Изобретение относится к звукопоглощающим системам и может быть использовано для создания высокоэффективного звукопоглощения металлической пластиной в жидкости.
Известно устройство для создания звукопоглощения металлической пластиной в жидкости, содержащее дополнительную металлическую пластину, причем обе металлические пластины подключены к источнику постоянного напряжения [1] , с включением которого непосредственно на поверхности металлической пластины в результате электролиза формируется слой приграничных газовых пузырьков, поглощающих энергию падающих на него колебаний.
Однако использование только одного слоя с водородными или кислородными пузырьками, формирующимися на поверхности металлической пластины, не обеспечивает максимально возможное звукопоглощение при данных затратах электрической энергии на электролиз, так как часть энергии теряется бесполезно на формирование газовых пузырьков на дополнительной пластине, которая не участвует непосредственно в процессе звукопоглощения.
Из известных устройств наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство для создания звукопоглощения металлической пластиной в жидкости, содержащее две параллельные металлические пластины, которые соединены с источником постоянного напряжения через ключ, управляемый генератором видеоимпульсов. В прототипе при подаче импульсного напряжения на поверхности металлических пластин в результате электролиза формируется система слоев приграничных газовых пузырьков, поглощающих энергию падающих на нее колебаний.
Недостатком прототипа является то, что несмотря на повышение звукопоглощения, по сравнению с аналогом, образовавшейся системы слоев приграничных пузырьков, обусловленное использованием двух звукопоглощающих слоев вместо одного, он не обеспечивает максимально возможное звукопоглощение систем слоев приграничных пузырьков (СПП), поскольку слои образуются из кислородных и водородных пузырьков, скорость роста которых различна. По этой причине резонансных размеров частоте распространяющегося через систему слоев акустического излучения, а значит, и максимальной величины звукопоглощения, кислородные и водородные пузырьки достигают не одновременно.
Целью изобретения является повышение эффективности звукопоглощения.
Поставленная цель достигается тем, что в устройство для создания звукопоглощения металлической пластиной в жидкости, содержащее параллельные металлические пластины, ключ, вход которого соединен с выходом источника постоянного напряжения, а первый выход которого соединен с металлической пластиной, и генератор видеоимпульсов, введены вторая дополнительная металлическая пластина, расположенная рядом с обеими металлическими пластинами и соединенная с вторым выходом ключа, блок задержки включения генератора видеоимпульсов, подключенный к входу генератора видеоимпульсов, и сумматор, первый вход которого соединен с выходом генератора видеоимпульсов, второй вход которого соединен с выходом блока задержки включения генератора видеоимпульсов, а выход - с управляемым входом ключа, причем первая дополнительная пластина соединена электрически с металлической пластиной, а расстояние между ними равно нечетному числу волн акустического излучения в жидкости.
Возможность достижения цели изобретения обусловлена следующими теоретическими выводами и результатами экспериментальных исследований. Известно, что максимальное звукопоглощение слоя газовых пузырьков возможно лишь при использование монорадиусных пузырьков, размеры которых резонансны частоте распространяющегося через слой акустического излучения. В прототипе с целью повышения эффективности звукопоглощения и обеспечения минимально возможных затрат электрической энергии на формирование электролизных пузырьков, поглощающих звук, используется не только слой монорадиусных приграничных пузырьков, формирующихся непосредственно на поверхности металлической пластины, но также и слой монорадиусных приграничных пузырьков, формирующихся на дополнительной металлической пластине, которая устанавливается параллельно звукоизолируемой металлической пластине. Но так как на эти пластины подаются различные по знаку электрические потенциалы, то на них формируются соответственно слои приграничных пузырьков, заполненных кислородов и водородом. Известно, что скорость роста кислородных и водородных пузырьков различна, т. е. за одно и то же время они достигают различных размеров. Это означает, что, если размеры, например, водородных пузырьков достигли резонансных размеров частоте облучающего их акустического излучения, то слой приграничных пузырьков, состоящий из них, будет обладать максимальной величиной звукопоглощения, в то же самое время размеры кислородных пузырьков еще не достигают резонансных размеров частоте облучающего их акустического излучения, следовательно слой приграничных пузырьков, состоящий из них, не будет обладать максимальной величиной звукопоглощения. В результате величина общего звукопоглощения всей системы слоев будет меньшей, чем величина звукопоглощения системы слоев, состоящих из монорадиусных пузырьков, резонансных частоте распространяющегося через систему слоев акустического излучения. С целью повышения эффективности звукопоглощения в предлагаемом устройстве используется система СПП с монорадиусными пузырьками, заполненными одним и тем же газом. Вот почему на металлическую пластину и дополнительную металлическую пластину подается один и тот же электрический потенциал по отношению ко вновь введенной второй дополнительной металлической пластине, которую устанавливают рядом с ними. Кроме того, параллельные пластины, а следовательно, и формирующиеся на них слои приграничных газовых пузырьков располагаются на расстоянии друг от друга, равном нечетному числу четвертей длин волн в жидкости, что, как известно, является условием для максимально возможного затухания звука, которое имеет место на четверть волновой толщине слоя. Как уже отмечалось, с включением электролизного тока начинают формироваться газовые пузырьки, размеры которых через некоторое время достигают размеров, резонансных частоте акустического излучения. Очевидно, что если в этот момент не включить электролизный ток, то дальнейший рост газовых пузырьков, обусловленный продолжающимся электролизом, вызовет нарушение оптимальной структуры формирующихся СПП. Для создания и поддержания оптимальной структуры СПП в предлагаемое устройство введены блок задержки включения генератора видеоимпульсов и сумматор, которые формируют импульсное напряжение, подаваемое на электролизные пластины.
