Генератор акустических импульсов для акваторий Советский патент 1992 года по МПК G01V1/137 

у ,-,.7 zzszz-M. ;лу.. ъ 14 J 23 20 /7 34 14 19 22 23 14

Изобретение относится к области конструирования приборов для создания акустических взрывов в воде при сейсмической подводной разведке.

Известен генератор, состоящий из со- осно расположенных верхнего (вспомогательного) и нижнего (рабочего) цилиндров, внутри которых размещены поршни, жестко связанные между собой общим вертикальным штоком. Нижний конец рабочего цилиндра совершенно открыт и сообщается с водной средой, когда устройство находится в рабочем положении. Нижний цилиндр и поршень служат для создания акустических импульсов, а верхняя пара для передвижения нижнего (рабочего) поршня.

Недостатками этого устройства являются слабый акустический импульс, вызванный тем, что взрыв происходит внутри сильно экранирующего цилиндра, возникновение реактивного толчка, заставляющего сильно утяжелять конструкцию для предотвращения его вредного влияния, и возникновение кавитационных эффектов, также заставляющих повышать прочность конструкции.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство для генерирования акустических импульсов в жидкой среде, состоящее из соосно расположенных верхнего и нижнего цилиндров, в которых помещаются поршни, связанные между собой общим штоком, системы трубопроводов и отверстий для подвода к цилиндрам сжатого газа, а также клапанов. Нижний цилиндр имеет выпускное окно, образованное коническим бортиком, идущим по внутренней поверхности нижней кромки цилиндра. Наружный торец поршня, расположенного в нижнем цилиндре, имеет форму, соответствующую форме конического бортика, являющегося седлом поршня, и снабжен выступом, входящим в упомянутое окно, когда поршень находится в крайнем нижнем положении, а выпускное окно снабжено насадкой с отверстиями, разделяющими выбрасываемую жидкость на не менее чем две противоположно направленные струи. Верхний цилиндр представляет собой три стакана, вставленных соосно один в другой таким образом, что внутренний стакан является коллектором сжатого газа, двигающего верхний поршень, а наружный стакан является коллектором сжатого газа, воздействующего на нижний поршень. Верхний поршень имеет в торцевой части отверстие, через которое проходит шток клапана.

Однако это устройство обладает рядом существенных недостатков: - сложность

конструкции, что приводит к снижению надежности работы генератора;

- непосредственное взаимодействие нижнего поршня с выталкиваемой водой

приводит к плавному ее разгону, что не позволяет существенно повысить давление воды в насадке и, следовательно, скорости истечения ее сопла по сравнению с ударным взаимодействием поршня и воды за счет

0 свободного разгона поршня и удара его по воде,

Скорость истечения воды через сопла играет главенствующую роль в определении количества энергии акустического импуль5 са, получаемого от генератора.

Целью изобретения является упрощение конструкции и повышение акустической энергии импульсов.

Указанная цель достигается тем, что в

0 генераторе, состоящем из соосно расположенных верхнего и нижнего цилиндров, в которых размещены кинематически связанные между собой поршни, системы сжатого воздуха, управляющего клапана, а также

5 электромагнитного клапана, вход которого соединен с системой сжатого воздуха, при этом выходная часть нижнего цилиндра снабжена насадкой с соплами, верхний цилиндр соосно соединен с дополнительным

0 цилиндром, поршень которого выполнен полым и жестко соединен с полым поршнем верхнего цилиндра, а их внутренние полости соединены между собой в замкнутую внутреннюю полость, сообщенную с систе5 мой сжатого воздуха через окна, выполненные в дополнительном поршне в непосредственной близости от верхнего поршня, диаметр которого больше диаметра дополнительного поршня, который, в

