Устройство "поющая линия" для распределенного создания и приема акустических и механических колебаний

 

Использование: в аппаратуре массового применения, установках для синфазного возбуждения акустических и механических колебаний на поверхностях с большой площадью различной конфигурации и формы, распределенной антенне для приема колебаний и их активного пространственного демпфирования. Сущность изобретения: устройство содержит проводники с взаимноперекрывающимися поверхностями, разделенные упругими слоями магнитодиэлектрика. При этом проводники выполнены в виде листовых обкладок из ферромагнитного материала, параллельно, последовательно или смешанно соединенных между собой. 14 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к устройствам для создания и приема акустических и механических колебаний и может быть использовано в акустической аппаратуре массового применения, в промышленных технологических установках и научных исследованиях для возбуждения акустических и механических колебаний на поверхностях с большой площадью, имеющих различную конфигурацию и форму. Изобретение может найти применение в качестве распределенной антенны для приема этих колебаний и для их активного демпфирования.

Известно устройство [1] содержащее два линейных проводника, концы которых электрически соединены между собой с одной стороны в дальней точке. При подаче импульсов тока на проводники и протекании в них импульсных токов возникает взаимное отталкивание проводников, вызванное взаимодействием магнитных полей противоположно направленных токов, и создается импульс давления.

Недостатком устройства является площадь взаимодействия проводников и малая величина создаваемых ими магнитных полей. Между проводниками действуют только силы взаимного отталкивания, что ограничивает амплитуду их колебаний. Кроме того, взаимодействие таких проводников с протекающим по ним переменным током характеризуется частотой, равной удвоенной частоте колебаний этого тока, что искажает спектр создаваемых колебаний.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство [2] содержащее два перекрывающихся по площади проводника в виде полос, электрически изолированных один от другого слоем упругого материала. Прохождение через эти последовательно соединенные проводники импульсов тока приводит к взаимодействию магнитных полей встречно направленных токов и возникновению силы отталкивания между проводниками.

Это устройство имеет те же недостатки, что и известное устройство, однако амплитуда создаваемых им колебаний больше из-за увеличения площади магнитного взаимодействия проводников.

Цель изобретения повышение эффективности распределенного создания и приема колебаний.

Для этого устройство "Поющая линия" дополнительно снабжено проводниками и упругими слоями диэлектрика, выполненными из магнитодиэлектрика, а проводники выполнены в виде листовых обкладок из ферромагнитного материала, параллельно, последовательно или смешанно электрически соединенных между собой.

В устройстве хотя бы одна из листовых обкладок может иметь переменную толщину.

В устройстве хотя бы две листовые обкладки могут быть выполнены равной толщины.

В устройство может быть введен конденсатор или катушка индуктивности, включенные между двумя любыми листовыми обкладками.

Устройство может быть снабжено сумматором токов, выход которого соединен с любой листовой обкладкой.

Устройство может быть снабжено детектором переменной составляющей сигнала, вход которого соединен с любой листовой обкладкой.

Устройство может быть снабжено распределенной массой и демпфирующим элементом, закрепленными на свободных сторонах внешних листовых обкладок.

Устройство может быть снабжено магнитом, соединенным хотя бы с одной листовой обкладкой.

Поверхность хотя бы одной листовой обкладки может быть покрыта материалом, отличающимся от материала других листовых обкладок своими электрическими, магнитными, механическими и теплопроводящими свойствами.

Устройство может быть снабжено гетеродином частоты, соединенным с любой листовой обкладкой.

Хотя бы один из упругих слоев диэлектрика может иметь переменную толщину.

Хотя бы два слоя диэлектрика могут быть выполнены равной толщины.

Магнитодиэлектрик может быть выполнен из магнитомягкого материала или магнитотвердого намагниченного материала.

Магнитодиэлектрик может быть выполнен из материла с линейными или нелинейными упругими свойствами.

Магнитодиэлектрик может быть выполнен из материала с термостабильной или термозависимой характеристикой упругой деформации.

На фиг.1-3 даны схемы устройства с раздельными цепями прохождения токов сигнала и подмагничивания, соответствующие параллельному, последовательному и смешанному соединению обкладок в этих цепях; на фиг.4 и 5 даны схемы устройства, снабженного сумматором токов и имеющего совмещенную цепь для токов сигнала и подмагничивания; на фиг.6 представлена обкладка, образующая токопроводящие дорожки на площади в форме круга.

