Способ формирования ультразвукового поля отпугивания грызунов и устройство для его осуществления

 

Изобретение используется для защиты объектов от вредного воздействия грызунов отпугивающим эффектом ультразвукового (УЗВ) акустического поля, а также в исследованиях поведения животных, птиц и насекомых. Технической задачей изобретения является повышение эффективности способа и устройства формирования УЗВ акустического поля отпугивания грызунов. В способе отпугивания частота электрического сигнала изменяется в диапазоне частот от 20 до 70 кГц непрерывно, плавно и со скоростью, соизмеримой с постоянной времени пьезоэлектрического излучателя. Кроме того, осуществляется оптимизация мощности излучения УЗВ акустического поля механической регулировкой размеров корпуса опорной конструкции и пространственного взаимоположения конструктивных элементов корпуса. В устройстве к генератору подключен источник плавно изменяющегося постоянного напряжения, модулирующего частоту генератора в диапазоне частот 45+25 кГц со скоростью, соизмеримой с постоянной времени пьезоэлектрического излучателя. Корпус выполнен в виде параллелепипеда из двух П-образных металлических элементов, механически соединенных между собой с возможностью регулирования взаимоположения и линейных размеров упомянутых элементов. В результате достигнуто повышение уровня УЗВ акустического давления на 10 дБ без повышения уровня энергии, потребляемой от источника питания (за счет усовершенствования схемотехники) и увеличение площади воздействия на грызунов в 1,5-2 раза за счет улучшения схемотехники и на 25-30% за счет введения возможности корректирования геометрических размеров и взаиморасположения элементов конструкции. 2 с.п.ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области защиты объектов от вредного воздействия грызунов отпугивающим эффектом ультразвукового (УЗВ) поля, а также к области исследований поведения животных, птиц и насекомых.

Известен способ формирования УЗВ поля отпугивания грызунов, включающий периодическую генерацию электрического сигнала при изменении его частоты в каждом периоде, усиление мощности сигнала и преобразование его в УЗВ акустическое поле (заявка ФРГ N 3438889, кл. A 01 M 29/02, 1986).

Из этого же источника информации также известно устройство формирования УЗВ поля отпугивания грызунов, включающее модулятор частоты, перестраиваемый генератор электрического сигнала, усилитель мощности и пьезоэлектрический излучатель.

Данные способ и устройство являются наиболее близкими техническими решениями к заявленным способу и устройству.

Недостатком как известного способа, так и известного устройства является их низкая эффективность, что выражается в существенном недоиспользовании возможностей применяемого ультразвукового излучателя, согласования (оптимизации) энергии излучения с резонансными свойствами конструкции, а следовательно, и энергии, потребляемой в целом.

Технической задачей данного изобретения является повышение эффективности способа формирования УЗВ поля отпугивания грызунов.

Относительно способа данная задача решается тем, что сигнал генерирует в диапазоне 20 - 70 кГц с периодом повторения 20 - 40 мс при скорости изменения частоты сигнала, соизмеримой с постоянной времени преобразования электрического сигнала пьезоэлектрическим излучателем в УЗВ акустическое поле, а оптимизацию мощности излучения осуществляют механической регулировкой линейных размеров корпуса опорной конструкции и пространственного взаиморасположения элементов корпуса устройства.

Относительно устройства данная задача решается тем, что перестраиваемый генератор электрического сигнала имеет частоту колебаний от 20 до 70 кГц и к нему подключен модулятор частоты, изменяющий частоту генератора с периодом повторения 20 - 40 мс и скоростью, соизмеримой с постоянной времени пьезоэлектрического излучателя, а корпус выполнен в виде параллелепипеда из двух П-образных металлических конструкций, механически соединенных между собой с возможностью регулирования взаимоположения и линейных размеров упомянутых конструкций.

На фиг. 1 представлена последовательность операций по реализации заявленного способа, на фиг. 2 - блок-схема заявленного устройства, на фиг. 3 - конструкция заявленного устройства.