0 свою очередь, больше диаметра нижнего поршня, а верхняя крышка верхнего цилиндра с внутренней стороны снабжена жестко закрепленным кольцом из постоянного магнита и продольным отверстием, сообщен5 ным с выходом электромагнитного клапана, Управляющий клапан выполнен в виде жестко закрепленного вдоль наружной поверхности верхнего цилиндра и сообщенного с атмосферой трубопроводом полого направ0 ляющего цилиндра, внутри которого размещен с возможностью продольногс перемещения полый глухой цилиндр, имеющий на концах, входящие через продольные пазы в полость верхнего цилиндра по раз

5 ные стороны от верхнего, поршня, выступы с возможностью взаимодействия их с верх ним поршнем при его крайних положениях при этом в глухом цилиндре над выступам - выполнены радиальные отверстия, проход ная площадь которых равна проходной пло

щади глухого цилиндра, с возможностью их совмещения с продольными пазами, сообщающими предпоршневую и запоршневую полости верхнего цилиндра через полый глухой цилиндр, кроме того, в нижнем цилиндре перед насадкой выполнены радиальные окна, суммарная площадь которых равна поперечной площади нижнего поршня. Полый глухой цилиндр управляющего клапана имеет три отверстия, два - на торцах и одно - радиальное под верхним выступом, диаметр отверстий меньше диаметра полого глухого цилиндра. Сопла в насадке выполнены на некотором рассеянии от нижнего торца насадки, в которой предусмотрено тормозное отверстие, диаметр которого меньше диаметра сопла насадки.

Упрощение конструкции обусловлено наличием трех соосно расположенных цилиндров, в которых размещены связанные между собой три поршня разныхдиаметров. Такое расположение цилиндров и поршней позволяете помощью управляющего и электромагнитного клапанов осуществлять возвратно-поступательное движение поршней.

Выполнение в нижнем цилиндре перед насадкой радиальных окон, суммарная площадь которых равна поперечной площади нижнего поршня, позволяет осуществить предварительный разгон поршней и удар их по воде, размещенной в насадке. При этом, за счет гидроудара резко повышается давление воды в насадке, скорость истечения ее через сопла, а следовательно, и акустическая энергия импульсов,

После каждого выстрела часть воздуха под большим давлением выбрасывается в атмосферу через трубопровод, соединенный с нижним торцом направляющего цилиндра управляющего клапана. Это позволяет устранить влияние выброса воздуха на акустические импульсы.

Гидравлическое торможение поршней повышает ресурс работы генератора за счет того, что сопла в насадке отдалены от нижнего торца насадки, в которой выполнено тормозное отверстие.

На чертеже приведен общий вид генератора в разрезе.

Он включает верхний цилиндр 1 с нижней 2 и верхней 3 крышками. Нижний цилиндр 4 снабжен насадкой 5. Насадка 5 имеет радиальные окна 6, сопла 7 и отверстие 8. В верхнем цилиндре 1 установлен верхний поршень 9, который делит внутренний объем верхнего цилиндра 1 на предпоршневую 10 и запоршневую 11 полости. В нижнем цилиндре 4 размещен нижний поршень 12, кинематически связанный с верхним поршнем 9. Со стороны запоршневой

полости 11 расположен дополнительный поршень 13, жестко соединенный с верхним поршнем 9, причем верхний 9 и дополнительный 13 поршни выполнены полыми, и

эта полость 14 через окна 15 и трубопровод 16 сообщена с системой сжатого воздуха. Поршень 12 может быть выполнен полым, внутренняя полость которого сообщена с полостью 14.

0 Диаметр верхнего поршня 9 больше диаметра дополнительного поршня 13, который, в свою очередь, больше диаметра нижнего поршня 12, а длина допопнитель- ного поршня 13 превышает длину предпор5 шневой полости 10.

