Инфразвуковой генератор и устройство для генерирования инфразвуковых волн
INFRASOUND GENERATOR AND DEVICE FOR GENERATING INFRASONIC WAVES

Группа изобретений относится к технической акустике, в частности к устройствам для воспроизведения низкочастотных звуковых волн.
Из уровня техники известен генератор ударных волн, содержащий гильзу, полый корпус, к одному из торцов которого прикреплен стакан. В корпусе размещен ресивер, к полости которого подведены установленные в корпусе газоходы. Полости корпуса стакана и гильзы образуют резонирующую полость, причем генератор оснащен механизмом регулирования объема резонирующей полости. Генератор дополнительно оснащен соплом и трубкой, гильза прикреплена ко второму торцу стакана, трубка размещена в гильзе, а сопло закреплено на торце ресивера, обращенном к трубке, и связано с полостью ресивера (см. Патент RU 154734, опубликован 10.09.2015).
Недостатком известного решения является сложность конструкции, большие энергозатраты на генерацию возмущения и получения инфразвуковых волн в необходимом диапазоне.
Наиболее близким техническим решением к предложенной группе изобретений является инфразвуковой генератор, содержащий полый корпус с входным кольцевым каналом на одной своей стенке для подачи сжатого газа, при этом противоположная стенка корпуса имеет отверстие, в котором соосно кольцевому каналу установлен модулятор, имеющий форму цилиндрической трубы, один торец которой, расположенный напротив кольцевого канала, имеет внутреннюю фаску, больший диаметр которой равен большему диаметру кольцевого канала (см. Патент RU 2652641, опубликован 28.04.2018.
Недостатком наиболее близкого решения является сложность конструкции, возникновение воздушных потерь в полости корпуса генератора, в результате чего теряется полезная мощность инфразвукового генератора.
Технической проблемой, решаемой группой изобретений, является упрощение конструкции генератора, а также повышение эффективности работы инфразвукового генератора.
Техническим результатом группы изобретений является исключение воздушных потерь и повышение мощности за счет прямоточного поступления воздушного потока.
Технический результат изобретения достигается благодаря тому, что инфразвуковой генератор содержит полый корпус, который имеет соосные входное и выходное отверстия, сообщенные с полостью корпуса, при этом полость корпуса имеет продолговатую форму, вытянутую вдоль осей входного и выходного отверстий и сужающуюся в сторону них, в выходном отверстии плотно установлен модулятор в виде патрубка, по меньшей мере часть которого расположена в полости корпуса и конец которого, обращенный в сторону входного отверстия, имеет внутреннюю фаску.
Кроме того, со стороны входного отверстия с корпусом может быть соединен входной патрубок, соосный входному отверстию.
Входной патрубок может быть выполнен в виде воронки, имеющей цилиндрическую часть, установленную во входном отверстии, и раструб, сужающийся в сторону цилиндрической части.
Раструб может иметь круглую или прямоугольную форму поперечного сечения.
Кроме того, с модулятором может быть соединен выходной патрубок, который может быть выполнен в виде раструба, сужающегося в сторону полости корпуса.
Кроме того, полость корпуса может иметь цилиндрическую форму с полусферическими концами, оси которых совпадают с осями входного и выходного отверстий.
Кроме того, полость корпуса может иметь форму вытянутого эллипсоида вращения, большая ось которого совпадает с осями входного и выходного  отверстий.
Кроме того, модулятор может быть установлен в выходном отверстии посредством резьбового соединения с возможностью перемещения вдоль своей оси.
Технический результат изобретения также достигается благодаря тому, что устройство для генерирования инфразвуковых волн содержит корпус, в котором установлены вышеописанные инфразвуковые генераторы так, что оси их входных отверстий параллельны друг другу, корпус имеет канал, на одном конце которого расположен входной раструб, сужающийся в сторону полости канала, а на другом конце установлена подвижная перегородка, при этом канал сообщен с входными отверстиями инфразвуковых генераторов.
Кроме того, между каналом и входными отверстиями инфразвуковых генераторов может быть расположена сотовая плита.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1–8 схематично показаны варианты конструкции предложенного инфразвукового генератора; на фиг. 9 схематично показано устройство для генерирования инфразвуковых волн с комплектом инфразвуковых генераторов.
