МАГНИТО-ИНДУКЦИОННЫЙ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
MAGNETIC INDUCTION TYPE UNDERWATER SOUND TRANSDUCER

Предлагаемое изобретение может быть применено как в гидроакустике, так и при геофизических исследованиях.
Известен магнито-индукционный излучатель (фиг.1), содержащий индуктор 1, корпус 2, подвижную токопроводящую пластину 3, соединенную с корпусом с помощью элементов герметизации 4, и возвратные пружины 5.
(См. E.Ф.Дубров. Звуковая геолокация, стр.56. "Недра", Ленинград. 1967 г.).
В магнито-индукционном излучателе при пропускании через индуктор переменного или импульсного тока в результате взаимодействия магнитных полей тока индуктора и вихревых токов, наведенных в пластине, возникают пондеромоторные силы, отталкивающие пластину от индуктора. При перемещении пластины в жидкости, примыкающей к ней, возникает ударная волна, которую можно рассматривать как акустическую. Амплитуда давления в ней зависит от количества энергии, пропущенной через катушку индуктора, и сопротивления индуктора.
В известном магнито-индукционном излучателе пластина работает как поршень. Особенностью конструкции излучателя является подвижность пластины в целом относительно индуктора. Возврат пластины в исходное положение осуществляется с помощью специальных пружин.
При работе известного магнито-индукционного излучателя образуются два акустических импульса: первый обусловлен первоначальным отталкиванием пластины от индуктора под воздействием наведенных токов, второй обусловлен захлопыванием кавитационных пузырей на внешней стороне пластины при ее возвращении в первоначальное положение под действием усилия пружин (См. Journal of Geophysicul Reseach, v.69, №14, 1964 г., рр.3033-3041. H.E.Edgerton and G.G.Hayward, The ″Boomer″ Sonar Sourse for Seismic Profiling.). Для целей гидролокации наиболее важен первый импульс, как обладающий определенной характеристикой направленности, определяемой соотношением размеров диаметра пластины и длины волны излучения, и хорошей воспроизводимостью параметров от цикла к циклу.
Недостатками известного устройства являются:
1) малая длительность акустического импульса,
2) наличие возвратных пружин, работающих в жестком динамическом режиме, что резко снижает надежность известного излучателя и усложняет его конструкцию.
Малая длительность акустического импульса обусловлена конструкцией известного излучателя. Испытания его макета, проведенные на нашем предприятии, показали, что токопроводящая пластина начинает свое перемещение в противоположную от индуктора сторону в течение первой четверти периода тока разряда и за оставшуюся четверть периода первой полуволны пластина проходит расстояние, равное примерно 10 мм. Образовавшийся между индуктором и пластиной промежуток полностью исключает воздействие последующих полуволн импульсного магнитного поля на пластину. В результате длительность импульса давления составляет примерно половину миллисекунды.
Кроме того, в известном излучателе при удалении пластины от индуктора сопротивление электрического разрядного контура возрастает и частота его колебаний уменьшается, что делает невозможным согласование электрического и механического контуров излучателя.
Цель настоящего изобретении состояла в увеличении длительности акустического импульса, упрощении конструкции излучателя и повышении коэффициента преобразования электрической энергии в акустическую.
В соответствии с изобретением поставленная цель достигается тем, что токопроводящая пластина выполнена жестко и герметично скрепленной по контуру с корпусом индуктора. Благодаря такому выполнению конструкции, пластина не сможет при действии пондеромоторных сил смещаться на большие расстояния и появится возможность использования всего цуга электрических колебаний, что приведет к увеличению длительности импульса. Кроме того, это позволит значительно упростить конструкцию, увеличить надежность и улучшить согласование электрического и механического контуров излучателя. Лучшее согласование контуров обеспечивает повышение коэффициента преобразования электрической энергии в акустическую.
Изложенная сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, где на фиг.2 изображен общий вид излучателя в разрезе. Излучатель (фиг.2) состоит из индуктора 1, корпуса 2, токопроводящей пластины 3 и элементов герметизации 4. Индуктор 1 выполнен в виде плоской спирали, залитой изоляционной массой, соединен токопроводами с источником питания и помещен в корпус 2. Пластина 3, изготовленная из токопроводящего материала, например дюралюминия, жестко и герметично соединена по периметру с корпусом 2.
При работе излучателя разрядный ток, имеющий характер цуга синусоидальных колебаний, возбуждает в индукторе импульсное магнитное поле, которое наводит вихревые токи в прилегающем к индуктору поверхностном слое токопроводящей пластины. Эти вихревые токи имеют свое вторичное электромагнитное поле. Взаимодействие этиx полей вызывает появление объемных пондеромоторных сил. Эти силы перемещают пластину в сторону, противоположную индуктору, а также создают сжимающие напряжения в металле пластины, распространяющиеся в направлении, перпендикулярном ее поверхности, в виде волны сжатия. Ввиду того, что пластина жестко скреплена с корпусом и выполнена достаточно прочной, чтобы деформации ее под действием пондеромоторных сил оставались в упругой области, при работе излучателя энергия импульсного затухающего периодического разряда используется более полно, чем в известном излучателе, повышается коэффициент преобразования электрической энергии в механическую.
При выходе ударной волны сжатия на наружную поверхность пластины часть волновой энергии передается в воду, а часть отражается в виде волны растяжения, движущейся в обратном направлении. Волна растяжения, достигнув свободной (обращенной к индуктору) поверхности пластины, отражается с переменной знака, т.е. в виде волны сжатия, движущейся в первоначальном направлении.
Далее весь цикл повторяется. При этом затухающий синусоидальный импульс тока в течение второй, третьей и последующих полуволн дополнительно раскачивает колеблющуюся пластину. Оптимальным является резонансный режим колебаний пластины, когда частота следования ударных импульсов, равная удвоенной частоте колебаний электрического разрядного контура, совпадает с собственной частотой как колебаний токопроводящей пластины, скрепленной по контуру с корпусом.
Необходимо отметить, что резонансный режим работы излучателя может быть обеспечен только в предлагаемой конструкции, так как в ней смещения пластины относительно индуктора незначительны.
Проверка работы предлагаемого излучателя проведена на экспериментальном образце в бассейне, диаметр излучающей поверхности составлял 200 мм. Измерения проводились в дальнем поле.
-4
При разряде конденсаторной батареи (энергия 10 кДж) в индукторе протекал затухающий синусоидальный ток с периодом колебании T=2×10с. Акустический сигнал, принятый калиброванным гидрофоном и зарегистрированный осциллографом, имел вид синусоиды частотой 10 кГц, затухающей по экспоненциальному закону.
При этом максимальное акустическое давление достигало 0,77 атмосферы, что соответствует энергии порядка 800 джоулей. Если учесть, что электрическая энергия на конденсаторах составляла 10000 джоулей, то электроакустический КПД.
составляет по энергии примерно восемь процентов.
Амплитуда давления снижалась в два раза в интервале длительностью одна миллисекунда и в десять раз в интервале длительностью шесть миллисекунд. Таким образом, по сравнению с известным устройством длительность импульса, пригодного для использования в гидроакустике, увеличилась в два раза и в 12 раз при использовании в эхолотировании.
Важным преимуществом предлагаемого излучателя является синусоидальный характер импульса с четко выраженной частотой. Это позволяет производить группировку импульсов с целью удлинения сигнала и повышения его акустической мощности.
Необходимо отметить, что предлагаемая конструкция не является предельной и акустическая мощность излучателя может быть повышена путем увеличения количества энергии, запасаемой на конденсаторах (теоретически неограничено).