一种复频同相位平面阵定向发射声波装置
阅读说明：本技术 一种复频同相位平面阵定向发射声波装置 (Complex frequency same-phase planar array directional transmitting sound wave device ) 是由 苏洋 李铁键 任海涛 王光谦 王兴奎 于 2021-09-14 设计创作，主要内容包括：本公开提供的复频同相位平面阵定向发射声波装置,包括气缸；驱动部件,安装于气缸内,驱动部件的输出端与一中心轴连接；固定盘,套设在中心轴上,并与气缸的上口固定连接成为气缸的上封口,固定盘上沿径向等间距打孔、并在等差直径的圆周上均匀分布形成若干通气孔；旋转盘,套设在中心轴且位于固定盘之上,并由驱动部件驱动旋转,旋转盘上设有若干在径向上与通气孔相对应的喷气孔,各圆周上的喷气孔数量与通气孔数量不同以产生复频；压盖,套设在中心轴且位于旋转盘之上,并与气缸的上口固定连接。本装置声波按平面阵列的形式直接发射；保证了声波的相位相同,复频声波声学参量阵极大地提高了声波的指向性,可实现声波的大能量远距离定向传输。(The compound frequency same-phase planar array directional transmitting sound wave device comprises a cylinder; the driving part is arranged in the cylinder, and the output end of the driving part is connected with a central shaft; the fixed disc is sleeved on the central shaft and is fixedly connected with the upper opening of the cylinder to form an upper seal of the cylinder, holes are punched on the fixed disc at equal intervals along the radial direction, and a plurality of vent holes are uniformly distributed on the circumference with the equal difference diameter; the rotating disc is sleeved on the central shaft, is positioned on the fixed disc and is driven to rotate by the driving part, a plurality of air injection holes corresponding to the vent holes in the radial direction are arranged on the rotating disc, and the number of the air injection holes on each circumference is different from that of the vent holes so as to generate a complex frequency; and the gland is sleeved on the central shaft, is positioned on the rotating disk and is fixedly connected with the upper opening of the cylinder. The sound wave of the device is directly emitted in a planar array form; the same phase of sound waves is ensured, the directivity of the sound waves is greatly improved by the complex frequency sound wave acoustic parametric array, and large-energy long-distance directional transmission of the sound waves can be realized.)
