Магнитострикционное устройство направленного излучения ультразвуковых волн

Полезная модель относится к области систем передачи информации посредством магнитострикционного ультразвукового устройства (МУУ) направленного излучения ультразвуковых волн и может быть использовано в беспроводных (защищенных) коммуникациях, корпоративных и локальных опто-ультразвуковых системах передачи данных (СПД).
Эффект магнитострикции уже давно используется для генерации ультразвуковых колебаний, основная суть которой состоит в том, что если поместить ферромагнитный стержень в переменное магнитное поле, то геометрические размеры стержня будут изменяться, то есть в окружающей стержень среде возникнут акустические волны (колебания). Ультразвуковые волны (акустические колебания) перемещаются в упругой среде (газ, жидкость) в форме волны, подобно распространению света. Среда распространения акустических (ультразвуковых) колебаний образует канал несанкционированного доступа к сведениям, подлежащим защите. Ультразвук (УЗ), распространяясь в газе, создает области сжатия и разряжение среды, в которых давление соответственно повышается или понижается по сравнению с давлением невозмущенной среды. УЗ колебания хорошо поддаются фокусировке и возможности глубокого шифрования конфиденциальной информации, обеспечивают большие трудности перехвата информации при наличии дополнительных преобразователей и датчиков, а также благодаря защищенным от проникновения соединительным линиям со вспомогательными техническими средствами или специально проложенным оптико-электронным (лазерным) каналам.
Известно устройство передачи информации по волоконно-оптической линии связи (патент SU1413655, А1, СССР опубликованный 30.07.1988), включающее в себя волоконно-оптические линии, которое применятся как для построения магистральных систем передачи, так и для внутри объектовых локальных систем сбора, данных (СПД). Недостатком данного устройства является высокая стоимость сети в целом, не высокая степень помехозащищенности и повышенные требования к волоконно-оптическому тракту.
Прототипом предлагаемого МУУ является Устройство ультразвукового помола (см. патент RU2737809 С1). Устройство ультразвукового помола относится к устройствам для измельчения материала. Предложено устройство ультразвукового помола, содержащее электропривод, соединенный с поворотной платформой и выключателем электрической энергии, ультразвуковой генератор, ультразвуковой магнитострикционный преобразователь с согласующим элементом - пассивным концентратором, выполненным с плавными экспоненциальными переходами и механическим измельчителем, выполненным в виде конуса с рифленой рабочей поверхностью, который установлен внутри неподвижной цилиндрической емкости, в верхней части которой установлен узел загрузки необработанного материала, а в нижней части - узел выгрузки обработанного материала, подвижную конусообразную емкость.
Однако недостатком данного устройства является то, что у магнитострикционного преобразователя (патент RU2737809) нет возможности использования ультразвуковых колебаний высокой интенсивности внутреннего кольца пакета пластин для получения максимальной концентрации этих колебаний и формирования направленного (сфокусированного) ультразвукового излучения к преобразователям (далее Датчик с лазерами) ультразвуковых колебаний в световую энергию.
Технической задачей предлагаемого устройства является обеспечение возможности использования МУУ для повышения качества беспроводной передачи данных за счет создания ультразвуковых упругих колебаний высокой интенсивности на частоте 22 кГц, что позволяет с помощью пассивного концентратора эффективно сфокусировать их на Датчик световой энергии.
Технический результат - эффективная беспроводная передача энергии.
Техническая задача достигается за счет того, что магнитострикционное устройство направленного излучения ультразвуковых волн, включающее корпус, в котором закреплен сердечник в виде пакета пластин из магнитострикционного материала с отверстиями, в которых установлена электрическая обмотка, соединенная с ультразвуковым генератором, подключенным к электрической сети частотой 50 Гц, к сердечнику снизу присоединен конусообразный пассивный концентратор, согласно полезной модели, на конусообразном пассивном концентраторе установлен датчик в виде пьезоэлектрического преобразователя, преобразующего ультразвуковые волны в электрический сигнал, для последующего преобразования в световую энергию.
