Устройство для имитации эхолокационных импульсов дельфина

 

Изобретение относится к устройству для имитации эхолокационных импульсов дельфина. Предложенное устройство содержит упругую цилиндрическую трубку, имеющую внутренний канал и отверстия на концах, пережимное тороидальное кольцо, надетое на упругую цилиндрическую трубку и перекрывающее внутренний канал, для чего упругая цилиндрическая трубка и пережимное кольцо выполнены из резины, резервуар с газом под давлением, имеющий редуктор и клапан, соединенный с одним из отверстий упругой цилиндрической трубки. При этом при использовании пережимное тороидальное кольцо и часть упругой цилиндрической трубки, на которой расположено пережимное тороидальное кольцо, находятся в водной среде. Также устройство включает гидрофон, размещенный в дальнем поле излучения и предназначенный для контроля характеристики акустического давления и приближения ее к характеристике, соответствующей излучению эхолокационных импульсов дельфина, для чего посредством указанного выше редуктора предусмотрена возможность регулирования давления газа, подаваемого в отверстие упругой цилиндрической трубки. В результате простым путем обеспечивается высокая степень имитации эхолокационных импульсов дельфина с возможностью формирования импульсов с заданной формой, звуковым давлением, длительностью и спектром. 3 з.п. ф-лы. 3 ил.

Изобретение относится к устройству для получения акустических сигналов, которые являются слышимыми для животных, а более конкретно к устройству для имитации эхолокационных импульсов дельфина. Изобретение может быть использовано, например, для управления стаями рыб.

Из уровня техники известно устройство, предназначенное для получения звуковых сигналов, отпугивающих барракуд, содержащее генератор звуковых сигналов, усилитель и излучатель (патент США 5570322, НПК 367-107, опубликован в 1996 г). В этом устройстве электронным путем формируют соответствующие сигналы, которыми после усиления возбуждают излучатель.

Еще одно аналогичное техническое решение раскрыто в патенте США 5627801, опубликованном в 1997 г. Излучаемые преобразователем акустические сигналы для усиления пропускаются через резонансную камеру.

Электронные устройства для формирования сигналов являются традиционными. Еще одним примером может служить электронный акустический генератор (заявка Японии 2-58528, МПК G 10 К 9/122, опубликована в 1990 г).

Все указанные выше устройства малопригодны для имитации эхолокационных импульсов дельфина. Это обусловлено тем, что эхолокационные импульсы дельфинов, воспринимаемые на слух как щелчки, имеют специфическую форму, которую можно представить двумя или тремя пиками разной полярности. Из-за резонансных свойств электроакустических преобразователей устройства, созданные на их основе, оказываются малоэффективными. Существенные потери энергии преобразователями при излучении вне резонанса вынуждают применять излучатели, составленные из нескольких преобразователей, в результате чего устройства становятся громоздкими. Однако в ситуациях, когда можно не обращать внимание на их низкую эффективность, высокое энергопотребление и значительные габариты, устройства имитации эхолокационных импульсов с использованием электроакустических преобразователей находят применение (Jones D. F., Rendell L. E. Broadband acoustic transmitter for marine mammal applications. Sea Technology, August 2000, p.p. 11-14).

Изобретение заявителя возникло в результате проведения длительной работы, направленной на поиски путей построения иных устройств для имитации эхолокационных импульсов дельфинов, чем те, которые основаны на традиционном преобразовании электрических сигналов в акустические.

В процессе выполнения указанной работы заявитель обращал особое внимание на возможность формирования акустических сигналов с заданной формой путем пропускания газовых потоков через упругие трубки и их периодического прерывания.

Следует отметить, что подобные устройства являются известными. Например, в заявке на Европейский патент 98200539, МПК G 10 К 9/18, раскрыто механическое устройство для получения звуков, в основу действия которого положено перемещение потока. Однако это устройство не позволяет имитировать эхолокационные импульсы дельфина с заданными формой, звуковым давлением, длительностью и спектром.

