Способ управления энергетической эффективностью параметрического источника звука, работающего в режиме излучения волны конечной амплитуды

 

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в параметрических источниках звука для создания высокоэффективного направленного акустического излучения в широкой полосе частот. Для повышения энергетической эффективности параметрического излучателя звука, работающего в режиме излучения волны конечной амплитуды, при способе, включающем введение перед излучателем накачки импедансной границы и облучение ее волной конечной амплитуды, вместо импедансной границы вводят слой монорадиусных пузырьков, резонансных частоте волны конечной амплитуды, которые создаются путем электролиза на поверхности звукопроводящей электропроводящей пластины. 2 ил.

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в параметрических источниках звука для создания высокоэффективного акустического излучения в широкой полосе частот.

Известен способ управления энергетической эффективностью параметрического источника звука, работающего в режиме излучения волны конечной амплитуды (ВКА), заключающийся в изменении уровня звукового давления в излучаемой ВКА.

Недостатком данного способа является то, что с его помощью невозможно значительное увеличение уровня звукового давления (УЗД) в гармонических составляющих ВКА в силу невысоких кавитационной прочности воды и механической прочности пьезокерамики, из которой изготавливается исходный излучатель накачки.

Известен способ управления энергетической эффективностью параметрического источника (ПИ) звука, работающего в режиме излучения ВКА, заключающийся в фокусировании излучаемой ВКА.

Однако увеличение УЗД в гармонических составляющих ВКА возможно при распространении мощной сфокусированной ВКА только до фокуса. За фокусом вследствие того, что генерация гармонических составляющих ВКА происходит в противофазе, энергия пучка уменьшается и наблюдается обратный процесс перекачки энергии гармоник в высокочастотную ВКА, и на расстоянии, близком к двум фокусам, волна конечной амплитуды вновь становится гармонической.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ повышения энергетической эффективности преобразования энергии основной составляющей (первой гармоники) ВКА в энергию ее высших (второй, третьей, четвертой и т. д. ) гармонических составляющих, заключающийся в введении в область фокусирующего ПИ звука непосредственно за его фокусом свободной границы. В этом случае при отражении от акустически мягкой границы (свободной границы) все гармоники меняют фазу еще раз на 180^о, а в общей сложности на 360^о, и после отражения вновь наблюдается генерация гармонических составляющих ВКА, в результате чего УЗД в гармонических составляющих ВКА возрастает от 12 до 20 дБ.

Недостатком технического решения является невысокая энергетическая эффективность преобразования энергии основной составляющей ВКА в энергию ее высших составляющих. Кроме того, полученное теоретическое увеличение УЗД в гармонических составляющих ВКА практически получить невозможно, поскольку невозможно создание вертикальной свободной границы, обладающей всеми свойствами теоретической модели свободной границы.

Целью изобретения является повышение энергетической эффективности параметрического источника звука, работающего в режиме излучения ВКА.

Это достигается за счет того, что при способе повышения энергетической эффективности ПИ звука, работающего в режиме излучения ВКА, включающем введение перед излучателем накачки импедансной границы и облучение ее волной конечной амплитуды, вместо импедансной границы вводят слой монорадиусных газовых пузырьков, размеры которых резонансны частоте волны конечной амплитуды, который создают путем электролиза на поверхности токопроводящей звукопроводящей пластины, устанавливаемой в дальней зоне ПИ звука.

Наличие отличительных признаков: слоя монорадиусных пузырьков, размеры которых резонансны частоте волны конечной амплитуды, который создается путем электролиза на поверхности токопроводящей звукопроводящей пластины, устанавливаемой в дальней зоне ПИ звука - обуславливают соответствие заявляемого технического решения критерию "новизна".

Предложенный способ соответствует также критерию "изобретательский уровень", поскольку не обнаружено решений с признаками, отличающими его от прототипа.

Этот способ соответствует также критерию "промышленная применимость", поскольку технические средства, воплощающие изобретение при его осуществлении, т. е. параметрические источники звука с повышенной энергетической эффективностью, входящие в состав, например, гидролокационных станций, предназначены для использования в морском приборостроении, судостроении, морских поиске и разведке местоположения полезных ископаемых, рыбодобывающей и других отраслях народного хозяйства.

Для доказательства возможности достижения технического результата приведем результаты экспериментальных исследований. Экспериментально исследовался процесс формирования параметрического излучения высших гармонических составляющих, образующегося при облучении волной конечной амплитуды слоя приграничных пузырьков. Приграничные пузырьки создавались на алюминиевой пластине, являющейся не только границей, но и одной из электролизных пластин, которая располагалась нормально акустической оси ПИ звука, работающего в режиме излучения ВКА.

