Научно-производственное предприятие
phone
  • (068) 734-59-44
Контакты
  • Syneko - научно-производственное предприятие
  • Александр Согоконь
  • +38 (068) 734-59-44
  • Написать нам
  • Московский проспект, 41, Харьков
  • График работы

Термоакустические эксперименты

Диалектика процесса познания заключается в том, что для того, чтобы перейти на новый виток понимания проблемы или происходящих процессов, обязательно необходимо полностью пройти предыдущий виток, и внимательно посмотреть, а не пропущено ли что-либо существенное нашими предшественниками. Поэтому, чтобы свободно ориентироваться в современных достижениях и адекватно оценивать перспективы практического использования термоакустики, начнем с самых простейших и самых «древних» экспериментов. И, кроме того, появление новых материалов, новых методов и приборов может неожиданным образом «оживить» невостребованные стороны экспериментов столетней давности.

Часть 1. Эксперименты с пробирками (трубками Зондхаусса).

На рис.1 показана схема первого эксперимента, в котором мне удалось получить стабильную генерацию. Стеклянная пробирка длиной 30см и внутренним диаметром 18мм была на ¼ длины помещена в цилиндрическую электропечь, которая подключалась к сети через автотрансформатор. В качестве среды, осуществляющей пространственную модуляцию параметров рабочего тела[1], была применена стальная вата, которую обычно используют в мебельном производстве для шлифовки деревянных и лакированных поверхностей. Степень «грубости» этой ваты маркируется цифрами от 4 (самая грубая) до 1 и нулями от одного (0) до четырех (0000). В экспериментах использовалась вата 00, 000 и 0000. Особой разницы в генерационных свойствах замечено не было, но с ватой 0000 приятней работать.

Ячейка Зондхаусса.png

Частота генерируемого звука определялась методом нулевых биений с помощью виртуального генератора описанного здесь http://www.zapisnyh.narod.ru/virt.htm . Следует заметить, что в термоакустическом эксперименте генерируется кристально чистый звук, который наше ухо в нашей жизни слышит очень редко. Поэтому для метода нулевых биений настольные колонки, а тем более, встроенные в монитор, имеющие ограниченный диапазон воспроизводимых частот и большие гармонические искажения, абсолютно не подходят. Даже колонки от некогда самого лучшего проигрывателя виниловых пластинок «Электроника-001» в сравнении с пробиркой на некоторых частотах звучали как громыхающая телега.

По большому счету, акустические эксперименты нужно проводить в специальном безэховом помещении, оборудованном, не хуже студии звукозаписи, либо в открытом пространстве вдали от построек. Для этого есть несколько причин. Во-первых, интенсивность генерируемого звука очень высока и в результате интерференции "монохроматических" пучков возникают очень контрастные стоячие волны, буквально от полной тишины до болевого порога. Поэтому уши лучше поберечь, если работа идет в неприспособленном помещении. Во-вторых, в результате той же интерференции, генерация может и не возникнуть. Был такой случай, когда генерация возникала и срывалась в зависимости от наклона моей головы. В-третьих, интерференция затрудняет и искажает амплитудные измерения. По этой причине амплитудные измерения в данной работе не проводились.

На Рис.2 показана фотография первой экспериментальной установки, а на Рис.3 расположение стальной ваты в пробирке.

Рис 2-3.png

Первые эксперименты показали, что используемая печь из-за своих размеров и тепловой инерционности очень неудобна в работе. Поэтому был сделан небольшой легкий нагреватель, который подходил почти для всех размеров имеющихся пробирок и трубок. Он показан на Рис.4.

Нагреватель.png

С помощью нового нагревателя были проверены генерационные свойства 10-ти разных пробирок. Некоторые данные приведены в таблице 1

Таблица.png

Сложнее всего было получить стационарную генерацию от последней самой короткой пробирки. Она сделана из сорта стекла, обладающего очень большой теплопроводностью. Если все остальные пробирки можно легко держать пальцами на расстоянии всего в 1 см от нагревателя, то эту невозможно удержать даже на расстоянии в 3см от нагревателя. Поэтому для генерации пришлось по центру «ватного пыжа» пропустить медную проволоку диаметром 2,5 мм и длиной до открытого конца пробирки. Только так удалось обеспечить нужный градиент температуры и стабильную генерацию.

Лямбда-эль.png

Рис.5.

На основании данных таблицы 1 построим график зависимости длины волны генерируемого звука от длины пробирки (Рис.5). Из теории известно, что длина волны генерируемого звука в 4 раза больше длины пробирки, поэтому тангенс угла наклона прямой на Рис.5 должен быть равен 4. Однако мы имеем 5% отклонение (синяя прямая на графике), которое трудно объяснить погрешностями измерения длины трубки (Δl = ±1мм) и частоты звуковых колебаний (Δλ = ±1Гц). Единственный неконтролируемый параметр при вычислении длины волны, это скорость звука, которая была принята равной 334м/сек. Но для того, чтобы получить приемлемое согласие с результатами эксперимента, нужно было бы взять скорость звука, равную 320-322м/сек (красная линия на графике), что соответствовало бы проведению эксперимента в лютый мороз (-15 –17 градусов по Цельсию). Поэтому, следует предположить, что существуют еще какие-то параметры, влияние которых не было учтено в данном эксперименте.

