CC BY
291
В.Г.Галалу, П.В.Хало
К ВОПРОСУ СОЗДАНИЯ МОЩНОГО АКУСТИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА
ИНФРАНИЗКИХ ЧАСТОТ
Низкочастотные колебания возникают во время землетрясений, штормов, смерчей, торнадо. Для человека восприятие подобных колебаний лежит в субсен-сорной области. Субсенсорные воздействия, неосознаваемые человеком, вызывают изменения в его электроэнцефалограмме, электрической активности кожи и других биологических параметрах. Используя систему мониторинга с применением биологической обратной связи (БОС), можно научить человека осознавать колебания инфранизкой частоты, определять мощность и направление излучения. Наличие таких обученных экспертов-сейсмологов существенно повысит как эффективность прогнозирования различных природных катаклизмов, так и снизит стоимость экспертной оценки. (1)
Кроме того, инфранизкие вибрации и акустические колебания являются сопутствующим фактором многих современных профессий, например летчики, водители транспорта, космонавты и пр. Влияние инфранизких колебаний на человека мало зависят от его индивидуальных особенностей. При частоте порядка 1-2Гц снижается острота зрения и почти исчезает при 4Гц, от 4 до 10Гц нарушается речь, при 10-12Гц наблюдается снижение внимания. Эти факторы представляют реальную опасность для жизни, но их влияние может быть существенно снижено в результате тренировок, эффективность которых многократно возрастает с применением систем с БОС. (2)
Основной технической проблемой в подобных системах является создание генератора мощных акустических колебаний инфранизкой частоты высокой мощности. Энергетической характеристикой звуковых волн является интенсивность звука. Она определяется амплитудой звукового давления или колебательной скоростью частиц, волновым сопротивлением среды, а также формой волны. Субъективная характеристика, соответствующая интенсивности - это громкость звука, которая зависит от частоты. Наибольшей чувствительностью человеческое ухо обладает в области частот 1- 5 кГц. В этой области порог слышимости составляет по интенсивности 10 -12 Вт/м2, а по звуковому давлению 10 "5 Па. Верхняя граница воспринимаемой человеческим ухом интенсивности звука, так называемый болевой порог, слабо зависит от частоты и составляет приблизительно 1-2 Вт / м2.
Источником звука могут быть любые явления, вызывающие возмущения упругой среды, то есть местное отклонение давления от равновесного значения. В создаваемых искусственно излучателях звука для этой цели используются колебания твердых тел (диффузоры громкоговорителей, пьезоэлектрические пластины, мембраны телефонов) или ограниченные объемы воздушной среды (органные трубы и свистки). В природе звуки возбуждаются при обтекании твердых тел потоком воздуха, за счет образования и отрыва вихрей, например при обдувании ветром углов зданий или гребней морских волн. Звуки низких и инфранизких частот возникают при взрывах, обвалах и землетрясениях.
Распространение звуковых волн в воздушной среде характеризуется их скоростью, скорость звука в воздухе составляет 331 метр в секунду. При распространении звуковых волн имеют место обычные для всех типов волн явления интерференции и дифракции. По мере распространения волны происходит постепенное затухание звука, т. е. постепенное уменьшение его интенсивности и амплитуды с расстоянием., которое обусловлено переходом звуковой энергии в тепловую.
При распространении звуковых волн большой амплитуды происходит постепенное искажение синусоидальной формы гармонической волны и приближение ее к ударной. Интенсивность звука убывает с расстоянием по экспоненциальному закону е"2*, где ё - коэффициент затухания, г - расстояние до приемника звука. Коэффициент ё выражается в децибелах на метр. В практических задачах громкость звука принято характеризовать уровнем громкости, измеряемом в фононах. Уровень громкости тона в 1 кГц численно равен уровню звукового давления в децибелах. Для инфразвука болевой порог должен быть на 20 - 30 децибел выше болевого порога на частоте 1000 Гц
Можно предложить следующие варианты реализации генератора:
1. Электромеханический принцип действия. На столь низких частотах промышленные электромеханические преобразователи типа низкочастотных громкоговорителей, основанные на взаимодействии магнитного поля, создаваемого мощным магнитом, с подвижной катушкой обтекаемой током, оказываются неэффективными из-за низкого кпд. Основной недостаток громкоговорителей - относительно низкий кпд (порядка - 3 - 10 %). Громкоговорители подразделяют на электродинамические, электростатические, пневматические и ионные. Расчеты показывают, что средний уровень звукового давления должен соответствовать примерно 100 Па (уровень 140 дБ). Для получения необходимой мощности ход катушки должен составлять несколько десятков сантиметров, что в принципе труднореализуемо. Кроме того, мощность подводимая к катушке, должна составлять несколько сотен ватт, что также создает дополнительные трудности.
