Результат интеллектуальной деятельности: ПОДВОДНЫЙ ГЕНЕРАТОР ОТПУГИВАЮЩИХ ЗВУКОВ

Изобретение относится к экологии в области средств защиты диких животных, в частности к устройствам образования физических полей, предназначенных, преимущественно, для не травмирующего отпугивания водных обитателей, включая акул, от локальных зон, опасных для их жизни.

При аварийных выбросах в водоемы нефтепродуктов и других вредных веществ образуются локальные зоны, в которых гибнут ее обитатели: пернатые водоплавающие, млекопитающие и рыбы. В местах массового забора воды, например, для орошения полей или для вращения турбин гидроэлектростанций, гибнет рыба, особенно ее молодь. Эти места также являются локальными зонами, опасными для жизни водных обитателей. Различные по причинам образования локальные зоны могут быть временными или стационарными. Однако в любом случае можно снизить количество водных обитателей, гибнущих в опасных локальных зонах, если своевременно и не травмируя отпугнуть их от этих зон.

Древние рыбаки пугающими звуками загоняли рыбу в сети. Для этого они выстраивали лодки с интервалами в ряд или в форме веера и, сильно хлопая по воде перевернутыми специальными керамическими вазами или веслами, медленно подгребали к сети. Пугаясь издаваемых звуков, рыбы, уплывая от них, попадали в сети. Это означает, что способ управления перемещением водных обитателей пугающими, короткими по продолжительности звуками давно общеизвестен. Однако для его широкого практического применения в качестве способа защиты водных обитателей необходимы импульсные генераторы отпугивающих звуков современного уровня.

В истории кораблекрушений и пляжных морских развлечений известны случаи многочисленных нападений акул на людей. Так произошло летом 2011 г. на пляжах Приморского края РФ, а намного ранее на пляже Австралии акулы съели министра. После этого были организованы жестокие расправы со всеми акулами, что с позиции экологии недопустимо. В силу такой жестокости людей морские пляжи стали опасными зонами для акул. Нужно отпугивать акул от людей и закреплять у них инстинкт опасности в соседстве с людьми. При этом неизвестны нападения акул на млекопитающих из отряда китообразных. Акулы опасаются даже представителей семейства дельфиновых, и самых маленьких из них - из рода дельфинов. Дельфины очень организованные существа: живут и охотятся семействами или группами, как волки стаями, и могут дать серьезный отпор, и даже уничтожить акулу. Есть основание полагать, что китообразные своими звуками предупреждают акул об их гибели в случае приближения. Следовательно, нужны генераторы, которые имитировали бы достаточно мощные звуки, издаваемые китообразными животными.

В силу изложенного, для инструментального обеспечения натурных исследований эффективности воздействия отпугивающих звуков на морских обитателей и решения вопроса «цена-качество», определилась необходимость в создании двух, принципиально отличимых групп пневматических генераторов - импульсных и имитаторов.

Заявляемый генератор относится к группе имитаторов.

Дышащие воздухом животные, в том числе и китообразные, для создания звуковых сигналов выталкивают из себя в окружающую среду сжатый воздух с модуляцией истекающего воздушного потока. Для усиления отдельных частот в спектре звуков данные животные наделены биологическими резонаторами. Этот механизм у живых существ работает с очень высоким КПД преобразования кинетической энергии сжатого воздуха в звуковые волны. Например, сравнительно маленькие вороны, кукушки и лягушки издают весьма громкие звуки. При этом даже самые крупные животные выталкивают из себя воздух с избыточным давлением не более 0,025 МПа.

