RU2010262C1

RU2010262C1 - Method of control over energy efficiency of parametric sound transducer operating under condition of emission of wave of ultimate amplitude

Info

Publication number: RU2010262C1
Authority: RU
Inventors: Юрий Иванович Кабарухин
Original assignee: Юрий Иванович Кабарухин
Priority date: 1992-03-13
Filing date: 1992-03-13
Publication date: 1994-03-30

Abstract

FIELD: underwater acoustics. SUBSTANCE: method of control over energy efficiency of parametric sound transducer operating under condition of emission of wave of ultimate amplitude includes placing of layer of monoradial bubbles resonant to frequency of wave of ultimate amplitude instead of impedance boundary which is put in accordance with known method in front of transducer of pumping of impedance boundary and its irradiation with wave of ultimate amplitude. Bubbles are formed by electrolysis over surface of sound - and current - conducting plate. EFFECT: increased energy efficiency. 2 dwg

Description

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в параметрических источниках звука для создания высокоэффективного акустического излучения в широкой полосе частот. The invention relates to the field of hydroacoustics and can be used in parametric sound sources to create highly efficient acoustic radiation in a wide frequency band.

Известен способ управления энергетической эффективностью параметрического источника звука, работающего в режиме излучения волны конечной амплитуды (ВКА), заключающийся в изменении уровня звукового давления в излучаемой ВКА. A known method of controlling the energy efficiency of a parametric sound source operating in the mode of radiation of a finite amplitude wave (VKA), which consists in changing the level of sound pressure in the emitted VKA.

Недостатком данного способа является то, что с его помощью невозможно значительное увеличение уровня звукового давления (УЗД) в гармонических составляющих ВКА в силу невысоких кавитационной прочности воды и механической прочности пьезокерамики, из которой изготавливается исходный излучатель накачки. The disadvantage of this method is that it is impossible to significantly increase the sound pressure level (SPL) in the harmonic components of the RCA due to the low cavitational strength of water and the mechanical strength of piezoceramics, from which the original pump emitter is made.

Известен способ управления энергетической эффективностью параметрического источника (ПИ) звука, работающего в режиме излучения ВКА, заключающийся в фокусировании излучаемой ВКА. A known method of controlling the energy efficiency of a parametric source (PI) of sound operating in the radiation mode of the RCA, which consists in focusing the emitted RCA.

Однако увеличение УЗД в гармонических составляющих ВКА возможно при распространении мощной сфокусированной ВКА только до фокуса. За фокусом вследствие того, что генерация гармонических составляющих ВКА происходит в противофазе, энергия пучка уменьшается и наблюдается обратный процесс перекачки энергии гармоник в высокочастотную ВКА, и на расстоянии, близком к двум фокусам, волна конечной амплитуды вновь становится гармонической. However, an increase in ultrasound in the harmonic components of the RCA is possible with the propagation of a powerful focused RCA only to the focus. Behind the focus due to the fact that the generation of harmonic components of the RCA occurs in antiphase, the beam energy decreases and the reverse process of transferring the harmonic energy to the high-frequency RCA is observed, and at a distance close to two foci, the wave of finite amplitude again becomes harmonic.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ повышения энергетической эффективности преобразования энергии основной составляющей (первой гармоники) ВКА в энергию ее высших (второй, третьей, четвертой и т. д. ) гармонических составляющих, заключающийся в введении в область фокусирующего ПИ звука непосредственно за его фокусом свободной границы. В этом случае при отражении от акустически мягкой границы (свободной границы) все гармоники меняют фазу еще раз на 180^о, а в общей сложности на 360^о, и после отражения вновь наблюдается генерация гармонических составляющих ВКА, в результате чего УЗД в гармонических составляющих ВКА возрастает от 12 до 20 дБ.Closest to the invention in technical essence is a way to increase the energy efficiency of converting the energy of the main component (first harmonic) of the RCA into the energy of its higher (second, third, fourth, etc.) harmonic components, which consists in introducing sound into the region of the focusing PI directly behind its focus is the free border. In this case, upon reflection from the acoustically soft boundary (free boundary), all harmonics change phase once again by 180 ^° , and in total by 360 ^° , and after reflection, the generation of harmonic components of the RCA is again observed, as a result of which the ultrasound level in the harmonic components of the RCA increases from 12 to 20 dB.