Очень важный вопрос, на который нужно было получить ответ, это как точно нужно располагать модулятор в точке x = L/4? Была взята пробирка, длиной 30см и нагреватель был установлен в положении x = L/3 (x– расстояние от запаянного конца пробирки). Без особых усилий была получена генерация, правда на другой частоте. Затем нагреватель произвольным образом устанавливался в разные участки пробирки, и генерация была получена даже в положении более чем L/2. Результаты этого эксперимента приведены на Рис.6.

Частота-положение.png

Рис.6

Из анализа этого графика следует, что не длина пробирки определяет частоту генерации, а положение модулятора. Причем, чем ближе модулятор к открытому концу пробирки, тем выше частота. Таким образом, частотозадающим элементом является отрезок пробирки от открытого края до положения модулятора. Самая низкая частота, а стало быть, и самая длинная волна, возбуждается только тогда, когда модулятор находится около запаянного края пробирки. Минимальное расстояние модулятора от запаянного края, при котором получена генерация, в данном случае составляло 2,5см.

В процессе выполнения этого эксперимента, было замечено, что частота генерации зависит от предыдущего положения нагревателя. Например, если на данную точку нагреватель смещался со стороны запаянного края, то получим одну частоту, а если на ту же точку нагреватель двигался со стороны свободного края, то получим другую частоту генерации. Поскольку в данном эксперименте нагреватель перемещался случайным образом, в том числе и в разных направлениях, то именно этим можно объяснить большой разброс точек на графике. Поэтому методика проведения следующего эксперимента была соответствующим образом подкорректирована.

Для эксперимента была взята пробирка длиной 25см. Нагреватель и модулятор были установлены на расстоянии 3см от запаянного края, и с интервалом в 2 см перемещались к открытому краю пробирки. Последняя точка, в которой была получена генерация, располагалась на расстоянии 14см от запаянного края. Из этой точки, тоже с интервалом в 2 см нагреватель перемещался в обратном направлении к запаянному краю. Результаты показаны на Рис.7.

Туда-сюда.png

Рис.7.

Объяснить полученные данные можно следующим образом. Когда нагреватель и модулятор перемещаются к свободному краю, то они переходят на холодную часть пробирки, и за ними остается прогретая часть стекла и воздуха, которая не успевает охладиться к моменту начала генерации на новом месте. Тепловой шлейф способствует ускорению колебательных процессов, что и проявляется в увеличении частоты. При обратном движении и нагреватель, и модулятор оказываются на нагретой части пробирки, что приводит к снижению градиента температуры и понижению частоты генерации. Удивительное совпадение свободных членов в уравнениях прямых свидетельствует о том, что эти прямые выходят из одной точки.

Следующий эксперимент призван ответить на вопрос «какую минимальную мощность необходимо затратить, чтобы получить хотя бы едва слышимый звук?» Другими словами, речь пойдет о пороге генерации.

В пробирке длиной 15см на расстоянии 1,5см от запаянного края был расположен стандартный модулятор из стальной ваты. Край нагревателя находился на расстоянии 3см от края пробирки. Таким образом, полтора сантиметра ваты оказались в зоне нагрева. Затем очень плавно с помощью автотрансформатора на нагревателе повышалось напряжение до тех пор, пока не появлялись признаки звука. Громкость звука устанавливалась минимально необходимой для определения его частоты методом нулевых биений. Фиксировалась частота генерации и напряжение на нагревателе. Каждое следующее измерение осуществлялось после остывания системы до комнатной температуры. Затем модулятор был передвинут на отметку 2см от края, а нагреватель оставался на месте. В этом случае в зоне нагрева был только 1 см ваты. Это привело к снижению порога генерации. Но когда в зоне генерации оказалось только 0,5 см ваты, то порог не изменился (точка 3 на Рис.8). Поэтому в дальнейшем край ватного «пыжа» вдвигался на 7-10мм в зону нагрева.

Порог.png

Рис.8.

Из приведенных на Рис.8 результатов следует, что легче всего возбудить акустические колебания в пробирке, если модулятор, находится вблизи отметки x=L/4. В других положениях колебания «выбиваются» ценой значительного перерасхода тепловой энергии. Следует заметить, что при такой конструкции нагревателя, как показано на Рис.3, в полость пробирки попадает менее половины общей мощности нагревателя. Поэтому можно смело утверждать, что для возбуждения колебаний необходимо, по крайней мере, 30 Ватт тепловой энергии. А с учетом результатов работы

http://syneko.etov.com.ua/articles/13837-ChEMU-RAV... , следует, что не каждая свеча может заставить звучать пробирку.

