Фрагмент описания одной из наших работ: В 2014-2015 гг. проводилась разработка широкополосного излучателя
звуковых волн большой мощности с целью создания компактной системы
генерации звуковых колебаний низкой частоты (инфразвуковой диапазон).
Для осуществления такой цели может подойти только излучающая головка,
имеющая высокий КПД при переходе электрических колебаний в упругие,
было принято решение провести поисковые исследования в области
возможности применения СВЧ плазменного шнура для порождения упругих
колебаний в газовой среде.
Из результатов проведенных исследований, стало понятно, что СВЧ
плазма почти идеально подходит для подобных целей, т.к. она имеет
линейную выходную амплитудно-частотную характеристику в широком
диапазоне (от низких – инфразвуковых, до высоких – ультразвуковых
частот). Звуковой излучатель, основанный на подобном принципе работы,
позволяет получать звуковые волны больших и сверх больших амплитуд.
Известно, что лед, в отличие от жидкой воды и водяного пара, является
практически прозрачным для электромагнитных колебаний в широком
диапазоне частот, поэтому прямое воздействие на него направленными
электромагнитными колебаниями ВЧ, УВЧ или СВЧ диапазонов не приведет
к таянию. Лед также является хорошим диэлектриком, что не позволяет
воздействовать на него прямым электрическим разрядом или воздействием
ТВЧ. Резание же льда лазером требует огромных затрат энергии, а при учете
толщины льда в северных широтах, делает это совершенно невозможным.
Даже если на поверхность толстого льда, подвергаемую электромагнитному
воздействию, нанести поглощающую жидкость, то для того чтобы лед
растаял, хотя бы до состояния трещины, необходимы будут огромные
затраты энергии. В результате получается, что самым эффективным методом3
колки ледяных глыб больших размеров и толщины является механический
метод воздействия, а точнее – удар.
Предлагаемая идея состоит в том, что толстые ледяные северные
глыбы должны быть подвергнуты именно механическому воздействию, а
точнее упругому звуковому удару. Звуковая волна должна приходить к
толще ледяной поверхности из-под воды, где скорость распространения
звука на много выше, площадь взаимодействия на много больше, а КПД
передачи энергии на границе раздела сред значительно выше. Еще
необходимо отметить, что нижние слои льда имеют пористую структуру, где
поры и вакуоли льда заполнены соленой водой. При ударе звуковой волной в
этих порах и вакуолях возникает дополнительный эффект кавитации, что
усиливает разрушение.
Для создания звуковой волны большой амплитуды мы предлагаем
использовать плазменный шнур, возникающий внутри плазматрона в момент
подведения к нему СВЧ мощности в импульсном режиме. Не смотря на то,
что исследования проводились в области низких (инфразвуковых) частот в
газовой среде, разработанный плазматрон способен работать и в области
высоких (ультразвуковых) частот с минимальными доработками электронной
схемы модулятора (замена микросхем тракта усиления на более
широкополосные).
Целью ОКР является комплекс работ по разработке конструкторской и
технологической документации на опытный образец гидроакустического
разрушителя ледяного покрова в арктических широтах, изготовлению и
испытаниям опытного образца изделия.
Физические аспекты формирования звуковых волн с помощью
постоянно горящего плазменного СВЧ канала
Во всех известных источниках звука для возбуждения звуковых волн
используется движение твердой поверхности (мембрана, поверхности
кристаллов, способных изменять свои размеры при воздействии
приложенного к ним электрического поля – пьезоэлектрики,
магнитострикционные преобразователи) или колебания газовых или водяных
струй. Все они не могут создавать интенсивные звуковые волны в диапазоне
инфразвуковых частот.
Первый мощный источник инфразвука был создан в Германии в 1944
году. Он представлял собой параболическую антенну, в фокусе которой
периодически производились взрывы газо-воздушной смеси при помощи
электрической свечи.4
По-существу, предложен почти аналогичный способ получения
мощных звуковых колебаний в области инфразвуковых частот. Созданное
устройство основано на постоянно горящем плазменном СВЧ канале, на
который накладывается электрическое воздействие в области звуковых
частот. Устройство прошло экспериментальную проверку.
В результате электрического воздействия возникают поперечные
колебания границ плазменного канала, порождающие появление звуковой
(ударной) волны вокруг плазменного шнура.
Установлено, что при модуляции несущего сигнала СВЧ генератора
короткими импульсами, порядка 1-10 мкс (микросекунд) с острым фронтом
нарастания в области звуковых частот, интенсивность выходных звуковых
колебаний может достигать 30 %-ого преобразования в звук подведенной к
генератору электрической мощности, которая в свою очередь может
достигать десятков киловатт.
Для этого, в открытом пространстве создается плазменный канал при
помощи СВЧ плазматрона, колебания которого производится либо
модуляцией несущей частоты СВЧ генератора, либо путем
непосредственного пропускания импульсов электрического тока через сам
канал ионизированный плазмы.
Благодаря безинерционности процесса колебания плазменного шнура
звуковые колебания могут быть получены в очень широком диапазоне частот
без искажений АЧХ (амплитудно-частотной характеристики). Такая
линейность выходной АЧХ не может быть достигнута ни на одном ныне
существующем звуковоспроизводящем устройстве. Человеческая речь и
музыка воспроизводятся практически без искажений.
Дальность распространения интенсивности звуковой волны,
значительно превышающей болевой порог чувствительности человеческого
уха, при модуляции короткими импульсами, длительностью 1-10 мкс, на
частоте 1-10 кГц может легко достигать 1000 м.
Изготовленный действующий макет СВЧ плазменного источника
звуковых колебаний с СВЧ генератором мощностью 2 кВт способен
развивать мощность выходного звукового сигнала до 200 Вт.
С использованием современных радиоэлектронных компонентов такой
источник может быть размещен в ящике размером с небольшой чемодан,
весом 20-30 кг.
В отличие от немецкого генератора инфразвука времен ВОВ, в котором
звуковые колебания формировались частотой повторения взрывов,
являющихся сами по себе источниками огромного количества шума, в нашем
генераторе реализован принцип модуляции «навязывания» звуковых частот5
на заранее заданную несущую, практически являющуюся когерентной
волной, что позволяет использовать различные антенные системы, дающие
возможность фокусировать и изменять диаграмму направленности звукового
излучения.
В разработанном образце удалось значительно (в десятки раз) повысить
КПД источника звука путем ухода от каких-либо твердотельных мембран и
перехода к системе передачи колебаний плазма – газ. Проблему фокусировки
и направленности звуковой волны удалось решить путем фокусировки не
самого звука, а применения систем фокусировки СВЧ излучения,
порождающего направленный плазменный шнур, являющийся в свою
очередь источником звуковой волны.