ПОДВОДНЫЙ ГЕНЕРАТОР ОТПУГИВАЮЩИХ ЗВУКОВ
UNDERWATER REPELLENT SOUND GENERATOR

Предлагаемое изобретение относится к экологии в области средств защиты диких животных, а в частности к устройствам образования физических полей, предназначенных, преимущественно, для нетравмирующего 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.
Древние рыбаки пугающими звуками загоняли рыбу в сети. Для этого они выстраивали лодки с интервалами в ряд или в форме веера и, сильно хлопая по воде перевернутыми специальными керамическими вазами, медленно подгребали к сети. Пугаясь издаваемых звуков, рыбы, уплывая от них, попадали в сети. Таким образом, допустимо утверждать, что способ управления перемещением водных обитателей пугающими звуками давно общеизвестен. Однако для его широкого практического применения в качестве способа защиты водных обитателей необходимы современного уровня генераторы отпугивающих звуков.
Специфика экологического назначения предъявляет к таким генераторам существенно иные требования, чем те, которые были предъявлены к известным акустическим подводным излучателям, предназначенным для научных исследований в океане. А именно:
- давление звуковых волн в ближайших метрах от генератора не должно превышать уровня, выше которого возможно нанесение травм водным обитателям, но быть достаточным для обеспечения эффекта их отпугивания, т.е. не более 65 Па на расстоянии до 10 м от генератора;
- генератор с оборудованием, обеспечивающим его автономную работоспособность, включая источник энергии, должен быть компактным и мобильным настолько, чтобы переносить и перегружать его, например, на легкие плавающие средства, и там запускать его в работу мог один оператор;
- генератор должен быть экономичным по расходу используемой энергии;
- генератор должен обладать способностью многократного генерирования отпугивающих звуков в автоматическом режиме, т.е. без вмешательства оператора;
- эксплуатация генератора в комплекте с дополняющим оборудованием не должна вызывать особой и длительной подготовки оператора;
- генератор должен быть умеренно затратным в изготовлении по давно применяемым технологиям, а дополняющее оборудование, обеспечивающее его работу, доступным для приобретения.
В книге «АКУСТИЧЕСКИЕ ПОДВОДНЫЕ НИЗКОЧАСТОТНЫЕ ИЗЛУЧАТЕЛИ» (Л., Судостроение, 1984, Библиотека инженера гидроакустика.) представлены основные типы низкочастотных акустических излучателей.
Заявляемый генератор по используемой энергии и конструктивному исполнению относится к типу пневматических поршневых камерных излучателей (см. стр.157-159): ПИ - 1Б, «Духовое ружье», и разработанного фирмой «Ассоциация Болт». 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. При этом из камеры основного объема сжатый воздух вырывается в воду, инициируя звуковые волны.
Наиболее близким к заявляемому генератору является двухкамерный импульсный пневматический подводный излучатель, разработанный фирмой «Ассоциацией Болт» ("Акустические подводные низкочастотные излучатели". Судостроение, 1984, стр.159.), принятый в качестве прототипа. Данный излучатель по схематическому чертежу (Рис.4.27) содержит: верхнюю и нижнюю камеры; отверстия выхлопа; челночный поршень с верхней и нижней тарелками и сквозным каналом в штоке; уплотняющие элементы в верхней и нижней камерах под соответствующие тарелки поршня; электрический клапан управления потоком сжатого воздуха, поступающего в излучатель. В корпусе верхней камеры выполнен воздушный канал, ведущий от электрического клапана управления под нижнюю поверхность верхней тарелки поршня. Излучатель снабжен гибким кабелем, соединяющим электрический клапан с пультом управления и источником импульсного тока высокого напряжения; гибким воздуховодом, соединяющим полость верхней камеры с источником сжатого воздуха.
