УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ЭХОЛОКАЦИОННЫХ И КОММУНИКАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ

Полезная модель относится к области гидроакустики, а именно к конструированию широкополосных гидроакустических преобразователей и антенн, и может найти применение при проведении океанологических исследований, в качестве антенн навигационных, рыбопоисковых, и другого назначения гидроакустических станций, а также - для систем звукоподводной связи.
Для формирования сложных акустических сигналов, в том числе коротких (1-2 периода) импульсов, необходимо использование достаточно широкополосных гидроакустических антенн, обладающих, по возможности, равномерной амплитудно-частотной (АЧХ) и линейной фазочастотной (ФЧХ) характеристиками в диапазоне частот порядка 2 октав (122%) и более. Одним из перспективных направлений по обеспечению этих требований является использование в указанных антеннах преобразователей, построенных на базе пьезоактивных колец, которые по сравнению с другими пьезоактивными элементами (стержневого, пластинчатого, изгибного типа) обладают наименьшей собственной механической добротностью.
Известны решения по построению широкополосных гидроакустических преобразователей и составленных из них антенн, в которых используются пьезоактивные кольца. Так в работе [1] с целью расширения полосы пропускания рассмотрена гидроакустическая антенна, состоящая из соосно расположенных на некотором расстоянии друг от друга идентичных, водозаполненных пьезоактивных колец. Недостатком предложенного решения является сравнительно небольшая полоса пропускания (порядка 1 октавы) и сложность управления характеристикой направленности (ХН).
Известен гидроакустический преобразователь [2], состоящий из соосного (коаксиального) набора нескольких разночастотных пьезоактивных колец, снабженных коническими отражателями. Путем перекрытия близко расположенных областей частот, формируемых каждым пьезоактивным кольцом, обеспечивается широкополосность АЧХ преобразователя. К недостаткам этих преобразователей относится ограниченность полосы пропускания (менее 2 октав), сложность компоновки их в гидроакустической антенне и сканирования ее ХН ввиду большого поперечного волнового размера преобразователей.
Известен также гидроакустический преобразователь [3], состоящий из соосно расположенных разночастотных пьезоактивных колец с радиусами симметрично увеличивающимися от центра преобразователя к его краям. Недостатком преобразователя является недостаточная широкополосность (менее 2 октав), отсутствие направленности в плоскости перпендикулярной оси преобразователя и сложность его использования в составе антенн. Во всех рассматриваемых решениях предполагается, что пьезоактивные кольца возбуждаются одним и тем же электрическим напряжением, т.е. - синфазно.
0
0
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является гидроакустический преобразователь, описанный в [4]. Реализация этого решения обеспечивается тем, что гидроакустический преобразователь выполняется в виде N соосно расположенных идентичных пьезоактивных колец с внутренним радиусом а, разделенных межу собой по торцам акустически гибкими прокладками и возбуждаемых через линии задержки и усилители. Внутренняя полость колец заполнена жидкой средой (водой), а внешняя поверхность преобразователя акустически изолируется. Коэффициенты усиления усилителей линейно нарастают от кольца к кольцу, а время задержки (сдвиг по фазе) между соседними пьезоактивными кольцами выбрано из соотношения τ=d/c, где d - расстояние между центрами соседних пьезоактивных колец, с - скорость звука в жидкой среде (воде); при этом геометрию колец выбирают в соответствии с условием d/a≤0.82.
Недостатком такого гидроакустического преобразователя является достаточно сильная зависимость полосы пропускания от числа N составляющих его пьезоактивных колец.
Технической задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, является существенное сокращение по сравнению с прототипом числа пьезоактивных колец и необходимых для их возбуждения электронных устройств, при условии реализации одной и той же полосы пропускания и эффективности излучения.
Техническим результатом является заявленной полезной модели является заметное уменьшение массо-габаритных параметров устройства и составленных из них гидроакустических антенн, а также - уменьшение стоимости их изготовления.
Указанный технический результат достигается тем, что заявленная полезная модель - устройство для формирования эхолокационных и коммуникационных сигналов, также как и известный преобразователь, содержит набор N соосно расположенных идентичных пьезоактивных колец с акустически гибкими прокладками между их торцами, акустический экран, расположенный на внешней поверхности преобразователя, генератор сигналов, линию задержки соединенную с каждым кольцом через промежуточные усилители с последовательно нарастающим от кольца к кольцу коэффициентом усиления и усилители мощности. Но в отличие от известного устройства, в предлагаемой полезной модели генератор сигналов соединен со входом фильтра с регулируемым в рабочей полосе частот преобразователя коэффициентом передачи, минимальное значение которого находится в области радиального резонанса пьезоактивного кольца, а выход фильтра соединен с линией задержки.
