Устройство для генерации акустических колебаний Советский патент 1992 года по МПК B06B1/04 

Изобретение относится к технической акустике и может найти применение для генерирования акустической энергии в водных растворах электролитов в качестве акустического излучателя при изучении их физико-химических свойств, а также в измерительных гидроакустических системах.

Известны устройства для генерации звуковых полей в электролитах, например, устройство, содержащее каркас из диэлектрического материала, заполняемый электролитом, постоянный магнит, между полюсами которого установлена пара электродов, подключенных к генератору переменного напряжения.

Недостатком этого устройства является невозможность увеличения излучаемой мощности, так кик повышение сверхпредельной допустимой величины пропускаемого через электролит тока приводит к недопустимым тепловыделениям, при которых нарушается характер происходящих процессов: электролит закипает и генерация акустических колебаний прекращается. Увеличение длины каркаса также не приводит к увеличению мощности излучения, так как при этом мощность излучения изменяется по синусоидальному закону, не превышая мощности излучателя, длина каркаса которого равна половине длины волны излучаемых устройством акустических колебаний.

Это объясняется тем, что в пределах полуволновой длины каркаса силы Ампера возбуждают в каркасе колебания одного знака, т.е. их фазы не разливаются более, чем на 180°. При удалении же каркаса сверх половины длины волны появляются колебания, которые к концу каркаса приходят с противоположным знаком, так как они отличаются от вышеупомянутых колебаний для

1

N

V4

00 VJ

полуволнового каркаса на фазу, превышающую 180°

Вследствие этого, при длине каркаса, кратной четное число раз половине длины волны, на выходе каркаса, т.е. на выходе излучателя колебёния взаимно уничтожают друг друга и излучение отсутствует.

Если же длина каркаса имеет нечетное число полуволн, тр на выходе каркаса будет иметь место излучение, обусловленное нескомпенсированной частью каркаса, равной одной половине длины волны.

Таким образом, при изменении длины каркаса мощность излучения будет периодически изменяться, не увеличиваясь пропорционально длине каркаса.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство, содержащее каркас из диэлектрического материала, заполняемый электролитом, постоянный магнит, между полюсами которого изнутри каркаса вблизи его стенок установлены электроды друг.напротив друга, образуя пары, подключенные к генератору переменного напряжения, при этом смежные пары электродов отстоят друг от друга на расстояние в полдлины волны, генерируемых устройством акустических колебаний, и соединены между собой противофазно, сквозные отверстия, выполненные в боковых стенках каркаса около одноименных электродов, мембраны, выполненные из диэлектрического материала и установленные между смежными парами электродов.

Однако и у прототипа мощность излучения недостаточна, так как акустическая волна, бегущая внутри каркаса, получает энергию от сил Ампера не постоянно, а периодически: с частотой переменного напряжения генератора. Указанное явление объясняется тем, что акустическая волна распространяется вдоль каркаса будучи возбужденной переменными силами Ампера, а силы Ампера изменяются во времени синхронно на всех электродах - синхронно нарастая до своего амплитудного значения и синхронно спадая до нуля через половину периода, в этот момент и прекращается передача энергии от сил Ампера акустической волне.

Кроме этого, прототип имеет узкий частотный диапазон акустического излучения. так как обеспечивает излучение акустических колебаний только на одной частоте ко- лебаний, длина волны которых соответствует двойному расстоянию между смежными парами электродов.