Для создания портативного генератора большей акустической мощности можно использовать небольшой турбокомпрессор. Возможна следующая структурная схема устройства: основным элементом должен быть осевой компрессор высокой производительности с давлением порядка 2-3х105 Па, далее используется электромеханический клапан, позволяющий частично перекрывать выходное сопло с требуемой частотой 1 -20 Г ц. Для повышения эффективности такой системы и уменьшения габаритов рабочее давление можно повысить до 5-6 х105 Па. Таким образом, мощный выходной поток воздуха модулируется клапаном и изменение давления воздуха составит 100-200 Па на расстоянии в один метр.
Кроме того, к механическим средствам возбуждения электрических колебаний следует отнести использование пневматических и гидравлических линейных преобразователей. Пневматические системы более быстродействующие и достаточно просто обеспечивают скорость перемещения мембраны, связанной с поршнем, до нескольких метров в секунду. Создаваемое усилие легко регулируется изменением давления или подбором необходимых параметров цилиндра.
Другой возможный принцип - использование коллекторного электродвигателя постоянного тока с редуктором и преобразователя вращательного движения в линейное. Регулируя напряжение, можно преобразовать номинальную частоту вращения в возвратно-поступательное движение мембраны. Мощность электродвигателя должна составлять 100-200Вт.
2. Взрывные установки. Основная идея метода заключается в следующем: имеется источник химического высокоэнергетического вещества, например баллон сжиженного газа (пропан, бутан и т.д.) или керосина, бензина и т. п. объемом 5-10 литров. Вещество через редуктор и электропневматический клапан отдельными порциями поступает во взрывную камеру, на которую с определенной задержкой подается импульс поджига. В результате взрыва создается мощная ударная волна, частота повторения взрывов легко регулируется электронными устройствами. Взрывная камера может быть построена по принципу сопла газотурбин-
ного двигателя. Для увеличения эффективной площади можно использовать линейные фазовые методы формирования ударной волны.
Достоинства: простота устройства, возможность получения высокой мощности, малые габариты и вес. Возможна непрерывная работа генератора в течение нескольких часов. Недостатки: взрывоопасность устройства.
3. Плазменный метод. Основная идея метода заключается в использовании высокотемпературного плазменного разряда конденсаторной батареи напряжением в 3 - 5 киловольт и более, в течение короткого промежутка времени (10-20мкс). Это эквивалентно взрыву небольшой мощности и сопровождается значительным повышением давления воздуха до 10 МПа. Частота таких последовательных микровзрывов может доходить до 40 Гц. Основное достоинство метода-получение высоких звуковых давлений, соответствующих уровню более 150 дБ. Недостатки: использование дорогих платиновых электродов и конденсаторных батарей высокого напряжения.
4. Ионный метод. Для получения мощных низкочастотных колебаний и создания требуемого звукового давления можно использовать поток ионизированного воздуха. Для ионизации воздуха используется система из двух групп электродов, одна из которых представляет собой набор игольчатых проводников, а вторая группа электродов - сетку. Метод аналогичен принципу ионного двигателя, используемого в ракетостроении, экранопланах и пр. Достоинства: кпд порядка 20-25%, маленькая толщина излучателя. Недостатки: необходимость использования высоких напряжений и большая площадь мембраны для низкочастотных колебаний.