Достигаемый технический результат: уменьшение массо-габаритных параметров при сохранении его рабочей полосы пропускания и эффективности излучения, обеспечивается за счет введения в цепь возбуждения преобразователя фильтра с регулируемым коэффициентом пропускания, формирующего совместно с промежуточными усилителями необходимые частотные зависимости амплитуд электрических напряжений, подаваемых на пьезоактивные кольца, и как следствие - поддержания в рабочей полосе частот преобразователя более равномерного распределения амплитуд колебательной скорости на излучающей поверхности всех колец, образующих его.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется следующими чертежами, представленными на Фиг.1-4. На Фиг 1 представлена схема заявленной полезной модели. На Фиг.2 приведены нормированные частотные характеристики звукового давления устройства при излучении во фронтальном и тыльном направлениях, а также - при условии постоянства амплитуд колебательных скоростей на излучающей поверхности колец во всем диапазоне частот. На Фиг.3 приведены частотные зависимости амплитуд возбуждающих напряжений, необходимых для реализации условия постоянства амплитуд колебательных скоростей во всем диапазоне частот, а также - для случая использования предлагаемого фильтра с регулируемым коэффициентом передачи. На Фиг.4 - показаны нормированные частотные характеристики звукового давления устройства для заявленной полезной модели (кривые 1 и 1') и для прототипа (кривые 2 и 2') при прочих равных условиях.
Как показано на Фиг.1, заявленное устройство для формирования эхолокационных и коммуникационных сигналов представляет собой соосный набор N идентичных пьезоактивных колец 1, отделенных друг от друга акустически гибкими прокладками 2 и подключенных к генератору сигналов (ГС) 3 через фильтр с регулируемым коэффициентом передачи (Ф) 4, линию задержки (ЛЗ) 5, промежуточные усилители (ПУ) 6 и усилители мощности (УМ) 7. Внешняя поверхность устройства снабжена акустически мягким экраном 8, а его внутренняя полость 9 заполняется жидкостью, контактирующей с внешней жидкой средой. Стрелками показано направление преимущественного излучения.
im
im
m
i
m
0
im
m
jωτ(i-1)
При таком построении устройства для формирования эхолокационных и коммуникационных сигналов и схемы его возбуждения удается поддерживать в более широком диапазоне частот (чем у прототипа) близкого к равномерному распределение амплитуды колебательной скорости ν на излучающей (внутренней) поверхности пьезоактивных колец (ν≈ν≈const), входящих в состав преобразователя. В том случае, когда во всем рассматриваемом диапазоне частот на излучающей поверхности пьезоактивных колец поддерживается одно и то же постоянное значение амплитуды колебательной скорости, с учетом действия только линии задержки (ν=νe, где i=1;2;…N, ω - круговая частота), в этом диапазоне частот теоретически реализуется близкая к постоянной АЧХ и линейная (определяется показателем степени ωτ(i-1)) ФЧХ излучения. Так на Фиг.2 кривые 1 и 2 соответствуют излучению во фронтальном направлении для N=10 и N=20, а кривые 1' и 2' - излучению в тыльном направлении. Параметры принятые при расчете Q=3; η=0.8; d/a=0.6, где Q - механическая добротность кольца; η - акусто-механический КПД. Чем меньше отношение d/a, тем лучше кривые 1 и 2 приближаются к прямой параллельной оси частот (волнового размера ka; k=ω/с). Для случая N=10 на Фиг.3 штриховыми линиями показаны требуемые для реализации условия ν=ν=const частотные зависимости амплитуд возбуждающих электрических напряжений. Здесь же сплошными линиями показаны частотные зависимости электрических напряжений, реализуемых с помощью предлагаемого фильтра с регулируемым коэффициентом передачи 4, выполненного (как одна из возможных реализаций) в виде комбинированного двойного Т-образного фильтра [5], и предварительных усилителей 6, обеспечивающих последовательно нарастающее от кольца к кольцу значение электрического напряжения. Для предлагаемого устройства для формирования эхолокационных и коммуникационных сигналов закон изменения электрического напряжения, подаваемого на каждое пьезоактивное кольцо с номером i, может быть записан следующим образом:
,
1
1
0
0
1
0
N
0
0
0
р
p
p
p
k
k
0
k
0
р
0
0
im
m
0
1
0
где К(ω) и K(ω) - коэффициент передачи фильтра на текущей (ω) и заданной (ω) частотах; U(ω) и U(ω) - значения возбуждающих напряжений для 1 и N кольца преобразователя волноводного типа на частоте ω; ω≈(0.9…1.1)ω; ω=2πf; f=c/2πa - резонансная частота пьезоактивного кольца. Скорость звука современных составов пьезокерамики c и воды c отличаются почти в 2 раза (c/c≈1.8…2.3). Поэтому волновой размер пьезоактивного кольца (ka) также находится в этих пределах. С позиции большей полосы пропускания следует выбирать пьезокерамику с меньшим значением скорости звука. Частота ω определяется как частота, соответствующая минимальному значению коэффициента передачи фильтра для первого кольца (i=1) преобразователя волноводного типа. Введение некоторой девиации относительно частоты ω обусловлено осциллирующим характером частотных зависимостей амплитуд возбуждающих напряжений при выполнении условия ν=ν=const и необходимостью лучшей аппроксимации этих зависимостей с помощью фильтра 4. В частности, при использовании комбинированного двойного Т-образного фильтра коэффициент его передачи может быть представлен в виде , где F=ω/ω; параметр m=|K(ω)|. При расчете звукового давления в качестве нормирующего множителя выбрана величина , где  - пьезомодуль;  - упругая податливость; а - радиус пьезоактивного кольца; η - КПД.
