ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР ОТПУГИВАЮЩИХ ЗВУКОВ
ENVIRONMENTAL GENERATOR OF DETERRENT SOUNDS

Предлагаемое изобретение относится к экологии в области средств защиты диких животных, а в частности к устройствам образования физических полей, предназначенных, преимущественно, для нетравмирующего отпугивания водных обитателей от локальных зон, опасных для их жизни.
При аварийных выбросах в водоемы нефтепродуктов и других вредных веществ образуются локальные зоны, в которых гибнут ее обитатели: пернатые водоплавающие, млекопитающие и рыбы. В местах массового забора воды, например для орошения полей или для вращения турбин гидроэлектростанций, гибнет рыба, особенно ее молодь. Эти места также являются локальными зонами, опасными для жизни водных обитателей. Различные по причинам образования локальные зоны могут быть временными или стационарными. Однако, в любом случае, можно снизить количество водных обитателей, гибнущих в опасных локальных зонах, если своевременно и не травмируя отпугнуть их от этих зон.
Под водой отпугивающие звуки возможно генерировать разными известными устройствами (см. «АКУСТИЧЕСКИЕ ПОДВОДНЫЕ НИЗКОЧАСТОТНЫЕ ИЗЛУЧАТЕЛИ» Л., Судостроение, Библиотека инженера гидроакустика, 1984 г.). Но специфика экологического назначения предъявляет к генераторам существенно иные требования, чем те, которые были предъявлены к известным акустическим подводным излучателям, предназначенным для научных исследований в океане. Например, давление звуковых волн в ближайших метрах от источника звука не должно превышать уровня, выше которого возможно нанесение травм водным обитателям, при этом быть достаточным для обеспечения эффекта их отпугивания, т.е. не более 120 децибел на расстоянии 5 м от источника.
Заявляемый генератор по используемой энергии и некоторым элементам конструкции относится к типу известных пневматических камерных излучателей («АКУСТИЧЕСКИЕ ПОДВОДНЫЕ НИЗКОЧАСТОТНЫЕ ИЗЛУЧАТЕЛИ» Л., Судостроение, Библиотека инженера гидроакустика, 1984 г., стр.157-159). Указанные излучатели предназначены для геофизических исследований. Все они содержат по 2 или 3 камеры и оснащены электрическими пневматическими клапанами с дистанционным управлением. И принцип работы у них одинаков, а именно: при выключенном положении электрического клапана сжатый воздух, поступающий в одну из камер излучателя и в камеру основного объема, перемещает поршень вниз, и тот перекрывает отверстие выхлопа камеры основного объема. При включении клапана открывается воздушный канал, по которому сжатый воздух поступает под верхнюю, дополнительную, площадь поршня, и тот перемещается вверх, открывая отверстие выхлопа из камеры основного объема. При этом сжатый воздух вырывается в воду, инициируя звуковые волны. Излучатели работают на высоких давлениях сжатого воздуха, примерно до 15-20 МПа, и возбуждают в водной среде очень мощные положительные импульсы давления, примерно до 1,5 МПа, «приведенные» к расстоянию 1 м от излучателя. Такое акустическое давление более чем на два порядка превышает экологические ограничения. При низких давлениях выхлопа сжатого воздуха, порядка 0,2-2 МПа, эти излучатели конструктивно не срабатывают.
Для генерации звуков силой до 120 децибел, вызывающих инстинктивный рефлекс у большинства водных обитателей «вздрогнуть и удрать» подальше от этих звуков, предназначен «Подводный генератор отпугивающих звуков» (заявка на изобретение №2009131192/20), который принят в качестве прототипа заявляемого изобретения. Прототип содержит: разнесенные верхнюю и нижнюю камеры; вставку между камерами; челночный поршень, расположенный в верхней камере; автономные воздуховоды в каждую камеру. Во вставке выполнены радиальные отверстия. Поршень объединен с торцевым клапаном. В конструкции клапана предусмотрен кольцевой выступ в виде продолжения цилиндра поршня. Поршень герметично-подвижно установлен в цилиндре корпуса верхней камеры и обращен кольцевым выступом клапана в сторону отверстия выхлопа нижней камеры. Внутренний диаметр кольцевого выступа клапана значительно превышает диаметр отверстия выхлопа нижней камеры. Дополнительно к этому в верхней части корпуса нижней камеры предусмотрено образование кольцевого паза под кольцевой выступ клапана.