Цель изобретения - расширение частотного диапазона и увеличение мощности излучаемых устройством акустических колебаний в его низкочастотной части диапазона. Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для генерации акустических

колебаний, содержащем каркас из диэлектрического материала, постоянные магниты, сквозные отверстия, электроды, установленные друг против друга попарно вдоль каркаса, мембраны из диэлектрического ма0 териала. установленные между парами электродов, генератор переменного напряжения, каркас в поперечном сечении выполнен симметричным относительно оси, перпендикулярной плоскостям, в которых

5 установлены магниты, сквозные отверстия выполнены в каждой мембране в виде прорези, симметричной относительно оси симметрии мембран, параллельной оси симметрии поперечного сечения каркаса,

0 электроды подключены попарно к симметричным выходам выходных усилителей генератора переменного напряжения в порядке возрастания их номеров, который содержит электрическую линию задержки

5 со временем задержки между смежными ее отводами, равным времени распространения акустической волны между смежными парами электродов, а к отводам этой электрической линии задержки в порядке возра0 стания их номеров подключены входы выходных усилителей генератора переменного напряжения, при этом расстояние между смежными парами электродов выбрано равным половине длины волны акустиче5 ских колебаний, соответствующих верхней граничной частоте рабочего диапазона генерируемых устройством акустических колебаний.

Предлагаемое устройство отличается от

0 прототипа формой поперечного сечения каркаса; местоположением и формой сквозных отверстий: схемой подключения электродов к генератору переменного напряжения; наличием в составе генерато5 ра переменного напряжения электрической линии задержки и симметричных выходов. В технических решениях аналогичного назначения не выявлены следующие признаки: каркас в поперечном сечении выпол0 нен симметричным относительно оси, перпендикулярной плоскостям, в которых установлены магниты; электроды подключены попарно к выходам выходных усилителей генератора переменного напряжения в

5 порядке возрастания их номеров; выходы выходных усилителей генератора переменного напряжения выполнены симметричными; генератор переменного напряжения содержит электрическую линию задержки со временем задержки между смежными ее

отводами равным времени распространения акустической волны между смежными парами электродом, а к отводам этой электрической линии задержки в порядке возрастания их номеров подключены входы выходных усилителей генератора переменного напряжения.

На фиг. 1 показано устройство с частичным разрезом; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.

Устройство содержит каркас 1 (фиг, 1). выполненный из керамики в виде полой трубы прямоугольного сечения, заполняемый электролитом. В качестве электролита используется морская вода. Постоянные магниты 2 и 3, выполненные в виде пластин прямоугольной формы, установлены противоположными полюсами один к другому таким образом, что магнит 2 расположен сверху, а магнит 3 - снизу каркаса 1 и вплотную к его стенкам.

Каркас 1 в поперечном сечении выполнен симметричным относительно оси, перпендикулярной плоскостям, в которых установлены магниты 2 и 3.

Набоковых стенках каркаса 1 сего внутренней стороны закреплены выполненные из титановых сплавов один против другого парами электроды А (фиг. 2) и 5, 6 и 7, таким образом, что расстояние между смежными парами электродов, например между парой электродов 4 и 5 и парой электродов 6 и 7, составляет половину длины волны, соответствующей верхней граничной частоте рабочего диапазона генерируемых устройствам акустических колебаний.

Между смежными парами электродов, например, между парой 4 и 5 и парой 6 и 7, установлены без зазоров с каркасом 1 (фиг. 1) мембраны 8 (фиг. 2), изготовленные из резины, близкой по акустическим свойствам к свойствам электролита, заполняющего каркас 1 (фиг. 1), в которых выполнены сквозные отверстия в виде прорезей, симметричных относительно оси симметрии мембран 8 (фиг. 2), параллельной оси симметрии поперечного сечения каркаса 1 (фиг.

1).

С помощью проводников 9 (фиг. 2) и 10, 11 и 12 электроды 4 и 5, 6 и 7, соответственно, подключены к выходам выходных усилителей генератора переменного напряжения (не показан)в порядке возрастания их номеров, который содержит электрическую линию задержки со временем задержки между смежными ее отводами равным времени распространения акустической волны между смежными парами электродов 4 и 5, 6 и 7, а к отводам этой электрической линии задержки в порядке возрастания их номеров подключены входы выходных усилителей генератора переменного напряжения

Выходы выходных усилителей выполнены симметричными путем заземления средних точек вторичных обмоток их выходных трансформаторов.

