Комаров С.Г., независимый исследователь, электромеханик
Предложено техническое решение под названием «Устройство для приёма упругих и электромагнитных волн», которое может быть применено для акустических, магнитных и электромагнитных измерений, например, в устройствах прогнозирования землетрясений, сейсморазведки – при поиске полезных ископаемых, а также для приёма ультразвуковых волн, модулированных более низкой звуковой частотой.
На чертеже представлена блок-схема устройства для приёма упругих и электромагнитных волн.
Устройство для приёма упругих и электромагнитных волн содержит воспринимающий узел (на блок-схеме не обозначен), выполненный с применением стержня 1, например, круглого сечения, из магнитострикционного материала, например, феррита или же интерметаллического соединения редкоземельных элементов или урана с металлами группы железа (никеля), а также других соединений, но с такой кристаллической решёткой, которая позволила бы получать максимальное удлинение или же укорочение стержня 1 при возможно меньших магнитных полях; обмотки 2 первичного возбуждения упругих колебаний, размещённой на одном (первом) конце стержня 1, и конденсатора 3 переменной ёмкости, совместно образующих электрический колебательный контур; устройство содержит газонаполненный, например, воздухом при нормальном атмосферном давлении, узел 4 крепления (подвески) элементов воспринимающего узла, включающий крепёжные прокладки 5, например, для жёсткой точечной подвески стержня 1 за его середину длины; катод 6, выполненный в виде ионизатора газа, размещённого на одном конце – торце стержня 1, например, в виде нанесённого на поверхность излучающего звуковые волны торца стержня 1 радиоактивного препарата радия в дозированном количестве, из-за чего не требующем защиты тканей живых организмов от радиационных разрушений, но способном выделять достаточное количество энергии в течение многих лет без сколько-нибудь заметного её уменьшения для ионизации газа вблизи катода 6; анод 7, выполненный в виде мелкоструктурной электропроводной – металлической сетки, жёстко закреплённой в узле 4 крепления элементов воспринимающего узла и установленной на расстоянии от катода 6, выбранном в пределе 0,1 – 0,5 мм, в том числе, с условием пропускания через себя звуковых волн; стеклянную пластинку 8, установленную на таком расстоянии от анода 7 и параллельно ему, чтобы образовывалась стоячая звуковая волна за счёт интерференции волны, падающей на поверхность стеклянной пластинки 8 и отражённой этой поверхностью волны, а между катодом 6 и анодом 7 образовывалась пучность стоячей звуковой волны; нагрузочный резистор 9 и источник 10 постоянного тока в несколько сот вольт (величина напряжения выбирается в зависимости от исходно выбранного расстояния между катодом 6 и анодом 7) в последовательной электрической цепи с катодом 6 и анодом 7; подключенный к выходу нагрузочного резистора 9 усилитель 11 тока; подключенный к выходу усилителя 11 тока узел 12 согласования сигнала по амплитуде и фазе; обмотку 13 вторичного возбуждения упругих колебаний, которая размещена на другом конце стержня 1 и подключена к выходу узла 12 согласования сигнала по амплитуде и фазе, который, кроме того, соединён с входом узла 14 детектирования электрического сигнала и последующей обработки информации.
Подача потенциала (напряжения) от источника 10 постоянного тока к катоду 6 может быть осуществлена по напыленной на теле стержня 1 тонкой и узкой токопроводящей полоске (на блок-схеме цифрой не обозначена).
Стержень 1 подмагничен (поляризован) постоянным магнитным полем слабой напряжённости от керамического магнита М, закреплённого в узле 4 крепления элементов устройства.
Узел 12 согласования сигнала по амплитуде и фазе может быть выполнен с применением активного регулирующего элемента, например, потенциометра с четырьмя выводами, а также с возможным применением электронных схем.
Положение обмоток 2, 13 возбуждения на концах стержня 1 подбирается экспериментально.
(Примечание: узлы регулировки расстояний между катодом 6 и анодом 7, между анодом 7 и стеклянной пластинкой 8 на блок-схеме не показаны).
Работает устройство для приёма упругих и электромагнитных волн следующим образом.
В исходном состоянии входной колебательный контур воспринимающего узла устройства, образованный обмоткой 2 первичного возбуждения упругих колебаний с помещённым внутри её магнитострикционным стержнем 1 и конденсатором 3 переменной ёмкости, не настроен ни на одну из ближайших гармоник основной собственной частоты свободного стержня 1. Стержень 1 поляризован постоянным магнитным полем от кольцевого магнита М, и под действием этого поля он всё время короче, чем в своём естественном состоянии, если стержень 1 выбран из материала отрицательной магнитострикции (или длиннее, если стержень 1 выбран из материала положительной магнитострикции).
Так как упругие или электромагнитные волны, вызывающие появление в стержне 1 переменного магнитного поля, пока не поступают, то стержень 1 покоится – частота колебаний торцов стержня 1 равна нулю. Катод 6 (поскольку содержит на своей поверхности радиоактивный препарат) излучает электроны. Электроны, вылетающие с катода 6, соединяются с молекулами воздуха, образуя отрицательные ионы, направляющиеся к аноду 7, и в последовательной электрической цепи плюс источника 10 постоянного тока – нагрузочный резистор 9 – анод 7 – катод 6 – минус источника 10 постоянного тока возникает слабый электрический ток. При этом между катодом 6 и анодом 7 возникает однородное распределение электронов и ионов в газовой среде, на нагрузочном резисторе 9 образуется постоянное напряжение, которое подаётся к усилителю 11 тока (переменного тока), но, вследствие своей постоянной величины, не усиливается последним и на выходе усилителя 11 тока напряжение отсутствует. Также отсутствует напряжение на входе узла 12 согласования сигнала по амплитуде и фазе, на обмотке 13 вторичного возбуждения упругих колебаний в стержне 1 и на входе детектирующего и усиливающего электрические сигналы узла 14 обработки и регистрации информации, доведения её к потребителю в нужной форме.