Генератор работает следующим образом. В верхнюю камеру подают сжатый воздух, который смещает поршень вниз, при этом торцевой клапан запирает отверстие выхлопа нижний камеры. Затем сжатый воздух подают в нижнюю камеру. Давление в ней возрастает до момента, когда сила давления воздуха на клапан снизу по площади отверстия выхлопа превысит силу давления воздуха на него сверху по площади поршня. В момент разгерметизации отверстия выхлопа воздух из нижней камеры проникает под всю поверхность клапана. Возникает скачек силы снизу, и клапан с поршнем отбрасывает вверх. Поток воздуха через радиальные отверстия во вставке вырывается в водную среду. Клапан вернется в исходное положение, когда сила давления воздуха на клапан снизу станет меньше силы давления воздуха на клапан сверху. В зависимости от объемной скорости натекания новой порции сжатого воздуха в нижнюю камеру через некоторое время процесс повторяется в автоматическом режиме. По принципу действия данный клапан работает в полном соответствии с принципом действия общеизвестных клапанов ступенчатого сброса давления газа - ступенька сброса давления воздуха в нижней камере примерно соответствует отношению полной площади торцевого клапана к площади запираемого отверстия выхлопа. Изменением давления воздуха в верхней камере регулируют давление выхлопа воздуха из нижней камеры. Кольцевой выступ на клапане и кольцевой паз в корпусе нижней камеры предназначены обеспечить разгон поршня с клапаном до момента открытия сквозного канала выхлопа, а также - частично погасить кинетическую энергию поршня с клапаном при запирании сквозного канала выхлопа. Прототип способен работать в широком интервале давления выхлопа воздуха. При этом возможно регулировать давление выхлопа непрерывно в подводном положении генератора, изменяя давление воздуха в верхней камере. Такая оперативная возможность нужна для натурных исследований эффективности воздействия разных уровней звуков на подводных обитателей на различных расстояниях от генератора. Однако, являясь удобным инструментом для научных исследований, данная конструкция генератора для широкого практического использования, когда уже определены оптимальные параметры, представляется технологически высокозатратной в изготовлении и в эксплуатации. Эти высокие затраты вызваны следующим.
- Все известные пневмокамерные излучатели, в том числе и прототип, содержат поршни, исполняющие функции привода запорных торцевых клапанов. Герметично-подвижное сопряжение поршня в цилиндре требует высокий класс точности форм и качества поверхностей. Запирающий клапан должен четко сопрягаться с отверстием выхлопа. Что также требует высокой точности расположения оси торцевого клапана по оси запираемого отверстия выхлопа.
- «Очевидно, в интересах сохранения герметичности усилия прижима затвора клапана к его гнезду желательно было бы сохранить вплоть до достижения давления, соответствующего началу его открытия. Для этого необходимо, чтобы клапан перед открытием имел ступеньку давления» (фраза из Т.М.Башта. Машиностроительная гидравлика. М., Машиностроение, 1971 г., стр.389). В прототипе такую ступеньку давления, кроме прочих функций, обеспечивают кольцевой выступ на торцевом клапане и кольцевой паз в корпусе нижней камере. Сопряжение выступа с пазом также требует при изготовлении высокий класс точности форм и качества поверхностей.
- При эксплуатации генератора его профилактика с демонтажем поршня и заменой эластичных радиальных уплотнений поршня вызывает повышенные требования к оператору по технической подготовке.
Логично обосновать, что исключение пневмопоршневого узла в качестве привода из кинематики перемещения запорного торцевого клапана, а также исключение кольцевого выступа на торцевом клапане и кольцевого паза в корпусе нижней камеры в качестве элементов, обеспечивающих ступеньку давления, и замена их на менее затратные в изготовлении и эксплуатации исполнительные элементы способствовали бы внедрению генератора в практику широкого использования.
