Первая страница
Наша команда
Контакты
О нас

    Главная страница


Дополнительного педагогического




страница13/15
Дата15.05.2017
Размер3.46 Mb.
1   ...   7   8   9   10   11   12   13   14   15

Возможные способы модернизации

В сущности, КПД электромагнитного ускорителя в основном не превышают 27%. Гаусс-пушки имеют ряд возможных модификаций, которые помогут увеличить такие параметры, как скорость, КПД, дальность полёта. Возможные варианты модификаций:



  1. Изменение аэродинамики снаряда-пули. Дело в том, что большинство любительских электромагнитных ускорителей используют обычные ферромагнитные "цилиндры", что значительно снижает скорость и дальность полёта самого снаряда. Но если сделать снаряд в форме пули, то можно снизить силу сопротивления воздуха. Здесь стоит учитывать конструкцию пули. Лучше всего брать за основу пули со специальной головной частью для пневматического оружия.

Это даёт компромиссную ситуацию между дальностью, скоростью полёта и желанием получить чёткую пробоину.



  1. Изменение параметров электролитического конденсатора. Если собрать систему из последовательно и параллельно подключенных конденсаторов, то можно получить большое рабочее напряжение и обильную ёмкость нашего конденсатора. Из закона следует, что при последовательном подключении конденсаторов складывается напряжение, а при параллельном можно увеличить ёмкость. Такая модернизация поможет подавать значительные токи на катушку и тем самым ускорить снаряд

  2. Другой вариант – это изменение параметров соленоида. Первое, что можно сделать – намотать провод малого диаметра большое количество раз и тем самым поднять КПД ЭМУ. Следует уточнить, что такая конструкция ускорителя обладает преимуществом если витки наматывать на сердечник большого диаметра. Это даёт возможность запускать массивные снаряды. Второе что можно сделать – намотать толстый провод вокруг небольшого по диаметру сердечника. При помощи такого решения можно значительно увеличить скорость снаряда.

  3. Увеличение количества ступеней. Все дело в том, что при использовании нескольких степеней разгона увеличивается энергия снаряда, а соответственно растёт и скорость. Многоступенчатую систему возможно реализовать, если использовать транзисторные ключи, светодиоды и свето-индикаторы.

На основе полученных данных, мною было предпринято решение о сборке наглядного образца электромагнитного укорителя. В качестве примера был собран прототип пушки Гаусса.

Технические характеристики.

В моей схеме 4 электролитических конденсатора (С2, С3, С4, С5) подключены параллельно, благодаря чему их общая ёмкость составила 330*4 = 1320 микрофарад. Рабочее напряжение всех конденсаторов 400 Вольт, а их суммарная энергия равна 80.8 Джоулей. Общее сопротивление 0.342 Ом. Катушка (L1) намотана медным эмалированным проводом площадью поперечного сечения 0.8 мм. Намотано 77 витков вокруг диэлектрической трубы диаметром 11 мм. Длина соленоида 10 мм, а внешний диаметр равен 30 мм. Индуктивность катушки в стартовой позиции составляет 105.8 микрогенри. В качестве снаряда берётся оточенный в форме пули кусок железного винта диаметром 9 мм и длиной 25 мм. Масса снаряда 9 грамм. Максимальная скорость пули, согласно измерениям, 24.4 м/с. Конечная скорость 19.8. Энергия снаряда составляет 0.8 Джоулей. Благодаря таким характеристикам мой ЭМУ обладает КПД 0.99%

Заряжаются конденсаторы Гаусс-пушки от домашней сети 220 Вольт переменного напряжения. Но дело в том, что конденсаторы полярные, и поэтому их нельзя заряжать посредством подачи переменного тока. Ток необходимо выпрямить. Именно поэтому в системе зарядке ЭМУ мною был предусмотрен выпрямитель, состоящий из двух выпрямительных диодов (V1, V2 1000В), неполярного конденсатора (C1 1.5мкФ 250В) и резистора (R1 1Ком 10Вт).

Мощный отечественный тиристор (TR1) выполняет функцию триггера, т.е. при помощи него осуществляется манипулирование токами высоковольтного контура при помощи токов низковольтного. Высоковольтный контур – это система из конденсаторов (C2, C3, C4, C5) и катушки (L1). Низковольтный – это система из кнопки (S1) на 1 Ампер и гальваническим элементом (G1) на 1.5 Вольт (пальчиковая батарейка формата АА). Диод V3 защищает конденсаторы от перезарядки после выстрела. Выстрел осуществляется путём нажатия кнопки S1, после нажатия которой тиристор открывает высоковольтный контур и ток из конденсаторов попадает в катушку, где генерирует мощный электромагнитный импульс, который приводит в движение ферромагнитный снаряд, расположенный перед началом соленоида.


