3. Виброакустический инфразвуковой генератор scirocco с питанием от ветрового потока.

3.1 Функциональная схема и оценочный расчёт мощности генератора.

Данный генератор преобразует энергию ветрового потока в инфразвуковую волновую энергию. Питание генератора осуществляется постоянно дующим ветром, например ШИРОКО(постоянный ветер в Северной Африке). Ветер один из мощных энергетических источников, который человечество научилось использовать прежде всего. Сила ветра вычисляется по формуле: F=CV²pS/2 [13]

где:

C- коэффициент формы ветровой нагрузки, для плоской большой пластины с острыми углами С=1.33

p- плотность воздуха, 1.29 кг/м³

S- площадь поперечного сечения ветровой нагрузки, м²

V- скорость ветра относительно ветровой нагрузки, м/с

Вычислим энергетические возможности ветра SCIROCCO. Среднее значение ветра примерно 10м/с, с порывами до 30м/с, иногда ослабевающим до 2м/с. Рассчитаем теоретическую максимальную мощность, которую можно снять c тела поперечным сечением в 1 м² при силе ветра 10м/с:

Сила давления ветра при условии, что тело неподвижно F=1.33*10²*1.29*1/2=85,785Н (т.е. примерно 8,4кг)

Мощность- это работа совершаемая силой за единицу времени.

Если тело неподвижно или двигается со скоростью потока, то потребляемая мощность равна нулю, так как нет полезной работы.

Максимальная мощность выделяется при движении тела(ветровой нагрузке) со скоростью 1/3 от скорости потока ветра.

Поэтому чтобы вычислить максимально возможную мощность будем считать ,что ветер двигает наше тело со скоростью 3.3м/с.

Тогда скорость ветра относительно тела будет равна 10-3.3=6.7 м/с.

Сила ветра действующая на тело будет равна F=1.33*6.7²*1.29*1/2=38.5Н

Вычислим мощность как отношение работы к времени P=A/t=F*L/t=F*V*t/t=FV=38.54*3.3= 127Вт

Где:

P=A/t- мощность, Вт

A=F*L- работа, Дж

L=V*t- расстояние пройденное телом, м

t- время, с

V- скорость тела, м/с

Рис.7 График мощности потребляемой телом с поперечным сечением в 1 м², движущегося в воздушном потоке, который имеет скорость 10 м/с. По оси X показана скорость движения тела в м/с. По оси Y показана мощность потребляемая телом в Вт. Видно, что данная функция имеет максимум в точке 3.3 м/с (1/3 скорости потока). Например, максимально возможная мощность потребления пирамиды Хеопса при таком ветре будет равна: P=S*127 =0.5*230*146*127=2132330 Вт = 2 МВт. где: S,м²-площадь поперечного сечения пирамиды (равнобедренный треугольник) 127,Вт/м² - максимальное количество ватт, которое можно получить с 1 м² при силе ветра 10м/с. Очень приличная мощность для любого передатчика. Например, мощность передатчика Первого канала в Останкино 0,04МВт. Функциональная схема генератора SCIROCCO построена на классической схеме генератора показанной на рис.3. Рис.8 Физическая схема виброакустического генератора SCIROCCO.

На схеме цифрами обозначены:

1. Резонатор (камертон).

2. Камера активного резонансного усилителя.

3. Фокусирующий уголковый отражатель.

4. Канал подачи положительного потенциала энергии.

5. Канал подачи отрицательного потенциала энергии.

6. Каменная пластина(мембрана) положительного потенциала ветровой энергии.

7. Каменная пластина(мембрана) отрицательного потенциала ветровой энергии.

8. Отвод сигнала с выхода усилителя в положительную обратную связь(ПОС).

9. Выключатель ПОС.

10. Канал положительной обратной связи(ПОС).

11. Волновой канал.

12. Резонансный вибратор.

13. Устройства согласования.

Все элементы генератора, работающие на отражении звука, сделаны из камня, желательно из твёрдого. Например, гранита или базальта. Хотя вполне допустимы и более мягкие камни, такие как песчаник и известняк. Все плоскости, по которым движется акустическая волна должны быть гладкими и полированными. Возможно использование более мягких камней, при этом потери на нагрев поверхностей волноводов и мембран будет больше. Фокусирующие элементы конструкций, такие как линзы, призмы(где нет отражения) могут быть выполнены из различных камней и даже из глины или земли. В первую очередь это относится в телу пирамиды, которая фокусирует инфразвук на скалу под своим основанием. Пояснения к устройству элементов генератора:

Резонатор(камертон)(1).

Резонатор -аналог современного кварцевого резонатора, т.е. электрические генераторы сегодня возбуждаются от камней.

