ПОДВОДНЫЙ ГЕНЕРАТОР ОТПУГИВАЮЩИХ ЗВУКОВ
UNDERWATER GENERATOR OF INTIMIDATING SOUNDS

Предлагаемое изобретение относится к экологии в области средств защиты диких животных, в частности к устройствам образования физических полей, предназначенных, преимущественно, для не травмирующего 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.
Ихтиологам известно, что рыбы, по крайней мере, морские, обитающие на небольших глубинах, в силу безусловного устойчивого рефлекса «удирают» от звуков атакующих дельфинов, которые ими питаются. Этот рефлекс был успешно использован сотрудниками Тихоокеанского Института Рыбного хозяйства и Океанографии (ТИНРО) в крупномасштабном проекте по спасению популяции Карагинской сельди. В середине семидесятых годов прошлого века стала резко уменьшаться ранее огромная и очень ценная популяция Карагинской сельди. Оказалось, что после активизации одного из соседних вулканов со дна основной нерестовой бухты Карагинского залива стал подниматься сероводород, который губил всю икру. Запереть вход в бухту, шириной более километра, не получалось: рыба или гибла в перегороженных сетях, или проскакивала. Хотя недалеко были организованы обширные искусственные нерестилища. Косяки стремились туда, где родились. Проф. Кузнецов Ю.А. предложил перегородить вход в «гиблую» бухту имитаторами звуков дельфинов. Ему удалось организовать и выполнить этот проект. В мае 80 г. в разгар нереста 130 «дельфинов», расположенные цепочкой поперек входа в бухту, не пропустили ни один косяк: на подходе косяки уходили в стороны и рыбы вынужденно метали икру на искусственные нерестовые поля. Следующее поколение сельди метало икру только на эти поля. Ко второй половине восьмидесятых популяция Карагинской сельди восстановилась в прежнем объеме.
Известно несколько технических решений, предназначенных имитировать биологические звукообразующие органы семейства дельфиновых: А.С. №№654920; 776276; 803678; 940098; 1598688, УДК 550.83(088.8). Все они содержат источник сжатого воздуха, камеру накопителя воздуха, пусковое устройство и звукообразующую насадку. Основными элементами насадки являются втулка и эластичная манжета. Во втулке предусмотрены осевой глухой и радиальный сквозной каналы. Втулка обтянута с натягом эластичной манжетой. Сжатый воздух над радиальным отверстием втулки вспучивает манжету и по образовавшемуся зазору между частью манжеты и втулкой вырывается в воду. При этом вспученный участок и край манжеты вибрируют, вызывая модуляцию выходящего потока воздуха и, следовательно, модуляцию генерируемого в воде звука. Во втулке может быть несколько радиальных каналов. Генераторы типа «Дельфин» работают в автоматическом режиме: в течение 4-8 сек имитируют звук дельфина, затем 30-70 сек период молчания. Пусковое устройство выполнено по принципу построения общеизвестных клапанов ступенчатого сброса давления газа. Примерная ступенька сброса давления составляла около 2-3. Рабочее давление сжатого воздуха в момент пуска задавалось в интервале 0.3-0,4 МПа, а в момент прекращения генерации звука около 0,1 МПа.
Параметры втулки и эластичной манжеты подобраны экспериментально, путем сопоставления генерируемых звуков с натуральными звуками дельфинов, особенно в их высокочастотном диапазоне. Все генераторы собраны вручную, поэтому они отличаются вариациями звуков и временных режимов генерации. Эти вариации наиболее четко соответствуют многообразию индивидуальных голосов дельфинов, что позволяет эффективно имитировать любую по численности группу (или стаю) «дельфинов». Японские ихтиологи пытались воспроизводить гидрофонами записанные одиночные голоса дельфинов, но желаемого эффекта не достигли - рыбы почти не реагировали на «фанерные» голоса. Им подавай живые разные голоса с сопутствующим шумом от выбрасываемых струй воздуха.
В другом менее масштабном эксперименте в Охотском море небольшой косяк сельди, полукольцом окруженный группой из 14 «дельфинов», был перемещен на 700-900 м и заведен в горло контрольного ставникового невода. Масса косяка была определена в 80 центнеров.
Действующие модели «дельфинов» экспонировались на ВДНХ СССР (серебряная медаль) и, в составе выставки АН СССР, в столицах многих зарубежных стран, в том числе и в Японии. На запрос японских ихтиологов МИНРЫБПРОМ СССР запретил передачу им ноу-хау механических имитаторов.