Предложенный инфразвуковой генератор 1 содержит полый корпус 2, который имеет с одной стороны (со стороны одного торца) входное отверстие 3, а с другой стороны (со стороны противоположного торца) выходное отверстие 4. Отверстия 3 и 4 расположены соосно друг другу, при этом они сообщены с полостью 5 корпуса 2.
Полость 5 внутри корпуса 2 образует рабочую камеру. Полость 5 образована внутренними стенками корпуса 2 и имеет продолговатую форму, вытянутую вдоль осей входного и выходного отверстий 3, 4 и сужающуюся в сторону соответственно отверстия 3 и отверстия 4, т.е. диаметр полости в соответствующем поперечном сечении корпуса 2 равномерно уменьшается в направлении как отверстия 3, так и отверстия 4.
Полость 5 может иметь цилиндрическую форму с полусферическими концами, оси которых совпадают с осями входного и выходного отверстий 3, 4 (фиг. 1-3, 7, 8). Т.е. в данном случае полость 5 может иметь минимум три участка: два полусферических участка, расположенных со стороны отверстий 3 и 4, а также один цилиндрический участок, расположенный между полусферическими участками.
Также полость 5 может иметь форму вытянутого эллипсоида вращения (эллипсоидная форма или сфероидная), большая ось которого совпадает с осями входного и выходного  отверстий 3, 4 (фиг. 4-6).
Кроме того, полость 5 может иметь и иную продолговатую вытянутую форму, симметричную относительно центра линии, соединяющей входное и выходное отверстия 3, 4, и сужающуюся в сторону отверстий 3 и 4.
С целью придания поступающему в полость 5 воздушному потоку равномерного направления без завихрений, края отверстия 3 (т.е. стенки корпуса 2, образующие диаметр отверстия 3) выполнены закругленными. Отверстие 3 может иметь резьбу для соединения с входным патрубком 6.
Со стороны входного отверстия 3 с корпусом 2 может быть соединен входной патрубок 6, соосный входному отверстию 3. Патрубок 6 позволяет направленно подавать воздух в полость 5 через отверстие 3. Патрубок 6 может быть установлен в отверстии 3 посредством резьбового соединения. Возможен вариант, когда отверстие 3 образовано цилиндрическим выступом 7 со стороны одного торца корпуса 2, на котором с натягом установлен патрубок 6 (либо соединен с ним посредством резьбового или любого иного соединения).
Входной патрубок 6 может быть выполнен в виде цилиндрической трубы (фиг. 2, 5), установленной в отверстии 3 (либо натянутой на выступ 7). Также патрубок 6 может быть выполнен в виде воронки (фиг. 3, 6, 7, 8), имеющей цилиндрическую часть 8, установленную во входном отверстии 3 (или на выступе 7), и раструб 9, сужающийся в сторону цилиндрической части 8 (и соответственно в сторону полости 5). Либо патрубок 6 может быть сразу выполнен в виде раструба 9, сужающегося в сторону полости 5 и установленного на выступе 7 (соединенного с ним любым возможным способом). При этом раструб 9 может иметь круглую или прямоугольную (квадратную) форму поперечного сечения. Патрубок 6 (в том числе раструб 9) предназначен для направления воздушного потока в полость 5 (через входное отверстие 3).
В вариантном выполнении изобретения раструб 9 с цилиндрическим участком 8, сообщенным с входным отверстием 3, может быть образован самим корпусом 2 (фиг. 7, 8), т.е. его стенками со стороны отверстия 3 (образуя коническую полость, сужающуюся в сторону полости 5, или полость в форме усеченной пирамиды, сообщенной с участком 8).