Вдоль верхнего цилиндра 1 установлен полый направляющий цилиндр 17, сообщенный с предпоршневой 10 и запоршневой 11 полостями, продольными пазами 18

0 и 19. Внутри цилиндра 17 помещен полый глухой цилиндр 20 с выступами 21 и 22, размещенными с возможностью продольного перемещения в пазах 18 и 19. Сразу над выступами 21 и 22 в боковой поверхно5 ста глухого цилиндра 20 выполнены отверстия 23 с возможностью их совмещения с пазами 18 и 19. Для стравливания остатков газа глухой цилиндр 20 имеет три отверстия 24 (два на торцах и одно радиальное под

0 верхним выступом 22), диаметр которых намного меньше диаметра глухого цилиндра 20. Верхний торец направляющего цилиндра 17 заглушен, а нижний сообщен трубопроводом 37 с атмосферным воздухом над

5 акваторией. Верхняя крышка 3 снабжена электромагнитным клапаном, который выполнен в виде затвора 25,связанного с уравновешивающим поршнем 26 сердечником 27. Сердечник 27 имеет канал 28, служащий

0 для выравнивания давлений с обеих сторон клапана. Клапан удерживается в закрытом состоянии пружиной 29. Электромагнитный привод включает ярмо магнитопровода 30, внутри которого размещены катушка 31 и

5 полюс 32. Катушка 31 отделена от полости высокого давления герметизирующей трубкой 33.

Дополнительный поршень 13 имеет уплотнения 34 с дополнительным цилиндром

0 35 Для удержания поршней в исходном положении верхняя крышка 3 снабжена постоянным магнитом 36, который в виде кольца жестко закреплен на ней.

Устройство работает следующим обра5 зом.

Источник опускают в акватории и через трубопровод 16 и окна 15 подают воздух под давлением во внутреннюю полость 14. При этом верхний поршень 9 остается в крайнем верхнем положении.

Для создания акустического импульса с надводного средства подается напряжение на катушку 31. При этом сердечник 27, связанный с затвором 25, притягивается к полюсу 32. Воздух под давлением поступает в запоршневую полость 11 и воздействует на верхний поршень 9. Поршень 9 начинает движение вниз. При этом снимается напряжение с катушки 31 и пружина 29 закрывает затвор 25. К этому времени полость 14 через окна 15 сообщается с запоршневой полостью 11. Энергия сжатого воздуха, находившегося в полости 14, разгоняет поршни 9, 12, 13. При этом воздух из предпоршневой полости 10 удаляется в атмосферу через продольный паз 18 и трубопровод 37, что исключает помехи акустическим импульсам.

При движении поршней 9,12,13 вода из насадки 5 свободно выходит через окна 6, не мешая разгону поршней. После прохождения нижним поршнем 12 окон 6 происходит гидроудар, резко повышающий давление воды в ударной камере насадки 5 (до 1000 М Па), При этом вода из сопел 7 выбрасывается с большой скоростью (до 1000 м/с), а нижний поршень 12 резко теряет свою скорость. Водяные пули, вылетающие из генератора, взрываются на расстоянии от него. Взрыв происходит благодаря тому, что давление внутри пули значительно выше давления окружающей среды. Таким образом, акустический импульс происходит не внутри генератора, а снаружи, что существенно повышает его мощность и устраняет кавитацию. После перекрытия поршнем 12 сопел 7 осуществляется гидротормоз поршней 9, 12, 13 за счет выдавливания воды через отверстие 8, диаметр которого намного меньше диаметра сопел 7,

В крайнем нижнем положении нижний торец верхнего поршня 9, взаимодействуя с выступом 21, перемещает полый глухой цилиндр 20 в крайнее нижнее положение. При этом отверстия 23 совмещаются с продольными пазами 18 и 19; сообщая предпорш- невую 10 и запоршневую 11 полости. Одновременно прекращается сообщение предпоршневой полости 10 с атмосферой. В результате этого в полостях 10 и 11 выравнивается давление и поршни 9, 12 и 13 перемещаются вверх за счет разности площадей. В крайнем верхнем положении поршень 9, взаимодействуя с выступом 22, разобщает полости 10 и 11, одновременно сообщая предпоршневую полость 10 с атмосферой, Давление в полости 10 понижается до атмосферного. Одновременно остатки воздуха из запоршневой полости 11 стравливаются через отверстия 24. После

полного сброса давления в полостях 10 и 11 сохраняется поджатие поршня 9 к верхней крышке 3, несмотря на гидростатическую неуравновешенность поршней 12 и 13, за

счет наличия в верхней крышке 3 с внутренней стороны жестко закрепленного кольца из постоянного магнита.