技术领域
本公开属于利用声波传送能量的领域，特别涉及一种复频同相位平面阵定向发射声波装置。
背景技术
声音以波的形式可以传输能量、传递信息，但一般难以远距离输运物质。
声波传输的主要参数包括强度、指向性和频率f或波长λ(λ＝C0/f)，空气中声波的传播速度C0约为340m/s。声波的强度分声压强度和功率强度；声波发射后会按球面扩散，将声源指向的方向作为主轴，在距离声源的某一球面上，任意一点的强度与主轴强度的比值，称为指向性函数。
当一个直径为DS的圆形平面声波发射后，在传播路径上可分为近场和远场，在两个场中声波的特性不同。近场和远场没有严格的交界面，交界处距声源的距离L0一般采用下式之一计算：
或
声波按发射声源分为点源和面源，如果声波发射装置的平面尺寸DS远小于其波长λ，则近似为点源，点源声波在空间按全球面扩散，没有指向性。面源声波的指向性与其尺寸有关，直径为DS的圆形面源声波的远场半扩散角θ为：
当扩散半角θ<90°时为球冠扩散，假定声波在球冠面上均匀分布，则在距离声源LS(LS>>L0)处的声强衰减率η为：
式中，分别为声波在LS和L0处的声压值。声波在传播过程中，频率越高、指向性越好，但空气衰减率越大，远距离传输能量的能力越差；频率越低，空气衰减率越小，但指向性越差，远距离传输能量的能力也越差。
自上世纪中叶由非线性声学发展起来的声学参量阵理论表明，利用声波在介质中传播的非线性特性，从两个沿同一方向传播的基频波(两个基频波的频率分别为f1和f2，且f1>f2)，在远场中可以获得差频波(该差频波的频率fd＝f1-f2)及和频波(f1+f2)。频波的频率较高而很快衰减；差频波的频率较低，衰减较慢，传播达到声学参量阵长度L0C时，声强最大，然后逐渐衰减。声学参量阵长度L0C按照下式计算：
式中，αa为声波在空气中的衰减系数，与声波频率、空气压力和湿度有关。当f1＝2f2，则fd＝f1-f2＝f2，声学参量阵的指向性函数DΨ为：
式中，DΨ为在相同距离上偏离主轴角度为Ψ的位置上的声强与主轴上声强的比值，α1和αd分别为高频波f1和差频波fd在空气中的衰减系数，λd为差频波的波长，DΨ随Ψ衰减越快、指向性越好。当声强衰减1/2时(即DΨ＝0.5)，定义其发散半角为ΨC。
研究表明，对有效直径相同的面源声波，阵列式布置的多点独立声源(阵元)比单一发射装置(如活塞式声源)具有更良好的指向性。各阵元发射的声波必须保证同相位，如相位不同，将会相互叠加而抵消部分发射能量，降低有效能量的传输。
对一些专门用途的声波发生装置，如人工增雨装置等，需要大功率、高指向性的远距离能量传输。
利用声波传输能量的装置在多种行业中均有应用，如①锅炉吹灰装置(黄磊等人，实用新型专利，公开号：CN205481049U，公开了一种动静环式低频大功率声波吹灰器)、②机场驱鸟装置(席葆树等人，发明专利申请，公开号：CN109430237A，公开了一种采用冲激波发生装置的驱鸟装置)、③反恐驱暴装置(https://zhuanlan.zhihu.com/p/30291102)、④人工增雨装置等(黄睿军，发明专利申请，公开号：CN106613576A，公开了一种集束声波增雨装置)。在各类装置中，①需要提供较大的功率，但对指向性要求不高；②需要控制适合的频率；③应具有强大的功率和较好的指向性；④的技术要求最高，既需要功率强大、又需要很强的指向性而实现远距离能量传输。利用声波传输能量的装置按驱动能量可分为电能驱动(杨军CN 101719368 B)和空气驱动(席葆树等人，发明专利申请，公开号：CN109430237A)两种类型。电能驱动类型的装置可以设计成平面阵列式，其等效直径可以较大，如压电陶瓷构件组成阵元的装置的频率也可以达到很高，即这类装置的指向性良好，但受制于电动元器件性能的限制，其发射功率有限。空气驱动类型的装置只需要足够功率的空压机提供高压空气，其功率可以很大，其关键问题在于如何在较低频率(较小衰减率)时实现具有良好指向性的远距离能量传输。