По совокупности признаков наиболее близким к устройству для имитации эхолокационных импульсов дельфина согласно настоящему изобретению является устройство, содержащее цилиндрическую трубку, имеющую внутренний канал и отверстия на концах (Ультразвук. Маленькая энциклопедия. /Под ред. И.П. Голяминой. М., Советская энциклопедия, 1979, с. 325).

Основной недостаток указанного устройства, как и других, известных из уровня техники устройств, рассмотренных выше, заключается в невозможности имитировать эхолокационные импульсы дельфина, имеющие заданные форму, звуковое давление, длительность и спектр.

Поэтому основная техническая задача настоящего изобретения заключается в создании эффективного устройства для имитации эхолокационных импульсов дельфина, позволяющего получать импульсы с заданными формой, звуковым давлением, длительностью и спектром.

Еще одна задача настоящего изобретения заключается в создании устройства, обеспечивающего простым путем высокую степень имитации эхолокационных импульсов дельфина.

Настоящее изобретение направлено на устранение указанных выше недостатков. Технический результат обеспечивается тем, что устройство для имитации эхолокационных импульсов дельфина содержит упругую цилиндрическую трубку, имеющую внутренний канал и отверстия на концах, пережимное тороидальное кольцо, надетое на упругую цилиндрическую трубку и перекрывающее внутренний канал, для чего упругая цилиндрическая трубка и пережимное кольцо выполнены из резины, резервуар с газом под давлением, имеющий редуктор и клапан, соединенный с одним из отверстий упругой цилиндрической трубки, при этом при использовании пережимное тороидальное кольцо и часть упругой цилиндрической трубки, на которой расположено пережимное тороидальное кольцо, находятся в водной среде, а также гидрофон, размещенный в дальнем поле излучения и предназначенный для контроля характеристики акустического давления и приближения ее к характеристике, соответствующей излучению эхолокационных импульсов дельфина, для чего посредством указанного выше редуктора предусмотрена возможность регулирования давления газа, подаваемого в отверстие упругой цилиндрической трубки.

Пережимное тороидальное кольцо надето от входного отверстия на расстоянии от 1/3 до 1/2 длины упругой цилиндрической трубки.

Предпочтительно, чтобы пережимное тороидальное кольцо было надето на середине упругой цилиндрической трубки.

В устройстве для имитации эхолокационных импульсов дельфина в качестве газа использован воздух.

Ниже изобретение будет описано более подробно со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых: фиг. 1 - вид в продольном разрезе устройства для имитации эхолокационных импульсов дельфина в статическом состоянии; фиг. 2 - вид в продольном разрезе устройства для имитации эхолокационных импульсов дельфина в момент излучения импульса; фиг. 3 - временные зависимости характеристик смещения пережимного тороидального кольца и акустического давления на расстоянии от устройства для имитации эхолокационных импульсов дельфина, полученные экспериментально.

Обратимся к фиг. 1, на которой показан вид в разрезе устройства для имитации эхолокационных импульсов дельфина в статическом состоянии. На фиг. 1 использованы следующие обозначения: 1 - упругая цилиндрическая трубка; 2 - пережимное тороидальное кольцо; 3 - датчик смещения; 4 - направление поступления газа; 5 - расширяющие силы; 6 - сжимающие силы.

Правая часть упругой цилиндрической трубки 1, имеющей внутренний канал и отверстия на концах, подключена через редуктор и клапан к резервуару высокого давления со сжатым газом (не показанному на фиг. 1). Во время использования устройства центральная часть упругой цилиндрической трубки 1 погружена в воду. Пережимное тороидальное кольцо 2 расположено на подводной части трубки 1. С его помощью вокруг локального участка упругой цилиндрической трубки 1 прикладываются направленные по радиусам внутрь силы. При небольшом доступе газа в направлении, показанном стрелкой 4, это кольцо 2 блокирует прохождение газа, т.е. внутренний канал упругой цилиндрической трубки 1 оказывается перекрытым. Путем повышения давления подаваемого газа устройство для имитации эхолокационных импульсов дельфина можно ввести в режим автоколебаний, если соответствующим образом выбрать характеристики упругости трубки 1 и кольца 2. Посредством датчика 3 смещения, закрепленного на поверхности пережимного тороидального кольца, максимально удаленной по радиусу упругой цилиндрической трубки от ее оси симметрии, и имеющего плоскую частотную характеристику в широком диапазоне частот, измеряется смещение кольца 2.

