一种用于产生高能级声波的装置

1.本发明涉及声波技术领域，尤其是涉及一种用于产生高能级声波的装置。


背景技术：

2.声波可分为次声波、可闻声和超声波。其中超声波和次声波由于其特有的性质，具有较多应用。
3.超声波是频率高于20khz的声波。超声波作用于介质的机制主要有热效应、力学效应和空化效应三种形式。基于以上作用机制，超声波可用于进行废水处理、防除结垢、清洗消毒、医学检查、超声测距、超声焊接、食品加工和药品、化妆品制备等。例如在医学检查领域常用的b型超声波诊断仪、在渔船和军舰上常用的声纳技术均采用了超声波技术。
4.次声波的频率范围为0.0001hz～20hz。次声波具有隐蔽快速、传播距离远、穿透力强、非污染性和不受电磁干扰等优点。值得注意的是，某些频率的次声波和人体器官的振动频率相近，当次声波与人体器官产生共振时，会对人体产生明显影响甚至伤害。
5.因此，次声波可在工业生产、环境监测、医疗卫生和军事等领域发挥重要作用。在工业生产中，次声波可用于锅炉清灰、油气井动液面测量、管道泄露监测等领域；在环境监测中，次声波可用于地震、海啸、火山等地质灾害的预警；在医疗卫生中，次声波能在血管疾病治疗等领域发挥作用；在军事中，次声波武器可在反恐作战、突发社会安全事件等方面发挥重要作用。
6.在声波的应用中需要通过声波发生装置产生一定声强的声波。声波的产生方法较多，次声波与超声波的产生方法也存在不同之处。目前超声波发生装置一般为功率模块超声发生器，往往使用功率mos管或者igbt作为开关器件。次声波发生装置目前尚不成熟，次声波的产生方法包括爆炸产生法、振动产生法、频率差拍产生法和气流产生法。
7.如公开号为cn210614255u的中国专利文献公开了一种频率差拍式次声波装置，包括支撑框架、第一超声波发射器和第二超声波发射器，所述支撑框架的下部固定连接有第一振动斜板和第二振动斜板，所述第一振动斜板的下部连接有第一超声波发射器，所述第二振动斜板的下部连接有第二超声波发射器，且第一振动斜板和第二振动斜板的下端设有固定长条连接片，所述固定长条连接片的上部设置有声频率传感器，所述支撑框架的左端连接有外部检测器，所述支撑框架的上部设有导波盖板。但是，现有的次声波装置无法便捷、可控地产生高声强的次声波
8.因此，亟需设计一种稳定产生高能级声波的装置，但目前受限于声学换能器的运行频率，其难以产生频率非常高的声波，例如超声波。


技术实现要素：

9.本发明提供了一种用于产生高能级声波的装置，可以方便、可控地产生定向发射的高能级声波。
10.一种用于产生高能级声波的装置，包括控制模块、声学换能器和谐振系统，所述的
谐振系统包括相互连接的气体谐振腔和声波导管，所述的声学换能器设置在气体谐振腔内远离声波导管的一侧；
11.所述的控制模块通过控制声学换能器产生一定频率和声强的声波，产生的声波经谐振系统加强后通过声波导管实现定向发射。
12.进一步地，所述的声学换能器通过往复运动的活塞产生特定频率的声波，驱动活塞的动力来自直线电机、旋转电机，也可以采用内燃机等热动力设备。
13.进一步地，所述的控制模块通过控制声学换能器的运行频率和活塞位移调制声波的频率和振幅。
14.具体的，控制模块需根据声学换能器的形式确定控制方式。例如声学换能器为直线电机时，控制模块一般通过调节控制电流的大小和频率来调节直线电机的频率和活塞位移振幅。
15.所述谐振系统的共振频率与声学换能器产生的声波频率相同，所述的谐振系统在气体谐振腔或声波导管内设有可拆卸的机械振子；
16.所述的谐振系统具有单独使用气体谐振腔的工作模式，或者同时使用气体谐振腔和机械振子的工作模式工作。
17.根据所需声波频率设计谐振系统内气体谐振腔和声波导管的管径、长度及机械振子的质量等参数，保证系统的共振频率与所需声波频率相同，这有利于提高该频率下声波的强度。
