ИСТОЧНИК АКУСТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2001 года по МПК H04R17/00 

Изобретение относится к акустической технике и может быть использовано для получения акустических колебаний большой мощности.

Известны гидродинамические излучатели [1], преобразующие часть энергии турбулентной струи жидкости в энергию акустических волн. Работа гидродинамических излучателей основана на генерировании возмущений в жидкой среде при взаимодействии вытекающей из сопла струи с препятствием определенной формы или размеров, либо при принудительном периодическом прерывании струи. Эти возмущения оказывают обратное воздействие на основание струи у сопла, способствуя установлению автоколебательного режима. Недостаток гидродинамических излучателей заключается в том, что они могут работать с высокой эффективностью только в жидких средах.

Известны сирены - устройства для создания мощных акустических колебаний, действие которых основано на периодическом прерывании струй, вытекающих с большой скоростью через отверстия [2]. Прерывание струй осуществляется либо вращающимся ротором с отверстиями (динамические сирены), либо заслонкой, совершающей возвратно-поступательное движение (пульсирующие сирены). Недостаток сирен заключается в том, что в них присутствуют движущиеся детали, требующие регулярного обслуживания. Кроме того, они могут генерировать только монохроматические или узкополосные акустические сигналы.

Известны свистки - механические устройства для преобразования кинетической энергии струи в энергию акустических колебаний, их работа основана на возникновении автоколебаний в струе при ее взаимодействии с препятствием в виде острой кромки клина или резонирующей полости [3]. В отличие от сирен, в свистках нет движущихся деталей, поэтому они более просты по конструкции и удобны в эксплуатации. Недостаток свистков заключается в том, что они могут генерировать только монохроматические или узкополосные акустические колебания.

Известен магнитострикционный излучатель, представляющий собой сердечник из магнитострикционного материала с нанесенной на него обмоткой [4]. В таком излучателе энергия переменного магнитного поля, создаваемого в сердечнике протекающим по обмотке переменным электрическим током, преобразуется в энергию механических колебаний сердечника. В подавляющем большинстве случаев магнитострикционные излучатели работают при наличии постоянной составляющей магнитного поля H₀ (индукции В₀), причем соблюдается условие В_м < В₀, где В_м - амплитуда переменной составляющей индукции. При таком подмагничивании постоянным полем имеет место линеаризация эффекта магнитострикции и сердечник излучателя колеблется с частотой возбуждающего поля. Постоянное подмагничивание создается либо постоянным током, протекающим по обмотке, либо с помощью постоянных магнитов, либо за счет остаточной намагниченности.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является источник акустического излучения, использующий пьезоэлектрический эффект [5]. Он содержит последовательно соединенные источник переменного электрического сигнала и выполненный многослойным акустический излучатель, при этом нечетные слои акустического излучателя выполнены из электропроводящего материала, четные слои акустического излучателя выполнены из пьезоэлектрического материала, i-е слои акустического излучателя соединены с первой входной клеммой акустического излучателя, где:

а остальные выполненные из электропроводящего материала слои акустического излучателя соединены со второй входной клеммой акустического излучателя.

Известный источник акустического излучения обладает рядом недостатков:
первый из которых заключается в большой сложности формирования акустических колебаний высокой мощности, т.к. пьезоэлектрические материалы больших размеров выполнить очень сложно, что ограничивает мощность генерируемого акустического излучения, а повышение мощности акустического излучения путем использования нескольких пьезоэлектрических излучателей усложняет конструкцию устройства;
второй недостаток известного источника акустического излучения заключается в отсутствии скрытности, что обусловлено появлением электрических сигналов в электрических цепях при воздействии на пьезоэлектрический излучатель акустического излучения, эти электрические сигналы можно регистрировать и тем самым производить прослушивание помещения, в котором размещен пьезоэлектрический излучатель;
третий недостаток известного устройства заключается в невозможности управления формой волнового фронта генерируемого излучения путем изменения формы излучающей поверхности пьезоэлектрического излучателя, т.к. подавляющее большинство используемых пьезоэлектрических материалов обладает высокой жесткостью, поэтому изменять их форму в требуемых пределах невозможно, а изменение формы волнового фронта генерируемого акустического излучения путем использования нескольких излучателей, выполненных с возможностью изменения их взаимного расположения, сильно усложняет конструкцию источника акустического излучения;
четвертый недостаток заключается в невозможности или высокой сложности объединения известного источника акустического сигнала с другими элементами интерьера различных помещений, чаще всего источники акустических сигналов, предназначенные для размещения в помещениях, выполняются в виде отдельных блоков и при этом не несут никаких дополнительных функций.