В выходном отверстии 4 плотно (без зазоров) установлен модулятор 10, выполненный в виде цилиндрического патрубка (трубы). Диаметр модулятора 10 может составлять от четырех до тридцати двух миллиметра (при необходимости может быть и иной диаметр). Модулятор 10 установлен так, что, либо его часть, либо полностью он расположен в полости 5 корпуса 2. Модулятор 10 установлен соосно отверстиям 3 и 4.  На части (или почти на всей) внешней поверхности модулятора 10 может быть выполнена резьба 11. При этом модулятор 10 установлен в выходном отверстии 4 посредством резьбового соединения путем вкручивания модулятора 10 в резьбу выходного отверстия 4. Модулятор 10 благодаря резьбовому соединению установлен в выходном отверстии 4 корпуса 2 с возможностью перемещения вдоль своей оси (в сторону отверстия 3 и обратно), обеспечивая регулировку частотного диапазона звуковых волн. Возможен вариант установки модулятора 10 в выходном отверстии 4 путем запрессовки (т.е. посадки с натягом) и без возможности его перемещения вдоль своей оси. В данном случае модулятор 10 устанавливается в заранее рассчитанном положении, обеспечивающем получение звуковых волн в необходимом частотном диапазоне. При этом длина модулятора 10 может рассчитываться заранее, а если модулятор 10 установлен посредством резьбового соединения с возможностью перемещения вдоль своей оси, то длина модулятора 10 может быть любая, поскольку имеется возможность регулировки расстояния между входным отверстием 3 и концом модулятора 10, обращенным в сторону отверстия 3.
Один конец (торец) модулятора 10, который расположен в полости 5 и обращен в сторону отверстия 3, имеет внутреннюю фаску 12, т.е. внутреннюю коническую поверхность, сужающуюся в сторону отверстия 4. Угол фаски 12 может составлять от 30 до 40 градусов в зависимости от необходимости получения определенных колебаний воздуха.
Другой конец (торец) модулятора 10 может быть соединен с выходным патрубком 13. При этом выходной патрубок 13 может быть выполнен в виде цилиндрической трубы (фиг. 2, 5), либо может быть выполнен в виде раструба (фиг. 3, 6), сужающегося в сторону полости 5 корпуса 2. В случае выполнения патрубка 13 в виде раструба, он позволяет устранить рассеивания звукового потока на выходе.
Соединение конца модулятора 10 (без фаски 12) с патрубком 13 может быть выполнено любым возможным способом, когда патрубок 13 выполнен съемным, т.е. не заодно целое с корпусом 2. Возможен вариант, когда патрубок 13 непосредственно соединен с концом модулятора 10, а возможен вариант, когда патрубок 13 соединен с корпусом 2, а конец модулятора 10 расположен на уровне выходного отверстия 4. Возможен вариант (фиг. 7, 8), когда патрубок 13 (выходной раструб) образован стенками корпуса 2 (в том числе, например, в виде цилиндрического выступа, образованного на торце корпуса 2). В данном случае модулятор 10 может быть также установлен своим концом (без фаски 8) на уровне выходного отверстия 4. Кроме того, возможен вариант, когда этот конец модулятора 10 расположен в патрубке 13 (в раструбе), т.е. не на одном уровне с выходным отверстием 4. В предпочтительном варианте выполнения изобретения патрубок 13 непосредственно соединен с концом модулятора 10, выходящим из полости 5, в том числе при установке модулятора 10 в выходном отверстии 4 с возможностью перемещения и без такой возможности.
За счет того, что полость 5 имеет вышеописанную форму, поступающий под давлением через входное отверстие 3 воздушный поток равномерно распределяется в полости 5, исключая любые потери, завихрения и т.п., откуда он напрямую попадает в модулятор 10. Внутренняя фаска 12 позволяет направленно подавать равномерно распределенный в полости 5 воздушный поток в модулятор 10, обеспечивая прямоточное поступление воздушного потока без каких-либо потерь. В результате выполнения полости 5 в таком виде (вытянутый эллипсоид вращения или цилиндр с полусферами на концах) и наличию фаски 12 на модуляторе 10 повышается мощность инфразвукового генератора и качество его функционирования, поскольку отсутствуют какие-либо воздушные потери, а воздушный поток равномерно распределяется в полости 5, попадая напрямую в модулятор 10.
Внешняя часть корпуса 2 инфразвукового генератора 1 может иметь любую форму, т.е. поперечное сечение корпуса 2 может иметь круглую или прямоугольную (квадратную) или любую иную форму.
Корпус 2 может быть выполнен цельным или разъемным, т.е. состоять из двух или более частей. Разъем корпуса 2 может быть выполнен как в плоскости, перпендикулярной осям отверстий 3 и 4 (например, в центральной части полости 5), так и в плоскости, в которой лежат оси отверстий 3 и 4. При разъемном выполнении корпуса 2, части корпуса 2 соединяются между собой, например, с помощью резьбового соединения 14, или плотным натягом частей друг на друга, или последующей сваркой и т.п. Возможен вариант соединения частей корпуса 2 с помощью соединительной муфты 15 (фиг. 8). Выполнение корпуса 2 из частей, которые в последующем соединяются друг с другом, позволяет в процессе изготовления инфразвукового генератора 1 более точно сформировать полость 5 описанной формы, тем самым повысить качество инфразвукового генератора.
