Для многих областей науки и техники бывает необходимо устанавливать местонахождение источников и поглотителей механической колебательной энергии. Например, в музыкальной промышленности выявление дефектов резонансовых днищ (дек), обусловливающих потери энергии механических колебаний, позволит локализовать эти дефекты и их устранить. В строительном и инженерном деле выявление трещин в постройках и изделиях возможно, если применять метод отыскивания потерь колебательной энергии по затуханию этой энергии в местах трещин и разрывов. В области постройки подземных сооружений, а также геологоразведки, наличие аппарата, передвигаемого по поверхности земли и обнаруживающего место подземных источников звука и сотрясений, также может весьма облегчить ряд работ.
Между тем сооружение такого аппарата возможно на основании следующих соображений.
Известно из теории распространения механических колебаний, что в месте, где расположен источник механической энергии, два явления протекают параллельно и друг с другом в фазе: скорость движения точки и кривизна соответствующего элемента упругого тела, например балки. Иначе говоря, если дело идет о синусоидальном движении, то кривизна в месте возбуждения на четверть периода отстает от смещений от среднего положения покоя. Наоборот вдали от источника те же две величины сдвинуты по фазе на 180° в любом месте бегущей или стоячей волны, как это следует из теории распространения синусоидальных колебаний без потерь энергии. В местах расположения поглотителей колебательной энергии кривизна элемента балки будет на четверть периода опережать смещение.
Таким образом, если бы возможно было констатировать факт противоположности по фазе кривизны и смещения в ряде точек колеблющейся системы, то этим самым можно было бы отметить отсутствие как источников, так и поглотителей механической энергии в этих точках. Обнаружение сдвига на иной угол установит наличие источника или поглотителя колебательной энергии в этих точках. По направлению сдвига устанавливается факт излучения или поглощения энергии в данной точке.
Согласно предлагаемому изобретению, наличие поглотителей или источников энергии устанавливается посредством двух групп микрофонов щупов, расположенных одна внутри другой, посредством измерения сдвига фаз токов в цепях обеих групп.
Изобретение предусматривает применение угольных микрофонов, соединенных с комбинацией из активного и индуктивного потенциометров, или конденсаторных микрофонов с активным потенциометром и диференциальным конденсатором.
На чертеже фиг. 1 изображает принципиальную схему устройства по предлагаемому способу; фиг. 2 и 3 - формы его выполнения, и фиг. 4 - способы расположения микрофонов.
Три одинаковых микрофона, устроенных по любому принципу, 1, 2, 3 (фиг. 1) располагаются на равных небольших расстояниях друг от друга и снабжаются вспомогательным оборудованием для восприятия механических колебаний.
Электродвижущая сила этих микрофонов подается на два потенциометра 4 и 5, причем средний микрофон присоединен к потенциометру, а два крайних, соединенных друг с другом и с средним, включенным наоборот последовательно, присоединены к обоим потенциометрам 4 и 5. По обоим потенциометрам могут перемещаться движки 6 и 7, разность потенциалов между которыми подается через усилитель 8 на телефон 9 или иной индикатор переменных напряжений 10.
Действие этого прибора следующее. Мгновенное напряжение между точками 11 и 12 пропорционально мгновенной кривизне упругого тела 13 в точке 14, а мгновенное напряжение между точками 12 и 15 пропорционально смещению точки 14 от ее среднего положения. Если оба эти напряжения будут сдвинуты по фазе на 180°, то, перемещая движки потенциометров, можно добиться полной компенсации напряжений и тем самым добиться отсутствия звука в телефоне 9 или нулевых показаний в индикаторе 10. Это будет признаком отсутствия в точке 14 как поглощения, так и возбуждения колебаний. Если же в точке 14 будет находиться источник или поглотитель механической энергии, то полной компенсации не удастся получить, что и обнаружится в телефоне 9 или на индикаторе 10.
На фиг. 2 изображена форма выполнения того же устройства, в котором применены угольные микрофоны. Средний микрофон соединен последовательно с двумя крайними, соединенными параллельно. Обе последовательные группы микрофонов представляют собой два плеча моста Уитстона. Два другие плеча осуществлены в виде проволоки (как у мостика Кольрауша) или потенциометра 16. Равновесие моста для переменного тока констатируется усилителем и телефоном, соединенным со схемой через трансформатор 17. Отсутствие источника или поглотителя механической энергии констатируется возможностью уравновесить мостик без сдвигов фазы в обоих его плечах. Если уравновешивание таким путем не удается, что обозначает наличие в точке 14 источника энергии или поглощения ее, то решить вопрос о том, имеет ли место поглощение или выделение энергии, возможно, например, посредством катушки 18 самоиндукции со средней точкой и подвижным железным сердечником. Путем перемещения этого сердечника можно увеличивать самоиндукцию одной части катушки 18 сравнительно с другой, чем компенсируется сдвиг фаз между изменениями сопротивления среднего и крайних микрофонов и решается вопрос о знаке источника.
Известная неустойчивость угольных микрофонов не является препятствием для их применения в данном устройстве, так как при всей их неустойчивости они не имеют свойства сдвигать фазу э.д.с. относительно воздействующих механических усилий.
На фиг. 3 дан вариант аналогичного устройства с применением конденсаторных микрофонов, включенных по низкочастотной схеме. На колеблющуюся механическую систему наклеены изолирующим составом три электрода микрофонов 19, 20 и 21, причем крайние электризуются одинаково от поляризующей батареи 22, а средний противоположно. Вблизи этих подвижных электродов расположен неподвижный электрод 25, соединенный обычным образом через разделительный конденсатор 24 с сеткой первой лампы 25 усилителя. Поляризация этого электрода дается через большое сопротивление 26 от потенциометра 27. Синфазные изменения емкости всех трех конденсаторов могут быть скомпенсированы перемещением движка потенциометра 27. В случае наличия в точке 14 источника или поглотителя энергии полная компенсация возможна посредством диференциального конденсатора 28, причем по направлению необходимого поворота этого конденсатора можно заключить о том, имеется ли наличие источника или поглотителя энергии.
Особый интерес представляет применение подобных приборов для колеблющихся механических систем двух измерений, например поверхности земли, поверхности палубы корабля, поверхности деки музыкального инструмента и прочее. К таким системам также возможно применить тот же принцип и те же схемы, что и выше изложенные, с тем различием, что средний микрофон остается один, а взамен двух крайних применяется несколько микрофонов, близко расположенных к первому, числом начиная от трех и до сплошного микрофонного кольца.
Несколько случаев расположения микрофонов на колеблющейся поверхности изображены на фиг. 4, причем микрофоны, играющие роль среднего, в схемах на фиг. 1, 2 и 3 заштрихованы. Во всех этих вариантах возможность уравновешивания соответствующего моста чисто ваттными сопротивлениями служит критерием отсутствия источника или поглотителя механической энергии в месте расположения группы микрофонов.
1. Способ определения местонахождения источников и поглотителей механической колебательной энергии, отличающийся тем, что применяют две группы микрофонов, из коих одна группа расположена внутри другой, причем несовпадение фаз механических воздействий на обе группы микрофонов определяют любым известным приемом измерения токов в электрических цепях обеих групп микрофонов, по каковому несовпадению фаз судят о присутствии источника или поглотителя в месте расположения устройства, причем по направлению сдвига фаз устанавливают излучение или поглощение колебательной энергии в данном месте.
2. При способе по п. 1 применение угольных микрофонов, потенциометра активного 16 и потенциометра индуктивного 18.
3. При способе по п. 1 применение конденсаторных микрофонов 19, 20 и 21, и диференциального конденсатора 28.
