Способ возбуждения акустического импульса и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК B06B1/04 

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано в гидро- и геолокации для получения мощных широкополосных импульсов давления.

Известен пьезоэлектрический способ возбуждения акустического сигнала, при котором в кварцевой пластине, вырезанной из кристалла перпендикулярно к электрической оси, создают электрическое поле, направленное вдоль этой оси, при этом возникают механические усилия, деформирующие пластину в том же направлении и вызывающие акустические колебания в жидкой среде.

Недостатком этого способа является то, что форма излучаемого сигнала соответствует отрезку синусоиды и, следовательно, имеет узкий частотный спектр. Кроме того, пьезоэлектрические излучатели имеют малую мощность формируемого импульса дав- ления вследствие малой амплитуды деформации кварцевой пластины.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является индукционный способ возбуждения акустического давления, при котором, при разряде накопительного конденсатора на обмотку катушки в мембране, установленной на торце катушки, наводятся токи Фуко, что приводит к возникновению сил, отталкивающих мембрану от катушки. В результате движе2

XI

00 00

ния мембраны в жидкой среде распространяется импульс давления.

Известно также устройство для осуществления индукционного способа возбуждения акустического сигнала.

Недостатком известных способа и устройства является формирование импульса давления в виде синусоиды, что существенно снижает ширину частотного спектра импульса давления.

Цель изобретения - расширение частотного спектра акустического импульса.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

Электродинамический излучатель - это воздушный трансформатор-с замкнутой накоротко вторичной обмоткой (мембраной). При приложении напряжения к электродинамическому излучателю с мембраной, присоединенной к корпусу с помощью упругой развязки, в мембране наводятся токи Фуко и возникают силы, отталкивающие мембрану. Это движение приводит к изменению взаимного расположения мембраны и индуктора и, следовательно, к переменной во времени взаимной индуктивности воздушного трансформатора. При удалении мембраны от индуктора можно, постоянно увеличивая ток индуктора (так как зазор уве- личивается и, следовательно, необходимо увеличивать ток индуктора для обеспечения дальнейшего движения мембраны), поддерживать постоянным произведение токов индуктора и мембраны. Так как сила взаимодействия токов индуктора и мембра- ны пропорциональна произведению этих токов, то и давление, создаваемое этой силой, будет постоянным. Таким образом формируется прямоугольный импульс акустического давления в жидкой среде.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для возбуждения акустического импульса; на фиг. 2 и 3 - временные диаграммы соответственно импульса тока и импульса акустического давления индукто- ра; (п , 72 - длительности переднего и заднего фронтов импульса тока индуктора).

Устройство состоит из источника 1 питания, п накопительных конденсаторов 2.1- 2.п, подключенных к источнику 1 питания через п разделительных диодов 3,1-3,n, n коммутаторов 4.1-4.П, электродинамического излучателя 5 с мембраной 6, присоединенной к корпусу 7 с помощью упругой развязки 8, и индуктором 9, и схемы 10 уп- равления.

Устройство работает следующим образом

При включении источника 1 питания одновременно заряжаются п накопительных конденсаторов 2.1-2.П через п разделительных диодов 3.1-З.п. Формирование прямоугольного акустического импульса начинается при включении 1-го коммутато- ра4.1 от схемы 10 управления и разряде 1-го накопительного конденсатора 2,1 на электродинамический излучатель 5. При этом в индукторе 9 начинает нарастать ток (имеющий линейный характер на начальном участке синусоиды), в мембране б наводятся токи Фуко, возникают силы отталкивающие мембрану. Через некоторый интервал времени Ati (меньший 1/4 периода свободных колебаний LC-контура индуктор 9 - накопительный конденсатор 2.1) от начала замыкания 1-го коммутатора 4.1 включается 2-й коммутатор 4.2 от схемы 10 управления и начинается разряд накопительного конденсатора 2.2 на индуктор 9, в котором еще не прекратился ток от накопительного конденсатора 2.1, и происходит дальнейшее нарастание тока в индукторе 9 и, следовательно, дальнейшее движение мембраны 6. Аналогично через некоторый промежуток времени At2 срабатывает 3-й коммутатор 2.3 и разряжается накопительный конденсатор 3.3 и т.д. Таким образом в индукторе 9 формируется суммарный от разряда п накопительных конденсаторов 2.1-2.П нарастающий ток на вершине импульса

а Ho+kt , где к - скорость нарастания тока,

А/с, а 1-1,4 - показатель степени, учитывающий максимальную амплитуду отклонения мембраны 6, и соответствующие ему токи Фуко в мембране 6; движение последней обеспечивает формирование акустического импульса.