Принцип генерации звуков в воде морскими животными был заложен при создании имитаторов в виде технического подобия звукообразующих органов семейства дельфиновых. Эти работы велись в 70-80-е годы прошлого столетия совместно Тихоокеанским Океанологическим Институтом ДВНЦ АН СССР и Тихоокеанским Научно-исследовательским Институтам Рыбного Хозяйства и были направлены на обеспечение управляемого перемещения косяков пелагических (приповерхностных) рыб. Инициировали направление работ убеждения ихтиологов, что у пелагических рыб выработался инстинкт «удирать» от дельфинов, которые испокон веков ими питаются. Ряд натурных экспериментов с применением рабочих моделей имитаторов звуков дельфинов показали положительный, уверенный результат. В одном крупномасштабном эксперименте удалось отогнать косяки сельди от нерестовой бухты, где погибала вся икра, так как со дна бухты пошел сероводород. В этом эксперименте так же было замечено, что при работе имитаторов, цепочкой перегородивших вход в «заморную» бухту, ее сразу покинули сивучи, одни из крупнейших представителей отряда ластоногих.

Среди имитаторов звуков известен генератор гидроакустических сигналов, содержащий источник парогазовой смеси и механизм ее выпуска в воду, отличающийся тем, что с целью регулировки выпуска парогазовой смеси по требуемой модуляции, механизм выпуска выполнен в виде неподвижной группы рупоров, расположенных плоскопараллельно относительно выпускных отверстий источника сжатой парогазовой смеси с зазором, в котором размещена упругая перфорированная диафрагма, связанная с приводом вращения (А.С. №557653, 1977 г.).

Отверстия (перфорации) в диафрагме расположены на диаметре выпускных отверстий группы рупоров. Отверстия в диафрагме служат для образования сквозного канала от источника парогазовой смеси в рупоры и далее в воду. Форму отверстий в диафрагме и шаг их расположения по окружности выбирают в зависимости от требуемой модуляции выпускаемой парогазовой смеси. При вращении диафрагмы приводом сквозные каналы рупора циклически открывают отверстия диафрагмы, а затем стенка диафрагмы их перекрывает, образуя модуляцию истекающего газа, который соответственно инициирует звуки в воде. Эта модуляция также зависит от скорости вращения упругой диафрагмы.

Данный генератор может быть достаточно мощным, но он был предназначен для научных целей, например, имитировать звуки судов и кораблей в длительном режиме генерации. Однако данный генератор представляется чрезмерно сложным и затратным в изготовлении, а по массогабаритным параметрам неприемлем для использования в экологических целях.

Известен генератор гидроакустических сигналов «ДЕЛЬФИН», содержащий источник парогазовой смеси и механизм ее выпуска в воду через каналы рупоров, отличающийся тем, что с целью расширения диапазона регулирования частотных составляющих спектра излучаемого сигнала каждый рупор снабжен насадкой, выполненной в виде втулки с глухим осевым и сквозным радиальным каналами, при этом насадки обтянуты эластичной манжетой, помещенной в цилиндрическую пружину сжатия, которая снабжена механизмом регулирования шага витков (А.С. №654920, 1978 г.).

В этом генераторе механизм выпуска парогазовой смеси или сжатого воздуха в канал насадки выполнен в виде электропривода. При открытии канала от источника сжатого воздуха в канал насадки эластичная манжета вспучивается и давит на виток пружины, смещая его к основанию насадки. После этого манжета продолжает вспучиваться, образуя зазор над насадкой. По зазору порция сжатого воздуха выбрасывается в воду, генерируя звук. Когда подачу сжатого воздуха прекращают, давление в полости насадки падает, а манжета и виток пружины возвращаются в исходное положение. Неуравновешенные колебания манжеты и пружины изменяют площадь зазора, вызывая модуляцию потока выбрасываемого воздуха, что определяет спектр генерируемых звуков.

Известен генератор гидроакустических сигналов «ДЕЛЬФИН-2» (А.С. №803678, 1980 г.). В этом изобретении, в отличие от предыдущего, механизм упругого прижатия эластичной манжеты выполнен в виде кронштейна, один конец которого закреплен на основании насадки, а другой расположен у выходного отверстия насадки, и на нем винтовым соединением закреплен стержень со сферической упорной поверхностью торца, примыкающего к отверстию, причем концы кронштейна скреплены упругим соединением в виде незамкнутого витка. В данном генераторе при выбросе сжатого воздуха в воду обеспечены неуравновешенные колебания манжеты и стержня на упругом незамкнутом витке кронштейна, что изменяет площадь зазора, вызывая модуляцию потока воздуха.