Экспериментальная часть

В качестве объекта эксперимента были выбраны следующие предметы:



  • Картонная коробка

  • Пластмассовое ведро

  • Жестяная банка

  • Деревянная доска

  • Стеклянный стакан

Результаты весьма удовлетворительные. Картонную коробку снаряд нещадно разворошил, пролетел насквозь. Пластмассовое ведро пробило навылет. В жестяной банке сделал дырку, застрял внутри. Деревянную доску разбил пополам. Стеклянный стакан после соударения раскололся на множество осколков.

Следует уточнить, что выстрел производился на расстоянии 1, 2 и 3 метра. Во всех случаях ЭМУ показал одинаковые результаты при максимальной дальности полёта, приблизительно равной 25 метров.

В будущем планируется перевести систему зарядки конденсаторов в автономный режим т.е. не от сети. Возможны несколько вариантов:

Первый. Питание от аккумуляторной батареи на 12 Вольт. Т.к. конденсаторы рассчитаны на 400 Вольт, то необходимо преобразовать напряжение. Это возможно осуществить посредством использования мультивибратора для задания частоты и трансформатора, который будет работать в режиме повышения с 12 на 220 Вольт.

Второй вариант предполагает использовать мощные солнечные фотоэлементы вместо аккумулятора. Но трудность в том, что в ночное время возможность эксплуатации устройства в таком случае отпадает. В связи с этим необходимо объединить оба варианта сделав единый третий. Солнечные фотоэлементы будут выступать, как зарядное устройство не для конденсаторов, а для аккумулятора.

Также немаловажно сделать систему контроля напряжения. Планируется использовать программируемую микросхему и цифровой дисплей для вывода информации.

В заключительном этапе необходимо сконструировать корпус и прикрепить лазерную наводку. Предпочтительнее использовать прочные, лёгкие диэлектрики в качестве материалов для корпуса. По желанию можно сделать систему автоматической перезарядки снарядов.

Также есть вариант добавить ступени для придания снаряду ещё большей скорости и дальности полёта.

Начиная с 70-х годов электромагнитные ускорители дают о себе знать. У СССР и США появляются рельсотроны, оружие, которое в будущем сделает бесполезным всю нынешнюю стратегию ведения боя. А в начале 21-го века появляются проекты, которые подразумевают использование ЭМУ в транспортной среде, а также для запуска спутников на орбиту. Тем не менее ЭМУ уже среди нас, например, электрические скобомёты используют электромагниты для разгона скобы. В будущем, когда человечество изобретёт мощные и компактные источники энергии, можно будет оснастить танк рельсотроном или снарядить пехотинца Гаусс-пушкой. Это даст множество преимуществ с военной точки зрения. А использование ЭМУ в космосе позволит обезопасить государство.

В ходе исследовательской работы были рассмотрены основные разновидности электромагнитных ускорителей, а также выявлены их основные преимущества и недостатки. Был собран опытный прототип пушки Гаусса и проведены эксперименты, по результатам которых можно сказать, что у ЭМУ есть большие перспективы для развития, особенно в области военного дела.


Используемая литература

1. Википедия // wikipedia.org: [сайт]. – 2001. – январь. URL: http://en.wikipedia.org/wiki/Main_Page

2. Мир электроники для профессионалов // espec.ws: [сайт]. – URL:

http://www.espec.ws/

3. Популярная механика // popmech.ru [сайт]. – URL: http://www.popmech.ru/rubrics/

4. Радиокот // radiokot.ru [сайт]. – 2005. – URL: http://radiokot.ru/

5. Сайт-ПАЯЛЬНИК // cxem.net: [сайт]. - 1999. - 17нояб. - URL: http://www.cxem.net/

6. Степанова Г.Н., Физика 9. - Город : М. Русское Слово, 2013.- 192с.