Существо способа состоит в следующем /см. фиг. 1/ : 1 - генерируют электрический сигнал частоты 45 ± 5 кГц; 2 - непрерывно, плавно и со скоростью, соизмеримой с постоянной времени преобразования электрического сигнала в УЗВ акустическое поле изменяют частоту электрического сигнала в пределах 45 ± 25 кГц; 3 - усиливают мощность электрического сигнала; 4 - преобразовывают усиленный электрический сигнал в УЗВ акустическое поле с помощью пьезоэлектрического излучателя; 5 - осуществляют оптимизацию мощности излучения УЗВ акустического поля механической регулировкой линейных размеров элементов корпуса опорной конструкции; 6 - осуществляют оптимизацию мощности излучения УЗВ акустического поля регулировкой пространственного взаиморасположения элементов корпуса устройства.

Устройство, блок-схема которого приведена на фиг. 2, состоит из перестраиваемого генератора 7 электрического сигнала диапазона частот от 20 до 70 кГц, модулятора 8 частоты, усилителя мощности электрического сигнала 9 и пьезоэлектрического излучателя 10, причем U1, U2, U3 - выходные напряжения соответственно узлов 7 - 9. На фиг. 3 представлено конструктивное решение заявленного устройства, на котором приняты следующие обозначения: 11, 12 - П-образные металлические элементы конструкции; 13 - ушки первого П-образного металлического элемента конструкции; 14 - отверстия ушек первого П-образного металлического элемента конструкции; 15 - щели второго П-образного металлического элемента конструкции; 16 - отверстие поверхности первого П-образного элемента металлической конструкции для крепления пьезокерамического излучателя 10; 17 - условный вырез в поверхности второго П-образного металлического элемента корпуса устройства.

Устройство при реализации способа работает следующим образом. Генератор электрического сигнала 7, построенный по традиционной RC-схеме, перестраивается от внешнего напряжения, поступающего от модулятора частоты 8, выполненного, например, в виде источника плавно изменяющегося постоянного напряжения. Последний модулирует частоту генератора 7 в диапазоне частот 20 - 70 кГц со скоростью, соизмеримой с постоянной времени пьезоэлектрического излучателя 10. Выходной сигнал с генератора 7 поступает на усилитель мощности 9, сигнал с выхода которого, в свою очередь, поступает на излучатель 10. Период и амплитуда плавного изменения постоянного модулирующего напряжения сформированы таким образом, что частота колебаний генератора 7 перестраивается от 20 до 70 кГц со скоростью, соизмеримой с постоянной времени излучателя 10. Параметры электрических сигналов в основных узлах устройства приведены в следующей таблице.

Параметры сигналов на фиг. 2 обозначены следующим образом: U1 - Импульсы с амплитудой 5В ± 5% U2 - Плавно изменяющееся постоянное напряжение от 3,7 до 5,1В с периодом повторения 20 - 40 мс U3 - Импульсы с амплитудой 35 ± 5В в диапазоне частот 20 - 70 кГц.

Итак, излучатель преобразует поступающие на него электрические импульсы в заданные уровни УЗВ акустического поля. Корпус устройства, выполненный в виде прямоугольного параллелепипеда из двух П-образных металлических элементов 11 и 12, механически соединенных между собой болтами и гайками, установленными в отверстия 14 ушек 13 первого П-образного элемента конструкции 12 и щели 15 второго П-образного элемента конструкции 11 путем установления и фиксации взаимоположения двух П-образных элементов (вместе с элементами 7 - 10, причем излучатель 10 жестко установлен в отверстие 16 первого П-образного элемента) настроен на совпадение одной из нечетных механических гармоник корпуса и "несущий частоты" генератора 45 ± 5 кГц (а именно частоты 45 кГц). Тем самым достигается согласование выходного сопротивления усилителя мощности 9, излучателя 10 и корпуса устройства, который предложенным конструктивным решением преобразован в неотъемлемый элемент резонансной системы. В результате существенно повышен уровень УЗВ давления акустического поля и эффект от использования устройства в целом (на 25 - 30% по площади воздействия). Металлические поверхности корпуса "звенят", отпугивая грызунов. Применение диэлектрических материалов в качестве стенок корпуса резко снизило бы эффективность устройства. В данном случае этот эффект аналогичен известному явлению "микрофонного эффекта", когда микрофон "включается" в цепи самовозбуждения акустической системы. Традиционно самовозбуждение усилителей - нежелательное явление, и обычно применяется множество средств для его подавления. В настоящем техническом решении, наоборот, конструкция оптимизируется в целях повышения коэффициента усиления генератора мощности 9 вплоть до самовозбуждения.