Излучатель работает следующим образом. По воздуховоду в верхнюю камеру закачивают сжатый воздух. Объемная скорость поступающего в камеру воздуха превышает истечение его в воду через сквозной канал в штоке поршня. Под давлением, действующим на площадь «живого сечения» штока, поршень опускается и нижней тарелкой герметизирует отверстие выхлопа нижней камеры, а верхней тарелкой герметично прижимается к дну верхней камеры. В этом положении по каналу в штоке воздух начинает поступать в нижнюю камеру (камеру основного объема). После образования в ней рабочего давления на электрический клапан подают короткий по времени высоковольтный сигнал. Клапан открывает проход сжатому воздуху в воздушный канал. По нему воздух поступает под верхнюю тарелку поршня, площадь которой превышает площадь нижней тарелки. В силу возникшей разницы сил давлений на тарелки поршень поднимается в вверх и открывает отверстие выхлопа. При этом из камеры основного объема сжатый воздух вырывается в водную среду, инициируя звуковые волны. После отключения клапана перекрывается поступление воздуха в воздушный канал, поршень опускается, и процесс заполнения камер сжатым воздухом повторяется. Все пневмокамерные излучатели перед погружением поддувают воздухом настолько, чтобы вода не натекла в камеры при погружении на заданную глубину.
Недостатки прототипа заключаются в следующем: излучатель работает на высоких давлениях сжатого воздуха, примерно до 15 МПа, и предназначен для создания в водной среде очень мощных положительных импульсов давления, примерно до 1,5 МПа, «приведенного» к расстоянию 1 метра от излучателя. Такое давление более чем на два порядка превышает экологические ограничения. При этом четкость работы излучателя на давлении сжатого воздуха более чем на порядок ниже вызывает серьезное сомнение. Это сомнение вызвано тем, что при низких давлениях объемная скорость натекания газа в верхнюю камеру значительно снизится и поршень может не опуститься до положения герметизации отверстия выхлопа, т.к. воздух будет выходить в воду по осевому каналу в штоке поршня. В конструкции излучателя не предусмотрен разгон поршня перед открытием радиальных отверстий выхлопа, что при сравнительно низких давлениях может вызвать эффект зависания поршня с медленным выпуском в воду сжатого воздуха. Электрический клапан значительно усложняет конструкцию и вызывает необходимость применения подводного кабеля, блока управления клапаном и наличия источника электроэнергии. Это повышает затраты на его изготовление и эксплуатацию, а также ужесточает требования по техники безопасности, вызванные применением импульсного высоковольтного сигнала для включения клапана. К тому же обеспечивающее работу клапана оборудование существенно увеличивает вес всего комплекта излучателя. Работа прототипа неэкономична по расходу сжатого воздуха, так как часть объема сжатого воздуха вытравливается в воду в процессе движения поршня вниз и вверх через канал в штоке. На схематическом чертеже просматривается повышенная технологическая сложность изготовления излучателя, особенно узлов подвижного сопряжения челночного поршня с элементами разнесенных в пространстве камер, что значительно повышает стоимость изготовления и профилактического обслуживания. Для многократного генерирования звуков в автоматическом режиме излучатель должен быть дополнительно оснащен надводной системой специальной автоматики, обеспечивающей контроль и регулировку давления сжатого воздуха в камере основного объема и подачу команд на включение электрического клапана через заданные интервалы времени. Это дополнительное оснащение еще более повысит общие затраты, вес и количество вспомогательного оборудования.
Указанные недостатки в той или иной мере присущи и аналогам.
Эти недостатки обосновывают то, что прототип и аналоги не отвечают требованиям специфики экологического назначения.
Заявленный генератор отпугивающих звуков, содержащий разнесенные верхнюю и нижнюю камеры, радиальные отверстия выхлопа во вставке между камерами и осевое отверстие выхлопа нижней камеры, челночный поршень, наружный диаметр которого превышает диаметр осевого отверстия выхлопа, элементы герметичного уплотнения и отверстие в корпусе верхней камеры под крепление воздуховода с клапаном, отличается от прототипа тем, что в его конструкцию внесены существенные изменения и дополнения, а именно: корпус верхней камеры со вставкой и радиальными отверстиями выхлопа выполнен в виде цилиндра с фланцем на верхнем торце, при этом внутренний диаметр цилиндра одинаков по всей высоте, а на фланце в полости камеры закреплен упорный демпфер поршня из эластичного упругого материала, типа резины; поршень выполнен в виде цилиндра с жесткой поперечной перегородкой в полости, которая разделяет эту полость на верхнее глубокое и нижнее короткое глухие отверстия, дополнительно к этому наружный диаметр поршня выполнен по подвижной посадке в цилиндре верхней камеры, а на перегородке в полости короткого глухого отверстия закреплен торцевой уплотняющий элемент в виде шайбы; в корпусе нижней камеры, с наружной стороны от верхнего торца вниз, выполнена первая проточка высотой, превышающей глубину короткого глухого отверстия поршня, и диаметром по подвижной посадке в цилиндре этого отверстия, а еще ниже выполнена вторая проточка с диаметром по подвижной посадке в цилиндре корпуса верхней камеры; в корпусе нижней камеры предусмотрено отверстие под крепление второго воздуховода с клапаном, не связанного с воздуховодом верхней камеры по давлению сжатого воздуха в их каналах.