7. Страница свободной мысли // iguns.ru: [сайт]. – 1999. – URL:



8ttp://www.iguns.ru/index.htm

8. Твой гид в мире электроники // radiomaster.com.ua [сайт]. – URL:



http://radiomaster.com.ua/

  1. Техническая энциклопедия // alltecholog.ru: [сайт]. – 2003. – 17 дек. – URL:

  2. http://alltecholog.ru/index.php?option=com_content&view=frontpage&Itemid=1

10. Форум Арсенала // foar.ru: [сайт]. - 2005. - 15окт. - URL: http://www.foar.ru/index.php

11. Электромагнитное оружие // gauss2k.narod.ru: [сайт]. - 2002. - 25окт. - URL: http://www.gauss2k.narod.ru/index.htm

12. Электрика в квартире и доме своими руками // electric.info [сайт]. – 2008. – URL: http://electrik.info/

13. David Meeker Finite Element Method Magnetics // femm.info [сайт]. – 1998. – URL:



http://www.femm.info/wiki/HomePage

14. Gaussgun // gaussgun.ru [сайт]. – 2006. – URL: http://gaussgun.ru/news.html

15. James Paul. Coilgun Systems // coilgun.eclipse.co.uk [сайт]. – 2001. – URL:

http://www.coilgun.eclipse.co.uk/index.html
Акустическая система
Гурлев Кирилл,

ученик 9 класса ГБОУ лицея № 144,

руководитель - Печникова Галина Юрьевна,

учитель физики ГБОУ лицея № 144
Волна — изменение некоторой совокупности физических величин (характеристик некоторого физического поля или материальной среды), которое способно перемещаться, удаляясь от места их возникновения, или колебаться внутри ограниченных областей пространства.

Звук — физическое явление, представляющее собой распространение в виде упругих волн механических колебаний в твёрдой, жидкой или газообразной среде. В узком смысле под звуком имеют в виду эти колебания, рассматриваемые в связи с тем, как они воспринимаются органами чувств животных и человека.



λ – длина волны

х – перемещение волны

y
Рис. 1


– амплитуда


Рис. 2




Амплитуда – модуль максимального отклонения физической величины от её среднего значения.

Период - интервал времени между прохождением двух смежных вершин волы через фиксированную вертикаль.

Частота - физическая величина, характеристика периодического процесса, равна количеству повторений или возникновения событий (процессов) в единицу времени.

Высота звука (тон) – это качество звука, определяемое человеком субъективно и связанное с его частотой. С ростом частоты высота звука увеличивается (см. рис. 3).
ВЧ – высокие частоты

СЧ – средние частоты

НЧ – низкие частоты

Рис. 3
Высота звука измеряется в герцах (Гц, Hz) или килогерцах (КГц, KHz). 1 Гц = 1/С. То есть колебание в 1 Гц соответствует волне с периодом в 1 секунду.

Громкость звука – величина слухового осушения, зависящая от интенсивности звука и от его частоты. Громкость определяют в дБ — относительно стандартного значения 1 мВт.

Единица измерения Бел, названная так в честь Александера Грейама Белла, определяется, как десятичный логарифм отношения двух одноимённых физических величин. 1/10 Белла – децибел (дБ).

Бел = log(P1/P0)

дБ = 1/10 х log(P1/P0)

Изменение мощности в 10 раз соответствует 10 дБ.

Интенсивность звука – средняя по времени энергия, которую звуковая волна переносит в единицу времени через единицу площади поверхности, расположенной перпендикулярно к направлению распространения волны. Интенсивность звука пропорциональна квадрату амплитуды звукового давления.

Мощность звука — энергия, перенесённая звуковой волной через рассматриваемую поверхность за единицу времени.

Звуковое давление — переменное избыточное давление, возникающее в среде при прохождении звуковой волны.

Восприятие громкости звука

Болевой порог - 130 дБ.

Реактивный двигатель (в салоне самолета) - 80 дБ.

Негромкий разговор - 70 дБ.

Шорох в тихой комнате - 40 дБ.

Шумы в студии звукозаписи - 30 дБ.

Порог слышимости - 0 дБ.

Инфразвук — упругие волны, аналогичные звуковым, но имеющие частоту ниже воспринимаемой человеческим ухом. За верхнюю границу частотного диапазона инфразвука обычно принимают 16-25 Гц. Нижняя же граница инфразвукового диапазона условно определена как 0,001 Гц. Практический интерес могут представлять колебания от десятых и даже сотых долей герц, то есть с периодами в десятки секунд.

Ультразвук упругие волны, имеющие частоту выше воспринимаемым человеческим ухом,

Рис. 4



обычно, под ультразвуком понимают частоты выше 20 000 Гц.

Гиперзвук – это упругие волны с частотой от 109  до 1018 Гц. По физической природе гиперзвук ничем не отличается от ультразвука.

Поршневой излучатель - излучатель звука, у которого все точки поверхности колеблются с одинаковой фазой и амплитудой.