Автор - заявитель подаваемой заявки на «Подводный генератор отпугивающих звуков - 2» привел примеры, показывающие возможность управления перемещением больших масс рыб. К тому же автор-заявитель был руководителем ОКР по теме разработок механического подобия звукообразующих органов дельфинов и являлся оппонентом электронных имитаторов. Однако логично предположить, что указанные механические имитаторы не могут эффективно отпугивать многих других водных обитателей, которыми дельфины не питаются, и по причине не невысокой акустической мощности генерируемых звуков.
Заявляемый генератор по используемой энергии и элементам конструкторского исполнения относится к типу известных пневматических поршневых камерных излучателей (Л., Судостроение, Библиотека инженера гидроакустика. 1984 г. «АКУСТИЧЕСКИЕ ПОДВОДНЫЕ НИЗКОЧАСТОТНЫЕ ИЗЛУЧАТЕЛИ». Стр.157-159). Указанные генераторы предназначены для геофизических исследований. Все они оснащены электрическими пневматическими клапанами с дистанционным управлением. И принцип работы у них одинаков, а именно: при выключенном положении 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 М. Па, 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 менее мощных звуков, но вызывающих инстинктивный рефлекс у большинства водных обитателей «вздрогнуть и удрать» подальше от этих звуков, предназначен «Подводный генератор отпугивающих звуков» (заявка на изобретение №2009131192/20 (043630)), который принят в качестве прототипа заявляемому изобретению.
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 выхлопа. 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 нижней 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.
Построение прототипа и его работа содержат существенные недостатки, а именно:
- вставка между камерами создает дополнительное сопротивление истекающему потоку воздуха и дробит его на части перегородками между радиальными отверстиями. Это значительно снижает эффективность генерации звука;
- поршень в цилиндре совершает возвратно-поступательные движения в водной и воздушной средах. В таких условиях смазка посадочного зазора не имеет смысла и экологически вредна, так как быстро будет смыта водой. Без смазки поршень и элементы герметизации, например резиновые кольца, работают в условиях повышенного истирания, что существенно снижает надежность работы генератора;
- после каждого цикла работ и подъема генератора на поверхность нужно демонтировать поршень и зачищать сопрягаемые поверхности, иначе на них высохнет вода и налипнет морская соль или пресноводный ил. Регулярная разборка генератора существенно повышает эксплуатационные затраты.
Название камер (верхняя, нижняя) настолько условно и неконкретно, что вызывает необходимость обозначить их по функциональному назначению - замковая камера и рабочая камера. Далее в описании заявки будут использованы функциональные обозначения камер.
Заявленный генератор, содержащий рабочую камеру, замковую камеру с поршнем, торцевой клапан с кольцевым выступом и автономные воздуховоды в каждую камеру, отличается от прототипа тем, что в его конструкцию внесены существенные изменения и дополнения, а именно: корпус замковой камеры жестко монтирован на фланце корпуса рабочей камеры, который противоположен отверстию выхлопа, а в этом фланце предусмотрено осевое сквозное отверстие с гнездом под герметичное уплотнение; поршень и торцевой клапан разнесены и монтированы на оконечностях дополнительного штока, пропущенного через осевое сквозное отверстие во фланце корпуса рабочей камеры; автономный воздуховод замковой камеры подведен в полость, замкнутую цилиндром корпуса замковой камеры, поршнем и фланцем корпуса рабочей камеры, а полость, замкнутая цилиндром корпуса замковой камеры, поршнем и фланцем корпуса замковой камеры, образует компенсирующий отсек, не связанный с автономным воздуховодом; корпуса рабочей и замковой камер образуют единый корпус генератора, а фланец между рабочей камерой и замковой камерой - жесткую перегородку между камерами.
На схематическом чертеже показана конструкция заявляемого генератора, где обозначено: 1 - торцевой клапан; 2 - отверстие выхлопа; 3 - рабочая камера; 4 - корпус генератора; 5 - воздуховод с клапаном тонкой регулировки; 6 - жесткая перегородка; 7 - замковая камера; 8 - воздуховод с клапаном; 9 - поршень; 10 - компенсирующий отсек; 11 - фланец корпуса; 12 - клапан; 13 - шток; 14 - уплотнение штока.
Поршень 9 и торцевой клапан 1, монтированные на оконечностях штока 13, совокупно представляют ходовой узел. В левой части чертежа ходовой узел показан в положении замкнутого отверстия выхлопа 2 рабочей камеры 3, в правой части чертежа - в положении открытого выхлопного канала.