На схематическом чертеже показана конструкция заявленного генератора с условными размерами некоторых деталей, необходимыми для пояснения его работы. На чертеже обозначены:
1 - корпус верхней камеры;
2 - радиальный уплотняющий элемент;
3 - челночный поршень;
4 - торцевой уплотняющий элемент в виде шайбы из эластичного материала;
5 - радиальные отверстия выхлопа в цилиндре корпуса верхней камеры;
6 - радиальный уплотняющий элемент;
7 - кольцевой паз между цилиндром корпуса верхней камеры и первой проточкой в корпусе нижней камеры;
8 - корпус нижней камеры;
9 - осевое отверстие выхлопа;
10 - ножевой выступ;
11 - упорный демпфер поршня;
12 - воздуховод с запорным клапаном;
13 - воздуховод с клапаном тонкой регулировки;
14 - гибкий воздуховод;
Ф1 - внутренний диаметр цилиндра корпуса верхней камеры;
Ф2 - диаметр первой проточки в корпусе нижней камеры;
Ф3 - диаметр отверстия выхлопа нижней камеры;
Н - глубина захода цилиндра короткого глухого отверстия поршня в кольцевой паз 7.
В левой части чертежа поршень 3 показан в нижнем положении, в правой части чертежа - в верхнем положении. На чертеже не показано жесткое крепление корпусов верхней и нижней камер, что не принципиально.
Генератор работает следующим образом. В верхнюю камеру через запорный клапан 12 закачивают сжатый воздух до давления Р1. При этом поршень опускается вниз и герметизирует отверстие выхлопа 9. После этого источник сжатого воздуха отсоединяют от запорного клапана и на гибком воздуховоде 14 генератор погружают в воду. На принятой глубине погружения по воздуховоду 14 закачивают сжатый воздух в нижнюю камеру корпуса 8. Давление в этой камере повышается до значения Р2+К, которое зависит от разницы площадей в диаметрах Ф1 и Ф3. Предположим, площадь в диаметре Ф1 в два раза превышает площадь в диаметре Ф3. В таком случае при давлении Р2=2Р1 силы, действующие на поршень 3 сверху и снизу, уравновешиваются, но поршень никуда не перемещается, т.к. существуют сопротивление трения в уплотнениях и в посадочных сопряжениях поршня в цилиндре корпуса 1 и сопротивление сдвига массы поршня. Значение К учитывает необходимость некоторого превышения давления Р2 для обеспечения начальной фазы смещения поршня вверх. Однако для пояснения работы генератора возможно пренебречь значением К и считать, что поршень начинает смещаться вверх при Р2=2Р1. Итак, поршень в начальной фазе смещения. Как только ножевой выступ 10 выходит из сопряжения с торцевым уплотняющим элементом 4, сжатый воздух прорывается под всю поверхность дна короткого глухого отверстия поршня. Площадь, на которую начинает действовать давление Р2, резко возрастает от значения площади в диаметре Ф3 до значении площади в диаметре Ф2. Так же резко возрастает давление на поршень снизу, и он устремляется вверх, сжимая воздух в верхней камере и открывая проход сжатому воздуху из нижней камеры в радиальные отверстия выхлопа 5. Сжатый воздух вырывается в водную среду, инициируя звуковые волны. В верхней зоне своего движения поршень упирается в демпфер 11, который гасит остаточную кинетическую энергию движения поршня вверх и совместно с силой давления сжатого воздуха в верхней камере отбрасывает поршень вниз. К этому моменту давление воздуха в нижней камере падает ниже значения Р1, и поршень герметизирует отверстие выхлопа 9 нижней камеры. Процесс заполнения нижней камеры непрерывно продолжается, а импульсный выброс порции сжатого воздуха в водную среду через некоторое время повторяется. При этом объем воздуха в верхней камере остается неизменным, а для инициирования звука расходуется только сжатый воздух, поступающий в нижнюю камеру, т.е. камеру основного объема.