Задачей изобретения является повышение потребительских свойств за счет повышения мощности генерируемого акустического излучения, обеспечения скрытности, обеспечения возможности управления формой волнового фронта генерируемого акустического излучения и обеспечения возможности функционального объединения различных элементов интерьера помещений.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в известный источник акустического излучения, содержащий источник переменного электрического сигнала и выполненный многослойным акустический излучатель, при этом нечетные слои акустического излучателя выполнены из электропроводящего материала, четные слои акустического материала выполнены из диэлектрического материала, i-е слои акустического излучателя соединены с первой входной клеммой акустического излучателя, где i определяют из соотношения (1), а остальные выполненные из электропроводящего материала слои акустического излучателя соединены со второй входной клеммой акустического излучателя, внесены следующие усовершенствования: он дополнительно содержит источник постоянного электрического смещения и сумматор электрических сигналов, при этом выход источника переменного электрического сигнала соединен с первым входом сумматора электрических сигналов, выход источника постоянного электрического смещения соединен со вторым входом сумматора электрических сигналов, выход сумматора электрических сигналов соединен со входом акустического излучателя, а четные слои акустического излучателя выполнены из электрострикционного материала.

Применение в акустическом излучателе обладающих эффектом электрострикции [6,7] материалов позволяет обеспечить решение поставленной задачи, заключающейся в повышении потребительских свойств. Так как подавляющее большинство электрострикционных материалов несложно выполнить в виде пленки больших размеров, то можно повысить мощность генерируемого акустического излучения за счет увеличения площади излучающей поверхности. Вследствие отсутствия обратного электрострикционного эффекта [6] при воздействии акустического излучения на электрострикционный материал в электрических цепях источника акустического излучения не появляются демаскирующие электрические сигналы, в результате чего обеспечивается скрытность.

Так как ряд электрострикционных материалов мажет быть выполнен в виде гибких пленок, а выполненные из электропроводящего материала слои акустического излучателя могут быть выполнены в виде тонкой фольги, то обеспечивается возможность изменять форму волнового фронта генерируемого акустического излучения за счет изменения формы излучающей поверхности, например при плоской излучающей поверхности будет генерироваться акустическое излучение с плоским волновым фронтом, если излучающая поверхность изогнута в виде выпуклой (вогнутой) цилиндрической поверхности, то волновой фронт генерируемого акустического излучения будет иметь форму выпуклой (вогнутой) цилиндрической поверхности. Обеспечение возможности функционального объединения различных элементов интерьера помещений обусловлено возможностью выполнения акустического излучателя в виде гибкой конструкции малой толщины, что позволяет изготовить, например, "говорящие и поющие" обои, линолеум, картины, гравюры, фотографии и т. д..

В частном случае акустический излучатель снабжен защитным покрытием из диэлектрического материала. Такой вариант конструктивного исполнения акустического излучателя повышает безопасность, так как обычно требуемое для электрострикционного эффекта напряжение постоянного электрического смещения составляет единицы киловольт.

Кроме того, источник переменного электрического сигнала может содержать последовательно соединенные генератор переменного электрического сигнала и усилитель электрического сигнала, причем выход усилителя электрического сигнала соединен с первым входом сумматора электрических сигналов. Такой вариант конструктивного исполнения источника переменного электрического сигнала позволяет использовать маломощный генератор переменного электрического сигнала, а требуемые для работы акустического излучателя параметры переменного электрического сигнала обеспечиваются усилителем электрического сигнала.

Сущность изобретения поясняется описанием конкретных, но не ограничивающих заявляемое устройство, вариантов выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых:
- на фиг. 1 приведена функциональная схема источника акустического излучения;
- на фиг. 2 приведен вариант конструктивного исполнения акустического излучателя;
- на фиг. 3 приведена функциональная схема источника переменного электрического сигнала.

Источник акустического излучения содержит источник переменного электрического сигнала 1, сумматор электрических сигналов 2, акустический излучатель 3 и источник постоянного электрического смещения 4. Выход источника переменного электрического сигнала 1 соединен с первым входом сумматора электрических сигналов 2, выход источника постоянного электрического смещения 4 соединен со вторым входом сумматора электрических сигналов 2, а выход сумматора электрических сигналов 2 соединен со входом акустического излучателя 3.

Акустический излучатель 3 выполнен многослойным (его слои на фиг. 2 обозначены S₁, S₂, S₃, S₄, S₅, ...), при этом его нечетные слои S₁, S₃, S₅, S₇, ... выполнены из электропроводящего материала, а его четные слои S₂, S₄, S₆, S₈, ... выполнены из электрострикционного материала, i-e слои (S₁, S₅, S₉, . . . ) соединены с первой входной клеммой 5 акустического излучателя 3, при этом i определяется в соответствии с формулой (1), а остальные выполненные из электропроводящего материала слои (S₃, S₇, S₁₁, ...) соединены со второй входной клеммой 6 акустического излучателя 3. Акустический излучатель 3 снабжен защитным диэлектрическим покрытием 7.

