ГЛУБОКОВОДНЫЙ НИЗКОЧАСТОТНЫЙ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ ДЛЯ СИСТЕМ АКУСТИЧЕСКОЙ ТОМОГРАФИИ
DEEPWATER LOW-FREQUENCY HYDROACOUSTIC EMITTER FOR ACOUSTIC TOMOGRAPHY SYSTEMS

Изобретение относится к гидроакустической технике и может быть использовано в качестве глубоководного направленного излучателя низкочастотных сигналов для зондирования вод океана с целью мониторинга и прогнозирования его состояния.
Зондирование океана с последующим решением обратной задачи гидроакустики предоставляет широкие возможности для дистанционного, оперативного и непрерывного наблюдения мезомасштабных неоднородностей водных масс. Эффективное использование такого метода, получившего название "акустическая томография", возможно лишь при условии применения систем, включающих значительное количество автономных низкочастотных гидроакустических излучателей, установленных в океане на различных глубинах. При этом к излучателям предъявляются требования:
- пригодность для генерации амплитудно-модулированных акустических сигналов на частотах диапазона 100-300 Гц;
- независимость акустических параметров от глубины погружения;
- осесимметричная характеристика направленности излучения, плоскость максимума которой горизонтальна (предполагается применять сигналы, распространяющиеся в различных направлениях по траекториям, близким к горизонтальным);
- высокие КПД и удельная (на единицу массы) акустическая мощность (эквивалентно требованию низкой стоимости эксплуатации автономных излучателей).
В настоящее время разработаны и используются гидроакустические излучатели многих типов. Некоторые из них пригодны для генерации низкочастотных амплитудно-модулированных сигналов. Параметры других не зависят от глубины погружения. Оба эти качества сочетают излучатели с жидкостно заполненными резонаторами, выполненными в виде отрезка полуволновой трубы с открытыми торцами. Они имеют осесимметричную характеристику направленности излучения, плоскость максимума которой перпендикулярна оси трубы.
Известен излучатель, например по патенту США № 4855964, В06В 1/06, H04R 17/00, опубл. 8 августа 1989, содержащий преобразователь в виде пьезокерамического кольца, установленного между фланцами двух одинаковых отрезков труб, в максимуме знакопеременного давления стоячей звуковой волны. В диапазоне частот от 4600 до 2200 Гц его КПД составляет от 72% до 20%. Если же основная частота резонанса такого излучателя находится в диапазоне от 500 до 300 Гц, то на частотах вблизи резонанса КПД составляет от 30 до 10% (Lee В. Low-frequency sound projector for underwater sound. - IEEE International conference on engineering in the ocean environment. Halifax, 1974, v.2, p.10-15). Co снижением рабочей частоты таких излучателей поддержание КПД и акустической мощности на прежнем уровне требует резкого увеличения их размеров и массы, что поднимает стоимость изготовления и эксплуатации излучателей до неприемлемых значений. Основная причина этого заключается в низкой удельной мощности пьезокерамических преобразователей при их использовании в диапазоне низких звуковых частот.
Легко достижимые обычными средствами плотности энергии магнитного поля многократно превосходят достижимые плотности энергии электрического поля в пьезопреобразователях. Поэтому для повышения удельной акустической мощности и обеспечения высокого КПД глубоководных низкочастотных излучателей с полуволновыми резонансными трубами, работающих на относительно низких частотах диапазона 100-300 Гц, необходимо применение в них хорошо согласованных преобразователей, содержащих магниты.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков к предлагаемому техническому решению является преобразователь, например по патенту США № 7071584, Н02К 41/00, опубл. 4 июля 2006, фиг.4 и 19, содержащий полый цилиндрический индуктор с постоянным магнитом и двумя полюсами-фланцами, цилиндрический магнитопровод и две катушки, закрепленные на общей обойме и подвижно установленные в кольцевых зазорах между цилиндрическими поверхностями фланцев и магнитопровода. Обмотки включены так, что направления создаваемых ими знакопеременных сил совпадают. Такой преобразователь не теряет работоспособности при заполнении его полостей жидкостью и, следовательно, может быть использован в глубоководных низкочастотных излучателях с полуволновыми резонансными трубами. Однако при этом необходимы согласующие устройства: шток, поршень и цилиндр, ось которого перпендикулярна оси трубы, усложняющие излучатель и увеличивающие его массу, преобразователь придется располагать рядом с трубой, что увеличит поперечные размеры излучателя. Если будет использован одиночный преобразователь, то при его работе возникнут снижающие КПД несбалансированные поперечные колебания излучателя. Использование же двух или большего числа преобразователей дополнительно усложнит конструкцию и увеличит поперечные размеры излучателя.
Задачей предлагаемого технического решения является упрощение конструкции, уменьшение габаритов и массы глубоководного низкочастотного гидроакустического излучателя с полуволновой резонансной трубой.
Поставленная задача решается тем, что в низкочастотном гидроакустическом излучателе, содержащем полый цилиндрический индуктор с постоянным магнитом и двумя полюсами-фланцами, цилиндрический магнитопровод и две катушки, подвижно установленные в кольцевых зазорах между цилиндрическими поверхностями фланцев и магнитопровода, катушки включены так, что направления их колебательных смещений противоположны, на торцах магнитопровода установлены отрезки четвертьволновых резонансных труб, индуктор установлен на жестких кронштейнах, а в магнитопроводе имеется ряд сквозных радиальных отверстий и продольные пазы, пересекающие отверстия.
Сущность предлагаемого технического решения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показан продольный осевой разрез излучателя, а на фиг.3 - поперечные разрезы преобразователя. Излучатель содержит жесткий корпус в виде двух отрезков труб 1, укрепленных на торцах магнитопровода 2, а также индуктор с постоянным магнитом 3 и полюсами-фланцами 4. Индуктор установлен на жестких кронштейнах 5. В магнитопроводе 2, напротив магнита 3 имеется ряд сквозных радиальных отверстий 6 и продольные пазы 7, пересекающие отверстия 6. В кольцевых зазорах между фланцами 4 и магнитопроводом 2, на упругих подвесах 8, подвижно установлены катушки 9. Катушки 9 включены так, что направления намотки провода в них совпадают, что обеспечивает противоположные направления колебательных смещений катушек 9.
Работает такой излучатель следующим образом. Излучатель погружают в воду, обеспечивая вертикальное положение оси корпуса, при этом его полости свободно заполняются водой. При подаче на катушки 9 переменного тока с частотой, равной основной частоте продольного резонанса, в столбе воды в трубах устанавливается показанное на фиг.2 осевое распределение амплитуд знакопеременных давления Р и скорости V стоячей звуковой волны, примерно соответствующее полуволновому резонансу. Площадь поверхности торца катушки 9 много меньше внутреннего поперечного сечения трубы 1, а волновое значение диаметра трубы мало. Поэтому, вследствие эффекта "гидравлической трансформации", механический импеданс, на который нагружена каждая катушка, много меньше импеданса сечения столба воды в трубе, что обеспечивает достаточно высокую скорость колебаний катушек и позволяет достичь высокого КПД. При этом объемная колебательная скорость воды в отверстиях 6 много меньше объемных колебательных скоростей на открытых концах отрезков труб 1, сечения которых и являются основными излучающими поверхностями. Продольные пазы 7 устраняют неиспользуемый металл магнитопровода, что облегчает конструкцию, и снижают скорость колебаний воды вблизи радиальных отверстий 6, что уменьшает вязкие и гидродинамические потери.