发明内容
本公开旨在解决上述问题之一。
为此，本公开实施例提供的一种低频、高指向性的复频同相位平面阵定向发射声波装置，包括：
气缸；
驱动部件，所述驱动部件安装于所述气缸内，所述驱动部件的输出端与一中心轴连接；
固定盘，所述固定盘套设在所述中心轴上，并与所述气缸的上口固定连接成为所述气缸的上封口，所述固定盘上沿径向等间距打孔、并在等差直径的圆周上均匀分布形成若干通气孔；
旋转盘，所述旋转盘套设在所述中心轴且位于所述固定盘之上，并由所述驱动部件驱动旋转，所述旋转盘上设有若干在径向上与所述通气孔相对应的喷气孔，各圆周上的所述喷气孔数量与所述通气孔数量不同以产生复频；和
压盖，所述压盖套设在所述中心轴且位于所述旋转盘之上，并与所述气缸的上口固定连接。
本公开实施例提供的复频同相位平面阵定向发射声波装置，具有以下特点及有益效果：
本公开实施例提供的复频同相位平面阵定向发射声波装置，利用驱动部件驱动旋转盘转动，当旋转盘与固定盘的孔位对应时喷射气缸内的高压气体，当旋转盘与固定盘的孔位错开时封闭通气孔，产生一次高压气体的脉冲。固定盘的孔位分布确定了装置的平面阵列形式，每个孔相当于电驱动类型的一个发射单元(阵元)；旋转盘的孔位布置则体现了产生声波的频率，如电机转速为N、旋转盘圆周均匀分布M个孔，则声波的频率为M×N，这保证了旋转盘较低的转速可以获得较高的声波频率。本公开装置产生的声波按平面阵列的形式直接发射；喷射孔按径向等间距布置和旋转盘平面旋转的方式保证了声波的同相位；复频声波产生的声学参量阵极大地改善了低频声波的指向性。因此，本公开的装置可实现大能量声波远距离的定向传输。
在一些实施例中，所述旋转盘上所述喷气孔的分布按照声参量发射阵的原理设计，即各所述喷气孔分别构成一个声源，所有声源分为频率不同的两组或多组间隔分布，各组声源的本频声波在近场以相应扩散角传播，并在远场形成各组间的差频声波。
在一些实施例中，所述气缸包括具有倒梯形横截面的气缸主体和与所述气缸主体底部连通的进气管；所述气缸主体的上口设有用于固定连接所述固定盘的上环，所述上环与所述气缸主体之间设有密封条。
在一些实施例中，在所述气缸主体内的所述电机下方设置一呈倒锥形的导流锥。
在一些实施例中，所述中心轴为阶梯轴，所述中心轴的中部设有供所述驱动部件的输出端穿过的第一通孔，所述第一通孔与所述驱动部件的输出端键槽配合；所述中心轴分别通过1#轴承和2#轴承与所述压盖和所述固定盘连接，且所述中心轴与所述旋转盘键槽配合。
在一些实施例中，所述固定盘与所述旋转盘之间设有3#轴承，用于保证所述固定盘与所述旋转盘之间的相对转动，所述固定盘的上表面形成有所述旋转盘的下半部的安装空间，所述固定盘的下平面中心处设有驱动部件安装块，所述驱动部件安装块的中部设有供所述驱动部件的输出的穿过的第二通孔。
在一些实施例中，所述旋转盘与所述压盖之间设有4#轴承，用于保证所述旋转盘与所述压盖之间的相对转动。
在一些实施例中，所述旋转盘的上部圆周边呈斜坡设置。
在一些实施例中，在所述压盖的下部形成有所述旋转盘的上半部的安装空间。
在一些实施例中，本公开提供的复频同相位平面阵定向发射声波装置还包括支架，所述气缸安装在所述支架的上部。
附图说明
图1为本公开实施例提供的复频同相位平面阵定向发射声波装置的整体布置图。
图2为本公开实施例装置中气缸的剖面示意图。
图3的(a)和(b)分别为本公开实施例装置中气缸上口环的剖面示意图和俯图。