Недостатком технического решения является невысокая энергетическая эффективность преобразования энергии основной составляющей ВКА в энергию ее высших составляющих. Кроме того, полученное теоретическое увеличение УЗД в гармонических составляющих ВКА практически получить невозможно, поскольку невозможно создание вертикальной свободной границы, обладающей всеми свойствами теоретической модели свободной границы. The disadvantage of the technical solution is the low energy efficiency of converting the energy of the main component of the RCA into the energy of its higher components. In addition, it is practically impossible to obtain the obtained theoretical increase in the SPL in the harmonic components of the RCA, since it is impossible to create a vertical free boundary that has all the properties of a theoretical model of the free boundary.

Целью изобретения является повышение энергетической эффективности параметрического источника звука, работающего в режиме излучения ВКА. The aim of the invention is to increase the energy efficiency of a parametric sound source operating in the radiation mode of the RCA.

Это достигается за счет того, что при способе повышения энергетической эффективности ПИ звука, работающего в режиме излучения ВКА, включающем введение перед излучателем накачки импедансной границы и облучение ее волной конечной амплитуды, вместо импедансной границы вводят слой монорадиусных газовых пузырьков, размеры которых резонансны частоте волны конечной амплитуды, который создают путем электролиза на поверхности токопроводящей звукопроводящей пластины, устанавливаемой в дальней зоне ПИ звука. This is achieved due to the fact that with the method of increasing the energy efficiency of PI sound operating in the CWA radiation mode, which includes introducing an impedance boundary in front of the pump emitter and irradiating it with a wave of finite amplitude, instead of an impedance boundary, a layer of monoradius gas bubbles whose dimensions are resonant to the frequency of the finite wave amplitude, which is created by electrolysis on the surface of a conductive sound-conducting plate installed in the far zone of the PI sound.

Наличие отличительных признаков: слоя монорадиусных пузырьков, размеры которых резонансны частоте волны конечной амплитуды, который создается путем электролиза на поверхности токопроводящей звукопроводящей пластины, устанавливаемой в дальней зоне ПИ звука - обуславливают соответствие заявляемого технического решения критерию "новизна". The presence of distinctive features: a layer of monoradius bubbles, the dimensions of which are resonant to the frequency of a wave of finite amplitude, which is created by electrolysis on the surface of a conductive sound-conducting plate installed in the far zone of the sound PI - determine the compliance of the claimed technical solution with the criterion of "novelty".

Предложенный способ соответствует также критерию "изобретательский уровень", поскольку не обнаружено решений с признаками, отличающими его от прототипа. The proposed method also meets the criterion of "inventive step", since no solutions with features distinguishing it from the prototype were found.

Этот способ соответствует также критерию "промышленная применимость", поскольку технические средства, воплощающие изобретение при его осуществлении, т. е. параметрические источники звука с повышенной энергетической эффективностью, входящие в состав, например, гидролокационных станций, предназначены для использования в морском приборостроении, судостроении, морских поиске и разведке местоположения полезных ископаемых, рыбодобывающей и других отраслях народного хозяйства. This method also meets the criterion of "industrial applicability", because the technical means embodying the invention in its implementation, that is, parametric sound sources with increased energy efficiency, which are part of, for example, sonar stations, are intended for use in marine instrumentation, shipbuilding, marine prospecting and exploration of the location of minerals, fishing and other sectors of the economy.

Для доказательства возможности достижения технического результата приведем результаты экспериментальных исследований. Экспериментально исследовался процесс формирования параметрического излучения высших гармонических составляющих, образующегося при облучении волной конечной амплитуды слоя приграничных пузырьков. Приграничные пузырьки создавались на алюминиевой пластине, являющейся не только границей, но и одной из электролизных пластин, которая располагалась нормально акустической оси ПИ звука, работающего в режиме излучения ВКА. To prove the feasibility of achieving a technical result, we present the results of experimental studies. The process of the formation of parametric radiation of higher harmonic components, which is formed upon irradiation by a wave of finite amplitude of a layer of boundary bubbles, was experimentally investigated. Border bubbles were created on an aluminum plate, which is not only a boundary, but also one of the electrolysis plates, which was located normally on the acoustic axis of the PI sound operating in the RCA radiation mode.

