Спосіб прийому та генерування акустичних коливань і перетворювальні пристрої коливань на його основі – електродинамічний, шумопоглинальний та магнітометричний

1. Спосіб прийому та генерування акустичних коливань за допомогою мембрани, котра сполучена механічно з котушкою провідного матеріалу, що здійснює коливання у магнітному полі, який відрізняється тим, що мембрану розташовують таким чином, що вона рухається в умовах дії оточуючого магнітного поля, та котушку і/або мембрану виготовляють з надпровідного матеріалу. 2. Спосіб за п.1, який відрізняється тим, що оточуюче магнітне поле може бути як природним, так і штучно створеним. 3. Спосіб за п.1, який відрізняється тим, що матеріал мембрани і/або котушки є надпровідним в умовах температури оточуючого середовища. 4. Електродинамічний перетворювальний пристрій для утворення або сприйняття акустичних коли 2 (19) 1 3 Винахід відноситься до техніки з прийому, відтворення і поглинання акустичних та магнітних коливань- електромеханічні (динамічні) перетворювачі, звукопоглиначі, магнітометри. Відомі способи утворення та сприйняття акустичних (АК [1-3] та магнітного поля (МП) [5,6] коливань. Кожен із способів передбачає побудову (роботу) активної системи для приведення її у робочий стан та утримання в ньому чи пасивної резонансної механічної конструкції. З відомих способів детектування та генерування акустичних коливань (за допомогою мембрани або аналогічного елемента) найбільш/ близьким за технічною суттю є перетворення механічних коливань фізичного тіла (ФТ) в АК і навпаки [1]. При цьому коливальна котушка ФТ (мембрана, діафрагма) виготовлена із матеріалу (дроту), котрому властивий активний (омічний) опір, а, відповідно, і втрати генерованого або сприйманого МП (потоку). Використання окремого джерела постійного підмагнічування приймальної (перетворюючої) котушки (ПК) не дозволяє значно зменшити вагогабаритні характеристики процесу перетворення. Відомі пристрої для утворення та сприйняття АК [1,2], що здійснюють перетворення механічних коливань у постійному МП котушки дроту у її електричний струм згідно закону Ленца і навпаки. З відомих електродинамічних перетвоюючих пристроїв для утворення або сприйняття акустичних коливань найбільш близьким за технічною суттю є електродинамічний перетворювач [2]. Він складається з котушки провідного матеріалу, сполученої з мембраною (діафрагмою), розташованою у МП, утвореного постійним магнітом. Використання такого магніту значно збільшує вагогабаритні параметри пристрою, а активний опір дроту ПК призводить до значних втрат струму в процесі перетворення. Відомі пристрої та обладнання (матеріали) для захисту від шуму житлових і промислових приміщень [3,4]. З цією метою застосовують плівкові та пористо-волокнисті облицювальні матеріали, а також резонансні звукопоглиначі. З відомих пристроїв для поглинання шуму найбільш близьким за технічною суттю є звукопоглинач з коливальною перфорованою панеллю маятникового типу [4]. Він складається з закріпленої у площині дії шуму коливальної (рухомої) частини (мембрани) у сприятливому повітряному середовищі. Проте, резонансний режим роботи пристрою та його механічна конструкція створює принципові перешкоди розширенню діапазону поглинуваних частот, а також створенню активного пристрою шумопоглинання. Відомі пристрої для коливань ФТ в оптичний сигнал [5, 6]. Додатковим активним впливом у таких системах є електричні, магнітні, оптичні сигнали та механічні засоби, що сприяють максимальному прояву вимірюваної (перетворюваної) величини. З відомих перетворювачів коливального руху ФТ (мембрани) в оптичний сигнал найбільш близьким за технічною суттю є електромеханічні перетворювачі електромагнітного поля в оптиковоло 74533 4 конних акустичних пристроях [6]. Наявність електродинамічного або п'єзоелектричного електромеханічних перетворювачів потребує значних затрат електроенергії та матеріалів (ваги) конструкції. Проте, робота таких засобів створює певний негативний вплив на характеристики пристроїв у цілому за рахунок збільшення енергоспоживання та впливу на перетворювану величину шляхом створення завад. Тобто, власні шуми цих перетворювачів значно спотворюють реєстрацію оптичного сигналу. Задача, що вирішується винаходом, полягає у зменшенні матеріаломісткості процесу перетворення коливань за рахунок використання природного МП та зменшення енергоспоживання і підвищення чутливості (зменшення рівня привнесених збурень - шумів) за рахунок роботи перетворювачів у пасивному або близькому до нього режимах. Тому подальше удосконалення даних способів та пристроїв може йти у напрямку використання природних джерел енергії оточуючого середовища та максимального к.