Каждый элемент поверхности ΔS поршня S излучает звуковые волны, расходящиеся в разные

направления

(см. рис. 4 и 6).

Звуковые волны от каждого элемента ΔS интерферируют и в зависимости от фазового сдвига усиливают или ослабляют друг друга.

А
Рис. 6
кустическая ось
- вектор направления распространения звуковых волн, который является нормалью к плоскости поршня (см. рис. 5).

Рис. 5
Между звуковыми волнами, не совпадающими с акустической осью, возникает разность хода. Разность хода АВ для крайних звуковых волн можно определить:

AB/AC=SinC; AB=AC·SinC=d·Sinθ;

Этой разности хода соответствует фазовый сдвиг φ звуковой волны:



Вывод: из полученного выражения фазового сдвига ϕ между элементарными звуковыми волнами (отраженными от элементарных поверхностей поршня) видно, что сдвиг фазы зависит от соотношения размера поршня d и длины звуковой волны λ (d/λ), и угла θ. Можно сделать вывод, что при НЧ колебаниях ϕ малая величина и звуковые волны суммируются и усиливают друг друга, а фронт волны в этом случае шаровой. При увеличении угла θ фазовый сдвиг возрастает и звуковые волны ослабляют друг друга тем сильнее, чем больше угол θ, а фронт волны излучения стремиться стать плоским. На ВЧ волнах ϕ увеличивается и колебания ослабляют друг друга, но при θ=0 волны перемещаются вдоль акустической оси и усиливают друг друга.

Для того чтобы в воздухе возникла звуковая волна, необходим источник звуковых колебаний – некое тело или система тел, которые совершают механические колебания с частотой от 20 Гц до 20 кГц, например, динамический громкоговоритель.



прямоугольник 43
Рис. 7
Динамический громкоговоритель (см. рис. 8) состоит из диффузора 6, дифузородержателя 5, центрирующей шайбы 4, звуковой катушки 3, и магнитной системы 1, 2, 8. Бумажный конус-диффузор 6 прикреплён к металлическому или пластмассовому дифузородержателю 5 своим краем (гофром) 7 и направляется центрирующей шайбой 4, назначение которой – центрировать положение звуковой катушки 3 в зазоре магнитной системы. Кольцевой магнит 2 и сердечник 1 (так называемый керн) прикреплены к дифузородержателю 5 и шайбе из мягкого железа 8. Между керном 1 и магнитом 2 образован 2 зазор 0,5-2,0 мм, в котором создается сильное магнитное поле. На бумажном кольце, приклеенном к узкой части диффузора, намотана тонким изолированным проводом (40-80 витков), звуковая катушка 3. Концы катушки приклеены к диффузору и удлинены гибким монтажным проводом.
Ппрямоугольник 71ринцип действия громкоговорителя основан на явлении движения проводника с током (звуковой катушки) в магнитном поле. На этот проводник действует сила Ампера. Если по звуковой катушке протекает переменный ток звуковой частоты, то соответственно меняется сила Ампера, действующая звуковую катушку. Катушка совершает колебания и вместе с ней совершает колебания диффузор, который и создаёт звуковую (поперечную) волну в воздухе (см. рис. 8).

В
Рис. 10

Рис. 8
ывод:
Сам по себе динамик не может качественно воспроизвести звук . Для этого его надо поместить в полый корпус, и тогда динамик, установленный в корпусе будет представлять собой акустическую систему. Параметры корпуса (размеры, толщина стенок, расположение динамика, фазоинвертор и т.д.) должны быть рассчитаны по специальным формулам (поскольку они сложны и учитывают множество факторов, они в этой работе не рассматриваются)

Рис.9

Качество звука во многом определяется качеством динамика. Для удобства примем, что звук динамика распространяются из одной точки (см. рис. 10), расположенной в центре выходного отверстия В (см. рис. 9), являющегося “звуковым окном”, из которого звук исходит.


Рассмотрим характер излучения различных частот. Известно, что на высоких частотах (маленькая длина волны) рассеивание звука происходит более интенсивно, чем на низких частотах (более длинные волны). В связи с этим, чтобы высоко- и низкочастотные звуки на расстоянии воспринимались одинаково, необходимо ВЧ волны направить более узким пучком, а НЧ наоборот – рассеянным, что бы они лучше рассеивались в пространстве. Рассмотрим это явление на примере НЧ и ВЧ динамиков.