Вторая электролизная пластина из нержавеющей стали располагалась над первой пластиной на расстоянии 0,1 м от нее. Параметрический источник звука работал в импульсном режиме, излучая прямоугольные радиоимпульсы длительностью 1 мс с частотой заполнения 260 кГц. Период следования излучаемых радиоимпульсов составлял 80 мс. УЗД в гармонических составляющих ВКА, прошедших через алюминиевую пластину, контролировался гидрофоном диаметром 20 мм типа 8100 фирмы "Брюль и Къер", который располагался на акустической оси ПИ звука. The second stainless steel electrolysis plate was located above the first plate at a distance of 0.1 m from it. The parametric sound source worked in a pulsed mode, emitting rectangular radio pulses of 1 ms duration with a fill frequency of 260 kHz. The period following the emitted radio pulses was 80 ms. The ultrasound scan in the harmonic components of the RCA passing through the aluminum plate was controlled by a Bruhl & Kj типаr type 20100 hydrophone with a diameter of 20 mm, which was located on the acoustic axis of the PI sound.

При подаче на электролизные пластины постоянного напряжения наблюдалось быстрое в течение 10-15 с и резкое на 26-30 дБ увеличение УЗД в формирующейся на образующемся на пластине слое приграничных пузырьков (СПП) второй гармонике с частотой 520 кГц. Далее в течение нескольких секунд УЗД во второй гармонике оставался постоянным, затем несмотря на то, что напряжение на элекролизных пластинах поддерживалось постоянным, наблюдалось медленное его уменьшение. Если при достижении максимального уровня в звуковом давлении в формирующейся на СПП второй гармонике напряжение на электролизных пластинах выключалось, то уровень звукового давления во второй гармонике медленно падал до своего первоначального значения. При последующих кратковременных включениях напряжения на электролизных пластинах на время, необходимое для достижения максимального значения уровня во второй гармонике, осуществляемых с постоянной скважностью, наблюдалось стабильное увеличение УЗД в формирующейся на СПП второй гармонике в одно и то же число раз. При проведении аналогичных измерений для третьей, четвертой, пятой гармоник также было обнаружено увеличение УЗД в формирующихся на СПП гармониках на 12-26 дБ. Таким образом повышается энергетическая эффективность всего параметрического излучателя звука, работающего в режиме излучения ВКА. When a constant voltage was applied to the electrolysis plates, a rapid increase in the SPL for 10-15 s and a sharp increase of 26-30 dB was observed in the second harmonic formed on the layer of border bubbles (SPP) with a frequency of 520 kHz. Then, for several seconds, the SPL in the second harmonic remained constant, then despite the fact that the voltage on the electrolysis plates was kept constant, a slow decrease was observed. If upon reaching the maximum level in sound pressure in the second harmonic formed on the SPP, the voltage on the electrolysis plates turned off, then the sound pressure level in the second harmonic slowly dropped to its original value. With subsequent short-term voltage switching on the electrolysis plates for the time necessary to achieve the maximum level in the second harmonic, carried out with a constant duty cycle, a steady increase in the SPL in the second harmonic formed on the SPP was observed at the same number of times. When carrying out similar measurements for the third, fourth, and fifth harmonics, an increase in the ultrasound level in the harmonics formed on the SPD by 12–26 dB was also detected. Thus, the energy efficiency of the entire parametric sound emitter operating in the radiation mode of the RCA is increased.