Подготовка генератора к погружению заключается в следующем. Открывают клапан 12, а по воздуховоду 8 подают сжатый воздух в замковую камеру 7 и обеспечивают в ней нужное давление. При этом ходовой узел торцевым клапаном 1 замыкает отверстие выхлопа 2. Затем закрывают клапан 12 и клапан на воздуховоде 8, а сам воздуховод, если не требуется в процессе эксплуатации дальнейшая регулировка давления воздуха при выхлопе, отсоединяют от генератора. Генератор готов к погружению. На заданной глубине генератора по воздуховоду 5 подают сжатый воздух в рабочую камеру 3. Давление воздуха в рабочей камере повышается до значения, при котором сила давления воздуха, действующего на торцевой клапан 1 по площади отверстия выхлопа 2, превысит силу давления воздуха, действующую на площадь поршня 9 в замковой камере 7. В момент смещения клапана 1 от отверстия выхлопа 2 сжатый воздух хлынет под всю площадь клапана. Возникает скачек силы, которая отбрасывает ходовой узел, дополнительно сжимая воздух в замковой камере 7 и разрежая воздух в компенсирующем отсеке 10. При этом торцевой клапан полностью открывает отверстие выхлопа и образует над этим отверстием выхлопной канал в виде радиальной щели. Воздушный поток из отверстия выхлопа равномерно распределяется по радиальной щели и вырывается в воду, образуя воздушный пульсирующий пузырь в форме бублика. Наиболее мощные звуковые волны генерируются в фазе возрастания единого пузыря и его первичных пульсаций. В период выхлопа давление в рабочей камере резко падает, так как объемная скорость натекание воздуха в эту камеру через клапан тонкой регулировки 5 многократно меньше скорости его истекания по выхлопному каналу. Ходовой узел возвращается в исходное положение и клапан 1 замыкает отверстие выхлопа 2. После заполнения рабочей камеры до требуемого давления воздуха процесс выхлопа автоматически повторяется.
Живое сечение штока 13 не влияет существенно на величины площадей отверстия выхлопа 2 и поршня 9. Этот шток работает в постоянном режиме растяжения, при котором не требуется осевой устойчивости, и поэтому его диаметр может быть минимизирован по площади живого сечения в зависимости от прочности металла на растяжение, примерно, до значения 5% от площади отверстия выхлопа. Герметичные уплотнения поршня 9 в цилиндре корпуса и штока 13 в осевом отверстии жесткой перегородки 6 работают в замкнутой воздушной среде. В таких условиях обеспечить надежную смазку сопрягаемых поверхностей поршня и штока технически не сложно. При этом отпадает необходимость в разборке и зачистке подвижно сопрягаемых поверхностей ходового узла после каждого цикла работ и подъема генератора на поверхность.
Таким образом объяснено, что существенные изменения и дополнения обеспечивают новые полезные качества заявляемого генератора, а именно: повышена эффективность генерации звука за счет устранения препятствий выбросу воздуха в выхлопном канале; повышена износостойкость подвижных сопрягаемых элементов за счет смазки в однородной воздушной среде; снижены эксплуатационные затраты за счет устранения необходимости разборки замковой камеры после каждого цикла работ генератора. Дополнительно к этому, предложенная конструкция генератора, обеспечивающая условия работы сопрягаемых поверхностей подвижного узла в воздушной среде, позволяет отказаться от применения дорогостоящих цветных, не коррозирующих в воде металлов.
Изготовление всех металлических деталей генератора можно осуществить на обычных металлорежущих станках по известным технологиям. Например, корпус генератора можно изготовить из одной заготовки за две установки в патроне токарного станка.
Для примерного представления о проектируемом генераторе даны некоторые его характеристики: объем рабочей камеры 0,6 л; объем замковой камеры 0.9 л; соотношение площади торцевого клапана к площади отверстия выхлопа более двух; интервал давлений сжатого воздуха для закачки в замковую камеру от 0,15 МПа до 0,8 МПа; примерная длительность импульсов генерирования звуков от 0,2 до 0,03 сек; интервалы времени между импульсами от 5 сек и более; масса генератора около 6 кг, а габариты - в пределах 100×100×350 мм.
Автоматическая работа предлагаемого генератора, так же как и у прототипа, основана на принципе действия общеизвестных клапанов ступенчатого сброса давления газа. Однако варианты инженерных построений при реализации этого принципа могут обладать признаками существенной конструкторской новизны и обеспечивать новые или дополнительные полезные качества.
Таким образом, сопоставимый анализ признаков генератора с признаками прототипа, аналогов и схожих по принципу действия других пневматических устройств свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию новизны.