Заявленный генератор, содержащий корпус камеры с отверстием выхлопа и отверстием под крепление воздуховода, торцевой запорный клапан с эластичным уплотняющим элементом в виде шайбы, привод клапана и элементы, обеспечивающие ступеньку давления, отличается от прототипа тем, что в его конструкцию внесены существенные изменения и дополнения, а именно: привод торцевого клапана расположен в полости корпуса и выполнен в виде пружины сжатия, крайними витками установленной в гнездах подвижной и неподвижной опор, штока, пропущенного через осевые отверстия этих опор и связанного одной оконечностью со стороны неподвижной опоры с торцевым клапаном, а другой - с регулировочной гайкой за подвижной опорой; в неподвижной опоре выполнены дополнительные сквозные отверстия вне наружного диаметра пружины, и установлена эта опора в гнездовой проточке корпуса камеры; в районе подвижной опоры на штоке нарезана резьба под необходимую высоту хода регулировочной гайки; эластичный уплотняющий элемент в виде шайбы дополнен наружным кольцевым выступом, образуя форму чаши, кольцевым выступом направленной в сторону корпуса камеры, а на наружной поверхности корпуса камеры навстречу кольцевому выступу уплотняющего элемента выполнен усеченный конус, верхний диаметр которого соответствует внутреннему диаметру кольцевого выступа эластичного уплотняющего элемента.
На схематическом чертеже показана конструкция заявляемого генератора, где обозначены: 1 - тарелка торцевого клапана; 2 - уплотняющий элемент; 3 - кольцевой выступ уплотняющего элемента; 4 - отверстие выхлопа; 5 - усеченный конус корпуса; 6 - корпус; 7 - неподвижная опора; 8 - сквозные отверстия; 9 - пружина сжатия; 10 - шток; 11 - стакан; 12 - подвижная опора; 13 - регулировочная гайка; 14 - отверстие под крепление воздуховода; 15 - газовый клапан. Тарелка торцевого клапана 1 в сборе с уплотняющим элементом 2 представляют торцевой клапан. В левой части чертежа генератор показан в положении замкнутого отверстия выхлопа 4, а в правой части - в положении выхлопа сжатого воздуха. Сборный корпус камеры состоит из собственно корпуса 6 и герметично соединенного с ним стакана 11.
Торцевой клапан с уплотняющим элементом и привод клапана собирают при снятом стакане 11 в перевернутом положении генератора, относительно показанного на чертеже: в гнездовую проточку корпуса 6 вставляют неподвижную опору 7; в гнездо этой опоры вставляют пружину 9 и накрывают ее подвижной опорой 12; шток 10 крепят с тарелкой торцевого клапана 1 и пропускают этот шток через отверстие выхлопа 4 и осевые отверстия в неподвижной и подвижной опорах; на другую оконечность штока накручивают гайку 13 до нужного сжатия пружины, при этом кольцевой выступ 3 эластичного элемента 2 упруго наползает на усеченный конус 5, а донышко чаши этого элемента герметично замыкает отверстие выхлопа 4; крепят стакан 11 на корпусе 6. Генератор готов к работе. Погружают его в воду в том же положении, как собирали. Учитывая незначительный вес генератора, предполагается погружать его, используя гибкий воздуховод.