Во время блокирования канала посредством пережимного тороидального кольца 2 воздух не проходит через упругую цилиндрическую трубку 1. На этой стадии силы давления газа, действующие изнутри трубки 1 (расширяющие силы 5), все еще меньше, чем силы деформации кольца 2, сжимающие трубку 1 снаружи (сжимающие силы 6). Когда эти противодействующие силы равны или расширяющие силы 5 становятся больше, чем сжимающие силы 6, внутри трубки 1 возникает небольшое отверстие, и воздух начинает протекать через это отверстие. Эта стадия представлена на фиг. 2, на которой использованы те же позиционные обозначения, что и на фиг. 1, а стрелкой 7 показано направление протекания газа внутри трубки 1.

Согласно закону Бернулли суммарное давление р_t газа внутри трубки 1 образовано двумя составляющими: динамической составляющей p_d, которая может быть выражена как ρv²/2, где ρ - плотность газа; v - скорость потока газа; и статической составляющей р_s, т.е. p_t=p_s+p_d. Когда газ не перемещается, т.е. v=0 и p_d=0, то p_t=p_s. Но любой поток газа сразу же создает динамическое давление, вследствие чего уменьшается статическое давление _s, которое становится меньше, чем p_t. Наружные сжимающие силы 6 в результате действия пережимного тороидального кольца 2 опять блокируют канал упругой цилиндрической трубки 1, и начинается новый цикл. Путем изменения давления газа, упругости кольца 2 и самой трубки 1 можно регулировать продолжительность цикла.

На фиг. 3 показаны кривая 8 смещения пережимного тороидального кольца 2 и характеристика 9 акустического давления, зарегистрированная в воде с помощью гидрофона на расстоянии примерно 1 м от кольца 2. Кривая 8 смещения имеет две части 10 и 11. Первая часть 10, положительная, соответствует расширению поверхности кольца 2. Она имеет треугольную форму и длительность примерно 700 мкс. Вторая часть 11, отрицательная, имеет меньшее пиковое значение, а ее длительность составляет примерно 600 мкс. Имеются три заметных щелчка 12, 13 и 14 акустического давления. Продолжительность щелчков в пределах временного интервала от 50 до 80 мкс соответствует диапазону длительностей щелчков дельфина.

Чтобы минимизировать расход газа, может быть предусмотрен дополнительный замкнутый объем (не показанный на чертежах), в который отводится газ, вышедший из упругой цилиндрической трубки 1, и затем газ поочередно перекачивается между указанными замкнутыми объемами.

С этой целью каждый замкнутый объем может быть выполнен в виде резервуара высокого давления и подключен к соответствующему отверстию упругой цилиндрической трубки 1, а газ может быть подан с помощью насоса через редуктор и систему двухходовых клапанов. Резервуары, насосы, редукторы и системы двухходовых клапанов на чертежах не показаны, поскольку притязания заявителя на использование этих узлов не распространяются.

Для определения заданного увеличения диаметра упругой цилиндрической трубки 1 в дальнем поле излучения импульсов посредством гидрофона контролируют характеристику изменения звукового давления во времени и регулируют давление газа, подаваемого в отверстие до получения желаемой характеристики изменения давления.

В процессе проведения многократных экспериментальных исследований было установлено, что оптимальный результат обеспечивается, когда пережимное тороидальное кольцо 2 надето на середине упругой цилиндрической трубки 1.

Однако без существенного ухудшения достигаемых характеристик пережимное тороидальное кольцо 2 может быть надето от входного отверстия указанной трубки 1 на расстоянии от 1/3 до 2/3 длины упругой цилиндрической трубки 1.

Упругая цилиндрическая трубка 1 и пережимное тороидальное кольцо 2 выполнены из резины.

Отношение внутреннего диаметра упругой цилиндрической трубки 1 к ее длине может находиться в пределах от 0,01 до 0,4.

