко вых колебаний в звуковые ко лебания различных частот, то эти колебания могут быть ис пользованы в качестве входных сигналов для других акустико пневматических ячеек. На ос нове таких ячеек можно было бы строить акустико-пневмати- ческне логические системы, в которых связь между отдель-
ми логическими ячейками осуществлялась бы не с помощью пнев матических каналов, а по воздуху — звуковыми сигналами с раз личной частотой. Однако это дело будущего.
Здесь в качестве примера рассмотрим использование акусти ко-пневматических приемников звуковых колебаний для реали зации двух акустико-пневматических логических ячеек — ячейки, выполняющей логическую операцию НЕ •— ИЛИ и операцию запоминания сигналов. Схема акустико-пневматической ячейки НЕ — ИЛИ на п входных акустических сигналов представлена на рис. 203. Она состоит из акустико-пневматических приемных элементов, соединенных друг с другом таким образом, что каж дый выход предыдущего элемента присоединяется к питающему капилляру следующего элемента. К питающему капилляру 1 пер
вого элемента подводится давление питания ро, а приемный ка нал п последнего элемента служит выходом логической ячейки НЕ — ИЛИ. К горловинам резонаторов Гельмгольца подводятся звуковые входные сигналы с частотами fu f%, ..., fn- Резонаторы на указанные частоты звуковых сигналов настраивают порш нями. При подаче давления питания ро из капилляра 1 будет ис текать ламинарная струйка, которая попадает в приемно-питаю
щий капилляр 2 , затем в капилляр 3 и т. д. до выходного при
емного канала п. На выходе давление будет равно условной единице. Если на вход ячейки направить звуковой сигнал, час тота которого совпадает хотя бы с одной из собственных частот п резонаторов, то в горловине соответствующего резонатора произойдет турбулпзация ламинарной струйки п давление на выходе п-й ячейки станет равным условному нулю. Тот же ре зультат будет получен, если на вход будет подано два звуковых
|
|
|
|
|
|
|
|
сигнала, частоты которых |
|
совпадут |
с |
собственными |
|
частотами двух |
резонато |
|
ров и т. д. |
Исследования |
|
такого элемента показали |
|
его |
работоспособность, |
|
причем |
в качестве источ |
|
ников |
звуковых |
колеба |
|
ний применялись свистки, |
|
схемы которых |
представ |
|
лены на рис. 187, работа |
|
ющие |
на |
очень |
низких |
|
(порядка 800 Па) |
питаю |
|
щих давлениях. |
|
|
Рис. 204. Акустико-пневматическая логичес |
Акустико-пневматиче |
кая ячейка запоминания входных акустичес |
ская |
логическая |
|
ячейка |
ких сигналов |
запоминания изображена |
на рис. 204. Ячейка пред назначена для выполнения операции запоминания акустического входного сигнала определенной частоты. Она состоит из двух акустико-пневматических приемных элементов /, 8 , в каждом из
которых введен дополнительный управляющий канал (соответ ственно 5 и 7), предназначенный для воздействия на основную питающую струю. Выходной канал 2 п 5 каждого из акустикопневматических элементов соединен с дополнительным управля ющим каналом 7, 3 другого. Собственную частоту элементов на страивают поршнями 9 и 10. При подаче давления питания р0 в капилляры 4 и 6 питающая струя направляется в канал 5, на
выходе из которого создается давление р\, и далее в дополни тельный управляющий канал 3. Ламинарная питающая струя, вытекающая из канала 4, турбулизируется, вследствие чего в ка нале 2 и на выходе из него давление р2 уменьшается до нуля и
в дополнительный управляющий канал 7 давление не поступает. Элемент памяти находится в одном устойчивом состоянии.
При подаче акустического входного сигнала с частотой, рав ной собственной частоте резонатора элемента 8 , вытекающая из капилляра 6 питающая струя турбулизируется, вследствие чего
в канале 5 и на выходе из него давление р\ уменьшается до нуля и перестает поступать в дополнительный управляющий канал 3. При этом питающая струя, вытекающая из канала 4, направ
ляется в канал 2 , на выходе которого создается давление р?, и
далее в дополнительный управляющий канал 7. При снятии акустического сигнала струя, вытекающая из управляющего ка нала 7, продолжает турбулпзпроватъ питающую струю, вытека ющую из канала 6 , чем достигается запоминание факта наличия
акустического сигнала заданной частоты /д. Элемент памяти бу дет находиться в этом устойчивом состоянии до тех пор, пока не будет подан акустический сигнал определенной частоты /2, на ко торую настроен резонатор I. В этом случае турбулизируется питающая струя, вытекающая из канала 4, давление р2 на выхо де из канала 2 уменьшается до нуля, а вытекающая из дополни
тельного управляющего канала 3 струя под давлением р турбулнзпрует питающую струю, вытекающую из канала 4 п т. д.
3.ПНЕВМОАКУСТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ СВЯЗИ
Внастоящее время известны три основных способа передачи пневматических сигналов на большие расстояния при помощи пли с использованием на той или иной стадии преобразования звуковых колебаний. Первый способ сводится к передаче звуко вых колебаний по воздуху. При этом звуковые колебания различ ных частот получают путем преобразования давления сжатого воздуха. Обратное преобразование звуковых колебаний в давле ние воздуха осуществляют с помощью акустико-пневматических
приемных элементов, настроенных на определенные частоты. Второй способ сводится к передаче звуковых колебаний по труб ке. И, наконец, третий способ, который позволяет передавать пневматические сигналы на десятки километров, сводится к пре образованию пневматического сигнала в звук, а затем в электри ческий ток в передатчике, к передаче электрического тока по проводам и, наконец, вторичному преобразованию электричес кого тока в звук и звука — в пневматический сигнал.
Первый способ позволяет передавать пневматические сигна лы лишь на десятки метров, что связано с тем, что звуковые ко лебания сильно рассеиваются и поглощаются в свободной атмо сфере. Причем ослабление звуковой волны при рассеивании связано с увеличением шаровой поверхности фронта при удале нии от излучающего звука тел. Рассеивание звука можно умень шить. делая фронт звуковой волны плоским. Поглощение звука в воздухе объясняется наличием вязкости, теплопроводности и молекулярного поглощения. Ослабление звукового давления р на расстоянии г от излучающего тела можно рассчитать по фор муле [15]
Р = Рое_5г>
где ро — звуковое давление на поверхности излучающего тела, имеющего форму шарика; б — коэффициент поглощения.
|
Коэффициент поглощения |
3 |
к k— 1 \ |
|
б = — і^-со12 |
|
|
k ) ’ |
|
3 а3р |
|
|
где Цд — коэффициент динамической |
вязкости среды; а — ско |
рость распространения звука в среде; р — плотность среды; со —
звуковая частота: к — теплопроводность среды; k —— — пока-
сѵ
затель адиабаты.
Из последнего выражения видно, что коэффициент поглоще ния зависит и от частоты звукового сигнала во второй степени. Поэтому передача звуковых сигналов по воздуху на большие расстояния из-за значительного поглощения звука невозможна.
Очень важным является вопрос о правильном выборе часто ты. Для того чтобы уменьшить поглощение звука при передаче звуковых сигналов по воздуху, следует брать как можно мень шую частоту. Однако для того, чтобы предотвратить рассеива ние звука и, следовательно, передавать звуковую волну в виде направленного луча с плоским фронтом, необходимо использо вать различного рода звуковые концентраторы, такие, как рупо ры, параболоиды и звуковые линзы. Дальность передачи кон центраторами звуковой волны в виде луча тем больше, чем боль ше размеры концентраторов по сравнению с длиной звуковой волны. Например, параболоид передает звуковую волну в виде луча на расстояние
где уо — радиус зрачка параболоида; л —длина звуковой волны. На больших расстояниях звуковой луч превращается в рас ходящийся конус и быстро рассеивается. Как следует из послед ней формулы, чтобы передать звуковую волну в виде луча на большее расстояние, необходимо уменьшать длину звуковой волны. При приеме звуковой волны концентратором имеет силу соотношение: чем больше по сравнению с длиной звуковой волны размеры концентратора, тем больше коэффициент усиле ния, представляющий собой отношение звукового давления в центре фокального пятна к звуковому давлению в падающей волне. Например, для параболоида коэффициент усиления по
давлению
k p = ^ - У о ctg Qm2 ln-
. + cos am
где am— угол раскрытия '.
1 Угол между осью параболоида и линией, соединяющей фокус с точкой параболоида, соответствующей у0.