0
0
Устройство для формирования эхолокационных и коммуникационных сигналов работает следующим образом. Устройство погружают в жидкую среду (воду или в электроизолирующую жидкость - при работе в обтекателе), и его внутренняя полость 9 через открытые торцы заполняется окружающей жидкой средой. При этом акустические волны излучаемые пьезоактивными кольцами 1 могут создаваться только во внутренней, заполненной жидкостью, полости преобразователя 9, и будут излучаться им через открытые торцы. Акустический экран 8 (пористые материалы, воздух или элегаз) устраняет излучение внешней боковой поверхности колец в жидкую среду, окружающую устройство. Необходимый для излучения электрический сигнал создается генератором сигналов 3 и подается на вход фильтра 4, имеющего частотно зависимый коэффициент передачи, минимальное значение которого находится в области радиального резонанса пьезоактивных колец. С выхода фильтра скорректированный электрический сигнал поступает на линию задержки 5, обеспечивающую (как и в прототипе) последовательно нарастающий от кольца к кольцу временной сдвиг , где i=1,2…N; d - расстояние между центрами двух соседних колец; с - скорость звука в жидкости, заполняющей внутреннюю полость преобразователя волноводного типа. С линии задержки 5 сигналы поступают на пьезоактивные кольца 1 устройства через промежуточные усилители 6 и оконечные усилители мощности 7. При этом время задержки сигнала, поступающего на первое кольцо, обычно выбирается равным нулю, т.е. электрический сигнал, возбуждающий первое пьезоактивное кольцо, может непосредственно поступать на первый промежуточный усилитель. Промежуточные усилители 6 обеспечивают последовательно нарастающий от кольца к кольцу закон изменения электрического напряжения. Усилители мощности 7 обеспечивают усиление по мощности электрических сигналов подаваемых на пьезоактивные кольца 1 и согласование нагрузок электрических цепей и пьезоактивных колец. В итоге, акустические волны, последовательно излученные пьезоактивными кольцами, интерферируя друг с другом, будут распространяться вдоль оси преобразователя волноводного типа в двух противоположных направлениях. Во фронтальном направлении преимущественного излучения, соответствующему росту номера кольца, возбуждаемого с последовательно нарастающей временной задержкой и амплитудой, происходит последовательное усиление акустического поля благодаря синфазному сложению акустических волн, излученных каждым последующим пьезоактивным кольцом через время τ=d/c. В обратном (тыльном) направлении, ввиду некогерентности сложения акустических волн, - происходит ослабление акустического поля, чем достигается ярко выраженная асимметрия (однонаправленность) излучения устройства для формирования эхолокационных и коммуникационных сигналов. Благодаря усилению акустического поля во фронтальном направлении, каждое последующее кольцо оказывается нагруженным на большее, по сравнению с предыдущим, активное сопротивление излучения (кольца работают как бы на более плотную среду). Это приводит к уменьшению акустической добротности колец и расширению рабочего диапазона частот всего заявляемого устройства для формирования эхолокационных и коммуникационных сигналов.
