ТРАКТ ИЗЛУЧЕНИЯ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
ROUTE OF HYDROACOUSTIC SIGNALS RADIATION

Изобретение относится к области технической акустики, в частности конструкции трактов излучения гидроакустических сигналов, и может быть использовано при разработке систем встроенного контроля их технических параметров.
Аналогами изобретения являются гидроакустические тракты излучения, в состав которых в качестве основных элементов входят генератор, формирующий электрический сигнал, и гидроакустическая антенна, осуществляющая электроакустическое преобразование и излучение сигнала, а также элементы контроля параметров излучения [1 (с.23), 2 (с.506)]. При этом в некоторых случаях конструкция тракта излучения включает встроенные датчики контролируемых величин (напряжение, сила тока), позволяющие по выходному сигналу определить уровень подводимой к антенне электрической мощности или фиксировать нахождение последней в пределах или вне допуска, в других случаях - датчики тех или иных характеристик гидрофизических полей, например, акустических, оптических, тепловых и т.д., создаваемых трактом излучения, устанавливаются в водной среде на определенном расстоянии от поверхности излучателей и позволяют контролировать параметры тракта излучения, режим его работы или изменение состояния среды под воздействием этих полей.
изл
Конструкция систем контроля трактов излучения во второй группе случаев, в свою очередь, может иметь различные технические решения в зависимости от задач контроля, связанных с определением абсолютного уровня акустической мощности или только диапазона ее значений, а именно - докавитационного и кавитационного. Известно [3 (с.109), 4 (с.104)], что если в процессе излучения акустических колебаний на некоторой глубине h удельная акустическая мощность превысит некоторую предельную для этой глубины величину, то возникает кавитация - процесс образования разрывов сплошности соколеблющейся области прилегающей среды, или каверн, с последующим их захлопыванием. Возникающее в ходе этого процесса мощное побочное шумовое излучение, а также разогрев среды и нежелательное механическое воздействие на поверхность излучателя (вплоть до появления раковин и его разрушения), сопровождающиеся значительными энергетическими потерями, обусловливают необходимость обеспечения бескавитационного режима работы электроакустических преобразователей антенны (если это специально не оговорено техническими условиями) или контроля так называемой реактивной составляющей акустической мощности, определяющей энергетические потери при кавитации.
пр
изл
пр
В рассмотренных аналогах с расположением датчиков в кавитирующей среде начало и степень развития кавитации устанавливают по появлению и интенсивности пузырьков газа на поверхности излучателя, свечению прилегающего слоя воды, вызываемому электрическими разрядами в кавернах, повышению уровня акустических помех, называемых «кавитационным» шумом и т.д. Так, например, в [2] (с.506) описана установка (фиг.562), в которой в качестве датчика используется установленный рядом с излучателем контрольный электроакустический преобразователь, работающий в режиме приема. В докавитационном режиме напряжение U, им развиваемое, растет пропорционально подаваемому на излучатель напряжению U. С переходом в кавитационную область рост U замедляется, а с некоторого момента практически прекращается, что свидетельствует о росте реактивной составляющей акустической мощности из-за кавитационных потерь. Фиг.563а иллюстрирует результаты применения установки, в которую включен фотоаппарат, фиксирующий возникновение свечения кавитирующей жидкости.
В качестве прототипа изобретения выбран наиболее близкий к нему по назначению (излучение акустических сигналов с контролем по мощности) и по технической сущности (применение встроенных датчиков) тракт излучения гидроакустических сигналов, описанный в нашей одноименной заявке на изобретение [5]. В систему контроля начала и степени развития кавитации гидроакустических преобразователей антенны введен фазочувствительный датчик, один вход которого подключен параллельно антенне, а другой - последовательно ей, что позволяет измерять возникающий с кавитацией фазовый сдвиг между питающим антенну напряжением и потребляемым ею током, т.е. контролировать кавитацию. Следует заметить, что понятие «измерения фазы в тракте излучения» применено в [5] впервые, т.к. обычно реактивная составляющая сопротивления излучения антенны компенсируется известными способами и генератор работает на активную нагрузку, сдвиг по фазе (Δφ=0) и необходимость измерения фазы отсутствуют.