Обнаруженное явление значительного увеличения УЗД в формирующейся на СПП второй гармонике объясняется огромной нелинейностью пузырькового слоя, его оптимальной структурой, которая обусловлена большой в пределах толщины слоя, равной диаметру газового пузырька, концентрацией монорадиусных пузырьков с размерами, резонансными частоте ВКА, которые располагаются в одной плоскости близко друг к другу. В момент включения электролизного тока на всей поверхности звукопроводящей токопроводящей пластины начинают формироваться электролизные пузырьки. Поскольку момент зарождения всех пузырьков и скорость их роста одинаковы, то через некоторое время (в нашем случае 10-15 с) все они достигают практически одинакового размера, резонансного частоте первой гармоники ВКА. Этому моменту времени соответствует максимальная величина УЗД во второй гармонике ВКА, которая обусловлена максимальной величиной нелинейности сформировавшегося СПП. Затем электролизный ток выключается (этому моменту времени соответствует задний фронт импульса, подаваемого на электролизные пластины), чтобы дальнейший рост газовых пузырьков не нарушал оптимальную структуру СПП. В дальнейшем на электролизные пластины подается импульсное напряжение, которое позволяет поддерживать практически неизменной во времени оптимальную структуру сформировавшегося слоя за счет периодической "подкачки" пузырьков, размеры которых с выключением электролизного тока (в паузах между импульсами) уменьшаются в результате диффузии выделившегося при электролизе газа в жидкость. The observed phenomenon of a significant increase in the SPL in the second harmonic formed on the SPP is explained by the enormous nonlinearity of the bubble layer, its optimal structure, which is due to the large concentration of monoradius bubbles within the layer thickness equal to the diameter of the gas bubble, the resonance frequencies of which are located in the same plane close to to each other. When the electrolysis current is turned on, electrolysis bubbles begin to form on the entire surface of the conductive conductive plate. Since the moment of nucleation of all the bubbles and their growth rate are the same, after some time (in our case 10-15 s) they all reach almost the same size, the resonant frequency of the first harmonic of the RCA. This moment of time corresponds to the maximum value of the SPL in the second harmonic of the RCA, which is due to the maximum nonlinearity of the formed SPP. Then, the electrolysis current is turned off (the trailing edge of the pulse supplied to the electrolysis plates corresponds to this moment in time) so that further growth of gas bubbles does not violate the optimal structure of the SPP. Subsequently, a pulsed voltage is applied to the electrolysis plates, which makes it possible to maintain the optimum structure of the formed layer almost constant over time due to periodic “pumping” of bubbles, the sizes of which decrease when the electrolysis current is switched off (in the pauses between pulses) as a result of diffusion of the gas released during electrolysis into the liquid .

Таким образом, предложенный способ включает следующие операции: формирование в зоне облучения ПИ звука однородного слоя монорадиусных пузырьков, резонансных частоте облучения, путем электролиза воды на поверхности звукопроводящей электропроводящей пластины; облучение сформированного пузырькового слоя волной конечной амплитуды. Thus, the proposed method includes the following operations: the formation in the irradiation zone of the PI sound of a uniform layer of monoradius bubbles, resonant to the irradiation frequency, by electrolysis of water on the surface of a sound-conducting electrically conductive plate; irradiation of the formed bubble layer with a wave of finite amplitude.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства для осуществления предлагаемого способа; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие работу ПИ звука, работающего в режиме излучения ВКА. In FIG. 1 shows a structural diagram of a device for implementing the proposed method; in FIG. 2 is a timing diagram explaining the operation of the PI sound operating in the radiation mode of the RCA.

Устройство содержит последовательно соединенные синхронизатор 1, синхронизирующий работу всего ПИ звука, схему 2 задержки, осуществляющую задержку момента излучения ВКА на временной промежуток длительностью τ_зад, который необходим для формирования оптимальной структуры пузырькового слоя, при которой достигается максимальный рост уровня звукового давления в формирующемся излучении гармонических составляющих ВКА, и первый формирователь 3 прямоугольных импульсов, формирующий на своем выходе видеоимпульсы длительностью τ_и. Выход второго формирователя 4 прямоугольных импульсов, формирующего видеоимпульсы длительностью τ, равной длительности прикладываемых импульсных напряжений на электролизные пластины, соединен с выходом синхронизатора 1. Выход генератора 5 гармонических колебаний соединен с сигнальным входом первого импульсного модулятора 6, управляемый вход которого соединен с выходом первого формирователя 3 прямоугольных импульсов.The device contains a serially connected synchronizer 1, synchronizing the operation of the entire PI sound, a delay circuit 2, which delays the moment of SAA emission by a time interval of duration τ _back , which is necessary for the formation of the optimal structure of the bubble layer, at which the maximum increase in sound pressure level in the generated harmonic radiation components of the RCA, and the first driver 3 rectangular pulses, forming at its output video pulses of duration τ _and . The output of the second rectangular pulse shaper 4, generating video pulses of duration τ equal to the duration of the applied pulse voltages on the electrolysis plates, is connected to the output of the synchronizer 1. The output of the harmonic oscillation generator 5 is connected to the signal input of the first pulse modulator 6, the controlled input of which is connected to the output of the first shaper 3 rectangular pulses.