к.д. використання енергії, що споживається у процесі роботи (функціонування) пристрою. Поставлена задача в запропонованому способі вирішується через застосування надпровідного режиму функціонування коливального ФТ (елемента) у природному або утвореному МП. Виконання (здійснення) вказаних удосконалень пропонується шляхом використання зовнішнього природного МП, що вважається постійним та використання індукційних котушок для утворення та (або) прийому МП (потоку), виготовлених з матеріалу, що знаходиться у стані надпровідності. Поставлена задача у запропонованому електродинамічному пристрої вирішується через виготовлення приймальної ПК мембрани з надпровідного матеріалу (НМ). За допомогою такого облаштування ставиться за мету замінити МП постійного магніту електродинамічного перетворювача зовнішнім природним МП, а також використати ефект Мейснера - повного витіснення МП з надпровідника (котушки або суцільної ділянки). Оскільки за будь-якої зміни зовнішнього МП в надпровідниках виникають струми, котрі, згідно правила Ленца, компонують ці зміни [7]. Поставлена задача в активному шумопоглинаючому пристрої вирішується шляхом використання ефекту Мейснера. Відхилення площини мембрани (коливального елемента) у силових лініях МП під дією акустичних коливань спричиняє виникнення вихрових струмів у площині мембрани, МП яких прагне скомпенсувати зміну МП під дією (внаслідок) переміщення. Поставлена задача в описаному перетворювачі МП (магнітометрі) вирішується шляхом реєстрації (детектування) коливань площини ФТ з НМ згідно ефекту Мейснера, що спричиняє виникнення вихрових струмів у площині мембрани, МП яких прагне скомпенсувати зміну МП під дією (внаслідок) переміщення. Суть способу перетворення коливань - механічних (акустичних) у МП і навпаки - полягає у зменшенні матеріаломісткості та енергоспоживання процесу перетворення, а також підвищенні його 5 74533 6 чутливості (зменшення рівня власних шумів). При де - магнітна проникність вакууму, 0 здійсненні винаходу можна позбутися застосуван7 4 10 Гн/м; ня постійного магніту, уникнути або значно змен0 шити подачу струму у ПК та зменшити до мінімуму еф - ефективна магнітна проникність осердя власні шуми за рахунок застосування надпровідкотушки; N - кількість витків ПК; ного матеріалу у ПК і коливальному ФТ. d - середній діаметр ПК; L - індуктивність ПК. Суть електродинамічного перетвоюючого приНа провідник зі струмом І у МП В діє сила: строю полягає у зменшенні його вагогабаритних F B1I , де 1 - довжина провідника ПК; L - інпараметрів та енергоспоживання, а також якості дуктивність ПК. перетворення АК. При здійсненні винаходу відпадає необхідність застосування у пристрої постійноВідношення цієї сили до площини поверхні го магніта, подачі значного струму у ПК, а також мембрани S дає тиск акустичної хвилі на мемзменшується рівень власних шумів, що сприяє брану % або, навпаки, значення акустичного тиску підвищенню чутливості пристрою (якості його ромембрани: боти). Це досягається через застосування колива2 p B1 / S B21N d2 / 4LS [Н/м ] (2) I льного ФТ і/або його ПК з НМ, у т.ч. високотемпеВраховуючи стандартний пороговий звуковий ратурного, та оточуючого МП. Суть активного шумопоглинаючого пристрою тиск p0 2 10 5 Па, абсолютний рівень звукового полягає у зменшенні його вагогабаритних параметиску визначається [8]: трів та енергоспоживання і підвищенні якості шуB2lN d2 мопоглинання, тобто розширенні діапазону (смуги) (3) G 20 lg 4LSp0 частот здійснення коливань. При здійсненні винаходу зникає необхідність суто механічного налашДля земного МП приймемо B 50 Тл [9]. На тування пристрою та з'являється можливість поФіг.8 подана залежність G від B для значень пабудови активної системи шумопоглинання. Це d 0.2 м, L 0.2 Гн, S 0.04 м2, раметрів: досягається застосуванням ПК, НМ у коливальному ФТ та оточуючого МП. 2 N 104 , 3 N 15 103 , ( 1 N 5 103 , Суть перетворювача змінного МП в оптичний N 15 103 ). сигнал полягає у зменшенні його вагогабаритних Другим механізмом генерування АК А (Фіг.6) параметрів та енергоспоживання, а також підвипропонується використання ефекту Мейснера, що щенні якості перетворення. При здійсненні винареалізується при замкнутих контактах надпровідходу зникає необхідність у постійному магніті, звоної ПК (Фіг.2) та під час виникнення вихрових диться до мінімуму або й зникає струмів Івихр у площині надпровідного ФТ - меменергоспоживання та підвищується чутливість брани (Фіг.3). через зменшення шумів у НМ. Це досягається чеПодання сигналу у ПК мембрани та зняття йорез застосування коливального ФТ і/або його ПК з го відбувається за допомогою надпровідного НМ, у т.