Устройство работает следующим образом.

При погружении в морскую воду по0 лость внутри каркаса 1 (фиг. 1) заполняется морской водой через его открытые торцы и через сквозные отверстия о мембранах 8 (фиг. 2). Магниты 2 (фиг. 1) и 3, установленные противоположными полюсами один к

5 другому, создают в каркасе 1 постоянное магнитное поле, однонаправленное по вопи его длине и перпендикулярное к продольной оси каркаса 1.

Пары электродов 4 (фиг. 2) и 5, О и 7

0 подключены с помощью проводов 9 и ч0, 11 и 12 к выходам выходных усилителей генератора переменного напряжения, в связи с чем между электродами 4, 5, 6, 7 потеку через электролит, заполняющий каркас 1

5 (фиг. 1), основные токи - между электродами одноименной пары, например, между электродом 4 (фиг. 2) и электродом 5, составляющими одну пару, либо, например, между электродом 6 и электродом 7, составляющи0 ми flpyiyio пару, а дополнительные токи текут между электродами разноименных пар, например, между электродом 4 и электродом 7 через сквозное отверстие в мембране 8, а также между элект родом 5 и электродом

5 6 через то же сквозное отверстие в мембране 8.

Основные токи текут в плоскос(ях, совпадающих с плоскостями поперечного сечения каркаса 1 (фиг. 1), при этом указанные

0 токи перпендикулярные силовым линиям магнитного поля, созданного в каркасе 1 постоянными магнитами 2 и 3.

Исходя из этого, основные токи создаю 1 приложенные к электролиту, через котормй

5 они протекают, силы Ампера, направленные вдоль оси каркаса I, за счет взаимной перпендикулярности основных токов и силовых линий магнитного поля.

Так как напряжение, подведенное к

0 электродам 4 (фиг. 2) и 5, б и 7, является переменно м, а магнитное поле постоянно, то сила Ампера соответственно меняет во времени периодически свое направление с частотой приложенного напряжения к ука5 занным электродам.

Силы Ампера приложены к электролиту в направлении, перпендикулярном сечению каркаса 1 (фиг. 1), и создают в электролите давление сил Ампера, равное в каждом сечении частному от деления, развиваемой в

этом сечении силы Ампера, на площадь поперечного сечения каркаса 1.

Это переменное во времени давление и образует в электролите, заполняющем каркас 1, акустические волны за счет периодического его сжатия.

Так как напряжения, приложенные к парам электродов, например, к парам электродов А (фиг. 2) и 5,6 и 7, в электролите, заполняющем каркас 1 (фиг. 1), вызывают токи, а токи в магнитном поле, созданном постоянными магнитами 2 и 3, вызывают силы Ампера, то, вследствие этого, напряжения, токи и силы Ампера синфазны и синхронны друг другу. Следовательно, выводы относительно распределения указанных величин вдоль каркаса 1, либо их временные диаграммы имеют идентичные качественные характеристики.

В прототипе силы Ампера передают энергию бегущим в каркасе прототипа акустическим волнам периодически с частотой переменного напряжения, приложенного к электродам прототипа, в то же время в предлагаемом устройстве во всем диапазоне частот, меньших верхней граничной, за счет создания в каркасе 1 (фиг. 1) режима бегущих волн сил Ампера, передача энергии от них бегущим в каркасе 1 акустическим волнам происходит постоянно, т.е. количество энергии, получаемое акустическими волнами за период колебаний, в предлагаемом устройстве больше в сравнении с прототипом.

Именно это отличие в работе предлагаемого устройства показывает причину рас- ширеиия частотного диапазона и увеличении мощности излучения.

Количественная оценка степени увеличения мощности излучения предлагаемым устройством в сравнении с прототипом может быть выполнена на примере одномерной задачи, что справедливо как для прототипа, так и для предлагаемого устройства применительно к распространяющимся вдоль их каркасов акустических колебаний.