Ультразвуковые фокусирующие преобразователи (пассивные концентраторы или трансформаторы скорости) применяют для увеличения интенсивности ультразвука акустических волн и ввода информации/энергии в акустические каналы связи. Они позволяют увеличивать амплитуды колебательного смещения частиц среды внутри сердечника. Кроме того, они являются звукопроводами и служат для увеличения плотности энергии У3-волн. В предлагаемой полезной модели (МУУ) связь осуществляется с помощью У3-вых фокусирующих преобразователей с концентратором, с помощью которых можно формировать заданные характеристики направленности излучения и модифицировать их, то есть управлять ими. Ультразвуковые волны генерируются с помощью магнитостриктора и концентратора (в составе МУУ), который преобразует с помощью УЗГ электрические колебания частой 50 Гц в электроакустические колебания (ультразвуковые волны) частотой 22 кГц.
Сущность полезной модели - магнитострикционное устройство (далее МУУ) поясняется графическим материалом, где на фиг. представлен схематический вид устройства, а позициями обозначены следующие элементы, узлы: 1 - пакет пластин в виде сердечника, набранного из кольцевых пластин магнитострикционного материала с отверстиями для провода электрической обмотки, 2 - корпус, 3 - конусообразный пассивный концентратор с плавными экспоненциальными переходами, обеспечивающий возникновение ультразвуковых волн. На выходе из МУУ, на конусообразном пассивном концентраторе 3 установлен датчик 4 (в режиме приемника) в виде пьезоэлектрического преобразователя, преобразующий приходящие от концентратора акустические волны (ультразвуковую энергию) в электрический сигнал. МУУ подключено через электрическую обмотку, установленную на пластинах сердечника, к электрической сети 5 (промышленная электрическая сеть 50 Гц) и ультразвуковому генератору 6, кроме того, в корпус 2 через устройства - подводящее 7 и отводящее 8 осуществляется подвод жидкости для охлаждения.
Предлагаемая полезная модель (фиг.) работает следующим образом. В исходном (статическом) состоянии на УЗГ 6 не подается напряжение питания, пакет пластин в виде сердечника 1, набранного из кольцевых пластин магнитострикционного материала с отверстиями для провода обмотки, находится в не рабочем состоянии, поэтому отсутствует магнитострикционный эффект (изменение формы и размеров сердечника при его намагничивании). Подача охлаждающей жидкости 8 для сердечника не производится. Затем осуществляется подача охлаждающей жидкости 8 для сердечника 1 и на УЗГ 6 подается напряжение питания от промышленной электрической сети 5. Происходит изменение формы и размеров сердечника 1 из магнитострикционного материала при его намагничивании, то есть вибрирование частичек вещества сердечника с ультразвуковой частотой и передачей механических колебаний частичек вещества сердечника на конусообразный концентратор 3 (усилитель), у которого также происходят направленные колебания частичек материала концентратора, из которого он изготовлен (титан, дюралюминий), что позволяет увеличить интенсивность ультразвуковых акустических волн внутри сердечника. Далее ультразвуковые колебания передаются на датчик 4 (пьезоэлектрический преобразователь), который преобразует механическую энергию колебаний в электрический сигнал.
После этого МУУ можно использовать для преобразования электрических сигналов, полученных на выходе, в световую энергию, например, путем передачи электрических сигналов, полученных на выходе датчика 4, к лазеру, преобразующему электрические сигналы в световую энергию и далее на оптоволокно.
Вывод о выполнении технической задачи можно сформулировать следующим образом. Использование МУУ позволяет повысить интенсивность акустических колебаний за счет преобразования электрической энергии ультразвукового генератора (УЗГ) в ультразвуковую вибрацию сердечника и концентратора, на выходе которого установлена датчик и лазер, обеспечивающий преобразование ультразвуковых колебаний в световую энергию с последующей передачи ее в оптоволокно (Bulletin of the South Ural State University. Ser. Computer Technologies, Automatic Control, Radio Electronics, 2020, vol. 20, no. 4).
Также можно отметить, что с помощью МУУ достигается необходимое качество ультразвуковых колебаний (волн), которые хорошо поддаются фокусировке и возможности его использования для глубокого шифрования конфиденциальной информации, что позволяет обеспечить большие трудности перехвата информации при наличии дополнительных преобразователей и датчиков, а также благодаря защищенным от проникновения соединительным линиям с вспомогательными техническими средствами или специально проложенным оптико-электронным (лазерным) каналам. Таким образом, поставленная техническая задача в представленной полезной модели решена.