Пример инженерного расчета конструкции устройства.

Определим характер свободных колебаний однородной прямоугольной мембраны, закрепленной по краям. Для этого предположим, что в начальный момент времени t=0 мембрана получает удар в окрестности центральной точки, так что где V₀ - начальная скорость, A - постоянная величина.

Эта задача приводится к интегрированию уравнения при условиях
при t= 0 равна нулю везде, за исключением остаточно малой окрестности точки

В результате получает



Тогда, используя формулу получим, что при скорости звука 330 м/с λ_возд на 35 кГц составляет 0,945 см, на 40 кГц - 0,825 см и на 45 кГц - 0,63 см. Это означает, что при размерах мембраны 80 х 90 мм (см. 16 на фиг. 3) величина 1/μ_kν на седьмой механической гармонике составляет 0,86 см и оптимальная "несущая частота" генерация равна 38,2 кГц. Из приведенных соотношений также ясно, что четные гармоники механического резонанса конструкции можно исключить из рассмотрения.

Приведенную методику расчета модно применить для анализа поведения системы и для других нечетных гармоник собственного механического резонанса корпуса устройства.

В результате теоретических расчетов и экспериментов установлено, что для диапазона частот акустического поля 45 ± 5 кГц, наиболее сильно влияющих на грызунов, оптимальной является конструкция устройства с размерами 189 х 79 х 90 мм с пределами регулирования геометрических размеров и взаиморасположения элементов конструкции до 10 - 15 мм.

Эксперименты показали, что существенно повысилось отпугивающее воздействие УЗВ поля, причем имеет место повышение уровня УЗВ акустического давления на 10 дБ без повышения уровня энергии, потребляемой от источника питания (за счет схемотехнического решения) и увеличение площади воздействия на 25 - 30% за счет корректировки геометрических размеров и взаиморасположения элементов конструкции устройства. В результате достигнуто повышение эффективности отпугивания грызунов по площади /в 1,7 - 2,3 раза/ и по срокам их полного исчезновения /с 8 - 12 суток до 3 - 5/.

Примеры способов и средств механической регулировки линейных размеров элементов корпуса приведены в приложении П.1 см пример 1 - фиг. 4, пример 2 - фиг. 5.

Формула изобретения

1. Способ формирования ультразвукового поля отпугивания грызунов, включающий периодическую генерацию электрического сигнала при изменении его частоты в каждом периоде, усиление мощности и преобразование его в ультразвуковом поле, отличающийся тем, что сигнал генерируют в диапазоне 20-70 кГц с периодом повторения 20-40 мс при периоде изменения частоты сигнала, соизмеримом с постоянной времени преобразования электрического сигнала пьезоэлектрическим излучателем в ультразвуковое акустическое поле, а оптимизацию мощности излучения осуществляют механической регулировкой линейных размеров корпуса опорной конструкции и пространственного взаимоположения конструктивных элементов корпуса.

2. Устройство формирования ультразвукового поля отпугивания грызунов, включающее модулятор частоты, перестраиваемый генератор электрического сигнала, усилитель мощности и пьезоэлектрический излучатель, отличающееся тем, что перестраиваемый генератор электрического сигнала имеет частоту колебаний от 20 до 70 кГц и к нему подключен модулятор, изменяющий частоту генератора с периодом повторения 20-40 мс и скоростью, соизмеримой с постоянной времени пьезоэлектрического излучателя, а корпус выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда из двух П-образных металлических элементов, механически соединенных между собой с возможностью регулирования взаимоположения и линейных размеров упомянутых элементов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5