Регулировкой длительности интервалов времени Ati-Д tn-1 между гюследователь- ными(во времени) замыканиями коммутаторов 4.1-4.П можно обеспечить такое взаимодействие токов индуктора 9 и мембраны 6, что формируемый импульс акустического давления будет иметь прямоугольную форму. Формирование импульса акустического давления завершается при обратном ходе мембраны 6. Разделительные диоды 3.1-З.п обеспечивают раздельный разряд каждого из п накопительных конденсаторов 2.1-2.п на электродинамический излучатель 5.

Величины коэффициента а получены экспериментально на макете устройства на ряде образцов электродинамического излучателя. В общем случае величины емкостей накопительных конденсаторов 2.1-2.П могут быть не равны.( Изменение величины емкостей накопительных конденсаторов 2.1- 2.п, как и величины интервалов времени Ati- Atn-i. позволяет приблизить форму акустического импульса к прямоугольной.

Кроме того, устройство позволяет пол- учить однополярный импульс акустического давления. Через интервал времени Atn-i. приближенно равный 1/4 периода свободных колебаний LC-контура, образованного емкостным накопителем Зп и индуктивно- стью индуктора электродинамического излучателя 5, включается от схемы 10 управления коммутатор 4п и начинается разряд емкостного накопителя Зп на индуктор электродинамического излучателя 5. При этом суммарный ток в индукторе электродинамического излучателя 5 снижается с меньшей скоростью, мембрана возвращается к индуктору также с меньшей скоростью, а следовательно, уменьшается величина отрицательной составляющей импульса акустического давления. Формула изобретения

1. Способ возбуждения акустического импульса путем формирования импульса тока посредством разряда емкостного накопите- ля на индуктор электродинамического излучателя и преобразования импульса тока в акустический сигнал, отличающийся тем, что, с целью расширения частотного спектра акустического импульса, вершину

импульса тока формируют нарастающей в соответстиви с законом ,

а t ,

где i0 - начальное значение тока, с которого начинают формирование вершины импульса тока;

t - текущее время от начала формирования вершины импульса токе;

k - скорость нарастания тока на вершине импульса тока;

а 1-1,4 - эмпирический коэффициент.

2. Устройство для возбуждения акустического импульса, содержащее источник питания, первый емкостной накопитель энергии, первый коммутатор и индуктор электродинамического излучателя, отличающееся тем, что, с целью расширения частотного спектра акустического импульса, в него дополнительно введены (п-1) емкостных накопителей энергии, п разделительных диодов и (п-1) коммутаторов, соединенных с введенной схемой управления, причем п разделительных диодов катодами подключены к положительному полюсу источника питания, отрицательный полюс которого заземлен, а анодами - к положительным клеммам соответствующих п емкостных накопителей энергии, подключенных через п коммутаторов к индуктору электродинамического излучателя.

Использование: гидроакустика, гидро- и геолокация. Сущность изобретения: акустический импульс возбуждают путем формирования импульса тока посредством разряда емкостного накопителя на индуктор электродинамического излучателя, причем вершину импульса тока формируют нараа стающей в Соответствии с законом i i0-Hct , где i0 - начальное значение тока; t - текущее время от начала формирования вершины импульса тока; k - скорость нарастания тока на вершине импульса тока: ,4 - эмпирический коэффициент. Устройство для возбуждения акустического импульса содержит источник питания, п емкостных накопителей энергии, которые соединены с источником питания через п разделительных диодов и с индуктором электродинамического излучателя через п коммутаторов, соединенных со схемой управления. 3 ил. со

3.14.1

Т

10

фиг.1

pff)

i

фиг. 2

фиг.Э