图4的(a)和(b)分别为本公开实施例装置的中心轴的俯视图和剖面示意图。
图5的(a)和(b)分别为本公开实施例装置中固定盘的剖面示意图和俯视图。
图6的(a)和(b)分别为本公开实施例装置中旋转盘的俯视图和剖面示意图。
图7的(a)和(b)分别为本公开实施例装置中压盖的剖面示意图和俯视图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本申请，并不用于限定本申请。
相反，本申请涵盖任何由权利要求定义的在本申请精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本申请有更好的了解，在下文对本申请的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本申请。
本公开实施例提供的复频同相位平面阵定向发射声波装置的总体布置见图1，主要部件包括气缸A、中心轴B、固定盘C、旋转盘D、压盖E；以及配件支架F、电机G和1#、2#、3#、4#轴承H1～H4，如图1所示，气缸A安装在支架F的上部，固定盘C安装在气缸A的上口并成为气缸A的上封口，固定盘C上部以中心轴B为基础依次安装旋转盘D和压盖E。电机C位于气缸A内部的中心，安装在固定盘C的下部，且电机C的输出轴通过中心轴B及相应的轴承驱动旋转盘D转动，在旋转盘D的转动过程中固定盘C和压盖E始终保持固定不动。
下面对公开实施例中各组成部件的具体实现方式及功能分别描述如下：
支架F用角钢焊接而成，作为本公开装置的基础支撑平台，支架F可固定安装于地面或者其他稳定的部件之上。
气缸A的结构示意参见图2，气缸A包括具有倒梯形横截面的气缸主体和与气缸主体底部连通的进气管A4。气缸主体的上部敞口，包括焊接连接的侧壁A2、底板A3和位于侧壁A2顶部的上环A1。进气管A4的上端焊接于底板A3的中心处，进气管A4的下端焊接有连接法兰A5，通过该连接法兰A5与外部空压机的管道(外部空压机及其管道在图中未示意出)连通，以为本装置提供稳定的高压气源。气缸A通过上环A1与固定盘C固定连接。
参见图3的(a)、(b)(为了更清楚地反映上环A1的结构特征，图3中(a)和(b)未按相同的比例绘制)，气缸A的上环A1为环状钢圈A1a，在该环状钢圈A1a上圆周均布有若干用于与固定盘C固定连接的螺孔A1b。在靠近环状钢圈A1a的内周面处设有密封槽A1c，其内安装有密封条为气缸A密封闭气。
进一步地，参见图2，为了克服气缸A内高压气体的向外推力，在气缸主体内设置加强筋A7，加强筋A7通过上端螺纹嵌入固定盘C的安装螺孔，以与固定盘C形成稳固的连接关系，加强筋A7的下端穿过气缸主体的底板A3并以螺母张紧，通过设置加强筋A7，使得大平面的固定盘C受压时不变形。
进一步地，参见图2，为了引导气缸A内的高压气流能够平顺向上流动并依次通过固定盘C、旋转盘D、压盖E上开设的孔洞，在气缸主体内的加强筋A7上且位于电机G的下方设置一导流锥A6，该导流锥A6呈倒锥形，且上下均为敞口结构(下口很小，可引导少量气流进入导流锥以冷却电机G)。
参见图4的(a)、(b)，中心轴B与电机G的输出轴同轴设置，通过中心轴B套设1#轴承H1、2#轴承H2、固定盘C、旋转盘D和压盖E，实现1#轴承H1、2#轴承H2、固定盘C、旋转盘D和压盖E的安装。中心轴B采用阶梯轴，且在中心轴B的中部设有通孔B9，在该通孔B9的侧壁上沿中心轴B轴向通长设置有第一键槽B1，用于与电机G的输出轴相配合；在中心轴B的外侧壁中部从上至下形成有与1#轴承H1的内环相配合的第一圆柱面B2、用于限制1#轴承H1下平面的第一轴肩B3、与旋转盘D相配合的第二键槽B4、位于旋转盘D下平面的凸台B5、用于限制2#轴承H2的上平面B6、与2#轴承H2的内环相配合的第二圆柱面B7；凸台B5上还设有润滑油加油孔B8，可以为2#轴承H2加油。
