СПОСОБ ИЗЛУЧЕНИЯ ЗВУКА В ЖИДКУЮ СРЕДУ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК H04R1/44 

Изобретение относится к области виброакустики, преимущественно к устройствам излучения звука в жидкость.

Известен способ излучения звука в жидкость, заключающийся в том, что устанавливают излучатель на заданную глубину, накачивают воздух в замкнутую герметичную полость, ограниченную двумя фигурными плитами, соединенными гибкими манжетами, фиксируют плиты во взведенном положении с помощью запорно-спускового устройства, откачивают воздух из полости, освобождают плиты путем подачи электромагнитного сигнала на спусковое устройство.

В момент схлопывания плит возникает импульс сжатия в окружающей разогнувшейся жидкости при ее резком торможении [1, с.153-156]
Основными недостатками данного способа являются:
1. Сложность процесса создания механических колебаний излучающего элемента. Необходимость периодического использования компрессора и насоса для создания избыточного давления и разряжения воздуха в полости.

2. Отсутствие возможности плавного регулирования резонансной частоты излучающего элемента в широком диапазоне значений.

3. Трудность реализации способа при буксировке излучателя.

4. Дискретный характер действия излучателя, невозможность создания режима непрерывного излучения.

5. Ограничение нижней частоты эффективного излучения звука излучателя.

6. Большой расход энергии при реализации способа.

Наиболее близким к заявляемому является способ излучения звука в жидкость, заключающийся в том, что устанавливают излучатель на заданную глубину, в замкнутую герметичную упругую полость накачивают воздух до компенсации внешнего статического давления среды, возбуждают механические колебания излучающей оболочки путем попеременной подачи и отвода в камеру воздуха, осуществляемого золотниковым устройством [1, c.64-66]
Основными недостатками данного способа являются:
1. Сложность механизма создания механических колебаний оболочки излучателя. Необходимость постоянного использования сложного оборудования (компрессора, электродвигателей, золотникового устройства).

2. Большой расход энергии при реализации способа.

3. Необходимость постоянного подвода сжатого воздуха к оболочке.

4. Отсутствие возможности плавного регулирования резонансной частоты излучающего элемента в широком диапазоне частот.

5. Трудность реализации способа при буксировке устройства.

6. Ограничение минимальной частоты эффективности использования излучающего элемента на резонансной частоте.

Известно устройство излучения звука, содержащее герметичную полость, образованную двумя фигурными плитами, соединенными гибкими манжетами с кольцевой рамой, запорно-спусковое устройство, соединенное с обеими фигурными плитами, система управления запорно-спусковым устройством, трубы подвода и откачки воздуха, компрессор и насос, соединенный с ними [1, c.153-156]
Основными недостатками данного устройства являются:
1. Сложность механизма создания механических колебаний излучающего элемента. Необходимость периодического использования компрессора и насоса для создания избыточного давления и разряжения воздуха в полости.

2. Отсутствие возможности плавного регулирования резонансной частоты излучающего элемента в широком диапазоне частот.

3. Невозможность получения чистого гармонического сигнала.

4. Дискретный характер действия излучателя, невозможность создания режима непрерывного излучения.

5. Большая энергоемкость устройства.

6. Ограниченность минимального значения частоты эффективного излучения устройством.

Наиболее близким к заявляемому является излучающее устройство, содержащее герметичный корпус с установленным в нем электроприводом компрессора, соединенного с герметичной полостью излучающего элемента через компрессор, трубопровод, перепускной клапан. Излучающая полость ограничена упругой резиновой оболочкой, в которой размещено золотниковое устройство, соединенное с электродвигателем и содержащая запорный клапан. Излучающее устройство также снабжено системой автоматической компенсации гидростатического давления [1, с.67-68]
Основными недостатками устройства являются:
1. Сложность и громоздкость устройств элемента (эл. привод, компрессор, золотниковое устройство, его эл. привод).

2. Невозможность варьирования резонансной частоты излучателя в процессе эксплуатации.

3. Трудность осуществления работы устройства в режиме его буксировки.

4. Невозможность создания режима тонального излучения.

5. Большая энергоемкость устройства.

Целью изобретения является упрощение устройства за счет нового механизма создания колебаний упругой оболочки излучающего элемента, повышение эффективности работы устройства за счет снижения расхода сжатого воздуха, уменьшения энергопотребления излучателя.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе, заключающемся в том, что упругую оболочку устанавливают в жидкую среду, заполняют ее газом до заданного размера, возбуждают в оболочке механические колебания при заданной глубине ее погружения за счет ее циклического перемещения относительно заданной глубины. При этом циклическое перемещение оболочки осуществляют путем ее буксировки в режиме периодического изменения глубины, которое может осуществляться путем периодического изменения скорости буксировки.

Указанная цель достигается тем, что в известное устройство для излучения звука в жидкую среду, содержащее один или несколько излучающих элементов, каждый из которых выполнен в виде герметичной оболочки из эластичного материала и снабжен системой подачи и отвода газа, дополнительно введен узел циклического перемещения излучающих элементов в вертикальной плоскости. Узел циклического перемещения может быть выполнен в виде буксируемого аппарата, который имеет форму планера, или в виде винта с излучающими элементами, установленными на его лопастях.