5. Пьезоэлектрические преобразователи. К основным достоинствам пьезоэлектрических преобразователей следует отнести достаточно большой коэффициент преобразования электрических колебаний в звуковые. Наиболее высокий КПД (до 90%) получается на резонансных частотах излучателей. При этом подводимая мощность измеряется десятками ватт, а среднее звуковое давление составляет 90 - 140дБ (сигнальные сирены, автосигнализация). На низких частотах пьезопреобразователи менее эффективны из-за высокой сжимаемости воздуха, и требуют большей площади излучающих пластин. Для создания колебаний инфраниз-кой частоты целесообразно использовать два метода: метод вибрато и метод интерференции. Существует три основных типа вибрато: амплитудное, частотное и фазовое. При использовании первого метода создается стоячая волна, играющая роль виртуальной мембраны.
Интерференция или метод акустических биений двух высоких частот, например 20,000 кГц и 19,990 кГц, дает частоту биений 10 Гц. Очевидно, что эти методы являются перспективными для формирования акустических волн, т.к. они обладают высоким кпд преобразования и малыми габаритами. Для получения большой выходной мощности необходимо использовать несколько сотен пьезоэлементов, работающих параллельно. Это приводит к определенным затруднениям, т.к. пьезоэлементы могут иметь некоторый разброс резонансных частот.
Недостатком вышеописанных пьезоэлектрических преобразователей является наличие мощного ультразвукового излучения, что может быть исключено при использовании метода фазовой решетки. С целью повышения мощности излучения можно использовать биморфный способ включения излучателей (два излучателя на одной мембране).
6. Тепловой метод. Звуковые колебания в воздушной среде преобразуются в тепловые, которые так же могут восприниматься человеком. Поэтому возможно для генерации инфразвуковых колебаний использование мощного электромагнитного СВЧ-излучения, промодулированного инфразвуковой частотой. Основные
преимущества такого метода - возможность высокой концентрации потока энергии и создание инфразвуковых колебаний в заданной точке пространства. Недостаток метода - побочные эффекты ВЧ-злучения.
7. Г азоструйные излучатели типа свистка Г альтона или Г артмана. Для
получения инфразвуковых колебаний используются объемные резонаторы, перестраиваемые на заданных частотах. Колебания возникают при обтекании резонатора струей газа. Недостатки: необходимость использования внешнего компрессора или баллона со сжатым газом.
Выводы: Наиболее перспективными для создания портативного генератора инфранизких акустических колебаний высокой мощности является пьезоэлектрический метод с использованием фазовой решетки и биморфной конструкцией излучателей и плазменный метод.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Адам Д. Восприятие, сознание, память. -М.: Мир. -1983.
2. Диментберг Ф.М., Фролов КВ. Вибрация в технике и человек. -М.: Знание. -1987.
Л.В. Ахметвалеева, А.А. Горбунов, Л.Ф. Шамсутдинов
СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ В ПРОГРАММНОЙ СРЕДЕ ELECTRONIC WORKBENCH
Модернизация образования, базирующаяся на информационнокоммуникационных технологиях, предполагает формирование новых моделей учебной деятельности, использующих информационные и коммуникационные технологии. Приведение содержания подготовки современных специалистов в соответствии с требованиями времени и достигнутым уровнем развития техники особенно остро стоит перед техническими учебными заведениями из-за морального и технического старения существующей технической базы, отсутствия у них необходимого современного лабораторного оборудования и недостатка собственных финансовых средств. Одним из выбранных Министерством образования РФ путей решения этой проблемы является разработка и внедрение специализированных электронных автоматизированных учебных комплексов, доступных всем заинтересованным учебным заведениям.
В настоящее время появилось достаточно много интеллектуальных информационных технологий, позволяющих улучшить традиционные системы образования и создать принципиально новые компьютерные технологии обучения. Для конкретной изучаемой области каждая из перечисленных имеет свои преимущества перед традиционными формами обучения и в значительной степени зависит от используемых программных сред и технических средств. Нами предлагается обучающий лабораторный практикум на базе ELECTRONIC WORKBENCH по анализу и синтезу цифровых устройств. Легкость сборки схем и проведения измерений позволяет проводить экспериментальную оптимизацию схем, а также использовать показания приборов для проверки расчетов схем, проводимых по индивидуальным заданиям, контрольным работам и т.д. Разработанный комплекс адаптирован к выполнению лабораторного практикума, а также для организации самостоятельной работы студентов.
В созданных лабораторных работах рассматриваются вопросы анализа и синтеза комбинационных и последовательных логических схем. Обучающий процесс построен таким образом, что студенты предварительно изучают теоретиче-