Для приёма упругих волн, например распространяющихся в воздушной среде ультразвуковых (неслышимых человеком) волн с несущей частотой 100 кГц, которые промодулированы звуковой частотой, колебательный контур при помощи кондесатора 3 переменной ёмкости настраивается на одну из гармоник основной собственной частоты свободного стержня 1, например, для стержня длиной 50 мм – на вторую гармонику 100 кГц. При этом стержень 1 возбуждается на частоте 100 кГц от действия поступающего сигнала.
Причина возбуждения стержня 1 заключается в воздействии на стержень 1 внешних упругих волн, вызывающих возникновение упругих колебаний в стержне 1, а, следовательно, возникновение продольного переменного магнитного поля в нём и тока в настроенном колебательном контуре, энергия в котором стремится поддержать создавшееся магнитное поле в стержне 1 и деформацию стержня 1, в том числе, за счёт вторичного возбуждения обмоткой 13 упругих колебаний в стержне 1.
Торцы стержня 1 теперь начинают синхронно совершать гармонические колебания с частотой 100 кГц и тем самым возбуждать в ионизованном промежутке катод 6 – анод 7 ультразвуковую волну, распространяющуюся вдоль по оси стержня 1 и проходящую через сетку – анод 7, обеспечивая неравномерную плотность электронов и ионов в промежутке между катодом 6 и анодом 7 и изменение анодного тока.
На нагрузочном резисторе 9 появляется переменное напряжение, которое усиливается усилителем 11 тока и поступает с одной стороны на вход узла 14 обработки и регистрации информации, и с другой стороны – через узел 12 согласования сигнала по амплитуде и фазе на обмотку 13 вторичного возбуждения упругих колебаний в стержне 1. Узел 12 согласования сигнала по амплитуде и фазе и обмотка 13 вторичного возбуждения упругих колебаний образуют собой положительную обратную связь. В результате интерференции падающей на второй торец стержня 1 и отражённой от него волн в стержне 1 устанавливается стоячая звуковая волна – одна от энергии обмотки 2, другая – от энергии обмотки 13 возбуждения. В середине стержня 1 образуется узел смещений стоячей волны. Что позволяет точечно закрепить стержень 1 в узле 4 за его середину длины, а по краям – торцам стержня 1 образуются пучности смещений.
Включенный в состав узла 14 обработки и регистрации информации детектор тока (на блок-схеме не показан) осуществляет детектирование тока, т. е. преобразование высокочастотного напряжения в низкочастотное. Из-за чего при отсутствии модулирующего воздействия в принимаемом сигнале напряжение на выходе детектора узла 14 будет отсутствовать. Распространяющаяся, например, в воздухе, модулированная низкой частотой упругая ультразвуковая волна оказывает на стержень 1 физическое воздействие, чем самым изменяет амплитуду колебаний торцов стержня 1 и, в конечном счете, величину тока на выходе усилителя 11 тока.
Вся информация об упругих волнах содержится только в огибающей сигнала, поэтому сигнал усилителя 11 тока пропускается через амплитудный детектор узла 14 обработки и регистрации информации, производящий операцию отделения огибающей сигнала от несущей – 100 кГц, т. е. выделение упругих волн низкой частоты, наложенных на несущую частоту.
Согласованность первичного и вторичного возбуждения упругих колебаний в стержне 1 воспринимающего узла и частичное при этом восполнение потерь энергии колебательного контура обеспечивают устройству для приёма упругих и электромагнитных волн весьма высокую чувствительность, которая тем больше, чем больше площади катода 6, расположенного на торце стержня 1 , и сеточного анода 7.
При приёме электромагнитных всплесков, возникающих при динамической деформации материальных сред – горных пород, колебательный контур может быть настроен на частоту электромагнитного всплеска, действующего очень короткое время, например, соответствующее длительности периода динамической деформации – длительности удара. В таком случае высокая чувствительность и избирательность по частоте устройства для приёма упругих и электромагнитных волн повышают, например, надёжность обнаружения месторождений, по-разному передающих и отражающих упругие и электромагнитные волны. Стержень 1 в таком случае своей длиной располагается перпендикулярно к направлению распространения электромагнитной волны.
При приёме чисто электромагнитных волн устройство для приёма упругих и электромагнитных волн может быть помещено в металлический корпус – экран 4, защищающий его от акустических и магнитных воздействий, а для приёма электромагнитных волн используется связь колебательного контура с дополнительно введенной антенной А через конденсатор С связи (конденсатор С предназначен для ослабления связи контура с антенной А. С уменьшением ёмкости конденсатора С эта связь уменьшается, но при этом уменьшаются и помехи от мешающих радиостанций).
Для восприятия энергии принимаемых ультразвуковых волн, например, поступающих через неэлектропроводный или же наоборот электропроводный канатный канал связи, горный массив, металлические изделия строительной конструкции и т. д., используются механически нагруженные каналом связи вспомогательные камеры, заполненные глицерином, водой или же другой жидкостью, в которые должен быть опущен свободный торец стержня 1, образующего собой чувствительный элемент.
Источники информации:
-
Комаров С. Г., Устройство для модуляции электрического сигнала, Авторское свидетельство № 1294134 от 01 ноября 1986 г.