Известна звукообразующая насадка генератора гидроакустических сигналов, содержащая втулку с глухим осевым и радиальными сквозными отверстиями, эластичную манжету и механизм упругого прижатия манжеты, отличается следующим: на наружной поверхности втулки выполнен кольцевой выступ треугольного сечения, в гребень которого выведены сквозные радиальные каналы, а на наружной поверхности выступа над выходными отверстиями радиальных каналов отдельными сегментами уложены эластичные манжеты, которые перпендикулярно выступу предварительно упруго натянуты и закреплены хомутами, охватывающими втулку у оснований выступа (А.С. №940098, 1982 г.).

Подаваемый из источника сжатый воздух проходит по глухому осевому и сквозным радиальным каналам, вспучивает манжеты и вытекает в воду по образовавшимся зазорами. Неуравновешенные колебания вспученных манжет вызывают изменение площадей зазоров, вызывая модуляцию отдельных потоков. Цель изобретения - повышение надежности и упрощение конструкции, а также расширение спектра излучения. Звукообразующая насадка по характеристикам спектра излучаемого сигнала эквивалентна нескольким насадкам генератора «Дельфин-2», используемых одновременно.

В изобретениях «ДЕЛЬФИН», «ДЕЛЬФИН-2» и «ЗВУКООБРАЗУЮЩАЯ НАСАДКА» представлены варианты звукообразующих насадок, которые являются модуляторами потока воздуха.

В качестве ближайшего аналога выбран генератор гидроакустических сигналов «АФАЛИНА», содержащий источник сжатого воздуха, механизм выпуска воздуха в канал насадки и насадку с эластичной манжетой, дополнительно введена накопительная камера, на входном канале которой установлен дроссельный клапан, а на выходом - механизм выпуска воздуха в канал насадки, представляющий собой корпус с размещенным в нем выпускным клапаном, кинематически связанным с клапаном предельного давления, выполненным в виде цилиндра с поршнем, который с одной стороны поджат цилиндрической пружиной сжатия, а с противоположной стороны поджат плоско-выпуклой мембранной пружиной, имеющей устойчивое положение только в крайних, противоположных направлениях стрелы прогиба (А.С. №776276, 1980 г.).

Целью данного изобретения является обеспечение автономного режима работы генератора с регулируемыми интервалами времени между посылками сигналов. От источника сжатый воздух поступает в накопительную камеру. При этом канал насадки перекрыт выпускным клапаном. Когда давление воздуха в накопительной камере достигнет заданного рабочего, клапан предельного давления и выпускной клапан смещаются скачком, чему способствует мембранная пружина, меняя стрелу прогиба. При этом открывается канал для прохода воздуха в звукообразующую насадку. При снижении давления воздуха в накопительной камере до определенного значения выпускной клапан, мембрана и клапан предельного давления возвращаются в исходное положение.

Дроссельный клапан (клапан тонкой регулировки) предварительно настраивают на требуемую объемную скорость натекания воздуха в накопительную камеру, которая намного меньше объемной скорости истекания воздуха через насадку. Объемной скоростью натекания воздуха задают интервалы времени между посылками сигналов. Согласно схеме и описанию данный генератор работает в автономном режиме.

Представленный механизм выпуска воздуха в канал насадки обеспечивает ступенчатый сброс давления в накопительной камере. При этом ступенька сброса давления зависит, в основном, от жесткости мембранной пружины.

Однако кинематическая связь выпускного клапана с мембранной пружиной и клапаном предельного давления представляются нецелесообразно сложной в изготовлении и регулировке. По выполняемой функции этот механизм представляет собой общеизвестный клапан ступенчатого сброса давления газа, который широко применяют в различных газовых системах, надежен в эксплуатации, несложен в изготовлении и легко регулируется.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание эффективного автономного подводного генератора, отличающегося малыми габаритами и массой, простого в изготовлении и эксплуатации.