18.所述的机械振子设置在气体谐振腔或声波导管内，通过声学换能器产生的声波进行往复运动。
19.系统内机械振子是可选的，起到调节气体谐振腔和声波导管的谐振频率的作用，当所需谐振频率较低的时候，增加机械振子可以减小气体谐振腔和声波导管的大小，机械振子根据实际情况可位于谐振腔或声波导管内。机械振子有利于系统结构的紧凑。
20.气体谐振腔的管径一般大于所述声波导管的管径，从而有利于缩短系统的长度。除了谐振作用，声波导管也起到声波定向发射的作用。因此在声波导管的设计中，声波导管的管径的设计需要考虑管内获得平面波的条件，管长的设计则需与气体谐振腔设计相结合，同时还需考虑管内声波的衰减问题，包括管内的粘滞阻尼损失、弯头损失及出口末端反射损失。
21.优选地，在声波导管的合适位置可布置喷口或弹性膜片，用于增强发射声波的强度。该布置可使得气体谐振腔内的压力略高于大气压，提高产生的声波的声强。且采用喷口结构时，谐振腔内的气流经过喷口喷出时也会产生一定频率和声压的声波。
22.可选择的，所述的装置还可包括与谐振系统连接的供气系统，所述的供气系统包括空气压缩机、储气罐和阀门，通过空气压缩机压缩空气使储气罐内获得高于大气压的稳定压力，通过调节阀门控制谐振系统内的工作压力。
23.也可以直接采用气罐供气的方式，预先储存一部分高压气体在气罐中，这样就可以省去压缩机。此时，所述的供气系统包括储气罐和阀门，预先在储气罐储存高压气体，并通过调节阀门控制谐振系统内的工作压力。
24.在常压下，通过调节声学换能器的活塞位移振幅能输出满足要求的声波时，可以取消供气系统。在需要升高系统内压力以进一步提高声波强度时可以增加供气系统。
25.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
26.本发明通过声学换能器产生一定工作频率和声强的声波，产生的声波经谐振系统加强后通过声波导管实现定向发射，该产生高能级声波的装置具有效率高、能量密度高、单频性好、结构紧凑、无外部噪声、隐蔽性好和不易被干扰等显著优点。
附图说明
27.图1是本发明实施例1的用于产生高能级声波的装置的系统示意图；
28.图2是本发明实施例2的用于产生高能级声波的装置的系统示意图；
29.图3是本发明实施例3的用于产生高能级声波的装置的系统示意图；
30.图4是本发明实施例4的用于产生高能级声波的装置的系统示意图。
31.图中：1-控制模块，2-直线电机，3-气体谐振腔，4-声波导管，5-喷口，6-空气压缩机，7-气阀，8-调压阀，9-储气罐，10-弹性膜片，11-机械振子。
具体实施方式
32.下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
33.实施例1
34.如图1所示，本实施例中，一种用于产生高能级声波的装置，包括控制模块1、直线电机2、气体谐振腔3、声波导管4、喷口5、空气压缩机6、气阀7、调压阀8和储气罐9。直线电机2作为声学换能器，系统内布置了供气系统，未选用机械振子。
35.其声波发生过程如下：
36.首先保持气阀7关闭，启动空气压缩机6，空气压缩机6将空气压缩后储存在储气罐9内，使得储气罐9内压力稳定，并高于大气压力。接着通过控制模块1启动直线电机2，使直线电机2驱动活塞按照要求的频率和位移振幅运行。之后打开气阀7，并通过调节调压阀8，将一定压力的气流输送到系统内，将气体谐振腔3内压力调制到系统所需的压力值(在储气罐9内压力和大气压之间)。其中由于喷口5的作用，喷口5前后可以形成压差，喷口5后为大气压，喷口5前的压力(即气体谐振腔3内压力)则可在一定程度内调节。
