АКУСТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2025 года по МПК H04R9/04 

Изобретение относится к системам акустической передачи данных по газопроводам и может использоваться для повышения надежности связи.

Ввиду больших географических масштабов РФ надежная связь между регионами имеет большое значение, особенно в условиях чрезвычайных ситуаций. Радиорелейные и оптоволоконные линии обладают большим числом наружных элементов, легко подверженным разрушительным факторам. Вместе с тем, на территории РФ имеется развитая сеть магистральных газопроводов, обладающих наибольшей степенью защиты, поскольку вероятность их разрушения минимизируется на исходных стадиях проектирования. В связи с этим существует интерес к использованию газопроводов как несущих элементов систем передачи данных.

Известен ряд технических решений, касающихся использования трубопроводных сетей для передачи данных, характерных тем, что между наружной поверхностью трубопровода и землей возбуждают поверхностную волну, например, [RU 2027259 С1]. Подобные решения не защищают систему передачи данных от внешних помех и от перехвата информации.

Известны способ и устройство передачи данных по сети трубопроводов, частным случаем которых являются газопроводы, включающие проложенные в трубопроводах электрические линии передачи, функционирующие как передающая среда. [Сеть и способ передачи данных в системах трубопроводов. Патент №15732, опубликовано 31.10.2011. База патентов Евразийского союза]. Расположение электрических линий внутри трубопроводов является большим недостатком данной системы. Как известно, трубопроводы подвержены загрязнениям, включая отложения льда, гидратов, ржавчины и пр. и нуждаются в периодической очистке. При этом электрические линии препятствуют удалению загрязнений и к тому же могут быть сметены очищающим поршнем. В связи с этим электрические линии, функционирующие как передающая среда, не могут быть признаны эффективными.

Имеется ряд технических решений, обеспечивающих связь по газопроводам, исключающую присутствие в них посторонних элементов. Этим достигается повышение надежности функционирования системы связи, поскольку она оказывается укрытой от внешних воздействий. В этих технических решениях в качестве передающей среды используется внутритрубное пространство, в котором данные передаются посредством распространяющихся электромагнитных волн. Например, в известном техническом решении US 6307191 предусмотрена модуляция сигнала, распространяющегося в трубопроводе, телеметрической или управляющей информацией.

С точки зрения радиофизики труба представляет собой круглый волновод, в котором способны распространяться электромагнитные волны различной структуры при условии, что их длина не превышает некоторого критического значения. Это условия трактуются таким образом, что конкретная структура волны должна укладываться в поперечное сечение трубы. Исчерпывающие сведения о структуре волн в круглых трубах содержатся в источнике: [Constantine A. Balanis Circular Waveguides // Электронный ресурс http://www.tuks.nl/pdf/Reference_Material/Circular_Waveguia^,es.pdf, стр. 643-653].

Особый интерес представляет использование для передачи данных электромагнитных волн Н01, что связано с их наименьшим затуханием по сравнению с другими типами распространяющихся в трубе волн. Затухание в первую очередь определяется поверхностным сопротивлением металла, которое определяется формулой

где ω - круговая частота, μ - относительная магнитная проницаемость, μ₀ - абсолютная магнитная проницаемость, ρ - удельное сопротивление. С учетом выражения для толщины скин-слоя эта формула преобразуется к простому виду

Данные по затуханию волн различной структуры из источника [https://pandia.ru/text/80/599/97106.php] приведены на фиг. 1. С помощью графика можно определить, что в трубе диаметром 1000 мм затухание волн Н01 на частотах 400-1000 МГц может составлять 0,05 дБ/км. Следует отметить, что приводимые данные соответствуют медной трубе.

Затухание в стальной трубе оказывается больше из-за различий в удельном сопротивлении и в толщине скин-слоя. Как известно, удельное сопротивление стали приблизительно в 7 раз больше, чем удельное сопротивление меди.

В отношении стальных труб имеется умозрительная тенденция предполагать, что на сверхвысоких частотах относительная магнитная проницаемость снижается до единицы, при этом различие в затуханиях между сталью и медью составляет корень квадратный из отношения их удельных сопротивлений 0,017 и 0,14, то есть различие составляет 2,87 раз. Однако, судя по источнику [http://mantigora.ru/papers/paper104.htm] толщина скин-слоя в стали на частоте 1000 МГц в 7,7 раз меньше, чем у меди. Учет этих различий позволяет оценить затухание в стальной трубе на уровне до 3 дБ/км, причем при реальном качестве поверхности трубы следовало бы ожидать 5-6 дБ/км. Следует отметить, что присутствие конденсированной влаги способно дополнительно кратно увеличить затухание.