Генератор работает следующим образом. По воздуховоду подают сжатый воздух в камеру генератора. Когда давление в камере, действующее по площади выхлопного отверстия 4 на отталкивание торцевого клапана, достигает силы, равной силе прижатия клапана пружиной 9, наступает состояние равновесия, при котором воздух может начать просачиваться в воду, не обеспечивая должного эффекта ступенчатого возрастания силы отталкивания и ускорение клапана до полного открытия выхлопного канала. Однако начальному просачиванию воздуха препятствует уплотнение эластичного кольцевого выступа на конусе 5 корпуса 6, обеспечивая ранее обозначенную ступеньку давления перед срабатыванием клапана. В момент отрыва клапана от уплотняемого торца корпуса камеры давление воздуха начинает действовать на всю торцевую площадь уплотняющего элемента клапана. Это обеспечивает ступенчатое возрастание силы отталкивания клапана от отверстия выхлопа. До открытия выхлопного канала из камеры в воду, в период сползания кольцевого выступа 3 с конуса 5, происходит начальное ускорение подвижных элементов генератора: торцевого клапана, штока, подвижной опоры, регулировочной гайки и какой-то части массы пружины. Затем открывается сквозной выхлопной канал, и сжатый воздух резко вырывается в воду, инициируя пугающий звук, типа короткого гудка. Давление в камере столь же резко снижается. С учетом снижения отталкивающего давления воздуха на клапан и возрастания силы сжатия пружины ускорение подвижных элементов генератора замедляется. В момент равновесия сил, действующих на торцевой клапан, подвижные элементы генератора по инерции немного продолжат движение, а затем возвращаются в исходное положение. При замыкании отверстия выхлопа эластичный кольцевой выступ, наползая на конус, частично гасит кинетическую энергию подвижных элементов. Интервал времени между выхлопами зависит от объемной скорости натекания сжатого воздуха в камеру. При очередном достижении в камере заданного давления воздуха происходит автоматический выхлоп его в воду. Скорость натекания воздуха в камеру и соответственно достижение заданного давления регулируют газовым клапаном 15. Отверстия 8 служат для прохода воздуха к отверстию выхлопа из полости, замкнутой стаканом 11.
Фазы образования сквозного канала и замыкания отверстия выхлопа совокупно длятся в пределах нескольких долей секунд. Чем короче эти фазы, тем эффективней преобразуется энергия сжатого воздуха при выхлопе в отпугивающий звук. В свою очередь, при одном и том же давлении сжатого воздуха перед выхлопом, ускорение и средняя скорость возвратно-поступательного движения подвижных элементов генератора обратно пропорциональна массе этих элементов. В заявленной конструкции минимизирована масса подвижных элементов, по сравнению с прототипом и аналогами, что позволяет ожидать повышенной эффективности в его работе.
Конструкция генератора представляется предельно простой в изготовлении, сборке и эксплуатации. Например, при ходовой посадке штока в направляющем осевом отверстии неподвижной опоры пружины, и наличие люфта штока в этом отверстии в допустимых пределах, торцевой клапан центрируется по уплотняемому отверстию выхлопа цилиндрическим выступом уплотняющего элемента и за счет поперечной податливости пружины. Кроме того, неподвижная опора прижата пружиной к гнездовой проточке корпуса и не требует дополнительной фиксации, а шток работает только на растяжение и не требует осевой устойчивости при малых диаметрах.
В других областях техники широко известны пружинные клапаны ступенчатого сброса давления газа в различных системах. Но нигде в доступных источниках не встречались расположения этих клапанов в полостях самих систем, как предлагается в конструкции заявленного генератора. На схематическом чертеже заявленного генератора показано, что известный пружинный клапан ступенчатого сброса давления сжатого воздуха как бы вывернут наизнанку и дополнен конструктивными элементами в виде неподвижной опоры и кольцевого выступа на торцевом уплотняющем элементе. Эти существенные изменения и дополнения обеспечили повышение эффективности генерации отпугивающего звука, так как привод торцевого клапана работает в воздушной среде и не «расталкивает» воду. Кроме этого значительно уменьшаются габариты и общая масса генератора.
Для представления о проектируемом генераторе даны некоторые параметры: высота около 350 мм; наружный диаметр по соединительным фланцам корпуса со стаканом около 98 мм; масс около 4 кг; объем камеры 0,6-1 л (в зависимости от внутреннего диаметра стакана); рабочий диапазон давления сжатого воздуха 0.2-1.2 МПа; ступенька сброса давления при выхлопе около 2.5; жесткость одного витка пружины до 500 Н/мм.
Сопоставительный анализ признаков генератора с признаками прототипа, аналогов и схожих по принципу действия других пневматических устройств свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию новизны.