Роль волнового окна в нашем подходе исполняет диаметр диффузора (пункт "В"). На низко-частотных динамиках используется диффузор с диаметром около 30 см. А диапазон частот которые он излучает 15-200 Гц. Воспользуемся математической формулой  L=U/f, где L – длина волны, f – частоты. Зная, что скорость звука в воздухе U=314 м/с, посчитаем длину волны для волн в 15 и 20 Гц.

15 Гц: L=314/15=20.93 метров.

200 Гц: L=314/200=1.57 метров.

Получается что при таких размерах динамика (30 см) происходит рассеивание волны (см. рис. 14). Из-за чего довольно хорошо слышно низкие частоты со всех сторон.

Тоже самое посчитаем для высоко - частотных динамиков работающих с частотами 10000-25000 Гц. У таких динамиков диаметр диффузора 2-5 см.

10000 Гц: L=314/10000=0.0314 метра или 3.14 см.

25000 Гц: L=314/25000=0,01256 метра или 1.256 см.

Из этого следует, что при такой длине волны и таком диаметре диффузора звуковая волна просто в сквозную проходит не рассеиваясь в стороны Именно это и способствует узкой направленности высоко-частотных динамиков.

Вывод: ВЧ распространяются узко направленно, а следовательно для получения высокого КПД использования следует взять диффузор с узким раструбом ≈60⁰, так для НЧ с широким ВЧ ≈120⁰ и для СЧ ≈90⁰ (это так-же способствует одинаковой слышимости всех частот на расстоянии.



Вычисление оптимальной катушки индуктивности

Для отправной точки расчетов я взял кольцевой магнит с … в 10 микрогенри . Расчёты намотки через формулы не дали приемлемых результатов, поскольку они учитываю набор таких характеристик, которые нам не известны, а посчитать их в домашних условия почти не возможно. Поэтому я решил действовать методом подбора.



Плюсы метода подбора:

  1. Простота способа

  2. Отсутствие специального оборудования

  3. Малая вероятность ошибки

Минусы метода подбора:

  1. Малая точность

  2. Результаты верны только для данного магнита


Эксперимент 1

Выявить экспериментальным путём оптимальное количество витков в катушки индуктивности.

Цели и задачи: Выявить экспериментальным путём оптимальное количество витков в катушки индуктивности, путём подбора.

Приборы и материалы: испытательный стенд (см. рис.) ; конусы с радиусом 150 мм и углом при вершине в 90 градусов; шумомер, микрофон, амперметр.

Испытательный стенд (см. рис. 18 и19):

  1. Диффузор

  2. Катушка индуктивности

  3. Источник звука

  4. Постоянный магнит

  5. С
    1

    2

    3

    1

    4

    5

    Рис. 18

    Рис. 19
    оединительные провода

Ход эксперимента:




  1. Собрал модель динамика(см. рис.)

  2. Сгенерировал звуковую волну в 1000 Гц и подал стенд.

  3. Измеряются показания микрофона (В) и шумомера (Дц) на высоте 100 мм от источника звука и амперметра (mA)

  4. Составил сводную таблицу данных (см. ниже).

  5. Составил диаграмму зависимостей результатов эксперимента и условий его проведения(см. приложение №1).

Показания микрофона и шумомера в ходе эксперимента























































Кол-во витков

25

50

75

100




сила тока, mA

97,16

109,12

82,51

80,92




уровень шума, дБ

79,09

88,86

88,49

78,76




мощность звука, В

0,29

0,5

0,5

0,43






















Вывод: катушка индуктивности 60-65 витков является оптимальной для данного магнита. При уменьшении количества витков уменьшается индуктивность, следствием чего являемся падание уровня шума, издаваемым динамиком. При увеличении, сопротивление увеличивается, напряжение падает, что соответственно отрицательно сказывается на результате

Следующий немаловажной часть динамика является диффузор. Как рассказывается в разделе “Распространение волн разных частот”, для динамиков различных частот требуются различные диффузоры. Поскольку целью является создать динамик для большого диапазона, проведём эксперимент и посмотрим, как изменяется уровень шума и мощность звука при использовании различных диффузоров.

1   ...   7   8   9   10   11   12   13   14   15

  • Технические характеристики.
  • Амплитуда
  • В ысота звука (тон)
  • Мощность звука
  • Восприятие громкости звука
  • А Рис. 6 кустическая ось
  • Вычисление оптимальной катушки индуктивности
  • Минусы метода подбора: Малая точность Результаты верны только для данного магнита Эксперимент 1
  • Цели и задачи
  • Испытательный стенд
  • Х од эксперимента
  • Показания микрофона и шумомера в ходе эксперимента