Благодаря выполнению инфразвукового генератора 1 описанным образом (прямоточный инфразвуковой генератор) обеспечивается прямой поток воздушного потока, равномерное распределение его в полости 5, исключая любые воздушные потери и повышая его мощность. Также обеспечивается компактность генератора 1, он имеет небольшие размеры при сохранении возможности получения требуемых звуковых колебаний необходимой частоты и мощности.
С патрубком 6 может быть связан источник сжатого газа (баллон, компрессор и т.п., не показан). Источник сжатого газа может быть непосредственно соединен с входным отверстием 3.
С целью увеличения мощности звукового воздействия инфразвукового генератора 1 предлагается устройство 16 для генерирования инфразвуковых волн (фиг. 9).
Устройство 16 содержит корпус 17, который имеет канал 18 для поступления воздушного потока, и сообщенный с ним короб 19 (емкость с открытым дном, либо с дном с отверстиями, расположенными напротив выходных патрубков 13). На одном конце канала 18 расположен входной раструб 20 устройства 16, сужающийся в сторону полости канала 18 и служащий для забора воздуха. На другом открытом конце канала 18 установлена подвижная перегородка 21 (задвижка, заслонка), с помощью которой обеспечивается закрытие или открытие этого конца канала 18 с возможностью регулировки степени открытия. Перегородка 21 может открываться и закрываться с помощью управляемого привода 24. Привод 24 может также регулировать степень открытия (закрытия) конца канала 18, на котором установлена перегородка 21. Регулировка степени открытия позволит регулировать мощность устройства 16. Канал 18 может иметь любую форму поперечного сечения (прямоугольную, квадратную, форму полукруга, треугольную и т.п.).
В корпусе 17 (а именно в коробе 19) установлены инфразвуковые генераторы 1. Они установлены так, что оси их отверстий 3, 4 (в том числе оси патрубков 6, раструбов 9) параллельны друг другу (и перпендикулярны оси канала 18, либо расположены под небольшим углом к ней). Количество генераторов 1, установленных в корпусе 17, может быть любым от двух и более в зависимости от необходимости получения определенной мощности звукового воздействия устройства 16.
Канал 18 сообщен с входными отверстиями 3 инфразвуковых генераторов 1 через входные патрубки 6. При этом между каналом 18 и входными патрубками 6 инфразвуковых генераторов 1 может быть расположена сотовая плита 22 со специальной сеткой или без нее (перфорированная плита 22 с узкими сквозными каналами (отверстиями), представляющая собой хонейкомб). Такая плита 22 (с сотовыми отверстиями) обеспечивает равномерное поступление воздушного потока из канала 18 во входные патрубки 6 и отверстия 3 всех генераторов 1, размещенных в корпусе 17 (в коробе, емкости 19). При размещении нескольких генераторов 1 в корпусе 17 (в коробе 19), их входные патрубки 6 выполнены в виде воронок, имеющих цилиндрические части 8 и сообщенные с ними раструбы 9, которые имеют квадратную (прямоугольную) форму поперечного сечения. Квадратная форма поперечного сечения раструбов 9 позволяет установить генераторы 1 в коробе 19 вплотную друг к другу, исключая зазоры между генераторами 1 на входе воздушного потока, тем самым, исключив любые воздушные потери и повысив мощность устройства 16. При выполнении раструбов 9 другой формы, для исключения зазоров могут быть использованы специальные прокладки и изоляторы.
Подвижная перегородка 21 при закрытом положении обеспечивает наполнение канала 18 воздухом и его направленную подачу в патрубки 6 (в раструбы 9 и в отверстия 3) генераторов 1, в том числе через плиту 22 (при ее наличии). При открытом положении перегородки 21 воздушный поток проходит через канал 18, выходя через открытый его конец, в результате чего устройство 16 находится в нерабочем состоянии.