Поэтому совсем неудивительно его использование в генераторе SCIROCCO.

Резонатор может быть любой формы, пустотелым, открытым, замкнутым и т.д.

Он должен быть сделан из твердого(звонкого) материала и иметь выраженный резонанс с высокой добротностью.

Для обеспечения высокой добротности, резонатор должен быть приподнят от пола и поставлен на очень твердые подставки (например, кремниевые).

Резонаторная камера(2).

Должна иметь частоту кратную резонатору.

Пол резонаторной камеры должен быть выложен не зажатыми каменными плитами с зазором и твердыми подкладками.

Это усиливает вибрацию в резонаторной камере за счет вторичного переизлучения.

Уголковый отражатель фокусирует акустический сигнал на пол камеры в районе резонатора.

Это приводит к уменьшению выходного сопротивления усилителя и способствует более эффективной отдаче энергии в волновод.

Камера может быть снабжена ревибрационными балками (директорами), которые усиливают сигнал, идущий от уголкового отражателя.

В камеру должны быть заведены каналы питания и ПОС.

Регулировка частоты камеры осуществляется изменением объёма регулировочного колодца.

В регулировочный колодец должен засыпаться кварцевый песок.

Наиболее лучшее место для резонансной камеры усилителя это геометрический центр пирамиды или центр основания.

Каналы питания(4,5).

Каналы питания положительным и отрицательным потенциалом представляют собой открытые каменные волноводы.

Они передают звуковую волновую энергию, создаваемую каменными мембранами(6,7), в резонаторную камеру(2).

Начинаются эти каналы под каменной обшивкой пирамиды и напоминают докторский фонендоскоп.

Эти каналы должны быть открыты, так как при запуске генератора первичная энергия может создавать постоянный или очень низкочастотный потенциал.

Который определяется медленным изменением ветровой нагрузки.

После запуска генератора, пирамида вибрирует с частотой 9-16Гц и с мембран снимается волновая энергия с этой частотой, которая хорошо проходит через воздух и ещё лучше через камень.

Если эти каналы сделать закрытыми камнем, то запустить генератор не получится, хотя запущенный генератор смог бы при этом работать.

Волновые каналы(8,10,11).

Волновые каналы используются для передачи волновой энергии генератора..

Волноводы не участвующие в запуске генератора(Этап 1), могут быть закрыты камнем.

Использование каменных линз в волноводе позволяет регулировать время прохождения волны через волновод.

Каналы положительной обратной связи(8,10).

Очень важные каналы, сигнал идущий с выхода усилителя должен пройти по этим каналам за время кратное периоду волны.

Изначально каналы делают с большим временем задержки сигнала.

После окончательной сборки генератора производят тонкую подстройку времени задержки сигнала.

Для этого в каналы вставляют каменные линзы заданной толщины.

Так как скорость звука в линзе в 15 раз больше, чем в воздухе, то задержка сигнала в канале уменьшается.

Подбором линз добиваются надежного запуска генератора на резонансных частотах.

Волновод(11).

Волноводы предназначены для передачи волновой звуковой энергии.

Они характеризуются волновым сопротивлением, т.е. скоростью переноса потенциала единичным элементом среды.

Волновое сопротивление волновода должно быть согласовано с выходным сопротивлением генератора и входным сопротивлением вибратора.

Это согласование и есть основная сущность инженерного расчета передатчика.

Качество согласования этих элементов оценивается коэффициентом стоячей волны(КСВ).

КСВ характеризует соотношения переданной и отраженной энергии в волноводе.

В согласованном волноводе вся энергия вырабатываемая генератором через волновод поступает в вибратор и далее распространяется в физической среде.

При плохом согласовании большая часть энергий отражается обратно в генератор.

Расчетом волновых сопротивлений и их согласованием занимается прикладная наука ТОР (теоретические основы радиотехники).

Кроме отражения сигнала в волноводах есть невозвратные потери на нагрев волновода.

В любом волноводе есть потери энергий при её передачи, за счет трения, изгибов и нарушения симметрии волноводов.

Поэтому к чистоте поверхности и симметричности волноводов предъявляют повышенные требования.

Устройства согласования(13).

Специальные объёмные и отражательные элементы, которые призваны согласовать выходное сопротивление усилителя, волновое сопротивление волновода и входное сопротивление вибратора.

Без этих элементов работа передатчика практически бесполезна из-за большого отражения сигнала.

Вибратор(12).

Устройство для передачи акустической энергии из воздушной среды волновода в среду каменного монолита.

Вибратор представляет собой прямоугольное помещение, вырубленное в монолите.

Длинная сторона вибратора должна быть равна длине передаваемой волны в воздухе.

Остальные размеры, большой роли не играют.