Упругая цилиндрическая трубка 1 может иметь наружный диаметр от 3 до 10 мм, внутренний диаметр от 1 до 8 мм и длину от 20 до 100 мм. Пережимное тороидальное кольцо 2 может иметь диаметр от 3 до 6 мм в направлении радиуса упругой цилиндрической трубки 1 и диаметр от 1 до 3 мм в сечении. В устройстве для имитации эхолокационных импульсов дельфина выбор диаметра указанной трубки 1 зависит от выбора диаметра кольца 2 и наоборот, поскольку должно обеспечиваться перекрытие внутреннего канала упругой цилиндрической трубки 1.

В качестве газа использован воздух. Однако возможно применение других газов, например инертных.

Приведенный ниже теоретический анализ объясняет происхождение щелчков акустического давления. Заявитель предположил, что пережимное тороидальное кольцо 2 имеет массу в небольшой части. Для упрощения рассмотрения принято, что эта небольшая часть имеет сферическую форму, а наружная сжимающая и внутренняя расширяющая силы приложены только к этой выбранной сфере. При указанных предположениях выбранная сфера будет перемещаться в соответствии с кривой смещения треугольной формы.

Из линеаризованного (акустического) уравнения Эйлера следует, что ρ(d²ξ/dt²)+gradp = 0, где ρ - плотность;
ξ - смещение;
t - время;
р - акустическое давление.

Из приведенного выражения видно, что градиент акустического давления пропорционален второй производной смещения по времени.

Комплексное акустическое давление, создаваемое колебанием сферы с частотой ω₀ и амплитудой ξ₀ смещения, можно представить в частотной области следующим образом:

где r - расстояние от центра сферы до точки наблюдения;
t - время;
i - мнимое число;
ρ - плотность;
ω₀ - круговая частота колебаний сферы;
a - радиус выбранной сферы;
k₀ - волновое число (k₀=ω₀/с, где с - скорость звука);
α - угол между направлением колебаний и направлением на точку наблюдения.

Выражение для действительной части акустического давления можно упростить для низкочастотного диапазона, k₀a<<1:

Из последней формулы видно, что акустическое давление возрастает пропорционально (k₀a)² в низкочастотном диапазоне. Это означает, что, поскольку (k₀a)²<<1, то излучение щелчков эффективно только на высоких частотах.

При проведении экспериментальных исследований в морских условиях было установлено, что способ имитации эхолокационных импульсов дельфина и устройство для его осуществления обеспечивают излучение акустических импульсов с заданными формой, амплитудой, длительностью и спектром. Эти импульсы с высокой степенью точности имитируют щелчки дельфинов. Излучая эти импульсы, можно управлять стаями рыб.

Формула изобретения

1. Устройство для имитации эхолокационных импульсов дельфина, содержащее упругую цилиндрическую трубку, имеющую внутренний канал и отверстия на концах, пережимное тороидальное кольцо, надетое на упругую цилиндрическую трубку и перекрывающее внутренний канал, для чего упругая цилиндрическая трубка и пережимное кольцо выполнены из резины, резервуар с газом под давлением, имеющий редуктор и клапан, соединенный с одним из отверстий упругой цилиндрической трубки, при этом при использовании пережимное тороидальное кольцо и часть упругой цилиндрической трубки, на которой расположено пережимное тороидальное кольцо, находятся в водной среде, а также гидрофон, размещенный в дальнем поле излучения и предназначенный для контроля характеристики акустического давления и приближения ее к характеристике, соответствующей излучению эхолокационных импульсов дельфина, для чего посредством указанного выше редуктора предусмотрена возможность регулирования давления газа, подаваемого в отверстие упругой цилиндрической трубки.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что пережимное тороидальное кольцо надето от входного отверстия на расстоянии от 1/3 до 2/3 длины упругой цилиндрической трубки.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что пережимное тороидальное кольцо надето на середине упругой цилиндрической трубки.

4. Устройство по любому одному из пп.1-3, отличающееся тем, что в качестве газа использован воздух.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3