Предполагая, что воздух из генератора выбрасывается в воду под давлением, значительно превышающим гидростатическое давление на глубине погружения, можно утверждать, что для импульсных пневматических генераторов эффективность преобразования энергии выбрасываемой в воду порции сжатого воздуха в резкий пугающий звук тем выше, чем короче импульс выброса. Это как при выстреле из ружья - резкий пугающий звук генерируется, когда газ сгоревшего пороха в коротком импульсе вырывается из ствола. И, наоборот - при медленном выпуске сжатого воздуха в воду будет генерироваться звук типа шипения и бульканья. Для сокращения длительности импульса выброса порций сжатого воздуха в воду в конструкции генератора предусмотрены кольцевой паз 7 и упорный демпфер 11. Их назначение в следующем: в начальной фазе смещения поршня вверх сжатый воздух из нижней камеры не вырывается в водную среду, а разгоняет поршень на отрезке примерно высотой Н, т.е. до момента, когда цилиндр короткого глухого отверстия поршня выйдет из кольцевого паза 7. И только затем разогнавшийся поршень открывает канал для выброса порции воздуха в воду. Демпфер 11 гасит остаточную кинетическую энергию движения поршня вверх и совместно с упругим давлением воздуха в верхней камере отбрасывает поршень вниз. Изменением размеров демпфера и упругости применяемого для него материала можно регулировать высоту подъема поршня и, следовательно, длительность времени открытого канала для выброса порций воздуха. Кроме этого, эластичность материала демпфера предохраняет верхнее дно поршня от жесткого ударного контакта с демпфером, как это было бы, если бы демпфер был в виде металлической пружины. В конечной фазе движения поршня вниз цилиндр глухого короткого отверстия заходит в кольцевой паз 7, запирает его и сжимает воздух в пазу, а с момента касания ножевого выступа 10 торцевого уплотняющего элемента 4 сжимается воздух в образовавшемся замкнутом зазоре под этим элементом. При этом сжатый воздух в кольцевом пазу и в зазоре гасят кинетическую энергию движения поршня вниз, а торцевой уплотняющий упругий элемент предохраняет поршень от жесткого, ударного контакта с корпусом нижней камеры. Так обеспечивается демпфирование поршня в крайней нижней зоне его движения. Клапан тонкой регулировки 13, установленный в отверстии корпуса нижней камеры, предназначен для регулирования объемной скорости натекания сжатого воздуха в нижнюю камеру. При этом от объемных скоростей натекания воздуха в камеру в обратном соотношении меняются интервалы времени между генерируемыми импульсами звуков, т.е. чем больше объемная скорость натекания, тем короче интервал времени между импульсами, и наоборот.
Изготовление заявленного генератора производится по известным технологиям на обычных металлообрабатывающих станках. Например, посадочные места сопряжения двух корпусов и поршня можно обработать на токарном станке за одну установку каждой детали, что повышает точность их сопряжения в сборе и является обычной технологией.
Для примерного представления о проектируемом генераторе даны некоторые характеристики. Объем нижней камеры 0,6 л. Объем верхней камеры 0,8 л. Соотношение Ф1 к Ф3 более двух. Интервал давлений сжатого воздуха для закачки в верхнюю камеру от 0,1 до 0,6 МПа. Расчетный объем выброса в воду сжатого воздуха для генерации отпугивающих звуков около 0,4 л. Масса поршня около 0,8 кг. Масса генератора в сборе с клапанами около 7 кг. Примерная длительность импульсов генерирования звуков определена в пределах от 0,1 до 0,03 сек. Регулируемые интервалы времени между импульсами от 5 сек и более. По прикидочным расчетам звуковое давление генерируемых отпугивающих звуков в ближайших метрах от генератора будет в интервале от 0,65 до 65 Па (примерно от 90 до 130 децибел). В обозначенном интервале звуковое давление можно изменять давлением воздуха в верхней камере и длительностью импульсов. В качестве оборудования, обеспечивающего работу генератора в мобильных условиях, можно использовать газовый баллон с редуктором и армированный шланг, выдерживающий давление до 2 МПа. Например, при использовании баллона от снаряжения акваланга объемом 12 литров, закачанного воздухом до давления 20 МПа, можно обеспечить автономную работу генератора в течение от 2 до 12 часов при интервалах между импульсами звуков в 10 секунд. При этом вес генератора с дополняющим оборудованием не превысит 25 кг.