На фиг.1-6 показаны обкладки 1, слои 2 упругого магнитодиэлектрика, ток сигнала I_с и ток подмагничивания I_п.

Устройство "Поющая линия" работает следующим образом.

Известно, что сила магнитного воздействия двух параллельных проводников длиной l с токами I₁ и I₂ в них, расположенных на расстоянии а один от другого, определяется выражением F μ_oμ₁ l, где μ_о магнитная постоянная; μ₁ магнитная проницаемость среды, в которой создается магнитное поле. При этом предполагается, что проводники имеют малое поперечное сечение единичной площади S_о 1 в виде окружности радиуса r << a. Энергия магнитного поля таких проводников постоянна и имеет наибольшую величину вдоль линии, соединяющей центры сечений проводников.

Рассмотрим два проводника, выполненные в виде одинаковых параллельных листовых обкладок длиной l, толщиной w, одинаковой и постоянной шириной d и имеющие постоянную плотность тока через любую единицу площади поперечного сечения обкладок вдоль направления его протекания. Пусть а расстояние между обкладками, причем а >> w, μ₂ магнитная проницаемость ферромагнитного магнитомягкого материала, из которого изготовлены обкладки, μ₃ магнитная проницаемость слоя магнитомягкого упругого диэлектрика, расположенного между обкладками и предотвращающего их замыкание. Такие проводники-обкладки можно рассматривать, в качестве двух распределенных электромагнитов, энергия магнитного поля которых сосредоточена в зазоре магнитной цепи объеме магнитомягкого упругого диэлектрика и постоянна в любой точке этого объема. Тогда сила магнитного взаимодействия обкладок будет равна F μ_oμ₂μ₃ l.

Если несколько обкладок имеют общую площадь взаимно перекрывающихся поверхностей (фиг.1-3), то в результате однонаправленного или разнонаправленного протекания токов в соседних обкладках действующие между ними силы взаимного отталкивания или притяжения суммируются.

Обкладки могут быть выполнены не только в виде прямых лент постоянной ширины, но и как токопроводящие дорожки в виде серпантина, лабиринта, и т.д. заполняющие собой площадь заданной формы, например круга, согласно фиг.6. При этом изолирующие зазоры между дорожками на каждой обкладке должны иметь минимальную ширину. Дорожки могут иметь различную ширину на отдельных частях площади заданной формы, что изменяет плотность протекающего через них тока и силу магнитного взаимодействия соседних обкладок на этих частях площади, что важно в ряде случаев практического использования. Когда все обкладки одинаковы и проекции их дорожек взаимно совпадают, все обкладки устройства совершают синфазные колебания. Любое изменение конфигурации дорожек или смещение их проекций, например, всех четных дорожек, приведет одновременно к магнитному взаимодействию токов, направленных согласно на одних частях площади поверхности обкладок и встречно на других, и появлению на поверхностях обкладок частей площади, имеющих равные амплитуды колебаний, но сдвинутые между собой по фазе на 180^о.

В схеме устройства, изображенной на фиг.1, в отсутствие переменного тока сигнала I_с параллельное протекание токов подмагничивания I_п в обкладках вызывает взаимное отталкивание обкладок, которое компенсируется упругостью диэлектрика. Такое отклонение обкладок от своего нейтрального положения (I_c 0, I_п 0) ограничивает амплитуду их колебаний. Обкладки могут быть приведены в нейтральное положение установкой на их верхней поверхности распределенной массы, прижимающей своим весом все обкладки к демпфирующему элементу (основанию или фундаменту), на котором установлено устройство. Нейтральное положение обкладок может быть достигнуто также с помощью дополнительного источника тока подмагничивания I_дп, который создает в обкладках с токами сигнала I_с постоянные токи, направленные встречно токам от I_п в обкладках подмагничивания и компенсирующие силы отталкивания обкладок подмагничивания при I_с 0. Появление тока I_с в обкладках приводит к периодическому нарушению равновесия обкладок с токами I_дп и I_п из-за сил магнитного взаимодействия однонаправленных и разнонаправленных токов. В результате обкладки между слоями упругого диэлектрика будут совершать колебания с частотой переменного тока сигнала I_с.

