Устройство для генерации акустических волн, преимущественно низкочастотных, в жидкости

 

Использование: системы подводной звуковой сигнализации, гидролокация. Сущность изобретения: акустические волны в жидкости генерируются путем воздействия импульсного оптического излучения на нерастворимый в воде поглотитель, который нанесен на излучающую поверхность импульсной лампы источника излучения и легко испаряется при воздействии на него импульса излучения. Источник питания импульсной лампы выбран с крутым передним фронтом импульса тока. Изобретение обеспечивает повышение КПД оптикоакустического преобразования. 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к акустике, а точнее к излучателям звуковых волн в жидких средах, и может быть использовано в системах подводной звуковой сигнализации, в гидролокации для акустического просвечивания океана и в других подобных устройствах.

Известно устройство для получения импульсных акустических волн [1] работа которого основана на использовании эффекта генерации звука вследствие локального разогрева поверхности жидкости, поглощающей оптическое излучение. Устройство содержит источник электропитания и источник когерентного оптического излучения с линзой для фокусировки пучка, находящиеся вне жидкости.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для получения волны давления посредством воздействия импульса лазерного излучения на взрывающуюся фольгу [2] Работа его основана на использовании эффекта генерации звука вследствие локального разогрева поверхности фольги, поглощающей оптическое излучение. Устройство содержит источник электропитания и источник когерентного оптического излучения. Световой поток, сфокусированный на поверхность поглотителя, которым является фольга, вызывает ОА эффект, величина которого зависит от энергии светового излучения и длительности импульса.

Задача на решение которой направлено изобретение повышение КПД оптоакустического преобразования.

Использование предлагаемого изобретения обеспечивает высокое значение КПД ОА преобразования за счет резкого снижения интенсивности воздействующего на жидкость светового излучения при контактном способе взаимодействия; получение больших амплитуд генерируемых импульсов давления за счет корреляции спектров оптического излучения и спектров поглощения среды; упрощение конструкции излучателя света по сравнению с лазерами из-за отказа от промежуточного этапа преобразования энергии.

Предлагаемое устройство для генерации акустических волн, преимущественно низкочастотных, в жидкости, содержащее источник оптического излучения импульсную лампу, источник питания которой выбран с крутым передним фронтом импульса тока, и нерастворимый в воде поглотитель, легкоиспаряемый при воздействии на него импульса излучения, отличающееся тем, что поглотитель нанесен на излучающую поверхность лампы.

На чертеже представлена функциональная схема заявляемого устройства.

Устройство состоит из источника 1 питания, включающего зарядный блок 2, емкостной накопитель 3, блок разрядников 4, пульт 5 управления, блок 6 синхронизации, блок 7 поджига лампы и оптикоакустического преобразователя (ОАП) 8, который содержит источник оптического излучения в виде импульсной лампы 9 с нанесенным на ее колбу поглощающим покрытием 10, отражатель 11 и тоководы 12.

Устройство работает следующим образом. Источником питания формируется импульс тока с крутым передним фронтом, который через тоководы поступает на импульсную лампу, погружаемую в жидкость. Для обеспечения режима апериодического критического разряда длительность переднего фронта (от уровня 0,1 до 0,9 1_maх максимальная амплитуда тока) должна составлять τ_ф ≅ 1/5 τ_и, где τ_и длительность импульса тока.

Световой импульс лампы, практически повторяющий по форме импульс разрядного тока, вследствие поглощения в слое нанесенного на поверхность лампы покрытия сильно нагревает и испаряет его за короткий промежуток времени, равный или меньший длительности переднего фронта импульса. Из-за большой мощности вкладываемой световой энергии и низкого порога преобразования вещества, поглощающего оптическое излучение, процесс испарения носит бурный взрывоподобный характер. В результате в слое жидкости вокруг лампы образуется парогазовый керн, состоящий из продуктов испарения и создающий объемную поглощающую фазу.

Это приводит к дальнейшему росту выделяющейся в жидкости энергии во время действия светового импульса. В связи с широкополосным диапазоном спектра излучения импульсной лампы и увеличенным по сравнению с водной средой значением коэффициента поглощения энергии оптического излучения в слое поглощающего покрытия испарительный механизм генерации звуковых волн наблюдается при гораздо более низких интенсивностях светового излучения, чем это происходит при возбуждении звука лазерным когерентным излучением. Вследствие этого значительно повышается КПД оптоакустического преобразования и устройства для генерации звуковых волн в целом.