im
m
im
m
Действие фильтра 4 приближает частотную зависимость амплитуды возбуждающего напряжения к той, которая позволяет реализовать условие ν=ν=const. Таким образом, формируемая фильтром 4 частотная зависимость электрических сигналов, подаваемых на пьезоактивные кольца 1, и последовательное нарастание (например, по линейному закону) от кольца к кольцу амплитуды этих сигналов, создаваемых с помощью промежуточных усилителей 6, способствует выравниванию амплитуд колебательной скорости на излучающих поверхностях пьезоактивных колец вдоль устройства. Область частот, в которой удается поддерживать примерное равенство амплитуд колебательной скорости колец (v≈ν≈const), определяет рабочий диапазон частот устройства. Этот диапазон частот может достигать нескольких октав и становится тем шире, чем ближе закон изменения амплитуд электрических напряжений, возбуждающих пьезоактивные кольца 1, к закону, требуемому для достижения постоянства амплитуд колебательной скорости в заданном диапазоне частот.
Пример конкретного выполнения заявленного устройства на основе численного моделирования.
Согласно результатам проведенных расчетов, при выполнении устройства для формирования эхолокационных и коммуникационных сигналов (с параметрами Q=3; η=0.8; d/a=0.6), в соответствии с прототипом, полоса пропускания для N=10 составляет Δf/f=94% (~1.5 октавы), для N=20 - Δf/f=130% (~2.2 октавы), для N=40 - Δf/f=153% (~2.9 октавы). А при выполнении предлагаемого устройства (с теми же значениями параметров Q; η; d/a) полоса пропускания для N=10 будет Δf/f=157% (~3.1 октавы), а для N=20 - Δf/f=170% (~3.7 октавы). На Фиг.4 показано сопоставление результатов расчета для заявленного устройства (N=10) и прототипа (N=20). Кривые 1 и 2 соответствуют излучению во фронтальном направлении, а кривые 1' и 2' - в тыльном. Полоса пропускания определяется по уровню - 3 дБ (0.7 от максимального значения). В рассматриваемых устройствах наблюдается нелинейный рост полосы пропускания, поскольку имеется ограничение ее в области значения ka≈3,83 в виде резкого минимума, обусловленного возникновением первой нормальной моды цилиндрического волновода.
Таким образом, заявленное устройство для формирования эхолокационных и коммуникационных сигналов, по сравнению с прототипом, позволяет существенно (не менее, чем в 2 раза) уменьшить количество пьезоактивных колец и необходимых для их возбуждения электронных цепей при обеспечении одной и той же полосы пропускания, и за счет этого - уменьшить массо-габаритные параметры устройства, что и определяет технический результат полезной модели.
Конструкция и принцип работы предлагаемого устройство для формирования эхолокационных и коммуникационных сигналов позволяет путем параллельного набора преобразователей осуществить сравнительно простую их компоновку в антенне, обеспечивающей требуемую характеристику направленности. В этом случае излучающая апертура антенны будет определяться системой выходных отверстий преобразователей при их излучении во фронтальном направлении. При условии достаточной нагруженности, предлагаемое устройство обеспечивает линейность фазочастотной характеристики и удельную мощность излучения во всем рабочем диапазоне частот не меньшую, чем предельно возможная для случая синфазного возбуждения пьезоактивных колец, излучающих внешней боковой поверхностью и экранированных изнутри [6].
Таким образом, заявленная полезная модель достигает технический результат: устройство для формирования эхолокационных и коммуникационных сигналов имеет уменьшенные (по сравнению с прототипом) массо-габаритными параметрами (при сохранении его рабочей полосы пропускания и эффективности излучения); оно выполняет функции достаточно мощного широкополосного однонаправленного преобразователя, способного эффективно излучать (принимать) сложные акустические сигналы.
Используемая литература:
1. Мс Mahon G.W. Pefomrmfnce of open ferroelectric ceramic cylinders in underwater transducers / J. Acoust. Soc. Amer., 1964, v.36, №3, p.528-533.
2. Патент 4439847 США МКИ H04R 17/00 Высокоэффективный широкополостный направленный преобразователь сонара // Massa, Frank, 1984
3. Заявка 2003/0155843 А1 США МКИ H04R 17/00 Подводный широкополосный электроакустический преобразователь // Dunn Sheng-Dong, Yeh Chi-Zen, Jih Jeng-Yow, 2003.
4. Патент 1723972 РФ МКИ H04R 17/00 Гидроакустический преобразователь // Дианов Д.Б., Малахов В.Б., Степанов Б.Г. и др., публ. 1994 (прототип).
5. Горошков Б.И. Радиоэлектронные устройства // М., Радио и связь, 1994, с.164-165.
6. Степанов Б.Г. Широкополосный преобразователь волноводного типа // Известия СПб ГЭТУ «ЛЭТИ», 2008, вып.8, с.39-50.