Источник переменного электрического сигнала 1 содержит последовательно соединенные генератор переменного электрического сигнала 8 и усилитель электрического сигнала 9, причем выход усилителя электрического сигнала 9 соединен с первым входом сумматора электрических сигналов 2.

Источник акустического излучения работает следующим образом. Сигнал с выхода генератора переменного электрического сигнала 8 усиливается в усилителе электрических сигналов 9 и поступает на первый вход сумматора электрических сигналов 2, в котором суммируется с постоянным электрическим сигналом, поступающим на второй вход сумматора электрических сигналов 2 с выхода источника постоянного электрического смещения 4. Электрический сигнал с выхода сумматора электрических сигналов 2 имеет постоянную и переменную составляющие. Он поступает на вход (первую 5 и вторую 6 входные клеммы) акустического излучателя 3. Этот электрический сигнал прикладывается к выполненным из электрострикционного материала слоям S₂, S₄, S₆, S₈, ... и вызывает изменение их толщины, в результате чего акустический излучатель 3 формирует акустическое излучение.

Напряжение постоянного электрического смещения U₀ выводит рабочую точку акустического излучателя 3 на требуемый участок зависимости толщины электрострикционного материала от приложенного напряжения. При этом должно соблюдаться условие U_м < U₀, где U_м - амплитуда переменной составляющей воздействующего на электрострикционный материал электрического сигнала.

Источники информации
1. Константинов Б. П. Гидродинамическое звукообразование и распространение звука в ограниченной среде. Л., 1974.

2. Физический энциклопедический словарь. /Гл. ред. А.М.Прохоров. - М.: Сов. энциклопедия, 1984, с.688-689.

3. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. М., 1957.

4. Ультразвуковые преобразователи. / Под ред. Е.Кикучи. М., 1972.

5. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. / Гл. ред. И.П.Голямина. - М.: Сов. энциклопедия. 1979, с.282-285.

6. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. / Гл. ред. И.П.Голямина. - М.: Сов. энциклопедия. 1979, с.390-391.

7. Физический энциклопедический словарь. /Гл. ред. А.М.Прохоров. - М.: Сов. энциклопедия, 1984, с.895.

Изобретение относится к акустической технике и может быть использовано для получения акустических колебаний большой мощности. Источник акустического излучения содержит источник переменного электрического сигнала и выполненный многослойным акустический излучатель. При этом нечетные слои акустического излучателя выполнены из электропроводящего материала, четные слои выполнены из диэлектрического материала, i-е слои соединены с первой входной клеммой акустического излучателя, где i = 4(N + 1/4), N = 0,1,2,3,... а остальные выполненные из электропроводящего материала слои акустического излучателя соединены со второй клеммой акустического излучателя. Дополнительно акустический излучатель содержит источник постоянного электрического смещения и сумматор электрических сигналов, при этом выход источника электрического сигнала соединен с первым входом сумматора электрических сигналов, выход сумматора электрических сигналов соединен со входом акустического излучателя, а четные слои акустического излучателя выполнены из электрострикционного материала. В результате повышается мощность генерируемого акустического излучателя, обеспечивается скрытность, возможность управления формой волнового фронта излучения. 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Источник акустического излучения, содержащий источник переменного электрического сигнала и выполненный многослойным акустический излучатель, при этом нечетные слои акустического излучателя выполнены из электропроводящего материала, четные слои акустического излучателя выполнены из диэлектрического материала, i-e слои акустического излучателя соединены с первой входной клеммой акустического излучателя, где i=4(N+1/4), N=0,1,2,3,..., a остальные выполненные из электропроводящего материала слои акустического излучателя соединены со второй входной клеммой акустического излучателя, отличающийся тем, что он дополнительно содержит источник постоянного электрического смещения и сумматор электрических сигналов, при этом выход источника электрического сигнала соединен с первым входом сумматора электрических сигналов, выход сумматора электрических сигналов соединен со входом акустического излучателя, а четные слои акустического излучателя выполнены из электрострикционного материала. 2. Источник акустического излучения по п.1, отличающийся тем, что акустический излучатель снабжен защитным диэлектрическим покрытием. 3. Источник акустического излучения по п.1, отличающийся тем, что источник электрического сигнала содержит последовательно соединенные генератор переменного электрического сигнала и усилитель электрического сигнала, причем выход усилителя электрического сигнала соединен с первым входом сумматора электрических сигналов.