Физическая сущность изобретения заключается в следующем.

Низкочастотные гидростатические излучатели представляют собой сложный технический объект и требуют для своей работы сложной, громоздкой с большим энергопотреблением системы возбуждения механических колебаний в оболочке излучающего элемента (а именно: электропривод, компрессор, пневмомеханизм для создания переменного давления воздуха на оболочку, электропривод к нему).

Рассмотрим принципиально новый подход к решению данной проблемы, а именно использующий для своей работы изменение гидростатического давления окружающей его среды.

Физические предпосылки, обуслoвливающие возможность создания такого типа излучателей, заключаются в следующем. Поместим наполненную газом упругую сферу 1 в жидкость 2 на некоторую глубину от поверхности 3. Пусть сфера движется по траектории в виде окружности с постоянной угловой скоростью. Тогда поверхность сферы подвергается действию внешнего давления, имеющего постоянную статическую и периодическую динамическую составляющие. Это приводит к возникновению пульсирующих колебаний поверхности сферы и как следствие к появлению дискретной составляющей в спектре подводного шума, излучаемого сферой на частоте ее вращения. Таким образом, физически вполне реально заставить гидростатическое давление среды возбудить пульсирующие колебания поверхности сферы, а следовательно, и ее излучение.

Из вышеизложенного следует, что
1) возможно создать излучатель, использующий изменение гидростатического давления в жидкости на поверхность излучающего элемента;
2) возникает принципиальная возможность изготовить излучатель на любую сколь угодно малую частоту;
3) реально получить излучатель, работающий непрерывно на выбранной резонансной частоте;
4) можно осуществить буксировку излучателя в широком диапазоне скоростей при выбранном режиме работы;
5) существует возможность упростить излучатель за счет исключения устройств создания механических колебаний излучающей оболочки излучателя;
6) возможно сократить энергопотребление излучателя за счет отсутствия устройств создания механических колебаний оболочки излучателя.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема движения излучающего элемента при стационарной работе устройства. на фиг.2 устройство для варианта стационарной работы излучателя с одной или несколькими штангами, на концах которых расположены излучающие элементы; на фиг.3 устройство, работающее в варианте буксировки излучателя при размещении излучающих элементов на корпусе буксируемого аппарата; на фиг.4 и 5 движение буксируемого аппарата в режиме плоской, волнообразной и пространственной, винтовой траектории; на фиг.6 - излучатель с устройством перемещения излучающего элемента в виде винта; на фиг.7 траектория движения излучателя, показанного на фиг.6.

Возможно несколько вариантов модификации конструкции и способов реализации излучателя гидростатического типа.

Вариант 1. Способ реализуется путем вращения излучающего элемента, закрепленного на штанге вокруг неподвижной точки с помощью электродвигателя.

Устройство (фиг. 2) содержит излучающие элементы 5, выполненные в виде сферической оболочки из эластичного материала, например резины, систему подачи и отвода газа, содержащую баллон со сжатым воздухом 6, трубопровод 7 и клапан впуска и отвода газа 8, а также систему автоматического управления системой подачи и отвода газа (на чертеже не показана). Устройство с возможностью перемещения излучающих элементов в вертикальной плоскости содержит платформу 9 с установленным на ней электродвигателем 10, на ось которого насажена одна или несколько штанг 11 с установленной системой подачи и отвода газа и одним или несколькими излучающими элементами. Платформа с помощью кабель-троса 12 связана с лебедкой 13, установленной на корабле 14. Для уменьшения гидродинамического сопротивления во время движения излучающие элементы заключены в обтекатели 16.

Работает устройство излучения звука, изображенное на фиг.2, следующим образом. Излучающее устройство (фиг.1) устанавливают на платформе 9, опускают лебедкой 13 на заданную глубину, включают систему подачи воздуха из баллона 6 через трубопровод 7 и клапан впуска в излучающий элемент 5. Заполняют излучающий элемент газом до заданного размера, включают электродвигатель 10 с определенной частотой вращения и вращают излучающий элемент, установленный на штанге в вертикальной плоскости. Вращение излучающего элемента осуществляется по замкнутой круговой траектории (фиг.1). При этом на оболочку действует переменное гидростатическое давление.

Представленное на фиг. 2 устройство излучения звука работает в стационарном режиме. Возможна модификация устройства, позволяющая получить излучение звука в режиме буксировки. При этом исключается расход энергии излучателя на циклическое изменение гидростатического давления, действующего на оболочку излучающего элемента.

Вариант 2. Cпособ реализуется путем буксировки аппарата и связанного с ним излучающего элемента.