Вторая электролизная пластина из нержавеющей стали располагалась над первой пластиной на расстоянии 0,1 м от нее. Параметрический источник звука работал в импульсном режиме, излучая прямоугольные радиоимпульсы длительностью 1 мс с частотой заполнения 260 кГц. Период следования излучаемых радиоимпульсов составлял 80 мс. УЗД в гармонических составляющих ВКА, прошедших через алюминиевую пластину, контролировался гидрофоном диаметром 20 мм типа 8100 фирмы "Брюль и Къер", который располагался на акустической оси ПИ звука.

При подаче на электролизные пластины постоянного напряжения наблюдалось быстрое в течение 10-15 с и резкое на 26-30 дБ увеличение УЗД в формирующейся на образующемся на пластине слое приграничных пузырьков (СПП) второй гармонике с частотой 520 кГц. Далее в течение нескольких секунд УЗД во второй гармонике оставался постоянным, затем несмотря на то, что напряжение на элекролизных пластинах поддерживалось постоянным, наблюдалось медленное его уменьшение. Если при достижении максимального уровня в звуковом давлении в формирующейся на СПП второй гармонике напряжение на электролизных пластинах выключалось, то уровень звукового давления во второй гармонике медленно падал до своего первоначального значения. При последующих кратковременных включениях напряжения на электролизных пластинах на время, необходимое для достижения максимального значения уровня во второй гармонике, осуществляемых с постоянной скважностью, наблюдалось стабильное увеличение УЗД в формирующейся на СПП второй гармонике в одно и то же число раз. При проведении аналогичных измерений для третьей, четвертой, пятой гармоник также было обнаружено увеличение УЗД в формирующихся на СПП гармониках на 12-26 дБ. Таким образом повышается энергетическая эффективность всего параметрического излучателя звука, работающего в режиме излучения ВКА.

Обнаруженное явление значительного увеличения УЗД в формирующейся на СПП второй гармонике объясняется огромной нелинейностью пузырькового слоя, его оптимальной структурой, которая обусловлена большой в пределах толщины слоя, равной диаметру газового пузырька, концентрацией монорадиусных пузырьков с размерами, резонансными частоте ВКА, которые располагаются в одной плоскости близко друг к другу. В момент включения электролизного тока на всей поверхности звукопроводящей токопроводящей пластины начинают формироваться электролизные пузырьки. Поскольку момент зарождения всех пузырьков и скорость их роста одинаковы, то через некоторое время (в нашем случае 10-15 с) все они достигают практически одинакового размера, резонансного частоте первой гармоники ВКА. Этому моменту времени соответствует максимальная величина УЗД во второй гармонике ВКА, которая обусловлена максимальной величиной нелинейности сформировавшегося СПП. Затем электролизный ток выключается (этому моменту времени соответствует задний фронт импульса, подаваемого на электролизные пластины), чтобы дальнейший рост газовых пузырьков не нарушал оптимальную структуру СПП. В дальнейшем на электролизные пластины подается импульсное напряжение, которое позволяет поддерживать практически неизменной во времени оптимальную структуру сформировавшегося слоя за счет периодической "подкачки" пузырьков, размеры которых с выключением электролизного тока (в паузах между импульсами) уменьшаются в результате диффузии выделившегося при электролизе газа в жидкость.

Таким образом, предложенный способ включает следующие операции: формирование в зоне облучения ПИ звука однородного слоя монорадиусных пузырьков, резонансных частоте облучения, путем электролиза воды на поверхности звукопроводящей электропроводящей пластины; облучение сформированного пузырькового слоя волной конечной амплитуды.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства для осуществления предлагаемого способа; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие работу ПИ звука, работающего в режиме излучения ВКА.

Устройство содержит последовательно соединенные синхронизатор 1, синхронизирующий работу всего ПИ звука, схему 2 задержки, осуществляющую задержку момента излучения ВКА на временной промежуток длительностью τ_зад, который необходим для формирования оптимальной структуры пузырькового слоя, при которой достигается максимальный рост уровня звукового давления в формирующемся излучении гармонических составляющих ВКА, и первый формирователь 3 прямоугольных импульсов, формирующий на своем выходе видеоимпульсы длительностью τ_и. Выход второго формирователя 4 прямоугольных импульсов, формирующего видеоимпульсы длительностью τ, равной длительности прикладываемых импульсных напряжений на электролизные пластины, соединен с выходом синхронизатора 1. Выход генератора 5 гармонических колебаний соединен с сигнальным входом первого импульсного модулятора 6, управляемый вход которого соединен с выходом первого формирователя 3 прямоугольных импульсов.

