С точки зрения Древней Греции, это «привлекательные существа, в верхней своей части, выглядящие как женщины, а снизу, как птицы. Они обладали невероятно сладкоголосым голосом, благодаря которому, пение сирен завораживало и увлекало несчастных мореплавателей на погибель» — где-то примерно так надо было бы начать наш рассказ, если бы мы захотели вспомнить ещё раз мифы. Но... Мы то расскажем не про это! :-)

Наша задача будет немного поинтересней — так как в технике есть аналог мифологических сирен, также, вводящий в исступление своим звуком (и отнюдь не сладкоголосым, хе,хе) — и речь пойдёт о сиренах, предназначенных для извлечения громкого звука, и мы посмотрим, а что это вообще такое!

Обычному человеку такой класс устройств для извлечения звука практически неизвестен, несмотря на то, что периодически их приходится слышать в реальной жизни — в массовом сознании, способ извлечения громкого звука неразрывно связан с некими «колонками», «динамиками»; а если мы имеем дело с относительно технически подкованным субъектом, то он вспомнит ещё и про пьезоизлучатели и целый ряд других. 

Но, есть варианты и гораздо интересней, причём, имеющие достаточно длинную историю! 

Считается, что исторически самым первым вариантом сирены является разработанный ещё в 1799 году её прообраз, представлявший собой часть органа, в виде пневматического клапана, открываемого и закрываемого (предположительно) внешним механическим воздействием. 

Клапан предназначался для открывания и закрывания потока воздуха из трубы органа, благодаря чему, она и издавала звук. 

Вроде бы, довольно далеко от понятия сирены, не так ли? :-) И я сейчас не о годе разработки, а о принципе действия! 

Тем не менее, как мы увидим дальше, вовсе не так уж далеко, как могло бы показаться на первый взгляд! ;-) 

Как мы видим, здесь имеется два самых принципиальных элемента: источник воздуха под давлением и система управления им. 

Чтобы понять, как это взаимосвязано, посмотрим на следующее видео:

Здесь мы наблюдаем очень простой, наглядный факт: когда девочка дует через трубку в диск с отверстиями, диск почему-то издаёт звук, причём тональность звука зависит от того, насколько высока скорость вращения — отверстия на разных расстояниях от центра диска звучат по-разному — чем дальше отверстия находятся от центра диска, тем выше тональность.

Кстати говоря, на основе подобного принципа, можно создать даже рабочий музыкальный инструмент и ниже мы увидим как раз такой пример — когда сжимаемые гибкие цилиндры подают воздух по трубкам, на разные радиусы отверстий быстро вращающегося диска.

Кто там заказывал механическое пианино? Получите, распишитесь:

Или даже так:

Как вы понимаете, используя этот принцип (особенно, показанный на втором видео), легко можно создать весьма громкое (зависит от давления подаваемого воздуха) и простое по устройству пианино! 

Которое просто элементарнейшим образом, может быть автоматизировано: микроконтроллер, драйвер двигателя, шаговый двигатель, 2 трубчатые направляющие, по которым ездит трубка, с воздухом под давлением (от бытового компрессора) с быстродействующим пневматическим клапаном.

Простейшая программа — и вуаля...

Хотите пианино, которое будет слушать весь район? И которое обойдётся «в недорого»? Ну, как бы вот...:-D

В качестве идеи: в своё время, когда я искал дешёвый и максимально распространённый пневматический клапан (не для этой идеи, а для другого проекта), то нашёл отличный вариант подобного: в автомобильных магазинах продаётся такая штука, которая называется «пневмоклапан холостого хода» (ну, или, по крайней мере, когда-то так назывался — в тех магазинах, где я брал). 

А сейчас такая штука называется и выглядит вот так.

Не знаю как этот, но, те, которые я брал в своё время, от 8 бар (типовое давление бытовых компрессоров и давление мини-компрессоров для аэрографии) работали легко. 

В качестве альтернативы, я тестировал даже автомобильные инжекторы: они кажутся весьма элегантной и интересной идеей (на первый взгляд) из-за своей миниатюрности и технологичности: по сути, это самый быстродействующий клапан, который можно раздобыть (к тому же, широко распространённый). 

Однако, как мне удалось выяснить по результатам практических тестов, — у него силёнок не хватает открыться от 8 бар... 

Максимальное давление, при котором он у меня ещё открывался, было равно 2 барам. Печаль. Но, селяви:-) 

Говоря простыми словами, громкого пианино на таких инжекторах не построишь. Если только шептуна :-)))) 

Ну это мы что-то маленько отвлеклись, вернёмся, однако, обратно к теме...

За счёт чего вообще звучат отверстия? А звучат они, за счёт того, что, в определённые моменты, воздух под давлением может проходить через них, или, перекрывается, плоскостью диска.

А что такое звук? А звук, как мы знаем, это последовательность областей сжатия и разрежения среды (для простоты рассмотрения будем иметь в виду воздушную). 

Таким образом, например, если мы рассмотрим обычный звуковой динамик, к которому мы привыкли и который установлен в звуковых колонках, то он, по сути, только тем и занимается, что «ударяет» по воздушной среде, формируя области сжатия и разряжения. 

И тут, сразу в пору задаться вопросом: а эти последовательности областей сжатия и разрежения мы можем формировать только «ударяя» по среде, или же, мы можем их формировать, в том числе, открывая и закрывая поток среды (например, воздуха) под давлением? :-) 

Учитывая, что мы уже посмотрели видео, нам остаётся только согласиться с простым фактом: да, оказывается, мы можем их формировать и перекрывая/открывая поток воздуха!