При включении устройства на выходе блока задержки включения генератора видеоимпульсов формируется видеоимпульс, длительность которого определяется временным промежутком, необходимым для формирования оптимальной структуры слоя, т. е. необходимым для роста пузырьков (водородных или кислородных в зависимости от знака потенциала подаваемого на параллельные пластины) до размеров, резонансных частоте акустического излучения, затем по достижении пузырьками резонансных размеров, что соответствует заднему фронту видеоимпульса, формируемого блоком задержки включения генератора видеоимпульсов, электролизный ток выключается, рост пузырьков прекращается и они начинают уменьшаться за счет диффузии газа в жидкость и т. п. Вот почему последующие кратковременные включения электролизного тока, осуществляемые с постоянной скважностью с помощью генератора видеоимпульсов, который включается задним фронтом импульса, формируемого блоком задержки включения генератора видеоимпульсов, позволяют "подкачивать" пузырьки газом, что вызывает их рост до прежних резонансных размеров, и, следовательно, позволяет поддерживать оптимальной структуру формирующегося слоя приграничных пузырьков на все время, в течение которого на электролизные пластины поступает импульсное напряжение с постоянными амплитудой и скважностью.
На фиг. 1 приведена структурная схема устройства; на фиг. 2 - временная зависимость изменения звукопоглощения при включении и выключении импульсного напряжения на электролизных пластинах.
Устройство содержит три металлические пластины 1, 2 и 3, первая из которых - звукоизолируемая 1 располагается поперечно направлению звукового излучения, первая дополнительная пластина 2, толщина которой меньше или равна четверти длины волны акустического излучения в материале пластине, устанавливается параллельно первой пластине 1 на расстоянии, меньшем или равном нечетному числу четвертей длин волн акустического излучения в жидкости. Вторая дополнительная пластина 3 устанавливается рядом с первыми двумя 1 и 2. Первая 1 и первая дополнительная 2 пластины соединены электрически между собой и на них подается, например, отрицательный потенциал относительно положительного, подаваемого на вторую дополнительную пластину 3. Импульсное напряжение, подаваемое на электролизные пластины, формируется с помощью блока задержки включения генератора видеоимпульсов 4, выход которого соединен с входом генератора видеоимпульсов 5 и сумматора 6, второй вход которого соединен с выходом генератора видеоимпульсов 5. Выход источника постоянного напряжения 7 соединен с сигнальным входом ключа 8, управляемый вход которого соединен с выходом сумматора 6. Первая выходная клемма ключа 8 соединена с первыми двумя пластинами 1 и 2, вторая выходная клемма ключа 8 соединена с второй дополнительной пластиной 3. Уровень звукового излучения, создаваемого, например, акустическим излучателем 9, претерпевшего затухание на образующейся системе слоев, контролируется гидрофоном 10, который устанавливается на акустической оси излучателя 9.
Работает устройство следующим образом. Поперечно направлению распространения звуковой волны устанавливается первая металлическая пластина 1, звукопоглощение которой необходимо повысить. Первая дополнительная пластина 2 располагается параллельно первой 1 пластине на расстоянии, меньшем или равном нечетному числу четвертей длин волн акустического излучения в жидкости, и соединяется электрически с первой пластиной 1.
Вторая дополнительная пластина 3 устанавливается рядом с первыми двумя пластинами. При включении устройства вначале включается блок задержки включения генератора видеоимпульсов 4, на выходе которого формируется видеоимпульс длительностью τзад, в течение которой формируется оптимальная структура СПП, т. е. в течение которой уровень звукового давления (УЗД) в акустическом излучении, прошедшем через формирующуюся систему СПП, снижается до минимального значения. Затем задним фронтом видеоимпульса τзад запускается генератор видеоимпульсов 5, на выходе которого формируется последовательность видеоимпульсов с необходимой для поддержания требуемой стабильности звукопоглощения длительностью τ и скважностью. Видеоимпульс длительностью τзад и видеоимпульсы длительностью τ поступают на входы сумматора 6. Видеоимпульсы с выхода последнего формируют из постоянного напряжения, с выхода ИПН 7, с помощью ключа 8 импульсное напряжение с постоянной амплитудой и скважностью, которое поступает на электролизные пластины 1, 2 и 3. В момент включения импульсного напряжения на поверхностях пластин образуются СПП, резонансные размеры которых определяются длительностью первого импульса τзад. Поскольку все пузырьки начинают формироваться одновременно и рост их происходит с одинаковой скоростью (кислородные пузырьки, формирующиеся при электролизе на второй дополнительной пластине 3, например, обладающей положительным потенциалом, скорость роста которых меньше скорости роста водородных пузырьков, формирующихся на параллельных пластинах 1 и 2, не попадают в область, в которой распространяется акустическая волна, поскольку третья пластина 3 находится над первыми двумя, следует отметить, что последнее условие совсем не обязательно, т. е. вторая дополнительная пластина может располагаться в любом месте рядом с первыми двумя, поскольку формирующиеся на ней газовые пузырьки не резонансны частоте акустического излучения и практически не вносят вклад в общее звукопоглощение системы), то все они практически одновременно достигают одинакового размера, резонансного частоте распространяющегося через них акустического излучения. В результате происходит эффективное звукопоглощение на сформировавшейся за промежуток длительностью τзад системе ССП с оптимальной структурой.