Устройство может иметь совмещенную цепь для протекания токов I_с и I_п (фиг. 4 и 5). Для этого при создании колебаний обкладки питают с выхода сумматора токов I_с и I_п, а при приеме колебаний любую обкладку соединяют с входом детектора переменной составляющей тока сигнала I_с из суммы токов I_c + I_п, протекающей в обкладке. В качестве сумматора токов и детектора переменной составляющей сигнала может быть использован конденсатор, соединенный с обкладкой, или трансформатор с токами I_с и I_c+ I_п, соответственно в первичной обмотке и соединенной с обкладкой вторичной обмотки. Допустимо использование и других устройств аналогичного назначения.

Воздействие акустических или механических колебаний на всю поверхность любой из обкладок или любые участки их поверхности приводит к передаче волн растяжения-сжатия через слои упругого диэлектрика на остальные обкладки. Обкладки перемещаются в магнитном поле, созданном током I_п, периодически отклоняясь от своего нейтрального положения, и наводят в своих цепях переменный ток сигнала I_с.

Устройство, выполненное в виде параллельных, одинаковых по толщине, форме и однородных по материалу обкладок, разделенных также однородными и одинаковыми по толщине слоями упругого диэлектрика, в отношении своих резонансных свойств эквивалентно механической колебательной системе, образованной простейшими одинаковыми колебательными системами типа масса упругость, обладающими каждая своей собственной частотой колебаний. Изменение массы хотя бы одной из обкладок, величины внешней нагрузки (колеблющейся массы), распределенной на всей или части площади обкладки, а также изменение толщины и упругих свойств любого из слоев диэлектрика или по меньшей мере одного отдельного объема этого слоя из-за (неоднородности упругих свойств материала диэлектрика) приведет к появлению дополнительного резонансного пика в спектре создаваемых или принимаемых колебаний. Это свойство может быть использовано для коррекции отдельных компонент в спектре этих колебаний на всей поверхности обкладок и на отдельных ее частях.

Обкладки и слои упругого диэлектрика могут быть выполнены с переменной толщиной. В этом случае каждому значению частоты принимаемых или создаваемых колебаний соответствуют один или несколько участков поверхности обкладок со свойственной им резонансной частотой колебаний. Например, при линейном изменении толщины обкладок или слоев упругого диэлектрика вдоль направления протекания тока, а также при линейном сканировании частоты принимаемых или создаваемых колебаний, участок площади обкладок с резонансной амплитудой колебаний будет перемещаться вдоль направления протекания тока, что позволит формировать сложную частотно-зависимую диаграмму направленности излучения и приема. Кроме того, диаграмма направленности может быть получена путем изготовления обкладок с неплоской, фокусирующей колебания формой, например, в форме параболоида.

Замыкание между собой через внешний конденсатор по переменному току сигнала I_с всех или части обкладок вместе с некоторой индуктивностью обкладок образует параллельный электрический контур, придающий устройству частотно-избирательные свойства. Устройство может содержать несколько таких электрических резонансных контуров. Последовательный резонансный контур в устройстве образуется включением внешнего конденсатора между двумя обкладками с протекающим по ним током I_с. Кроме того, две любые несоединенные между собой обкладки образуют электрическую емкость. Соединение этих обкладок через внешнюю катушку индуктивности также образует электрический резонансный контур.

Устройство может быть использовано для активного демпфирования акустических и механических колебаний. Для этого обкладки замыкаются непосредственно между собой по току I_с, например, через клеммы устройства, изображенного на фиг.1, с образованием замкнутого контура (витка) в магнитном поле обкладок подмагничивания с током I_п. Падение акустической волны или изгибные колебания приводят все обкладки в относительное движение и обусловливают появление силы, направленной противоположной внешней силе, вызвавшей изменение магнитного поля. Спектр индукционных токов обкладок соответствует спектру вынуждающих колебаний, вызвавших появление этих токов, а их амплитуда определяется величиной постоянного магнитного поля. Демпфирование колебаний возможно также при замыкании между собой по переменному току обкладок подмагничивания. Избирательное демпфирование отдельных частотных компонент спектра вынуждающих колебаний достигается вышеуказанным соединением обкладок по току I_с через конденсатор и катушку индуктивности с образованием резонансного контура. При этом обкладки можно считать замкнутыми между собой только для частот колебаний тока I_св обкладках, попадающих в полосу пропускания резонансного контура.