Техническим результатом является повышение эффективности не травмирующего отпугивания, повышение мощности и надежности при длительной работе в автоматическом режиме, снижение затрат на изготовление и эксплуатацию, снижение массогабаритных нагрузок на обсуживающего оператора при полной автономности всего комплекса генератора, т.е. повышение мобильности комплекса.

Поставленная задача решается тем, что подводный генератор отпугивающих звуков, содержащий источник сжатого воздуха, воздуховод, дроссельный клапан, накопительную камеру с входным и выходным каналами, модулятор воздушного потока, выполненный в виде втулки, в канале которой установлен лепесток с возможностью упругого деформирования при взаимодействии с воздушным потоком, пропускаемым через модулятор, и клапан ступенчатого сброса давления воздуха из накопительной камеры отличается тем, что в него внесены существенные изменения и дополнения, а именно:

- что клапан ступенчатого сброса давления воздуха выполнен в виде цилиндра с глухой перегородкой, образующей два разнонаправленных стакана, причем концы корпуса клапана ступенчатого сброса давления снабжены резьбой, выполненной с возможностью скрепления, соответственно, с накопительной камерой и корпусом модулятора воздушного потока;

- в полости первого стакана расположен поршень, который посредством пружины сжатия подпружинен относительно глухой перегородки стакана и снабжен торцевым уплотняющим элементом;

- в стенке корпуса клапана ступенчатого сброса давления предусмотрены три группы радиальных отверстий, первая из которых расположена на нижнем участке, а вторая на верхнем участке стенок первого стакана, при этом третья группа радиальных отверстий выполнена в стенке второго стакана ниже торца корпуса модулятора воздушного потока;

- корпус клапана ступенчатого сброса давления плотно обжат эластичной манжетой, концы которой зафиксированы хомутами за пределами участка корпуса клапана ступенчатого сброса давления, на котором размещены радиальные отверстия, причем участок корпуса клапана ступенчатого сброса давления, снабженный эластичной манжетой, закрыт водопроницаемым чехлом.

Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения с существенными признаками аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».

Один из признаков новизны представленного клапана ступенчатого сброса давления, по сравнению с общеизвестными аналогичными клапанами, заключается в том, что он снабжен компенсатором воздушного давления в полости расположения пружины. При работе под водой, вода не натекает в эту полость.

Другие признаки новизны клапана заключаются в следующем. Известные клапаны ступенчатого сброса давления представляют собой единые автономные устройства, в которых пружины сжатия прижаты к поршням болтообразными упорами со стороны, противоположной расположению герметизируемых отверстий. В представленном клапане ступенчатого сброса давления пружина сжатия прижата к стенке стакана поршнем со стороны герметизируемого отверстия, при этом элемент накопительной камеры - выходной канал, стал неотъемлемой частью клапана.

Резьбовое соединение корпуса клапана ступенчатого сброса давления с выходным каналом накопительной камеры позволяет оперативно менять пружину сжатия или устанавливать на дно стакана дополнительные опорные шайбы. Такое построение клапана значительно упрощает его изготовление.

На фиг.1 показана конструкция подводного генератора отпугивающих звуков.

На фиг.1 показаны дроссельный клапан 1, корпус накопительной камеры 2 с входным 3 и выходным 4 каналами, корпус 5 и лепесток 6 модулятора воздушного потока, корпус 7 и глухая перегородка 8 клапана ступенчатого сброса давления воздуха, первый 9 и второй 10 стаканы клапана ступенчатого сброса давления воздуха, поршень 11 с торцевым уплотняющим элементом 12, пружина сжатия 13, радиальные отверстия 14, 15 и 16, эластичная манжета 17, хомуты 18 водопроницаемый чехол 19.

На фиг.1 не показаны источник сжатого воздуха и воздуховод от него в дроссельный клапан 1.

В левой части чертежа поршень 11 показан в нижнем положении при герметично закрытом выходном канале 4, а в правой части чертежа поршень 11 показан в верхнем положении при открытом выходном канале 4. На чертеже показана конструкция модулятора 5 воздушного потока вместе с лепестком 6, который применяется в некоторых духовых музыкальных инструментах. Модулятор 5 воздушного потока может быть другим, что не принципиально для описания работы генератора и его построения.