Такая реалистическая оценка противоречит оптимистическим оценкам авторов вышеупомянутого патента US 6307191, которые предполагают распространение с затуханием менее 1 дБ/км. Более того, в указанном патенте не идет речь о слабо затухающей волне Н01, поскольку в техническом описании там фигурируют переходы на волну НИ с более выраженным затуханием. Различие в оценках затухания остро ставит вопрос о принципиальной пригодности или непригодности электромагнитных волн для передачи информации по трубопроводам. Так, в типичном технологическом отрезке 30 км при затухании 6 дБ/км ослабление сигнала составляло бы до 180 дБ. Это означает, что при мощности передатчика 1 Вт до приемника будет доходить сигнал мощностью 10^-18 Вт, сравнимый по уровню с тепловыми шумами. Как известно, спектральная мощность шумов в диапазоне радиочастот составляет 4⋅10^-21 Вт/Гц, так что уже в полосе частот 250 Гц мощность шума составит те же 10^-18 Вт.Для достоверной передачи информации необходимо превышение мощности сигнала над шумами по крайней мере в 10 раз. Таким образом, при реалистической оценке затухания в трубопроводе доступная скорость передачи информации сводится к величинам, не превышающим 25 Гц. Такие характеристики каналов связи характерны для межпланетных станций, работающих в дальнем космосе, но они очевидно неприемлемы для массово применяемых приемопередающих систем технологического назначения, ввиду большой технической сложности при малом быстродействии. Доведение мощности передатчика до уровня порядка 1 кВт не приводит к радикальному улучшению ситуации.

В связи с тем, что внутритрубная передача информации электромагнитными волнами потенциально ограничивается инфранизкими частотами, актуализируется задача использования более простых средств для внутритрубной передачи информации.

Известны так называемые системы связи по газу, использующие инфразвуковые волны, например, раскрытые в источнике [https://yacht-sail.ru/chto-znachit/cto-takoe-svyaz-po-gazu?ysclid=lnhplbr6up720848866].

Распространение инфразвуковых волн происходит на большие расстояния с относительно слабым затуханием, что подтверждается источником [С.А. Барабанов, Б.Ф. Гликман. Коэффициент затухания акустический волны, распространяющейся в турбулентном потоке протяженного трубопровода. Акустический журнал, 2009, том 55, №2, с. 171-179].

При организации связи по газу для возбуждения и приема акустических колебаний используются сравнительно простые электроакустические преобразователи типа динамических громкоговорителей (динамиков), которые превосходят по кпд прочие типы (магнитострикционные, электрострикционные и т.п.). По принципу работы динамики являются обратимыми, то есть с одинаковой эффективностью работают как на передачу, так и на прием. Типичная конструкция акустоэлектрического преобразователя типа динамика описана в источнике RU 101886. Он содержит магнитную систему из кольцевого постоянного магнита с осевой намагниченностью и керна, кольцевую катушку с центрирующей диафрагмой и диффузор. Катушка размещена в зазоре между керном и внутренней поверхностью отверстия кольцевого постоянного магнита. При протекании переменного тока через катушку она совершает осевые колебания в поперечном магнитном поле, передающиеся диффузору и возбуждающие акустическую волну. Обратным образом, диффузор при воздействии акустических волн вызывает осевые колебания катушки, возбуждая в ней переменный электрический сигнал. Конструкция акустоэлектрического преобразователя типа динамика приведена на фиг. 2, где 1- магнит, 2- керн, 3 - катушка, 4 - диафрагма, 5 - диффузор.

Недостатком известных конструкций динамиков является несогласованность с диапазонами частот акустических сигналов и помех, что делает их чувствительными к акустическим помехам в условиях эксплуатации, связанным с наличием работающих агрегатов и механизмов. Примеры спектров силовых агрегатов (дизель-генератора и электрической машины) приведены на фиг. 3. Ввиду высокого уровня акустических помех электрическая фильтрация сигналов на выходе преобразователя не может быть признана эффективной, поскольку сильные акустические помехи способны блокировать слабый полезный сигнал уже на исходной стадии акустоэлектрического преобразования. Таким образом, известный акустоэлектрический преобразователь обладает низким отношением сигнал/помеха при приеме акустических сигналов. Работающие рядом агрегаты, как правило, имеют максимум спектральной плотности акустических помех в области частот оборотов порядка 3000 об/мин или 50 Гц, а также на кратных частотах. Интенсивность акустических помех достигает 100-120 дБ. В то же время полезный сигнал, например на уровне разговорной речи, составляет 30-40 дБ. Некоторая селективность по отношению к сигналу достигается за счет инерционных свойств диафрагмы, однако при этом фильтрующие свойства инерционного элемента ограничиваются величиной порядка 3 дБ на октаву, чего крайне недостаточно для селекции сигнала на фоне помехи. Эта ситуация отражена на фиг. 4, где характеристика инерционного звена приводится на фоне спектра помехи.