ч. високотемпературного, та оточуючого польового транзистора (НПТ) (2) [11] (Фіг.4). ЗалеМП. жність між амплітудою коливань А ФТ та струмом Перелік фігур містить дев'ять рисунків, що ПК І подана на Фіг.5. Лінійна залежність спостеріілюструють: можливість (принцип) взаємодії між гається до значення І ПК, рівного критичному природним МП Н0 і прямими 1 та відбитими 2 АК струму надпровідника Iк . Після досягнення цього (сигналами) за посередництвом коливального ФТ (мембрани) 3, розміщеного у кріостаті 4 з охолорівня струм Iк а відповідно і перетворююча здатдженням 5 (Фіг.1); шляхи руху струмів у надпровіність різко падають внаслідок переходу (високотедному ФТ 1 : по котушці надпровідного матеріалу мпературного) надпровідника у резистивний стан (Фіг.2) та замкнутими контурами у товщі ФТ 1 (ви[II]. хрові струми Івихр) (Фіг.3); схема подачі та відбору 2. Шумопоглинаючий пристрій (Фіг.6) здійснює електричного сигналу з мембрани (ФТ) 1 (Фіг.4); компенсацію шумових АК 1 шляхом утворення АК графік якісної залежності струму ПК І від інтенсив2 у протифазі до шуму маятниковою панеллю або ності А АК (хвилі) (Фіг.5); конструкція (облаштуелектродинамічним перетворювачем 4. Панель 1 вання) активного шумопоглинаючого пристрою з здійснює коливання за рахунок виникнення описаколивальним ФТ 1 (Фіг.6); облаштування перетвоної сили F та ефекту Мейснера (Фіг.2, 3) У НМ парювача змін (коливань) напруженості МП в оптичнелі та ПК (перетворюючої). Утворення додатконий сигнал L12 (Фіг.7); графіки залежності між інтевих АК відбувається за допомогою нсивністю (амплітудою) АК G (Фіг.8) та електродинамічного перетворювача 4, що працює відхиленням ОП L12 (Фіг.9) у МП В для різних довза схемою (Фіг.4). 3. Пристрій для перетворення жин дроту ПК (кількості витків N). змінного магнітного поля в оптичний сигнал здійсПристрої працюють наступним чином . нює відтворення (відображення) величини напру1. Електродинамічний пристрій здійснює переженості зовнішнього МП Н0 (Фіг.7) у відхилення ОП творення коливань мембрани 3 (Фіг.1) під дією І на екрані 2, розташованому на відстані D, згідно акустичної хвилі 1 в електричний струм І (Фіг.2) і виразу (5) та (або) ефекту Мейснера, що справнавпаки в АК 2. При цьому величина І ПК визначаджується для ПК або площини ФТ 1. При цьому ється за формулою [10]: максимальне (оптимальне) відхилення L досяга2 0 ефN d ється поданням у ПК додаткового струму І0 за 2 I H BN d / 4L , (1) 4L 7 74533 схемою (Фіг.4) і забезпечуючи умову Iпк I0 Значення відхилення L визначається з виразу: l1,2 D tg DBLI / mg (4) Iк . Враховуючи значення струму з виразу (1) величина 1і,2 визначається: l1,2 DB2 2d3N2 / 4mgL DB2 d2NK / 4Lg (5) Залежність між величиною відхилення ОП L12 і зовнішнім МП В, розрахована за виразом (5) подана на графіку Фіг.9 для тих самих значень змінних, що і для розрахунку кривих Фіг.8. Оскільки у виразі (5) маса дроту m знаходиться у знаменнику, а довжина дроту ПК dN у чисельнику, то, якщо здійснити заміну dN K , вираз стає практично незалежним від маси дроту (5). література 1. Кудашов Н. В., Сахаров Ю. И., Электроакустическая аппаратура систем автоматического контроля и измерений, M., "Энергия", 1972, 104с.; 2. Урбанский Б., Электроакустика в вопросах и ответах, М., "Радио и связь", 1981,248с.; 3. Строительно-акустические средства и методы защиты от шума: Сб. трудов НИИСФ, Под. Ред. Л. А. Борисова.М., 1989, 194 с.; 8 4. Аршакян А. В., Однокамерный резонатор Гельмгольца с подвижной перфорированной панелью маятникового типа. Сб. трудов НИИСФ "Строительно-акустические средства и методы защиты от шума", М., 1989, с.54-58; 5. Flanders P. J., Graham C. D., DC and LowFrequency Magnetic Measuring Techniques, Rep. Progr. Phys., vol.56, №3, 1993; 6. Мясникова Е.Н., Финагин Б.А., Полянкин Г.А. и др., Оптиковолоконные акустические устройства в задачах автоматики и распознавания, Л.: Энергия. Ленинградское отделение, 1978, 120с.; 7. Физическая энциклопедия, М., "Советская энциклопедия ", 1990, т.2, с.667; 8. Кухлинг X., Справочник по физике, М., "Мир", 1982, 519с.; 9. Clarke J., SQUIDs, Scientific American, Aug. 1994; 10. Патент України №21185, 2000 р.; 11. Rietschel H., High-Tc Superconductivity: Present Status and Applications, Physica Scripta, vol.T49, 1993. 9 Комп’ютерна верстка M. Клюкін 74533 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601