Устройство (фиг. 3) содержит излучающие элементы 5, выполненные в виде сферической оболочки из эластичного материала, например резины, систему подачи и отвода газа, содержащую баллон со сжатым газом 6, трубопровод 7 и клапана впуска и отвода газа 8, а также систему автоматического управления системой подачи и отвода газа (на чертеже не показана). Устройство с возможностью перемещения излучающих элементов в вертикальной плоскости выполнено в виде буксируемого аппарата, содержащего полый корпус 17 с отверстиями 18, горизонтальные рули 19 с рулевыми машинками 20, крыло 21. Система подачи и отвода газа и излучающие элементы помещены в корпус буксируемого аппарата. Также возможны схемы размещения излучающих элементов на корпусе снаружи и за корпусом буксируемого аппарата.

Устройство для излучения звука в жидкость, изображенное на фиг.3, работает следующим образом.

Излучающее устройство помещают на рабочую глубину. Включают систему подачи газа из баллона 6 через трубопровод 7 и клапан впуска в излучающий элемент (фиг. 3). Заполняют газом излучающий элемент до заданного размера. Механические колебания оболочки излучающего элемента создают путем циклического изменения гидростатического давления среды, окружающей излучающий элемент. Циклическое изменение гидростатического давления среды на излучающий элемент осуществляют путем буксировки излучателя в режиме периодического изменения глубины. Периодическое изменение глубины излучателя в режиме буксировки кораблем осуществляется двумя способами:
а) в первом случае буксируемый аппарат работает в режиме углубителя, а измерение глубины аппарата осуществляется путем периодического изменения скорости хода корабля-буксира или путем периодического сматывания и подбора ведущего буксира 22 на лебедку. При этом траектория движения 23 аппарата имеет вид плоской периодической волны (фиг.4);
б) во втором случае в буксируемом аппарате с помощью рулевой машинки устанавливают горизонтальные рули в режим, при котором аппарат при буксировке имеет винтовую траекторию движения 24 (фиг.5).

Вариант 3. Cпособ реализуется путем вращения винта с установленными на его лопастях излучающими элементами.

Третий вариант конструкции представляет собой смесь первых двух, т.е. излучатель буксируется по прямолинейной траектории, а переменное гидростатическое давление на поверхности излучающего элемента получается за счет вращения относительно некоторой точки. Такая конструкция излучателя приведена на фиг.6 и содержит излучающие элементы 5, выполненные в виде замкнутой герметичной оболочки из эластичного материала, например резины, систему подачи и отвода газа, содержащую баллон со сжатым газом 6, трубопровод 7 и клапана впуска и отвода газа 8, а также систему автоматического управления системой подачи и отвода газа (на ччертеже не показана). Устройство с возможностью перемещения излучающих элементов в вертикальной плоскости выполнено в виде винта, состоящего из полого корпуса 25 и лопастей 26. Причем баллон со сжатым газом расположен внутри корпуса, а излучающие элементы расположены на лопастях.

Работа устройства осуществляется следующим образом (фиг.7). Излучающее устройство помещают на рабочую глубину. Включают систему подачи газа из баллона 6 через трубопровод 7 и клапана впуска (фиг.6) в излучающий элемент. Заполняют газом излучающий элемент до заданного размера. Механические колебания оболочки излучающего элемента создают путем циклического изменения гидростатического давления среды, окружающей излучающий элемент. Циклическое изменение гидростатического давления среды на излучающий элемент осуществляют путем буксировки винта 27 по прямолинейной траектории. Удержание винта на заданном углублении осуществляется с помощью решетки-углубителя 29. Кабель-трос 31 соединен с винтом 27 через вертлюг 30. Варьируя угол атаки крыла винта к встречному потоку, добиваются оптимальной скорости вращения винта.

Использование изобретения по сравнению с прототипом позволяет упростить конструкцию излучателя и повысить эффективность работы за счет упрощения механизма создания механических колебаний упругой оболочки излучающего элемента, снижения расхода сжатого воздуха, плавного регулирования резонансной частоты излучателя, возможности использования режима буксировки излучателя, уменьшения энергопотребления излучателя.

Использование: для излучения звука в жидкую среду. Сущность изобретения: упругую оболочку устанавливают на заданную глубину, заполняют ее газом и возбуждают в ней механические колебания за счет ее циклического перемещения относительно заданной глубины. 7 ил.

1. Способ излучения звука в жидкую среду, заключающийся в установке упругой оболочки в жидкую среду, заполнении ее газом до заданного размера, возбуждении в оболочке механических колебаний при заданной глубине ее погружения, отличающийся тем, что механические колебания в оболочке возбуждают за счет ее циклического перемещения относительно заданной глубины. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что циклическое перемещение оболочки осуществляют путем ее буксировки в режиме периодического изменения глубины. 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что буксировка оболочки в режиме периодического изменения глубины осуществляется путем периодического изменения скорости буксировки. 4. Устройство для излучения звука в жидкую среду, содержащее один или несколько излучающих элементов, каждый из которых выполнен в виде герметичной оболочки из эластичного материала и снабжен системой подачи и отвода газа, отличающееся тем, что в него введен узел циклического перемещения излучающих элементов в вертикальной плоскости. 5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что узел циклического перемещения выполнен в виде буксируемого аппарата. 6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что буксируемый аппарат выполнен в виде планера. 7. Устройство по п.4, отличающееся тем, что узел циклического перемещения выполнен в виде винта, а излучающие элементы установлены на его лопастях.