Снижением частоты генерируемых акустических колебаний предлагаемое устройство увеличивает мощность генерируемых и излучаемых акустических колебаний,

Предлагаемое устройство обеспечивает увеличение в сравнении с прототипом давления о акустической волне в два раза, а мощности генерируемых и излучаемых акустических колебаний, соответственно, в четыре. Мощность излучаемых устройствам акустических колебаний и его низкочастотной части рабочего диапазона за счет создания и обеспечения режима бегущих волн

сил Ампера дает основания рассматривать конструкцию предлагаемого устройства как единое целое, не разделяемое на отдельные составные части и элементы, суммирование

5 эффекта от работы которых позволило бы достичь поставленной цели.

На практике расширение частотного диапазона излучаемых с помощью прототипа акустических колебаний обеспечивается

0 применением нескольких устройств, последовательно перекрывающих заданный частотный диапазон.

Обеспечение повышения излучаемой мощности с помощью прототипа достигает5 ся удлинением его размеров.

Все это приводит к усложнению конструкции, увеличению ее размеров и размеров ее элементов, что приводит к возрастанию стоимости, габаритов, массы и

0 ограничивает применение таких конструкций.

Использование предлагаемого устройства позволяет расширить частотный диапазон и увеличить мощность излучаемых

5 устройством акустических колебаний в его низкочастотной части рабочего диапазона пои тех же размерах конструкции за счет создания и обеспечения режима бегущих волн сил Ампера во внутреннем пространст0 ве каркаса 1 (фиг. 1) между магнитами 2-й 3 и электродами 4 (фиг. 2), 5, 6, 7.

Это расширяет возможности применения устройства в гидроакустических системах, повышая их эффективность в связи с

5 применением сложных широкополосных сигналов в более низкочастотном диапазоне и соответствующем увеличении дальности их распространения за счет повышенной мощности излучения и умень0 шения затухания при снижении частоты акустических колебаний.

Формула изобретения Устройство для генерации акустических колебаний, содержащее симметричный кар5 кас прямоугольной формы из диэлектриче-. ского материала, постоянные магниты, установленные разноименными полюсами друг к другу с внешней стороны на двух противоположных стенках каркаса, не0 сколько пар электродов, жестко закрепленных на двух других противоположных стенках каркаса попарно друг против друга, мембраны из диэлектрического материала со сквозными отверстиями, установленные

5 без зазоров с внутренней поверхностью каркаса между смежными парами электродов, и генератор переменного напряжения, отличающееся тем, что. с целью расширения частотного диапазона и увеличения мощности, сквозные отверстия выполнены в виде прорезей в центральной части мембран, ось симметрии которых перпендикулярна плоскости расположения магнитов, при этом пары электродов подключены к выходам генератора переменного напряжения и установлены вдоль каркаса с интервалом d, равным половине длины волны, соответствующей верхней граничной частоте рабочего диапазона, а генератор переменного напряжения дополнительно содержит электрическую ли

нию задержки, выходы которой в порядке возрастания подключены к соответствующим входам генератора переменного напряжения, при этом выполнено соотношение

VC7C d/C3B

где L - индуктивность линии задержки; С - емкость линии задержки; Сзв - скорость звука.

Применение: изобретение относится к технической акустике. Сущность изобретения: устройство содержит каркас, постоян- ные магниты, сквозные отверстия, электроды, мембраны, генератор переменного напряжения. Новым в устройстве является то, что каркас в поперечном сечении выполнен симметричным относительно оси. перпендикулярной плоскостям, в которых установлены магниты, сквозные отверстия выполнены в каждой мембране в виде прорези, симметричной относительно оси симметрии мембран, параллельной оси симметрии поперечного сечения каркаса, электроды подключены попарно к симметричным выходам выходных усилителей генератора переменного напряжения в порядке возрастания их номеров, который содержит электрическую линию задержки. 2 ил./

%%

У

к

г2

kVVXXXX WVWXS

te7

фиг 2