Задача изобретения - ослабление влияния сильных акустических помех при осуществлении связи по газу.

Технический результат - повышение отношения сигнал-помеха на стадии акустоэлектрического преобразования.

Технический результат достигается тем, что в акустоэлектрическом преобразователе, содержащем магнитную систему из кольцевого постоянного магнита с осевой намагниченностью и керна, кольцевую катушку с центрирующей диафрагмой и диффузор, причем катушка размещена в зазоре между керном и внутренней поверхностью отверстия кольцевого постоянного магнита, отличие состоит в том, что между катушкой и диффузором установлен ряд последовательно расположенных диафрагм с резонансными частотами в области максимума спектра полезного сигнала, причем соседние диафрагмы связаны посредством пружин.

Достижимость технического результата обеспечивается тем, что резонирующие диафрагмы с пружинными связями образуют многозвенный механический фильтр с высокой селекцией на частотах, выходящих за пределы полосы полезного сигнала.

Единичная резонансная система обладает селективностью 6 дБ на октаву. Связанные резонансные системы в количестве N обладают селективностью 6N дБ на октаву. Еще одно свойство связанных резонансных систем - возможность реализации равномерной частотной характеристики в полосе пропускания. Это создает возможность передачи сигнала без искажений.

Принцип селекции сигнала на фоне сильных помех иллюстрируется на фиг. 5-6.

На фиг. 5 на фоне спектра помех приведена частотная характеристика системы из ряда связанных резонансных диафрагм. Из фиг. 5 видно, что спектральные составляющие акустической помехи в результате перемножения с частотной характеристикой системы испытывают существенное подавление. Остаточный уровень помех настолько снижается, что они могут быть отфильтрованы электронными средствами без опасности блокировки.

На фиг. 6 приведена заявляемая конструкция акустоэлектрического преобразователя для передачи и приема акустических сигналов. Он содержит магнитную систему, представленную кольцевым магнитом 1 и керном 2, кольцевую катушку 3 с центрирующей диафрагмой 4 и диффузор 5. Катушка 3 находится в зазоре между керном 2 и внутренней поверхностью отверстия кольцевого постоянного магнита 1. Отличие состоит в том, что между диафрагмой 4 и диффузором 5 установлен ряд дополнительных диафрагм. Все диафрагмы обладают резонансными свойствами за счет комбинации эластичной периферической части и массивной средней части 6. Между диафрагмами установлены пружины 7, обеспечивающие связь между ними. Величина связи определяется эластичностью пружины. Резонансные частоты диафрагм соответствуют частоте несущего колебания, а полоса пропускаемых частот, определяемая эластичностью пружинных связей, соответствует полосе частот, занимаемых сигналом.

Устройство устанавливают, как правило, в боковом ответвлении тройника, используемого при производстве работ на газопроводах: врезки отводов, перемычек, лупингов, байпасов и перекрытия полости трубы при проведении капитального ремонта (см., например. СТО Газпром 2-2.3-116-2007 «Инструкция по технологии производства работ на газопроводах врезкой под давлением» Приложение В).

В результате применения селективного устройства обеспечивается прием акустических сигналов с высоким отношением сигнал/шум при интенсивных акустических помехах от работающих агрегатов.

Изобретение относится к акустике. Акустоэлектрический преобразователь содержит магнитную систему из кольцевого постоянного магнита с осевой намагниченностью и керна, кольцевую катушку с центрирующей диафрагмой и диффузор, причем катушка размещена в зазоре между керном и внутренней поверхностью отверстия кольцевого постоянного магнита. Между катушкой и диффузором установлен ряд последовательно расположенных диафрагм с резонансными частотами в области максимума спектра полезного сигнала, причем соседние диафрагмы связаны посредством пружин. Технический результат - повышение отношения сигнал-помеха на стадии акустоэлектрического преобразования. 6 ил.

Акустоэлектрический преобразователь, содержащий магнитную систему из кольцевого постоянного магнита с осевой намагниченностью и керна, кольцевую катушку с центрирующей диафрагмой и диффузор, причем катушка размещена в зазоре между керном и внутренней поверхностью отверстия кольцевого постоянного магнита, отличающийся тем, что между катушкой и диффузором установлен ряд последовательно расположенных диафрагм с резонансными частотами в области максимума спектра полезного сигнала, причем соседние диафрагмы связаны посредством пружин.