Очень интересно проследить, как ведет себя частота колебаний при некотором превышении порога генерации в различных положениях нагревателя. На рис.9. показана зависимость частоты генерации при прямом перемещении (красная кривая). Как видим, вместо линейной зависимости, которая имела место ранее (Рис.6 и Рис.7), наблюдается квадратичная зависимость от величины смещения. Следует предположить, что это влияние квадратичной зависимости пороговой мощности. Обратное движение нагревателя осуществлялось, как и в предыдущих экспериментах, при постоянной мощности нагревателя, которая в данном случае была максимальной и составляла 153 Ватта. В результате, как и ранее, получилась линейная зависимость. Таким образом, все предыдущие эксперименты были выполнены при значительном превышении порогового уровня мощности, и мощность нагревателя при этом не менее 150 Ватт.

Порог туда-сюда.png

Рис.9

Остался еще один невыясненный вопрос: как зависит частота генерации от мощности нагревателя. Для этого в предыдущем эксперименте, после определения порога в точке 0,29 (точка 5 на Рис.8), плавно увеличивалась мощность нагревателя и измерялась частота генерации. Результаты показаны на Рис.10.

Мощность частота.png

Рис.10

Как следует из графика, частота линейно зависит от мощности источника тепла и увеличивается со скоростью 0,19Гц/Вт при увеличении мощности. Вполне возможно, что в пробирке другого размера скорость изменения частоты будет другой. По мере увеличения мощности нагревателя возрастала и амплитуда акустических колебаний, и при некотором уровне начали проявляться искажения в виде появления второй гармоники.

Факт зависимости частоты колебаний от мощности возбуждения объясняет причину большой погрешности в первых экспериментах (Рис.5), выполненных без контроля мощности нагревателя, и подтверждает объяснение причины различия частот в зависимости от направления перемещения нагревателя вдоль пробирки (Рис.7).

Теперь остается выяснить физический смысл угловых коэффициентов на графиках рисунков 6, 7 и 9. По определению это изменение частоты, приходящееся на единицу смещения зоны нагрева, своего рода скорость изменения частоты. Для длинной пробирки (30см) это изменение мало 2,73 Гц/см, для пробирки длиной 25 см, оно больше 4,36 Гц/см, и для самой короткой (15см) наибольшее – 14,2 Гц/см. Эти данные неплохо укладываются на гиперболу C/L2 , где C – некоторая постоянная, имеющая размерность Гц·см или см/сек.Отсюда можно предположить, что C=C0V, где, C0– безразмерная константа, а V – скорость звука или иная скорость, характерная для происходящих в пробирке процессов. По данным графика на Рис.11, C примерно равно 3000. Если V- скорость звука, равная 334м/сек, то C0 равно примерно 9.

Гипербола.png

Рис.11

Интересно посмотреть, как изменяется длина волны генерации при смещении зоны нагрева от точки x=L/4. Для этого переведем значения частоты в длину волны (см. Рис.6, 7 и 9), полагая, что скорость звука равна 334 м/сек. Эти данные для трех пробирок приведены на рис.12.

длина волны-положение.png

Рис.12

Как следует из графиков, несмотря на большие различия в длинах пробирок (в 2 раза) и в диапазонах генерируемых частот (более, чем в 2 раза), изменения в длинах волн для всех пробирок оказались одинаковыми. Более того, смещение зоны нагрева на 1см, вызывает изменение длины волны генерации тоже примерно на 1см, независимо от длины пробирки. Некоторый разброс точек обусловлен методическими погрешностями, такими, как отсутствие контроля над мощностью нагревателя, и отсутствие контроля над глубиной проникновения стальной ваты в зону нагрева. Следует также отметить, что и некоторые геометрические параметры пробирок тоже были разные, например, толщина стенок, марка стекла и отношение d/L (см. таблицу 1).

Выводы

    1.Несмотря на большую схожесть рассмотренной термоакустической ячейки с колебательным контуром в регенеративном радиоприемнике, с антенной и с лазером, она, тем не менее, имеет существенные отличия. Главное заключается в сильной зависимости частоты генерации от уровня накачки. В таком простом виде эта ячейка не может быть использована в качестве задающего генератора. Она нуждается в системе стабилизации частоты.

    2.Частота генерации также зависит и от расстояния модулятора от запаянного края пробирки, при этом самый низкий порог генерации наблюдается в точке L/4, а величина смещения однозначно связана с приращением длины волны.

    3.Наличие двух рычагов воздействия на частоту, создает предпосылки к проектированию стабильных генераторов звука.

Харьков, январь-декабрь 2012 года.


[1]Термин «стек» - стопка, штабель, указывает на внешний вид этой детали и ничего не сообщает о ее функции. На самом деле это пространственный модулятор потока, причем термин «поток» следует понимать в самом широком смысле. Это и поток газа, и поток тепла.

22 августа 2014
© 2013 - 2018 Syneko - научно-производственное предприятие | Пожаловаться на содержимое
Создать сайт бесплатно
Сайт создан на платформе UA MarketUA Market