37.随着直线电机2驱动的活塞往复运动，系统内将产生对应频率的声波。与此同时，这也会导致气体的来回振荡。产生的气流经过气体谐振腔3和声波导管4，经过喷口5喷出，也能产生相应频率和声压的声波。当气体谐振腔3和声波导管4的共振频率与直线电机2的运行频率相同时，两种方式产生的声波的频率相同。但两者产生的声波的相位关系受到直线电机2位移振幅、运行频率、喷口5的位置和结构等因素的影响，需要通过调整以上参数使得声波的相位一致，从而增强声波的强度。
38.产生的声波通过声波导管4引出。声波导管4起到了声波引出和声波定向的作用。因此在声波导管4的设计过程中，需要考虑到以下因素：一是声波导管4的管径要满足管内获得平面波的条件，从而使声波导管4具有定向作用；二是声波导管4的管长和管径的设计中要与气体谐振腔3相结合，使得系统的共振频率与产生声波的频率相同，这有利于声波的加强；三是声波导管4内声波的衰减问题，主要是管内的粘滞阻尼损失、弯头损失和出口末端的反射损失。
39.本实施例1中，在气体谐振腔3、声波导管4、喷口5的结构优化的基础上，在合理的工作压力下，通过直线电机2驱动活塞按设计的频率与位移振幅工作，最终可以产生定向发射的高能级声波。该系统具有效率高、能量密度高、单频性好、结构紧凑、无外部噪声、隐蔽性好和不易被干扰等显著优点。
40.实施例2
41.如图2所示，本实施例中，一种用于产生高能级声波的装置，包括控制模块1、直线电机2、气体谐振腔3、声波导管4、空气压缩机6、气阀7、调压阀8、储气罐9和弹性膜片10。在实施例2中，直线电机2作为声学换能器，系统内布置了供气系统，未选用机械振子。
42.其声波发生过程如下：
43.首先保持气阀7关闭，启动空气压缩机6，空气压缩机6将空气压缩后储存在储气罐9内，使得储气罐9内压力稳定，并高于大气压力。之后打开气阀7，并通过调节调压阀8，将一定压力的气流输送到系统内，将气体谐振腔3内压力调制到系统所需的压力值(在储气罐9内压力和大气压之间)。值得注意的是，要保证气体谐振腔3内压力和大气压之间的压差在弹性膜片承受范围内。接着通过控制模块1启动直线电机2，使直线电机2驱动活塞按照要求的频率和位移振幅运行。
44.随着直线电机2驱动活塞往复运动，系统内将产生对应频率的声波。弹性膜片10的存在会隔绝气流，但不影响声波的传递。值得注意的是，弹性膜片10会影响气体谐振腔3的压力上限。在确定了弹性膜片10的材料及结构后，弹性膜片10能承受的压差随之确定，要保证气体谐振腔3内的压力与大气压之间的压差小于弹性膜片10能承受的压差上限。
45.与实施例1相同，气体谐振腔3和声波导管4的共振频率需与直线电机2的运行频率相同，这样有利于增强产生的声波。
46.产生的声波通过声波导管4引出。声波导管4起到了声波引出和声波定向的作用。因此在声波导管4的设计过程中，需要考虑到以下因素：一是声波导管4的管径要满足管内获得平面波的条件，从而使声波导管4具有定向作用；二是声波导管4的管长和管径的设计要与气体谐振腔3的设计相结合，使得系统的共振频率与产生声波的频率相同，这有利于声波的加强；三是声波导管4内声波的衰减问题，主要是管内的粘滞阻尼损失、弯头损失和出口末端的反射损失。
47.本实施例2中，在气体谐振腔3、声波导管4、弹性膜片10的结构优化的基础上，在合理的工作压力下，通过直线电机2驱动活塞按设计的频率与位移振幅工作，最终可以产生定向发射的高能级声波。该系统具有效率高、能量密度高、单频性好、结构紧凑、无外部噪声、隐蔽性好和不易被干扰等显著优点。
48.实施例3
49.如图3所示，本实施例中，一种用于产生高能级声波的装置，包括控制模块1、直线电机2、气体谐振腔3、声波导管4、喷口5、空气压缩机6、气阀7、调压阀8、储气罐9和机械振子11。直线电机2作为声学换能器，系统内布置了供气系统，且选用了机械振子11，机械振子为往复运动的活塞。
50.其声波发生过程与实施例1基本一致，具体过程为：
51.首先保持气阀7关闭，启动空气压缩机6，空气压缩机6将空气压缩后储存在储气罐9内，使得储气罐9内压力稳定，并高于大气压力。接着通过控制模块1启动直线电机2，使直