Вход усилителя 7 мощности соединен с выходом первого импульсного модулятора 6, а его выход - с входом акустического преобразователя накачки 8. Выход источника 9 постоянного напряжения соединен с сигнальным входом второго импульсного модулятора 10, управляемый вход которого соединен с выходом второго формирователя 4 прямоугольных импульсов, вход усилителя 11 постоянного тока соединен с выходом второго импульсного модулятора 10, а его выход - с электролизными пластинами 12 и 13, первая из которых - звукопроводящая токопроводящая располагается на оси акустического преобразователя накачки 8, нормально ей, а вторая располагается рядом с первой пластиной. The input of the power amplifier 7 is connected to the output of the first pulse modulator 6, and its output to the input of the acoustic pump converter 8. The output of the DC voltage source 9 is connected to the signal input of the second pulse modulator 10, the controlled input of which is connected to the output of the second rectangular pulse shaper 4, input the DC amplifier 11 is connected to the output of the second pulse modulator 10, and its output is connected to the electrolysis plates 12 and 13, the first of which is a conductive conductive located on the axis of the acoustic pump transducer 8 is normal to it, and the second is located next to the first plate.

Способ осуществляется следующим образом. The method is as follows.

На выходе синхронизатора 1 формируются синхроимпульсы И 1, синхронизирующие работу всего ПИ звука. Задними фронтами синхроимпульсов И 1 запускается схема 2 задержки, формирующая видеоимпульсы И 2 длительностью τ_зад, равной временному интервалу, необходимому для формирования оптимальной структуры пузырькового слоя, при которой достигается максимальный рост УЗД в формирующемся излучении гармонических составляющих ВКА, задними фронтами которых запускается первый формирователь 3 прямоугольных импульсов, формирующий на своем выходе видеоимпульсы И 3 длительностью τ_и, равной длительности излучаемых импульсов накачки. Задними фронтами синхроимпульсов запускается также второй формирователь 4 прямоугольных импульсов, формирующий видеоимпульсы И 4 длительностью τ, равной длительности подаваемых на электролизные пластины импульсных напряжений. Непрерывные гармонические колебания частотой f с выхода генератора 5 гармонических колебаний поступают на сигнальный вход первого импульсного модулятора 6, с выхода которого радиоимпульсы накачки частотой заполнения f усиливаются усилителем мощности 7 и излучаются в воду акустическим преобразователем накачки 8. Перед излучением радиоимпульсов накачки частотой заполнения f, т. е. перед излучением волны конечной амплитуды частотой f, в результате распространения которой формируются в силу нелинейности среды гармонические составляющие частотами 2f, 3f, . . . , nf, с помощью источника 9 постоянного напряжения, второго импульсного модулятора 10 и усилителя 11 постоянного тока формируется импульсное напряжение длительностью τ, которое подается на электролизные пластины 12 и 13 и под воздействием которого на поверхности первой звукопроводящей электропроводящей пластины образуется слой монорадиусных приграничных пузырьков, обладающий высоким параметром акустической нелинейности. В результате УЗД в формирующемся на слое излучении на частотах 2f, 3f, . . . , nf возрастает. При постоянных амплитуде и скважности импульсного напряжения, подаваемого на электролизные пластины, УЗД в формирующихся гармонических составляющих ВКА от посылки к посылке остается практически постоянным и неизменным во времени.At the output of the synchronizer 1, clock pulses And 1 are formed, synchronizing the operation of the entire PI sound. The trailing edges of the I-1 clock pulses start the delay circuit 2, which generates the I-2 video pulses of duration τ _back equal to the time interval necessary for the formation of the optimal structure of the bubble layer, at which the maximum growth of the ultrasonic level in the generated radiation of harmonic components of the RCA, the trailing edges of which starts the first shaper 3 rectangular pulses, forming at its output video pulses And 3 of duration τ _and equal to the duration of the emitted pump pulses. The second shaper of 4 rectangular pulses is also triggered by the trailing edges of the clock pulses. Continuous harmonic oscillations of frequency f from the output of the harmonic oscillation generator 5 are fed to the signal input of the first pulse modulator 6, from the output of which the pumping pulses of the filling frequency f are amplified by the power amplifier 7 and are emitted into the water by the acoustic pump transducer 8. Before the pumping pulses are emitted by the filling frequency f, t i.e., before the emission of a wave of finite amplitude with frequency f, as a result of the propagation of which harmonic components of the by the stots 2f, 3f,. . . , nf, using a constant voltage source 9, a second pulse modulator 10 and a direct current amplifier 11, a pulse voltage of duration τ is generated, which is supplied to the electrolysis plates 12 and 13 and under the influence of which a layer of monoradius boundary bubbles is formed on the surface of the first sound-conducting electrically conductive plate having high parameter of acoustic nonlinearity. As a result, the SPL in the radiation formed on the layer at frequencies 2f, 3f,. . . , nf is increasing. With constant amplitude and duty cycle of the pulse voltage supplied to the electrolysis plates, the SPL in the forming harmonic components of the RCA from package to package remains almost constant and unchanged in time.