Генератор готов к следующему импульсу, который осуществляется, как правило,

через 6 с.

Формула изобретения

1. Генератор акустических импульсов

для акваторий, состоящий из соосно расположенных верхнего и нижнего цилиндров, в которых размещены кинематически связанные между собой поршни, системы сжатого воздуха, управляющего клапана, а также

электромагнитного клапана, вход которого соединен с системой сжатого воздуха, при этом выходная часть нижнего цилиндра снабжена насадкой с соплами, отличающийся тем, что, с целью упрощения

конструкции и повышения акустической энергии излучения, верхний цилиндр соосно соединен с дополнительным цилиндром, поршень которого выполнен полым и жестко соединен с выполненным полым поршнем верхнего цилиндра, а их внутренние полости соединены между собой в замкнутую внутреннюю полость, сообщенную с системой сжатого воздуха через окна, выполненные в дополнительном поршне у

верхнего поршня, диаметр которого больше диаметра дополнительного поршня, превышающего диаметр нижнего поршня, а верхняя крышка верхнего цилиндра снабжена с внутренней стороны жестко закрепленным

кольцом из постоянного магнита и продольным отверстием, сообщенным с выходом электромагнитного клапана, управляющий клапан выполнен в виде жестко закрепленного вдоль наружной поверхности верхнего

цилиндра и сообщенного с атмосферой трубопроводом полого направляющего цилиндра, внутри которого размещен с возможностью продольного перемещения полый глухой цилиндр, имеющий на концах

входящие через продольные пазы в полость верхнего цилиндра по разные стороны от верхнего поршня выступы с возможностью взаимодействия с верхнем поршнем при его крайних положениях, при этом в глухом цилиндре над выступами выполнены радиальные отверстия, площадь которых равна проходной площади глухого цилиндра, с возможностью их совмещения с продольными пазами, сообщающими предпоршневую и запоршневую полости верхнего цилиндра

через полый глухой цилиндр, в нижнем цилиндре перед насадкой выполнены радиальные окна, суммарная площадь которых равна поперечной площади нижнего поршня,

2. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что, с целью исключения помех путем стравливания остатков воздуха из за- поршневой полости в атмосферу, полый глухой цилиндр управляющего клапана имеет

0

три отверстия, два - на торцах и одно - радиальное под верхним выступом, диаметр которых меньше диаметра полого глухого цилиндра.

3. Генератор по пп. 1и2, отличающийся тем, что, с целью повышения ресурса работы путем обеспечения гидравлического торможения поршней, сопла в насадке отдалены от нижнего торца насадки, в которой выполнено тормозное отверстие.

Использование: возбуждение акустических волн в воде для целей сейсморазведки. Сущность изобретения: в генераторе выходная часть нижнего цилиндра 4 снабжена насадкой 5 с соплами 7. Верхний цилиндр 1 соосно соединен с дополнительным цилиндром 35. поршень 13 которого выполнен полым и жестко соединен с полым поршнем верхнего цилиндра 1, а их внутренние полости соединены и через окна 15 в дополнительном поршне 13 связаны с системой сжатого воздуха. Управляющий клапан выполнен в виде полого направляющего цилиндра 17, внутри которого размещен глухой цилиндр 20, имеющий на концах выступы 23, взаимодействующие с верхним поршнем 9 при его крайних положениях, 2 з.п. ф-лы, 1 ил.