参见图5的(a)、(b)(为了更清楚地反映固定盘C的结构特征，图5中(a)和(b)未按相同的比例绘制)，固定盘C整体为一圆盘形，位于气缸A的上方，成为气缸A的上封口结构。固定盘C上靠近外圆周处设有与气缸A中螺孔A1b相配合的多个螺孔C5。固定盘C上紧邻螺孔C5的内侧形成有凸止口C1，在固定盘C的中心处设有2#轴承H2的安装座C4，安装座C4的中部开设有用于中心轴B穿过的通孔，在固定盘C的凸止口C1与安装座C4之间设有3#轴承H3的下环状安装槽C3，在凸止口C1与安装座C4之间的固定盘C上表面形成旋转盘D下半部的安装空间C2，且凸止口C1、安装槽C3、安装座C4和固定盘C共圆心设置。固定盘C的下平面中心处固定有电机安装块，电机安装块与固定盘C同心设置，且电机安装块的中心设有用于穿过电机G的输出轴的通孔，电机安装块的两侧设有用于安装电机G的螺孔C7，电机安装块的底部被一止口C8覆盖，该止口C8用于电机G的同心安装定位。进一步地，在固定盘C的下表面设有加强筋A7的安装螺孔C6，加强筋A7的顶端可旋进或旋出该安装螺孔C6，以实现加强筋A7的安装与拆卸。
固定盘C从中心沿径向向外以等间距dx开设有N个通气孔C9。通气孔C9的平面和剖面形状均可根据流体力学原理优化设计，本实施例设置直径为Dk的圆形通气孔，则单孔面积为3.14Dk 2/4。起始通气孔距中心d0，最外通气孔距中心Rs(等效圆直径Ds)。将半径方向的一列N个孔位在固定盘C上表面所在的圆平面上按相等的圆心角旋转分布开孔，形成M×N个同心圆环形分布的通气孔
具体的，本公开的实施例取固定盘C的直径为1000mm、均匀排列通气孔C9的孔距dx＝35mm，起始通气孔(即距离固定盘C中心最近的通气孔)距固定盘C的中心的距离d0＝85mm，沿固定盘C径向打11个直径均为Dk＝5mm的通气孔，则最外孔距中心Rs＝435mm。同心圆环分布孔位的圆心角为22.5°，则每个圆环上有M＝16个通气孔。在固定盘C上表面所在的圆平面上共有176个通气孔，构成等效直径DS＝870mm的喷气圆平面，全部通气孔的有效面积占等效直径圆平面面积的0.581％。
参见图6的(a)、(b)(为了更清楚地反映旋转盘D的结构特征，图6中(a)和(b)未按相同的比例绘制)，旋转盘D整体为圆盘形，位于固定盘C的上方，且旋转盘D可相对于固定盘C绕中心轴B转动。旋转盘D的中心设有供中心轴B穿过的通孔D4，且在通孔D4的侧壁上设有与中心轴B的第一键槽B1相配合的凸台D6，以使旋转盘D与中心轴B固接。旋转盘D上还间隔设有3#轴承H3的上环状安装槽D3和4#轴承H4的下环状安装槽D2；其中，环状安装槽D3与固定盘C上的安装槽C3正对设置，两者相配合，实现3#轴承H3的安装，通过3#轴承实现旋转盘D和固定盘C之间的相对转动；环状安装槽D2位于旋转盘D的上表面，用于与压盖E相配合，实现旋转盘D与压盖E之间的相对转动。进一步地，为减小旋转盘D在运行时的转动惯量，从而减轻旋转盘D和中心轴B等组成的转动系的晃动及震动，将旋转盘D上部圆周边削成斜坡D5；此外，为进一步减小旋转盘D在运行时的转动惯量，可采用质量较小的铝合金或钛合金制作旋转盘D，并严格检验转动系的动平衡。在旋转盘D下方设置安装槽D3的位置处设有润滑油加注通孔D7，用于为3#轴承H3添加润滑油。当旋转盘上的喷气孔与固定盘上的通气孔对应时，喷射高压气体，当喷气孔与通气孔错开时封闭通气孔，产生一次高压气体脉冲。旋转盘D的喷气孔D1的直径、起点距、径向孔位排列均与固定盘C的通气孔C9相同，但其沿圆周的分布有以下不同：
旋转盘D上的喷气孔D1的分布按照声参量发射阵的原理设计，即每一个喷气孔D1构成一个声源，所有声源分为频率不同的两组或多组间隔分布，各组声源的本频声波在近场以较小扩散角传播，并在远场形成各组间的差频声波。以本实例的一种分布方式为例：在第1、4、7共3个同心圆环，孔的分布角为22.5°，即每个圆环具有16个喷气孔；第2、5、8、10共4个同心圆环孔的分布角为11.25°，每个圆环具有32个喷气孔；第3、6、9、11共4个同心圆环孔的分布角为5.625°，每个圆环具有64个喷气孔。3种分布形成以同心圆环16个喷气孔为基数、32孔(2倍)和64孔(4倍)等比孔数的分布，在等效直径DS＝870mm的喷气圆平面上共有432个喷气孔分批轮流喷气发声。