Другими словами, мы наблюдаем что? Очень интересный феномен: механический аналог электрического звукового динамика!

Собственно говоря, похоже, этот факт осознали практически сразу, так как уже в 1819 году была разработана следующая версия сирены, как раз и эксплуатирующая рассмотренный принцип, которая представляла собой два диска, из которых был установлен неподвижно, а другой вращался, оба были покрыты отверстиями, и были установлены так, чтобы перекрывали воздуховод под давлением. 

Таким образом, после подачи воздуха, один из дисков начинал вращаться, периодически перекрывая отверстия второго диска, соответственно и система начинала излучать звук. 

Изобретателя звали Шарль Каньяр Де ла Тур и выглядела она примерно вот так:

А работала так (в видео показана одна из версий):

В дальнейшем, это ветка развития сирен привела к появлению подвида, называемого «осевыми сиренами», в которых направление потока воздуха совпадает с осью вращения диска:

Однако, как было выявлено, что осевая сирена обладает рядом недостатков: создаёт мощные скачки давления, энергетика которых быстро рассеивается, поглощаясь окружающими предметами; также, можно сказать, что в целом, такая турбина создаёт больше локальные турбулентности, чем непосредственно создание звука.  

Для борьбы с этими проблемами, на рубеже XX века, был создан принципиально иной тип сирены, названной «радиальной»: в ней потоки воздуха расходились как спицы колеса велосипеда, а отверстия были расположены по периметру обода:

Такая сирена является более эффективной, за счёт того, что для её работы требуется гораздо меньшее давление воздуха (вплоть до 10 раз меньше), и, в целом, такой тип обладает гораздо большим КПД, а сам принцип её работы, заключается в нагнетании воздуха, с помощью лопаток вентилятора, и последующем пульсирующим выпуске его, через отверстия в ободе:

Соотношение размеров при построении сирен подобного типа должно придерживаться таким, чтобы воздух из отверстий неподвижного обода выходил без потерь, соответственно, их следует сделать равными отверстиям в колесе, или даже немножко больше, и ширину отверстий выбирают таким образом, чтобы они находились в пределах до 15% от длины окружности (но, насколько можно судить по имеющимся сиренам, обычно их ширина прорези находится в пределах где-то 5%).

Впрочем, особенно в настоящее время, при проектировании в САПР, удобнее считать не длиной отрезков, а величинами углов (это актуально и для самодельных конструкций, для 3D печати, на домашних принтерах).

При этом, критическим параметром является не только величина прорезей, но и значение зазора, между ротором и стационарной частью — обычно она берётся достаточно маленькой, что предъявляет относительно большие требования к точности изготовления, так как от этого зазора зависит — сколько воздуха будет теряться впустую, перетекая обратно в зону низкого давления, и не участвовать в образовании звука! 

Таким образом, нужно стремиться делать зазор настолько малым, насколько это допускает текущая технология изготовления компонентов и их обработки, если таковая предполагается — скажем, в случае той же самой кустарной домашней 3D печати, на FDM принтере, это будет точность печати самого принтера, плюс возможности по постобработке (ацетоновая баня для ABS-пластика и т. д.).

Кстати говоря, разбираясь с этой темой, я наконец-то понял, одну штуку, которая меня занимала в детстве: у меня была игрушка-юла, производства СССР, с отверстиями по периметру, как показано тут:

Уже точно не помню из-за давности лет, однако у меня отверстия были вроде бы не по периметру, а по нижней части :-). Но это не суть... 

На видео это не слышно, но, когда я в детстве раскручивал эту штуку, она начинала ощутимо «петь» издавая во время вращения довольно приятный однотонный звук. 

И сейчас, разбираясь с сиренами, я понял почему!!! Похоже, что во время вращения, отверстия рассекали воздух, а сама юла начинала «петь»! 

Примерно то же самое, что и у сирен, только весьма своеобразным образом! :-)

Кстати говоря, в виде заметки, «намотать на ус»: а ведь можно изготавливать такие игрушки, в том числе, на продажу! :-) 

Эдакий мини детский стартап: понаделать по периметру отверстий разного размера, можно даже с небольшими «козырьками"- воздухозаборниками, или, просто, расположенными под разными углами (надо экспериментировать) — таким образом, можно сделать весьма интересную музыкальную штуку! :-) 

И даже больше того: внутрь поместить микроконтроллер, а отверстия открывать-закрывать по некоему алгоритму!

Таким образом, можно сделать вращающуюся и поющую юлу, исполняющую в буквальном смысле мелодию! 

Причём, не из-за какого-то встроенного громкоговорителя, а прямо настоящую «поющую", использующую давление воздуха! О_о 

3D печать, немного прямых рук, немного выдумки и микроконтроллеров — в результате можно получить весьма элегантную и интересную, с инженерной точки зрения, штуку!

Причём, для ещё большей привлекательности, можно сделать самоподдерживающееся вращение, а всю систему снабдить удалённым управлением со смартфона... 

А в целом, подытоживая, учитывая наличие в продаже большого количества миниатюрных и достаточно оборотистых двигателей, неплохой мощности (как с подобными штуками работать, если кто не сталкивался, я писал вот тут. 

И вуаля: миниатюрно, просто, и довольно мощно! Можно попробовать собрать ту же самую охранную сигнализацию, с мини сиреной... 

Правда тут ещё вопрос, насколько такая миниатюрная версия сможет быть громкой... Но, это дело уже эксперимента и терпеливых соседей...:-)

Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.