线电机2驱动活塞按照要求的频率和位移振幅运行。之后打开气阀7，并通过调节调压阀8，将一定压力的气流输送到系统内，将气体谐振腔3内压力调制到系统所需的压力值(在储气罐9内压力和大气压之间)。其中由于喷口5的作用，喷口5前后可以形成压差，喷口5后为大气压，喷口5前的压力(即气体谐振腔3内压力)则可在一定程度内调节。
52.随着直线电机2驱动活塞往复运动，系统内将产生对应频率的声波。与此同时，这也会导致气体的来回振荡。产生的气流经过喷口5喷出后，也悔产生相应频率和声压的声波。当气体谐振腔3、机械振子11和声波导管4设计的共振频率与直线电机2的运行频率相同时，两种方式产生的声波的频率相同。但两者产生的声波的相位关系受到直线电机2的位移振幅、运行频率及喷口5的位置和结构等因素的影响，需要通过调整以上参数使得声波的相位一致，从而增强声波的强度。
53.值得注意的是，机械振子11的存在使得气体谐振腔3和声波导管4的结构发生了变化。由于机械振子11的存在，谐振系统达到需要的谐振频率时，气体谐振腔3和声波导管4总体上的管径和长度相对可以减小。机械振子11有利于系统结构的紧凑。
54.产生的声波同样通过声波导管4引出。声波导管4起到了声波引出和声波定向的作用。因此在声波导管4的设计过程中，需要考虑到以下因素：一是声波导管4的管径要满足管内获得平面波的条件，从而使声波导管4具有定向作用；二是声波导管4的管长和管径的设计中要与气体谐振腔3及机械振子11的设计相结合，使得系统的共振频率与产生声波的频率相同，这有利于声波的加强；三是声波导管4内声波的衰减问题，主要是管内的粘滞阻尼损失、弯头损失和出口末端的反射损失。
55.本实施例3中，在气体谐振腔3、机械振子11、声波导管4和喷口5的结构优化的基础上，在合理的工作压力下，通过直线电机2驱动活塞按设计的频率与位移振幅工作，最终可以产生定向发射的高能级声波。该系统具有效率高、能量密度高、单频性好、结构紧凑、无外部噪声、隐蔽性好和不易被干扰等显著优点。
56.实施例4
57.如图4所示，一种用于产生高能级声波的装置，包括控制模块1、直线电机2、气体谐振腔3和声波导管4。在实施例4中，直线电机2作为声学换能器，系统内未布置供气系统，未选用机械振子。
58.本实施例4是该系统的最简化形式，其在大气压环境下工作，相对来说声波强度的调节能力低于布置供气系统的实施例1～3。其声波发生过程如下：
59.通过控制模块1控制直线电机2驱动活塞按所需的频率和位移振幅往复运动，系统内将产生对应频率的声波。与此同时，按照所需频率，设计气体谐振腔3和声波导管4，使得气体谐振腔3和声波导管4的共振频率与直线电机2的运行频率相同。一方面这有利于增强输出声波的强度；另一方面减少了其他频率声波的干扰，能实现声波在特定工作频率下的高能量占比。
60.产生的声波通过声波导管4引出。声波导管4起到了声波引出和声波定向的作用。因此在声波导管4的设计过程中，需要考虑到以下因素：一是声波导管4的管径要满足管内获得平面波的条件，从而使声波导管4具有定向作用；二是声波导管4的管长和管径的设计中要与谐振腔3的设计相结合，使得系统的共振频率与产生声波的频率相同，这有利于声波的加强；三是声波导管4内声波的衰减问题，主要是管内的粘滞阻尼损失、弯头损失和出口
末端的反射损失。
61.本实施例4中，在气体谐振腔3和声波导管4的结构优化的基础上，在大气压下，通过直线电机2驱动活塞按设计的频率与位移振幅工作，最终可以产生定向发射的高能级声波。该系统具有效率高、能量密度高、单频性好、结构紧凑、无外部噪声、隐蔽性好和不易被干扰等显著优点。
62.以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。