Наличие новых отличительных признаков: слоя монорадиусных пузырьков, размеры которых резонансны частоте волны конечной амплитуды, который создается путем электролиза на поверхности токопроводящей звукопроводящей пластины, выгодно отличает предлагаемый способ от прототипа, поскольку существенно на 6-10 дБ повышается УЗД в формирующемся на СПП параметрическом излучении на частотах гармонических составляющих ВКА. The presence of new distinctive features: a layer of monoradius bubbles, whose dimensions are resonant to the frequency of a wave of finite amplitude, which is created by electrolysis on the surface of a conductive sound-conducting plate, distinguishes the proposed method from the prototype, since the ultrasound increases significantly by 6-10 dB in the parametric radiation formed on the SPP by frequencies of harmonic components of the RCA.

Значение возросшей эффективности ПИ звука, работающего в режиме излучения ВКА, велико. Использование такого ПИ звука, например, в гидролокации обеспечивает получение большей дальности действия и высокой разрешающей способности и, следовательно, большей точности, достоверности получаемой информации о подводной обстановке. Это только при поиске рыбных скоплений, полезных ископаемых, объектов, представляющих определенный интерес, обеспечивает экономию времени, топливных, энергетических и людских ресурсов, затраты на которые обусловлены многократными проходами над обследуемым районом. (56) Т. Дж. Мюир. Нелинейная акустика и ее роль в геофизике морских осадков. В кн. : Акустика морских осадков. Под ред. Л. Хемптона, М. : Мир, 1977, с. 248-250. The value of the increased efficiency of the PI sound operating in the radiation mode of the RCA is great. The use of such a sound PI, for example, in sonar provides a greater range and high resolution and, therefore, greater accuracy, the reliability of the information received about the underwater situation. This is only when searching for fish clusters, minerals, objects of certain interest, it saves time, fuel, energy and human resources, the costs of which are due to multiple passes over the surveyed area. (56) T.J. Muir. Nonlinear acoustics and its role in the geophysics of marine sediments. In the book. : Acoustics of marine sediments. Ed. L. Hampton, M.: Mir, 1977, p. 248-250.

Б. К. Новиков и В. И. Тимошенко. Параметрические антенны в гидролокации. Л. : Судостроение, 1990, с. 57-58. B.K. Novikov and V.I. Timoshenko. Parametric antennas in sonar. L.: Shipbuilding, 1990, p. 57-58.

Claims

The METHOD for controlling the ENERGY EFFICIENCY of the PARAMETRIC SOURCE SOURCE, OPERATING in the RADIATION mode of the FINITE AMPLITUDE wave, based on the introduction of the acoustic impedance of the waveguide of a finite amplitude which are created by electrolysis on the surface of an electrically conductive plate.