Последующие кратковременные включения электролизного напряжения, осуществляемые с постоянной скважностью, обеспечивают поддержание необходимого звукопоглощения с требуемой стабильностью. На фиг. 2 приведена экспериментальная временная зависимость изменения УЗД в прошедшем через систему СПП акустическом излучении. В момент подачи на электролизные пластины импульсного напряжения (он указан стрелкой, направленной вниз) звукопоглощение системы из формирующихся слоев приграничных пузырьков в течение 38-40 сек возрастало на 40 дБ, затем в течение всего времени, пока на электролизные пластины подавалось импульсное напряжение с постоянными амплитудой и скважностью, наблюдались флюктуации УЗД в прошедшей через систему СПП звуковой волне, причем средний уровень давления практически не превышал того минимального УЗД, до которого снизился УЗД прошедшего сигнала в момент подачи импульсного напряжения на электролизные пластины. В момент снятия импульсного напряжения с электролизных пластин (он указан стрелкой, направленной вверх) наблюдалось увеличение УЗД в прошедшей через систему слоев акустической волне до уровня, который был в волне до включения импульсного напряжения. Вертикальная линия на фиг. 2 соответствует моменту переключения скорости бумаги на самописце.
Внедрение предлагаемого устройства для создания звукопоглощения металлической пластиной в жидкости имеет большое значение, поскольку позволило бы не только снизить уровни звукового давления, пагубно воздействующие на органы слуха человека, но и уменьшить уровни подводного шума судов, обусловленные, например, работающими на них механизмами. Кроме того, с помощью предлагаемого устройства появляется возможность оперативного управления звукопрозрачностью обтекателей, в которых располагаются акустические излучатели и приемники активных и пассивных гидроакустических средств. Так установка в кормовой части обтекателя звукопрозрачного электропроводящего экрана, звукопоглощением которого можно управлять, позволит не только увеличить чувствительность приемного тракта гидролокатора, за счет устранения собственных шумов носителя, что ведет к увеличению дальности действия гидролокатора, но и управлять звукопрозрачностью обтекателя. Например, во время движения судна, когда уровни собственных шумов, создаваемых механизмами, максимальны, возможно снижение их с помощью звукопоглощающей системы из нескольких СПП. При остановке судна (с выключением электролизного тока) звукопрозрачность кормового экрана быстро восстанавливается, в результате появляется возможность кругового обзора окружающего подводного пространства. (56) Физические основы подводной акустики. Под ред. В. И. Мясищева. М. , Советское радио, 1955.
Авторское свидетельство СССР N 1824648, кл. G 10 K 11/00, 1991.
Использование: гидроакустика, в частности звукопоглощение металлическими пластинами в жидкости. Сущность изобретения: устройство для создания звукопоглощения металлической пластиной в жидкости содержит две параллельные металлические пластины, подключенные к источнику постоянного напряжения через ключ, и дополнительную металлическую пластину, которая расположена вблизи первых двух. Дополнительная пластина соединена через ключ с источником постоянного напряжения. К входу генератора видеоимпульсов подключен блок задержки включения генератора видеоимпульсов, а к выходу - сумматор, вход которого соединен с блоком задержки включения генератора видеоимпульсов, а выход - с ключом. При этом параллельные металлические пластины электрически соединены между собой, а расстояние между ними меньше или равно нечетному числу длин волн акустического излучения в жидкости. 2 ил.
УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ ЗВУКОПОГЛОЩЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПЛАСТИНОЙ В ЖИДКОСТИ, содержащее две параллельные металлические пластины, подключенные к источнику постоянного напряжения через ключ, соединенный с генератором видеоимпульсов, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности звукопоглощения, в него введены дополнительная металлическая пластина, расположенная вблизи параллельных металлических пластин и соединенная через ключ с генератором видеоимпульсов, а также блок задержки включения генератора видеоимпульсов, подключенный к его входу, и сумматор, один вход которого соединен с выходом генератора видеоимпульсов, другой вход - с блоком задержки включения генератора видеоимпульсов, а выход - с ключом, причем параллельные металлические пластины электрически соединены между собой, а расстояние между ними меньше или равно нечетному числу длин волн акустического излучения в жидкости.