Таким образом, обосновано, что предложенная совокупность изменений и дополнений обеспечивает новые качества генератору, а именно - полное соответствие требованиям специфики экологического назначения.
По принципу автоматического выброса порций сжатого воздуха из нижней камеры заявленный генератор работает аналогично принципу работы общеизвестных газовых предохранительных клапанов, предназначенных для сброса давления сжатого газа из объема под поршнем. При всем многообразии конструкций этих клапанов они имеют один признак построения: поршень, расположенный в направляющем гнезде, прижат герметично к торцу отверстия выхлопа пружиной, т.е. упругостью; наружный диаметр поршня превышает диаметр отверстия выхлопа. При достижении давления газа в канале отверстия выхлопа, превышающего давление пружины на поршень, тот смещается в сторону пружины. Газ прорывается под всю площадь поршня и отбрасывает его от этого отверстия. Сжатый газ выходит наружу или в другую емкость до момента, когда давление пружины на поршень превысит направленное встречное давление газа на поршень, и тот возвращается в исходное положение. Затем процесс выброса повторяется. Точно так же работали старинные паровые предохранительные клапаны рычажного типа, у которых на коротком плече рычага вместо поршня установлена тарелка, а на длинном плече установлен груз. Груз прижимает тарелку к торцу отверстия выхлопа.
Однако все известные автору заявки конструкции предохранительных клапанов непригодны к использованию в качестве подводных генераторов импульсных отпугивающих звуков по следующим причинам.
При работе в воде поршень будет перемещаться значительно медленней, чем при работе на поверхности в воздушном пространстве. Это вызвано тем, что сопротивление движению любого изделия в воде многократно превышает сопротивление его движению в воздушном пространстве. Особенно это существенно, если изделие имеет необтекаемую форму, как, например, у поршня или тарелки. Сопротивление движению в воде увеличивает расчетную массу поршня на величину так называемой «присоединенной массы воды». Эта масса, в зависимости от средней скорости движения поршня, может в несколько раз превышать его фактическую массу. При этом известно, что ускорение поршня и, следовательно, средняя скорость его движения вверх и вниз обратно пропорциональны его расчетной массе. Таким образом, значительно увеличивается длительность выброса порций сжатого воздуха, что соответственно снижает эффективность преобразования энергии этих порций воздуха в отпугивающий звук.
Высота подъема поршня зависит от величины силы, вызвавшей это движение, т.е. от давления сжатого воздуха снизу на поршень, и от характеристик упругости пружины. Уменьшить эту высоту вне указанной зависимости невозможно, т.е. исключен вариант снижения длительности импульса выброса воздуха за счет уменьшения длины пути движения поршня.
Применение пружин, обеспечивающих упругое давление на поршень с силой от десятков до нескольких сотен килограмм при размахе хода поршня несколько сантиметров, потребует радикального изменения конструкции прижимного устройства и значительно увеличит массовые и габаритные характеристики предохранительного клапана.
Конструкция генератора существенно отличается от конструкций известных газовых клапанов в следующем.
Применена верхняя герметичная камера, которая обеспечивает движения поршня в воздушной среде. Это позволяет считать ускорения движения поршня по его реальной массе.
В качестве пружины использован сжатый воздух, изменением давления которого легко регулируется упругое давление сверху на поршень.
В полости верхней камеры установлен упругий демпфер поршня, выполненный из эластичного материала типа резины. В нижнем положении поршня демпфер не соприкасается с поршнем, но на заданной высоте ограничивает движение поршня вверх, что снижает длительность импульса выброса сжатого воздуха.
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.