Вход усилителя 7 мощности соединен с выходом первого импульсного модулятора 6, а его выход - с входом акустического преобразователя накачки 8. Выход источника 9 постоянного напряжения соединен с сигнальным входом второго импульсного модулятора 10, управляемый вход которого соединен с выходом второго формирователя 4 прямоугольных импульсов, вход усилителя 11 постоянного тока соединен с выходом второго импульсного модулятора 10, а его выход - с электролизными пластинами 12 и 13, первая из которых - звукопроводящая токопроводящая располагается на оси акустического преобразователя накачки 8, нормально ей, а вторая располагается рядом с первой пластиной.

Способ осуществляется следующим образом.

На выходе синхронизатора 1 формируются синхроимпульсы И 1, синхронизирующие работу всего ПИ звука. Задними фронтами синхроимпульсов И 1 запускается схема 2 задержки, формирующая видеоимпульсы И 2 длительностью τ_зад, равной временному интервалу, необходимому для формирования оптимальной структуры пузырькового слоя, при которой достигается максимальный рост УЗД в формирующемся излучении гармонических составляющих ВКА, задними фронтами которых запускается первый формирователь 3 прямоугольных импульсов, формирующий на своем выходе видеоимпульсы И 3 длительностью τ_и, равной длительности излучаемых импульсов накачки. Задними фронтами синхроимпульсов запускается также второй формирователь 4 прямоугольных импульсов, формирующий видеоимпульсы И 4 длительностью τ, равной длительности подаваемых на электролизные пластины импульсных напряжений. Непрерывные гармонические колебания частотой f с выхода генератора 5 гармонических колебаний поступают на сигнальный вход первого импульсного модулятора 6, с выхода которого радиоимпульсы накачки частотой заполнения f усиливаются усилителем мощности 7 и излучаются в воду акустическим преобразователем накачки 8. Перед излучением радиоимпульсов накачки частотой заполнения f, т. е. перед излучением волны конечной амплитуды частотой f, в результате распространения которой формируются в силу нелинейности среды гармонические составляющие частотами 2f, 3f, . . . , nf, с помощью источника 9 постоянного напряжения, второго импульсного модулятора 10 и усилителя 11 постоянного тока формируется импульсное напряжение длительностью τ, которое подается на электролизные пластины 12 и 13 и под воздействием которого на поверхности первой звукопроводящей электропроводящей пластины образуется слой монорадиусных приграничных пузырьков, обладающий высоким параметром акустической нелинейности. В результате УЗД в формирующемся на слое излучении на частотах 2f, 3f, . . . , nf возрастает. При постоянных амплитуде и скважности импульсного напряжения, подаваемого на электролизные пластины, УЗД в формирующихся гармонических составляющих ВКА от посылки к посылке остается практически постоянным и неизменным во времени.

Наличие новых отличительных признаков: слоя монорадиусных пузырьков, размеры которых резонансны частоте волны конечной амплитуды, который создается путем электролиза на поверхности токопроводящей звукопроводящей пластины, выгодно отличает предлагаемый способ от прототипа, поскольку существенно на 6-10 дБ повышается УЗД в формирующемся на СПП параметрическом излучении на частотах гармонических составляющих ВКА.

Значение возросшей эффективности ПИ звука, работающего в режиме излучения ВКА, велико. Использование такого ПИ звука, например, в гидролокации обеспечивает получение большей дальности действия и высокой разрешающей способности и, следовательно, большей точности, достоверности получаемой информации о подводной обстановке. Это только при поиске рыбных скоплений, полезных ископаемых, объектов, представляющих определенный интерес, обеспечивает экономию времени, топливных, энергетических и людских ресурсов, затраты на которые обусловлены многократными проходами над обследуемым районом. (56) Т. Дж. Мюир. Нелинейная акустика и ее роль в геофизике морских осадков. В кн. : Акустика морских осадков. Под ред. Л. Хемптона, М. : Мир, 1977, с. 248-250.

Б. К. Новиков и В. И. Тимошенко. Параметрические антенны в гидролокации. Л. : Судостроение, 1990, с. 57-58.

Формула изобретения

СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТЬЮ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО ИСТОЧНИКА ЗВУКА, РАБОТАЮЩЕГО В РЕЖИМЕ ИЗЛУЧЕНИЯ ВОЛНЫ КОНЕЧНОЙ АМПЛИТУДЫ , основанный на введении пеpед акустическим пpеобpазователем накачки импедансной гpаницы и облучении ее волной конечной амплитуды, отличающийся тем, что импедансная гpаница выполнена в виде слоя моноpадиусных пузыpьков, pезонансных частоте волны конечной амплитуды, котоpые создают путем электpолиза на повеpхности электpопpоводящей пластины.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2