Магнитное поле обкладок может быть создано не только током подмагничивания I_п, протекающим через обкладки. Магнитопроводящие обкладки могут быть соединены с постоянным магнитом или электромагнитом, что позволит отказаться от использования тока подмагничивания обкладок.

Обкладки могут быть покрыты материалами, усиливающими магнитное поле обкладок, улучшающими их электропроводящие свойства (механическую прочность и жесткость), а также создающими нагрев обкладок протекающими по ним токами.

Протекание через обкладки тока I_с в отсутствие тока подмагничивания I_п вызывает удвоение частот всех компонент спектра создаваемых колебаний. Истинный спектр колебаний восстанавливается гетеродинированием (делением) всех частотных компонент исходного спектра в низкочастотную область с отношением частот соответствующих компонент спектра на входе и выходе гетеродина, равном 2. Для устройства с совмещенной цепью протекания токов I_с и I_п, изображенного на фиг. 4, 5, воспроизводимый спектр (истинный S(w) или удвоенный S(2w)) зависит от соотношения создаваемых этими токами магнитных полей Ф_с и Ф_псоответственно и составляет S(2w), при Ф_п0, S(w), при Ф_п >> Ф_с, S(w), S(2), S(2w), при Ф_п ≈ Ф_с.

Слои диэлектрика, выполненного из однородного магнитомягкого материала, усиливают магнитное поле, создаваемое обкладками. Диэлектрик может быть также неоднородным, напримеp, с включением ферромагнитных магнитомягких частиц, равномеpно распpеделенных в его объеме.

В объеме диэлектрика могут быть распределены частицы из магнитотвердого намагниченного материала, результирующий вектор намагниченности которых образует между обкладками постоянное магнитное поле. Это магнитное поле позволит отказаться от использования тока подмагничивания обкладок I_п.

Изготовление магнитодиэлектрика из материала с линейной и термостабильной характеристикой упругой деформации улучшает качество и стабильность частотной характеристики устройства.

Резонансными колебаниями устройства можно управлять изменением тока, протекающего в обкладках. Увеличение тока вызывает нагрев прилегающих к обкладкам слоев диэлектрика, что уменьшает их упругость и вязкость. В результате понижается резонансная частота и добротность резонансных колебаний, изменяется частотная характеристика устройства. С этой целью диэлектрик изготавливается из материала с термозависимой характеристикой упругой деформации.

Формула изобретения

1. Устройство для распределенного создания и приема акустических и механических колебаний, содержащее два проводника с взаимно перекрывающимися поверхностями, включенные в цепь источника тока и разделенные слоем упругого диэлектрика, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности распределенного создания и приема колебаний, оно дополнительно снабжено проводниками и слоями упругого магнитодиэлектрика, при этом проводники выполнены в виде листовых обкладок из ферромагнитного материала, параллельно, последовательно или смешанно электрически соединенных между собой.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что хотя бы одна из листовых обкладок имеет переменную толщину.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что хотя бы две листовые обкладки выполнены с одинаковой толщиной.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в него введен конденсатор или катушка индуктивности, включенные между двумя любыми листовыми обкладками.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено сумматором токов, выход которого соединен с любой листовой обкладкой.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено детектором переменной составляющей сигнала, вход которого соединен с любой листовой обкладкой.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено распределенной массой и демпфирующим элементом, закрепленными на свободных противоположных сторонах внешних обкладок.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено магнитом, соединенным хотя бы с одной листовой обкладкой.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что поверхность хотя бы одной листовой обкладки покрыта материалом, отличающимся от материала других листовых обкладок своими электрическими, магнитными, механическими и теплопроводящими свойствами.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено гетеродином частоты, соединенным с любой обкладкой.

11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что хотя бы один из слоев упругого магнитодиэлектрика имеет переменную толщину.

12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что хотя бы два слоя упругого магнитодиэлектрика выполнены с одинаковой толщиной.

13. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упругий магнитодиэлектрик выполнен из магнитомягкого или магнитотвердого намагниченного материала.

14. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упругий магнитодиэлектрик выполнен из материала с линейными или нелинейными упругими свойствами.

15. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упругий магнитодиэлектрик выполнен из материала с термостабильной или термозависимой характеристикой упругой деформации.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6