Корпус 17 устройства 16 может иметь кронштейн 23, служащий для крепления к любому транспортному средству или к летательному аппарату (к пилону) с целью использования его на транспортном средстве или на летательном аппарате.
С раструбом 20 может быть связан источник сжатого газа (баллон, компрессор и т.п., не показан). Забор воздуха через раструб 20 может быть также осуществлен при быстром движении транспортного средства или летательного аппарата путем направления раструба 20 в сторону движения.
Предложенный инфразвуковой генератор 1 работает следующим образом.
Сжатый воздух среднего давления от источника (баллона, компрессора) поступает во входной патрубок 6 и входное отверстие  3 (либо напрямую в отверстие 3, если патрубок 6 не используется). Далее воздух поступает в полость 5, где он равномерно распределяется и заполняет ее. Скругленные края отверстия 3 позволяют исключить завихрения воздушного потока на входе в полость 5. В полости 5 при ее заполнении сжатый воздух принимает ламинарное состояние и поступает непосредственно в модулятор 10. Благодаря наличию у модулятора 10 фаски 12 в камере (в полости 5) возникают знакопеременные возмущения, сопровождающиеся выбросом звуковых колебаний через канал модулятора 10 (и через выходной патрубок 13) наружу из полости 5.
При приближении модулятора 10 к входному отверстию 3 путем его вкручивания число звуковых колебаний увеличивается, и наоборот, при удалении модулятора 10 от отверстия 3 число колебаний в секунду уменьшается.
При использовании устройства 16, которое может быть установлено на транспортном средстве или на летательном аппарате (не показано), при движении транспортного средства или летательного аппарата воздушный поток поступает через раструб 20 в канал 18. В случае если отсутствует необходимость приведения устройства 16 в рабочее состояние, то перегородка 21 открыта и воздушный поток проходит через канал 18, выходя через открытый его конец. При приведении устройства 16 в рабочее состояние перегородку 21 закрывают, поступающий в канал 18 воздух заполняет его и поступает во входные отверстия 3 генераторов 1 через раструбы 9 (в том числе через плиту 22 с отверстиями, если она используется). Далее воздушный поток поступает в полости 5 (в рабочие камеры), после чего выходит через модуляторы 10 и выходные раструбы (патрубки 13), как это описано выше.
Благодаря такому выполнению звукового генератора 1 он способен работать в инфразвуковом диапазоне частот до 26 Гц. Генератор может применяться для воздействия на конструкции зданий, сооружений с целью исследования их прочности, а также с целью их разрушения в случае необходимости. Также генератор может использоваться для установки на транспортных средствах (корабли, вертолеты, самолеты, автомобили и т.п.) с целью борьбы нелетальным способом с пиратами на море и другими нарушителями границ. Также, в связи с хорошим прохождением инфразвука в любой среде, звуковой генератор может быть использован для загона в сети рыбы, а также как средство связи. Выполнение генератора 1 (генераторов 1 в устройстве 16) прямоточным позволяет исключить любые воздушные потери, повысив качество его работы и мощность.
При проведении испытаний предложенного генератора 1, на стенде осуществлялась предварительная регулировка звукового давления с учетом угла фаски 12 модулятора 10 и величины его фиксации в полости 5 корпуса 2 (расстояния между отверстием 3 и фаской 12). Уровень звукового давления одиночного генератора 1 (в количестве одного генератора 1) составил около 150 децибел, частота 7 герц. При этом уровень звукового давления и частота колебаний могут быть отрегулированы до необходимого значения.
При испытании устройства 16 после пакетирования генераторов 1, расход набегающего потока (и мощность устройства 16) регулировались при помощи привода перегородки 21 (задвижки) и датчика звукового давления. При этом выполнение входного патрубка 9 квадратной формы позволило при пакетировании генераторов 1 избежать потерь набегающего воздушного потока за счет плотной стыковки генераторов 1.
Корпус 2, модулятор 10, а также входной и выходной патрубки 6, 13 можно выполнять из любого материала. Так, например, модулятор 10 можно выполнить из сплава Д16Т с гальваническим покрытием от коррозии, а корпус 2 генератора 1 и патрубки 6 и 13 можно выполнить из пластмассы (полиамида), что позволяет снизить массу генератора 1 и устройства 16 в целом. Масса генератора 1 при использовании указанных материалов составила 0,5 кг.