一种带拉瓦尔喷管的哈特曼声波发生器

技术领域

本发明涉及一种带拉瓦尔喷管的哈特曼声波发生器，属于声波发生器技术领域。

背景技术

目前航空航天噪声环境试验领域主要使用的噪声换能器为电动气流扬声器。受工作原理的制约，在高于1KHz的频率上很难调制气流，中高频区域声能由冷空气喷射噪声和来自较低的频率调制的谐波失真综合产生。因此，其在中高频频段的发声效率很低，对部分中高频要求高的声谱难以满足要求。

同时，随着我国各种新型运载火箭及武器装备的不断出现，其噪声环境越来越恶劣，因此对噪声环境试验的载荷要求越来越高。并且随着型号体积的增大，噪声试验需要的混响室的体积也越来越大，大体积的混响室高频加载愈加困难，因此需要在试验中对声场的高频加载进行一定的补偿。

哈特曼哨是由丹麦学者Hartmann在1918年提出的一种流体动力型声波发声器，哈特曼哨具有结构简单、体积小、耐冲击，可在恶劣的条件下工作等优点。只要材料强度条件允许，就可在较高的压强下产生大功率的声辐射。同时，哈特曼发声器还具有造价低廉、处理量大、操作方便、经久耐用等特点，被广泛应用在如声波除灰、解堵、防垢、防蜡、降粘、加速化学反应、抑制飞机冲击噪声、空穴噪声等方面。

哈特曼哨主要由喷射腔和谐振腔组成。Hartmann等人通过对总结了哈特曼哨的发声机理，流体从喷射腔以一定的速度射出，在喷嘴前面形成不稳定的压力场，于压力场内放置一谐振腔，喷射腔和谐振腔形成谐振系统。从喷射腔喷射出的流体对谐振腔产生周期性的充气过程，导致谐振腔的反馈流压逐渐上升，这样从谐振腔反馈出的流体与喷射流体产生撞击，发出声波。

拉瓦尔喷管一般是火箭发动机和航空发动机的常用部件。参见图1，拉瓦尔喷管由收缩段2与扩张段4两部分构成，收缩段2是由大变小，向中间收缩至喉部3，喉部3之后是扩张段4，管径又由小变大向外扩张。拉瓦尔喷管是瑞典人拉瓦尔发明的，工作原理是气体在一定的压力作用下，首先气体流入拉瓦尔管的收缩段，在这一阶段，气体运动遵循气体流速与管道截面面积成反比的运动规律，因此气流不断加速；当气流到达喉管处时，流速会接近或达到音速，而跨音速的气体在管中运动时，截面增大，流速加快。因此拉瓦尔喷管在整个气体的流动过程中起到一个“流速增大器”的作用，可使气流速度随喷管截面面积变化而发生相应的变化，能使气体的流速从亚音速提高至超音速，甚至高超音速。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对现有技术中的上述不足和需求，本发明提出一种带拉瓦尔喷管的哈特曼声波发生器，其将哈特曼哨的普通喷口改进为拉瓦尔喷管，有效提升哈特曼哨的发声效率。进一步的，本发明将哈特曼哨的谐振腔改为可调节深度的谐振腔，可满足发出不同的特定声波频率的要求。

(二)技术方案

一种带拉瓦尔喷管的哈特曼声波发生器，包括拉瓦尔喷管和谐振腔，拉瓦尔喷管用于喷射出高压高速气体，拉瓦尔喷管前端通过螺纹连接管路以接通高压气源，所述谐振腔的深度具有可调节性，所述谐振腔具有贯通的腔体，所述谐振腔背离拉瓦尔喷管的一端设置调节杆，所述调节杆一端的杆帽内置于所述腔体内，所述调节杆另一端的杆柄至少一部分位于所述腔体外部，所述腔体的直径等于所述拉瓦尔喷管的出口的直径；调节杆能够在所述谐振腔内调节深度位置。