Пример конкретного устройства для генерации звуковых волн в жидкости. Излучатель выполнен в виде моноблока, помещаемого в воду, основным элементом которого является импульсная лампа. Корпус моноблока из нержавеющей стали снабжен легкосъемными торцовыми крышками с герметичным уплотнением тоководов для оперативной замены ламп. ОАП предназначен для работы как в лабораторных, так и в натурных морских условиях. Излучающая поверхность кварцевой колбы лампы при помещении ОАП в водную среду представляет собой источник света цилиндрической формы длиной 130 и диаметром 15 мм. На поверхность колбы нанесен слой легкоиспаряемого нерастворимого в воде поглощающего покрытия вакуумного масла ВМ-6 толщиной 10^-3 см. Источник электропитания, располагаемый над поверхностью воды, предназначен для формирования квазиэкспоненциальных импульсов тока с регулируемыми параметрами: формой, амплитудой и длительностью.

Технические данные источника питания лампы: рабочее напряжение 1-3 кВ; максимальная запасаемая энергия 8 кДж; максимальная емкость накопителя 1800 мкФ; ток в нагрузке до 10 кА; длительность импульса тока до 0,6 мс.

Заряд емкостного накопителя 3 осуществляется от зарядного устройства 2, ток заряда регулируется с помощью тиристорной схемы в пульте управления. По окончании заряда в пульт 5 управления подается напряжение для запуска блока поджига лампы и инициирования высоковольтного пробоя разрядного промежутка лампы, после чего становится возможным разряд накопителя с помощью блока 4 игнитронных разрядников. Импульс тока измеряется датчиком тока типа пояса Роговского, информация с которого выводится на пульт управления. Параметры разрядного контура (С, R) являются переменными величинами и подобраны таким образом, что обеспечивается режим апериодического критического разряда с крутым передним фронтом импульса тока. Экспериментально измеренные значения амплитуды Р генерируемых импульсов давления в воде на расстоянии r от ОАП приведены в таблице.

Для сравнения эффективности заявленного устройства с разработанными ранее на основе применения лазеров проведем численную оценку значений коэффициентов η_эо и η_оа электрооптического и оптоакустического КПД. Результаты исследований показали, что с поверхности лампы излучается величина удельной поверхности световой энергии w, равная 5 Дж/см². Тогда при запасаемой электрической энергии в емкостном накопителе W_эл 2 кДж получим η_эо wS/W_эл 18-7% где S 75 см² площадь излучающей поверхности лампы (типа ИФП-2000). Соответствующий электрооптический КПД импульсных лазеров обычно составляет величину нескольких процентов. Таким образом, η_эо лампового ОАП превышает электрооптический КПД лазеров более чем на порядок.

Аналогично рассмотрим удельные значения плотности потока энергии с акустической стороны. Тогда η_оа I_ак/ I_опт, где I_ак интенсивность акустических волн в ближней волновой зоне (например, на расстоянии r 0,01 м от поверхности лампы); I_опт интенсивность оптического излучения.

Результаты экспериментов показали, что I_опт 1,4 x 10⁴ Вт/см², а I_ак 16 Вт/см² в отсутствие поглотителя, и I_{ак.погл.} 3 x 10³ Вт/см²при наличии слоя поглотителя. Следовательно, η_оа 1,1 x 10^-3 в случае отстоявшейся воды и η_{оа.погл.} 0,21 при наличии поглотителя в ОАП. Для того, чтобы доля энергии, уносимой акустической волной в воде, составила η_оа 10^-2-10^-3 от энергии светового пуска, падающего на его поверхность, импульс СO₂ лазера должен обладать интенсивностью I_опт 1,8 Вт/см², т. е. почти на 4 порядка больше, чем у лампового преобразователя. Такое отличие объясняется тем, что ламповый преобразователь обладает широкой спектральной областью в излучении, значительной длительностью импульса света, а также наличием контактного взаимодействия излучателя со средой. При нанесении же поглощающих световое излучение примесных добавок коэффициент η_оа возрастает более чем в 100 раз. Следовательно, общий КПД лампового ОАП η η_эо˙η_оапревышает соответствующий КПД для лазеров более чем на 3 порядка.

Таким образом, использование предлагаемого ОА устройства для генерации звуковых волн в жидкости обеспечивает значительное повышение КПД оптоакустического преобразования при контактном способе воздействия излучения на среду; генерацию больших амплитуд давления без увеличения энерговклада по электропитанию за счет применения дополнительного поглотителя светового излучения; излучение направленных акустических волн за счет применения в конструкции отражателей-рефлекторов и создания многоламповых решеток; возможность одновременного оптического и акустического зондирования водных сред.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН, ПРЕИМУЩЕСТВЕННО НИЗКОЧАСТОТНЫХ, В ЖИДКОСТИ, содержащее источник оптического излучения, включающий импульсную лампу, источник питания которой выбран с крутым передним фронтом импульса тока, и нерастворимый в воде поглотитель, легкоиспаряемый при воздействии на него импульса излучения, отличающееся тем, что поглотитель нанесен на излучающую поверхность лампы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2