参见图7的(a)和(b)，压盖E整体呈圆盘形，位于旋转盘D的上方，且压盖E的半径与固定盘C的半径相同。在压盖E的中心设有供中心轴B穿过的轴孔E4和用于安装1#轴承H1的安装槽E6，在压盖E靠近外圆周面处设有与上环A1的螺孔A1b和固定盘C的螺孔C5相对应的螺孔E1，在压盖E的下部紧邻螺孔E1的内侧形成有凹止口E7，该凹止口E7与固定盘C上部的凸止口C1相配合，并通过螺孔A1b、C5和E1将上环A1、固定盘C和压盖E三者进行固定连接，在压盖E下部形成有容纳旋转盘D上半部的安装空间E5，该安装空间E5与固定盘C上用于容纳旋转盘D下半部的安装空间C2正对设置。在压盖E的下部还设有与旋转盘D上的环状安装槽D2相对设置的上环状安装槽E2，两者配合实现4#轴承的安装；同时，在环状安装槽E2上开设用于注入润滑油的润滑油加注通孔E4。
电机G位于气缸A内部，为本公开装置提供动力，驱动中心轴B和旋转盘D组成的转动系转动。电机固定安装在固定盘C下部正中，通过固定盘C的企口C8实现同心和指向定位。
本公开装置以固定盘C为定位基准，在固定盘C中心的上平面设置2#轴承H2的安装座C4，2#轴承H2的下平面与固定盘C的轴承座C4配合，上平面与中心轴B凸台的下平面B6配合；旋转盘D的下平面位于中心轴B凸台的上平面B5上，旋转盘D的下平面与固定盘C的上平面之间安装3#轴承H3，两者的间距保持在0.5mm左右。旋转盘D与压盖E之间安装1#轴承H1和4#轴承H4，保持高速旋转时旋转盘D稳定运行。固定盘C和压盖E的外侧设置的定位止口C1和E7可保证两者同心，并通过中心轴保证旋转盘D与之同心。
具体的，本实施例设电机G的转动频率为f0 Hz，当与电机G同步转动的旋转盘D转动1圈，旋转盘D上的喷气孔D1与固定盘C上的通气孔匹配开孔次数分别为16次、32次和64次，即固定盘C的通气孔将同步产生16×f0 Hz、32×f0 Hz和64×f0 Hz的高压脉冲声波。设电机G转动的频率为10Hz，则喷气孔D1的实际频率分别为低频f1＝160Hz、中频f＝320Hz、高频f2＝640Hz。
低频160Hz和中频320Hz匹配产生的第一声量阵的差频波fd1＝160Hz；中频320Hz和高频640Hz匹配产生的第二声量阵的差频波fd2＝320Hz。由此产生的声学参量阵的指向性良好。在第二声学参量阵的末端，高频波的声强已大量衰减，差频波fd2的声强达到最大值，再与第一声学参量阵的差频波fd1产生新的第三声学参量阵，高频波为320Hz，差频波的频率fd3＝160Hz。
以(5)式计算第二声学参量阵声波(差频波fd2＝320Hz)的发散半角ΨC＝2.47°，并由(4)式计算声学参量阵的长度L0C＝313m，即可计算第二声学参量阵的端平面(虚拟平面)的直径DSX＝27.0m。第三声学参量阵(差频波fd3＝160Hz)将在第二声学参量阵的虚拟平面上扩散，从该虚拟平面开始，按(5)式计算的发散半角ΨC＝2.14°，按(4)计算的长度L0C＝839m，则第三声学参量阵的半径为DSX＝31.4m。第三声学参量阵的差频波160Hz(波长2.13m)。按(2)式计算从第三声学参量阵往外的发散半角为2.37°，在2000m的位置，发散半径增加48.1m，声波面积约20000m2。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本公开的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本公开的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本公开的范围由权利要求及其等同物限定。
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