Проект “Плазменные излучатели звуковых волн”

Инновационные проекты, получившие положительное заключение  экспертизы, организованной ГУНИД Минобороны.  

 

 

 

 

 

Проект 10  

Плазменные излучатели звуковых волн

 

Из описания проекта:   

Инфразвуковые колебания действуют на живые организмы за счет возникновения резонанса, так как собственные частоты колебаний органов живых организмов находятся в инфразвуковом диапазоне: 

  • сокращения сердца – 1…2 Гц; 
  • дельта-ритм мозга (состояние сна) – 0,5…3,5 Гц; 
  • тета-ритм мозга – 4…8 Гц; 
  • альфа-ритм мозга (состояние покоя) – 8…13 Гц; 
  • бета-ритм мозга (умственная работа) – 14…35 Гц. 

Самым опасным считается промежуток инфразвуковых частот от 6 до 9 Гц. Значительные психотронные эффекты сильнее всего проявляются на частоте 7 Гц, созвучной тета-ритму природных колебаний мозга.

Согласно действующим нормативным документам для человека уровни звукового давления в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 2, 4, 8, 16, Гц должны быть не больше 105 дБ.

В зависимости от силы инфразвукового воздействия могут возникать чувства страха, ужаса или паники и психозов на их почве до соматических расстройств (от расстройств органов зрения до повреждения внутренних органов, вплоть до летального исхода). Для инфразвука характерно малое поглощение в различных средах и благодаря большой длине волны инфразвуковые волны могут распространяться в воздухе, воде и в земной коре на большие расстояния.

Практически невозможно остановить инфразвук при помощи строительных конструкций на пути его распространения. Не эффективны также средства индивидуальной защиты.

Основные способы получения инфразвуковых волн большой мощности: 

  1. акустический способ - резонансная труба длиной 10..20 м возбуждаемая механической «сиреной», в которой поток воздуха прерывается затвором с нужной частотой; 
  2. использование объемных резонаторов Гельмгольца, при этом резонатор имеет меньшие размеры, чем резонансная труба; 
  3. сложение двух совпадающих по фазе ультразвуковых сигналов большой мощности, излучаемых двумя разнесенными пьезокерамическими динамиками. 

Для получения инфразвуковой волны использование резонансной трубы или резонатора Гельмгольца и любых других излучателей прямого преобразования электрической мощности в звуковую волну нерентабельно, поскольку в этом случае размеры излучателя инфразвуковой волны, например, частотой 19 Гц должны быть не менее 4,5 м в длину, а диаметр фокусирующего зеркала должен быть, как минимум в 10 раз больше линейного размера излучателя.

Поэтому при создании систем современного звукового (шумового) оружия разработчики предпочитают использовать пьезокерамические импульсные излучатели. Такие излучатели разработаны в США и применялись в Югославии и Ираке.

В данном проекте предложен механизм получения мощных звуковых колебаний, основанный на постоянно горящем низкотемпературном плазменном канале сверхвысокой частоты (СВЧ), на который накладывается электрическое воздействие в области звуковых частот.

Аналогов излучателей звуковых волн, использующих низкотемпературную плазму, нет.

Задачи, предлагаемые к решению в рамках проекта:

  • создание компактных плазменных излучателей, способных формировать звуковые колебания в инфразвуковом, акустическом и ультразвуковом участках диапазона звуковых волн в воздушной и водной средах; 
  • разработка на основе плазменных излучателей макетных образцов инфразвуковой специальной техники, действующей на расстоянии по различным биообъектам и бортовому оборудованию техники. 

Актуальность реализации проекта определяется необходимостью решения проблемы нейтрализации различных биообъектов (террористы и т.д.), использующих различного рода укрытия на земле, под землей и под водой.

В гражданской области результаты реализации проекта могут быть использованы для освобождения от ледяного покрова акваторий портов, нефтяных и газовых платформ в арктической зоне, доков ремонтных заводов и маршрутов движения судов, а также борьбы с биообъектами (грызуны и т.д.) при хранении различной продукции.

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. Указанные источники звука не могут создавать интенсивные (более 105 дБ) звуковые волны в диапазоне инфразвуковых частот (1..25 Гц).

Несмотря на многочисленные исследования, ученым так и не удалось создать компактный макет мощного инфразвукового излучателя направленного действия из-за низкого КПД твердотельной мембраны и отсутствия дальнейшей возможности фокусировки и направленного излучения инфразвуковых колебаний из-за слишком большой длины волны.