Как можно заключить из изложенного выше, как аналоги, так и прототип изобретения имеют существенные недостатки, главным из которых является отсутствие активного воздействия на кавитацию, а именно ее исключения или уменьшения интенсивности потерь, ее сопровождающих.
Техническим результатом настоящего изобретения является обеспечение бескавитационного режима работы тракта излучения гидроакустических сигналов или снижение ее интенсивности до определенного допустимого уровня и, следовательно, повышение надежности и технической эффективности тракта.
Технический результат достигается тем, что при разработке системы контроля тракта излучения предлагается включить в ее состав устройство, позволяющее использовать результаты контроля сдвига по фазе в автоматическом регулировании докавитационного уровня подводимой к антенне электрической мощности.
Сущностью изобретения является подключение выхода фазочувствительного датчика, измеряющего сдвиг фаз между подводимым к излучателям антенны напряжением и потребляемым ими током, к модулятору электрической мощности генератора, образуя отрицательную обратную связь в регулировке последней в зависимости от величины сдвига фаз, т.е. степени развития кавитации.
изл
изл
изл
Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид тракта излучения, включая генератор 1, акустическую антенну 2 и элемент 3, выполняющий функцию контроля параметра, однозначно характеризующего соотношение активной (R) и реактивной (Х) составляющих сопротивления излучения (Z), а именно фазового сдвига Δφ, и линия обратной связи этого элемента с генератором 1.
изл1,2
изл1,2
1
2
а
г
1
1
Фиг.2 качественно иллюстрирует изменение составляющих сопротивления излучения антенны, т.е. R и Х, а также фаз Δφ и Δφ на различных уровнях развития кавитации. Снятая в лабораторных условиях зависимость изменения излучаемой акустической мощности Р и фазового сдвига Δφ от подводимого к излучателю напряжения U на различных глубинах его погружения (с h=3,0 м и h=0,5 м) иллюстрируется Фиг.3.
изл
изл
изл
До начала кавитации электрический генератор передающего тракта работает на согласованную нагрузку (Z = R), напряжение на выходе фазочувствительного датчика равно или близко нулю. С повышением мощности сверх пороговой или изменением условий излучения (уменьшение глубины погружения излучающей антенны), приводящих к снижению порога, начинает расти реактивная составляющая сопротивления излучения Х, что повлечет за собой увеличение фазового сдвига
изл
изл
Δφ=arcin(X/Z),
а следовательно, и выходного напряжения фазочувствительного датчика, которое благодаря отрицательной обратной связи с модулятором генератора, приведет к уменьшению развиваемой последним электрической мощности до уровня, не превышающего (или близкого к нему) значение удельной пороговой мощности, т.е. бескавитационному режиму излучения.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство явилось результатом решения новой задачи - оперативного обеспечения бескавитационной работы трактов излучения гидроакустических сигналов, в ходе которого реализован известный способ контроля развития кавитации по фазовому соотношению активной и реактивной составляющих акустической мощности и сопротивления излучения излучателей и предложено новое средство реализации результатов этого контроля подключением выхода встроенного датчика фазового сдвига между подводимым к излучателям напряжением и потребляемым ими током к устройству, модулирующему электрическую мощность генератора в докавитационном режиме работы тракта.
Источники информации
1. Справочник по гидроакустике. Л., Судостроение, 1988.
2. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. ИЛ, М., 1957.
3. Чедд Г. Звук «Мир», М., 1975.
4. Терминологический словарь-справочник по гидроакустике. Л., Судостроение, 1989.
5. Щеглов Г.А., Колесникова М.Н. Заявка на изобретение RU 2001130235 А1 от 10.07.2003 - прототип.