所述腔体内背离拉瓦尔喷管一侧具有可供杆柄通过的贯穿孔，所述贯穿孔的直径小于所述杆帽的直径，所述杆帽的直径与所述腔体直径适配。

所述杆帽和所述杆柄一体成型，且所述杆柄上开设有若干与所述杆柄的中心线呈垂直状的通孔。

所述腔体背离拉瓦尔喷管的一端毗邻所述贯穿孔设有凹腔，所述谐振腔的外壁上设置贯穿所述凹腔的贯通孔，所述贯通孔的中心线与所述谐振腔的中心线垂直，且所述贯通孔内容纳定位销，所述定位销还穿设于所述贯穿孔。

所述拉瓦尔喷管为不锈钢材质，且为一体加工而成。

所述定位销为不锈钢材质。

所述高压气源对声波的总声压级具有可调性。

在所述拉瓦尔喷管的出口的直径等于所述谐振腔的直径的情况下，基于Helmholtz的共振理论，其发声频率f的经验公式为：

上式(1)中，c为声速，取340m/s；h为谐振腔深度，d为所述谐振腔的直径。

所述谐振腔的最大深度大于最小发声频率f需满足的深度。

所述谐振腔的最大深度不大于10倍的所述谐振腔的直径d。

(三)有益效果

本发明的一种带拉瓦尔喷管的哈特曼声波发生器将哈特曼哨的普通喷口改进为拉瓦尔喷管，有效提升哈特曼哨的发声效率。进一步的，本发明将哈特曼哨的谐振腔改为可调节深度的谐振腔，可满足发出不同的特定声波频率的要求。

附图说明

图1现有技术中拉瓦尔喷管结构示意图。

图2本发明的一种带拉瓦尔喷管的哈特曼声波发生器结构示意图。

图中，1-入口；2-收缩段；3-喉部；4-扩张段；5-出口；6-拉瓦尔喷管；7-谐振腔；8-调节杆；9-定位销；10-杆柄；11-杆帽。

具体实施方式

本发明的一种带拉瓦尔喷管的哈特曼声波发生器，包括拉瓦尔喷管6和谐振腔7，拉瓦尔喷管6用于喷射出高压高速气体，拉瓦尔喷管6前端通过螺纹连接管路以接通高压气源，所述谐振腔7的深度具有可调节性，所述谐振腔7具有贯通的腔体，所述谐振腔7背离拉瓦尔喷管6的一端设置调节杆8，所述调节杆8一端的杆帽11内置于所述腔体内，所述调节杆8另一端的杆柄10至少一部分位于所述腔体外部，所述腔体的直径等于所述拉瓦尔喷管6的出口5的直径；调节杆8能够在所述谐振腔7内调节深度位置。

所述腔体内背离拉瓦尔喷管6一侧具有可供杆柄10通过的贯穿孔，所述贯穿孔的直径小于所述杆帽11的直径，所述杆帽11的直径与所述腔体直径适配。

所述杆帽11和所述杆柄10一体成型，且所述杆柄10上开设有若干与所述杆柄10的中心线呈垂直状的通孔。

所述腔体背离拉瓦尔喷管6的一端毗邻所述贯穿孔设有凹腔，所述谐振腔7的外壁上设置贯穿所述凹腔的贯通孔，所述贯通孔的中心线与所述谐振腔7的中心线垂直，且所述贯通孔内容纳定位销9，所述定位销9还穿设于所述贯穿孔。

所述拉瓦尔喷管6为不锈钢材质，且为一体加工而成。

所述定位销9为不锈钢材质。

所述高压气源对声波的总声压级具有可调性。

在所述拉瓦尔喷管6的出口5的直径等于所述谐振腔7的直径的情况下，基于Helmholtz的共振理论，其发声频率f的经验公式为：

上式(1)中，c为声速，取340m/s；h为谐振腔深度，d为所述谐振腔7的直径。

所述谐振腔7的最大深度大于最小发声频率f需满足的深度。

所述谐振腔7的最大深度不大于10倍的所述谐振腔7的直径d。