Широкополосный импульсный излучатель направленного действия

 

Устройство относится к области создания достаточно мощных коротких акустических широкополосных сигналов. Основным недостатком существующих излучателей является сложность обеспечения синфазности излучения всех элементов излучателя и требуемых характеристик направленности. Предлагаемый излучатель представляет собой цепочку последовательно соединенных пар электродов, искровые промежутки между которыми пространственно размещаются в узлах антенной решетки заданных размеров. 1 ил.

Изобретение относится к области генерирования электрических колебаний и может быть использовано при разработке импульсных источников акустических сигналов в водной и воздушной средах.

Известны искровые многозазорные разрядники [1-6] которые могут быть использованы для коммутации сильных и сверхсильных электрических токов и напряжений. Подобные устройства могут применяться для включения импульсных накопителей электрической энергии в цепь, содержащую нагрузку, в частности, включение батареи высоковольтных импульсных конденсаторов в цепь, содержащую мощные газоразрядные лампы с большой интенсивностью излучения.

Большое количество технических решений [7-20] направлено для осуществления разряда в различных средах, главным образом для поджига топливных смесей.

Известна антенна [21] содержащая ряд симметричных вибраторов, расположение которых обеспечивает необходимые направленность и коэффициент усиления.

Наиболее близким предлагаемому изобретению является газоразрядный излучатель, являющийся антенной электроразрядного профилографа фирмы EG&G [22] В известной модели 267-А имеется три электрода, расположенные в линию, в модели 402-7 девять, группами по три.

Электроды заряжаются положительно и разряд происходит между ними и рамой, на которой собраны электроды и подводящие кабели. Таким образом, используется параллельное подключение электродов. Система выдерживает от 50 до 100 тыс. разрядов в зависимости от режима работы. В трехэлектродной модели реализуется энергия разрядов от 500 до 9000 Дж, а в модели 402-7 от 500 до 24000 Дж. Длительность импульсов соответственно 4 мс при 1000 Дж и 11 мс при 8000 Дж. Спектры импульсов находятся в пределах соответственно от 100 до 1000 Гц и от 40 до 400 Гц.

Частота повторения импульсов составляет 2 имп/с и 1 имп. в 4 с соответственно.

При уменьшении мощности разряда спектры сдвигаются к высоким частотам, длительность импульсов уменьшается, число импульсов в единицу времени увеличивается.

Подобные устройства являются достаточно удобным средством создания колебаний не очень высокого давления в широкой полосе частот.

Недостатком устройства является сложность обеспечения требуемых характеристик направленности, поскольку параллельное подключение электродов не обеспечивает необходимость синфазности в процессах электрических разрядов между электродами каждой пары.

Целью предлагаемого изобретения является обеспечение синфазности протекающих разрядных процессов, происходящих между электродами каждой пары, и на этой основе обеспечение заданных направленных свойств акустического излучателя.

Поставленная цель достигается тем, что электроды, входящие в состав излучателя, образуют антенную решетку, состоящую из последовательно соединенных групп электродов, в каждой из которых пары электродов подключены последовательно.

Структурная схема излучателя показана на чертеже. Устройство содержит N групп излучателей; 1, 2, n пары электродов, последовательно соединенные в каждой группе.

На входные клеммы поступает постоянное напряжение U_имп. Необходимая энергия накапливается в промежутке между циклами излучения в высоковольтном накопителе, например конденсаторе.

Излучатель действует следующим образом. В момент излучения к источнику напряжения подключаются электроды, в искровых промежутках между которыми наступает электрический пробой, сопровождаемый излучением акустической энергии. Электродные пары размещены таким образом, чтобы искровые промежутки оказались в узлах антенной решетки заданных размеров. Последовательное соединение искровых промежутков, выполняющих роль отдельных точечных акустических излучателей, обеспечивает их синфазную работу в составе излучателя.

Конструкция и размеры антенной решетки определяют заданную характеристику направленности излучателя в пространстве [23] на средней частоте диапазона.

Акустическая энергия, излучаемая таким источником ударной волны, может быть определена по формуле где ρ_o плотность невозмущенной акустической среды, кг/м³; C₀ скорость распространения звука, м/с; E энергия электрического разряда, Дж; τ длительность разряда, с; g показатель адиабаты.

Спектральная плотность энергии формируемого импульса сигнала может быть описана функцией [22] Полная энергия в полосе частот ω₁-ω₂ определяется по формуле

где P₀ эффективное давление акустической волны, Па;
τ_o постоянная времени спада давления во фронте волны, с.

На основе описанного устройства был создан действующий макет ультразвукового широкополосного акустического искрового излучателя с антенной решеткой направленного действия, имеющий следующие основные характеристики:
средняя частота спектра сигнала 32,5 кГц;
относительная полоса частот сигнала 1,5 октавы;
ширина XH в горизонтальной к вертикальной плоскости по уровню мощности 0,5 40^o;
излучаемая акустическая энергия в импульсе около 15·10^-3 Дж.

Литература
1. А.С. N 426279, 1972, СССР. Трехэлектродный искровой разрядник.

2. А.С. N 731506, 1978, СССР. Многозазорный разрядник.

3. А.С. N 773806, 1979, СССР. Многозазорный управляемый разрядник.

4. А. С. N 726612, 1978, СССР. Управляемый многозазорный искровой коммутатор.

5. А.С. N 1232096, 1984, СССР. Многозазорный разрядник.

6. А.С. N 103410, 1983, СССР. Многозазорный управляемый разрядник.

7. Патент N 115118942, США, 1993. Электростатическое зарядное устройство и способ оптимизации процесса заряда.

8. Патент N 92/11673, PCT (0). Устройство для создания пространственного заряда в атмосфере.

9. Патент N 2249345, Великобритания. Свеча зажигания.

10. Патент N 5095242, США. Свеча зажигания с низким уровнем радиопомех.

11. Патент N 5101135, США. Свеча зажигания для двигателей внутреннего сгорания.

12. Патент N 2248879, Великобритания. Свеча зажигания.

13. Патент N 2248653, Великобритания. Свеча зажигания и способ ее сборки.

14. Патент N 267334, Франция. Мощный разрядник, срабатывающий под действием лазера.

15. Патент N 92/04754, PCT (0). Электрический искровой генератор для газообразных топлив.

16. Патент N 5016136, США. Устройство для управления процессом заряда и разряда.

17. Патент N 0520492, ЕПВ (EP). Свеча зажигания и система зажигания для ДВС.

18. Патент N 92/00731, PCT (0). Свеча зажигания для поджигания топливно-воздушных смесей.

19. Патент N 0458375, ЕПВ (EP). Свеча зажигания для ДВС.

20. Патент N 5-54955, Япония. Свеча зажигания.

21. А.С. N 1054853, 1982, СССР. Широкополосная направляющая антенна.

22. Акустические подводные низкочастотные излучатели. А.В.Римский-Корсаков, В.С. Ямщиков и др. Л. Судостроение, 1984, с. 152-153 (прототип).

23. Скучик Е. Основы акустики. М. Мир, т. 2, 1976, 544 с.

Формула изобретения

Широкополосный импульсный излучатель направленного действия, содержащий электроды, подключенные к источнику напряжения, отличающийся тем, что антенную решетку образуют несколько последовательно соединенных групп электродов, каждая из которых состоит из последовательно подключенных пар электродов, расположенных таким образом, что искровые промежутки находятся в узлах антенной решетки и выполняют роль точечных излучателей.

РИСУНКИ

Рисунок 1