Для создания звуковой волны большой амплитуды в проекте предлагается использовать плазменный шнур, возникающий внутри плазматрона в момент подведения к нему СВЧ мощности в импульсном режиме. Созданное устройство основано на постоянно горящем плазменном СВЧ канале, на который накладывается модулированное электрическое воздействие в различных областях звуковых частот.

В результате электрического воздействия возникают поперечные колебания границ плазменного канала, порождающие появление звуковой (ударной) волны вокруг плазменного шнура, на частотах полосы модуляции.

При разработке устройства использовалась технология формирования излучения, позволяющая создавать в плазматроне управляемую низкотемпературную плазму.

Установлено, что при модуляции несущего сигнала СВЧ генератора короткими импульсами порядка 1..10 мкс (микросекунд) с крутым фронтом нарастания в области звуковых частот интенсивность выходных звуковых колебаний может достигать 30% преобразования в звук подведенной к генератору электрической мощности, которая в свою очередь может достигать десятков киловатт.

Благодаря безинерционности процесса колебания плазменного шнура звуковые колебания могут быть получены в очень широком диапазоне частот без искажений амплитудно-частотной характеристики (АЧХ). 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 достигать до 1000 м.

Разработанная заявителем проекта лабораторная установка мощностью 2 кВт прошла экспериментальную проверку и имеет следующие технические характеристики:

  1. Выходной генератор СВЧ мощности - магнетронный.
  2. Несущая частота - 2,45 ГГц.
  3. Выходная СВЧ мощность - 2 кВт.
  4. Потребляемая мощность от сети 380В/50Гц (3 фазы) - 4,5 кВт.
  5. Охлаждение - водяное.
  6. Подведение СВЧ мощности - волноводное.
  7. Плазмообразующий газ - воздух (без предварительной осушки).
  8. Давление в системе воздухоподачи (не менее) - 2 атм.
  9. Длина плазменного канала (не более) - 100 мм.
  10. Объем плазменного шнура (не менее) -1,26*10-5 м.
  11. Длина излучающей поверхности (не более) - 50 мм.
  12. Площадь излучающей поверхности (не более) - 7,54*10-3 кв. м.
  13. Выходная мощность звука (не менее) - 90 дБ.
  14. Режим работы - непрерывный/импульсный.
  15. Метод фокусировки плазменного шнура - волноводно-резонансный.
  16. Режимы модуляции несущей частоты - амплитудная модуляция с изменяемой глубиной/ШИМ.
  17. Поддерживаемые классы усиления звукового сигнала - класс А, АВ, D.
  18. Количество электрических модулей в установке - 3 шт.
  19. Габариты основного силового модуля - 1x1x1 м.
  20. Общий вес установки - 320 кг.

Изготовленный действующий макет СВЧ плазменного источника звуковых колебаний с СВЧ генератором мощностью 2 кВт способен развивать мощность выходного звукового сигнала до 200 Вт. При общей площади излучающей поверхности плазмы 7,54*10-3 кв. м выходная мощность звука установки составляет примерно 90 дБ. Для достижения уровня громкости равного болевому порогу 130 дБ и выше создана установка, работающая на частоте 915 МГц с выходной мощностью 50 кВт (см. рис. 1). Длина излучающей поверхности плазменного шнура в ней составляет не менее 700..800 мм, а ее площадь не менее 0,42 кв. м.

Проект-10_Установка с выходной мощностью 50 кВт

Рис. 1 – Установка с выходной мощностью 50 кВт

Проект-10_Работа плазматрона с выходной мощностью 50 кВт

Рис. 2 − Работа плазматрона с выходной мощностью 50 кВт на частоте 915 МГц

 

Разработка малогабаритных источников инфразвука, способных на расстоянии обеспечить уровни звукового давления более 105 дБ, является предпосылкой к созданию инфразвуковой специальной техники.

В предлагаемом устройстве реализован принцип модуляции «навязывания» звуковых частот на заранее заданную несущую, практически являющуюся когерентной волной, что позволяет использовать различные антенные системы, дающие возможность фокусировать и изменять диаграмму направленности звукового излучения.

Проблема фокусировки и направленности звуковой волны решается путем фокусировки не самого звука, а применения систем фокусировки СВЧ излучения, порождающего направленный плазменный шнур, являющийся в свою очередь источником звуковой волны.

Таким образом, в экспериментальном образце удалось на порядок повысить КПД источника звука путем ухода от каких-либо твердотельных мембран и перехода к системе передачи колебаний «плазма-окружающая среда».