Устройство работает следующим образом.

В исходном положении (смотри левую часть фиг.1) жесткостью пружины сжатия 13 поршень 11 с торцевым уплотняющим элементом 12 герметично прижат к торцу выходного канала 4, при этом эластичная манжета 17 герметично перекрывает радиальные отверстия 14, 15 и 16. В таком состоянии генератор погружают на заданную глубину, при этом внешняя вода не натекает в полость первого стакана 9 клапана ступенчатого сброса давления воздуха с пружиной сжатия 13 и поршнем 11 с торцевым уплотняющим элементом 12.

Затем подают сжатый воздух в дроссельный клапан 1. Когда давление воздуха в накопительной камере 2 достигнет величины, при котором ее действие на поршень 11 по живому сечению выходного канала 4 незначительно превысит жесткость пружины сжатия 13, поршень 11 отходит от торца выходного канала 4, воздух прорывается под всю площадь торца поршня 11 и отбрасывает его в сторону дна второго стакана 10 клапана ступенчатого сброса давления воздуха, сжимая пружину сжатия 13. При этом сжатый воздух выходит из накопительной камеры 2 через отверстия 14 и вздувает эластичную манжету 17 до ее упора в водопроницаемый чехол 19 (смотри правую часть фиг.1). Отверстия 15 служат для стабилизации давления воздуха в полости первого стакана 9 клапана ступенчатого сброса давления воздуха при перемещении поршня 11. Сжатый воздух во вздутой эластичной манжете 17 через отверстия 16 прорывается в канал модулятора 5 воздушного потока, вытесняет из него воду, возбуждает колебания лепестка 6 модулятора воздушного потока и вырывается наружу. Происходит генерация звука.

Когда давление воздуха в накопительной камере 2 падает до величины, при котором ее действие на площадь торца поршня 11 станет несколько ниже жесткости пружины сжатия 13, поршень 11 возвращается в исходное положение, замыкая выходной канал 4. Процесс заполнения накопительной камеры 2 сжатым воздухом протекает непрерывно, и через заданный интервал времени опять срабатывает клапан 7 ступенчатого сброса давления с последующей генерацией звуков.

Термины - «несколько превысит» и «несколько ниже» отражают величину гистерезиса в срабатывании клапана 7 ступенчатого сброса давления, связанную, например, с трением поршня 11 в полости первого стакана 9 клапана ступенчатого сброса давления воздуха и моментом сдвига его массы.

Водопроницаемый чехол 19 выполнен из прочного тканевого материала в виде сетки с мелкими ячейками и служит для прохождения воды при вздутии эластичной манжеты 17 и ограничения объема воздуха во вздутой эластичной манжете 17.

Вздутая эластичная манжета 17 с водопроницаемым чехлом 19 представляет, в каком-то приближении, подобие лобовой полости в голове китов и дельфинов, через которую они выдавливают воздух. Эта полость, как и вздутая манжета, исполняет роль резонатора отдельных частот генерируемого спектра звуков. За счет наличия резонатора в конструкции генератора возможно повысить КПД генерируемых звуков, приближая его к КПД у дельфинов и китов. Длительность генерируемых звуков, кроме избыточного давления во вздутой эластичной манжете 17 и объема используемого воздуха, зависит от сопротивления истеканию воздуха через отверстия 16 и канал модулятора 5 воздушного потока.

Изготовление деталей генератора, его сборка и настройка не вызывает каких либо серьезных технических и технологических вопросов.

Для представления о проектируемом подводном генераторе отпугивающих звуков даны некоторые параметры из технического задания. Объем накопительной камеры 0,6-1 л; давление срабатывания клапана ступенчатого сброса давления 0,3-0,5 МПа; ступенька сброса давления 2,5-3; объем вздутой манжеты 1-3 л; избыточное давление во вздутой эластичной манжете до 0,05 МПа; длительность генерации звуков до 4 сек.; период заполнения накопительной камеры от 40 сек. и более; масса генератора не более 4 кг.