В качестве перспективного направления в противодействии робототехническим системам (РТК) представляется возможным рассмотреть использование звуковых волн высокой интенсивности в определенном диапазоне частот для выведения из строя бортового оборудования РТК (двигателей, автопилотов, гироскопов и элементов MEMS). Подобные исследования по воздействию на гироскопы проводятся в Корейском передовом институте науки и техники, результаты которых представлены на конференции в Вашингтоне в августе 2015 года.

С целью уменьшения массогабаритных размеров инфразвукового устройства в проекте возможна разработка аналога созданной экспериментальной установки, который будет построен с использованием современной элементной базы. Предполагаемый экспериментальный образец будет размещаться в одном блоке с размерами, примерно 700x450x350 мм и иметь вес не более 20 кг. Образец будет изготовлен полностью на отечественной элементной базе, без использования комплектующих компонентов изготовленных за рубежом.

В рамках проекта возможна реализация варианта использования
излучателей инфразвука в водной среде, например, для борьбы с различными
биообъектами, непилотируемыми подводными аппаратами или разрушения
(измельчения) льда в акватории портов, освобождения от пакового льда судов и
морских платформ (см. рис. 3).

 

Проект-10_Рис-3_Технологическая схема излучателя инфразвука

 

Рис. 3 − Технологическая схема излучателя инфразвука в водной среде

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 методом 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).

Преимущества предлагаемых в проекте решений по сравнению с существующими подтверждаются результатами теоретических исследований и экспериментального подтверждения возможности создания сверхмощных звуковых колебаний с уровнями до 170 дБ на дальности до 1000 метров с помощью компактных устройств массой до 20 кг.

 

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРТИЗЫ 

Дата проведения экспертизы: октябрь 2017 г. 

Экспертиза проводилась экспертами следующих организаций

ФГБУН «Институт мониторинга климатических и экологических систем» СО РАН, ФГБУН «Институт физики атмосферы им. А.М.Обухова» РАН, ФГБУ «РАРАН», НИЦ (СОТИ СВ) ВУНЦ «ОВА ВС РФ», ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор». 

Вывод экспертизы:  

Разработка плазменных излучателей звуковых волн в интересах Вооружённых Сил Российской Федерации в представленном виде нецелесообразна. Проект требует доработки по замечаниям экспертов. 

Недостатки, рекомендации и замечания экспертов:  

Представленный проект демонстрирует новый подход к генерации звуковых волн, основанный на постоянно горящем низкотемпературном плазменном СВЧ канале, на который накладывается электрическое моделирующее воздействие. Реализуемость создания плазменного генератора акустического излучения авторами проекта сомнений не вызывает.

Однако в представленных материалах отсутствуют полные характеристики разработанных образцов и результаты их испытаний, что не позволяет оценить проект в полной мере. Не приведены эксперименты по созданию инфразвукового излучения требуемой интенсивности. Не понятно, как предлагается обеспечить направленность акустического излучения путем фокусировки исходного СВЧ излучения, порождающего плазменный шнур. Также вызывает сомнение возможность создания мощного (интенсивностью не менее 170 дБ) и при этом компактного излучателя.

В целом, в представленном виде проект не дает оснований на создание эффективного комплекса акустического оружия направленной энергии инфразвукового диапазона в интересах Сухопутных войск из-за низкого КПД по отношению к первичному источнику питания и отсутствия экспериментального подтверждения реализации его в инфразвуковом диапазоне частот.

Для дальнейшего рассмотрения реализации проекта в интересах Вооруженных Сил Российской Федерации целесообразно увеличить КПД излучателя более 40% по отношению к первичному источнику питания и провести исследования на безопасность применения излучателя, его использование в водной среде.

2 апреля 2018г.  
Источник: ГУНИД Минобороны РФ 

 


Справка 

Проработка проектов для достижения целей экспертизы проводилась несколькими методами, а именно эвристическим (заключения экспертов, организаций и заинтересованных органов военного управления), измерительным и регистрационным (проведение апробации или оценочных испытаний). 

Более 340 перспективных инновационных разработок и технологий предварительно были отобраны специалистами органов военного управления, научно-исследовательских организаций и военно-учебных заведений Минобороны России в период проведения форума "АРМИЯ-2017". 

Посмотреть все проекты можно в блоге ГУНИД Минобороны на нашем сайте.  

 

 

Комментариев еще нет.

Оставить комментарий

Вы должны войти Авторизованы чтобы оставить комментарий.

Партнеры