КОМБИНИРОВАННЫЙ ВЕКТОРНО-СКАЛЯРНЫЙ ПРИЕМНИК
COMBINED VECTOR-SCALAR RECEIVER

Изобретение относится к области гидроакустики, конкретно, к векторно-скалярным приемникам, и может быть использовано в составе антенной системы, размещаемой на носителе (безэкипажный катер, необитаемые подводные аппараты различных типов, глайдеры и т.п.) при проведении гидроакустических исследований, в частности для обнаружения источников подводных шумов в морях и океанах.
Известно, что векторно-скалярные приемники, состоящие из приемников звукового давления и приемников градиента давления (ПГД), в точечных гидроакустических антеннах позволяют обеспечить пространственную избирательность и повышение помехоустойчивости к внешним (дальнеполевым) помехам в низкочастотной области за счет реализуемой ПГД дипольной направленности (Гордиенко В.А. Векторно-фазовые методы в акустике. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. С. 23).
Известны 4 схемы построения ПГД - двух-гидрофонные, разностного типа, силового типа и инерционного типа. Однако только ПГД инерционного и силового типов реализуют качественную дипольную характеристику направленности (с глубокими провалами - не менее 20-30 дБ) при размерах существенно меньших длины продольной звуковой волны в среде, т.е. в низкочастотной области.
Известным недостатком ПГД инерционного типа при размещении на мобильном носителе является необходимость гибкого подвеса, обеспечивающего как свободу перемещений ПГД относительно корпуса носителя при воздействии плоской звуковой волны полезного сигнала (Коренбаум В.И. и др. Низкочастотные приемники градиента давления инерционного типа для океанологических исследований // Приборы и техника эксперимента. 2017. №4. С. 142-146), так и виброизоляцию ПГД от собственных помех, связанных с вибрациями корпуса носителя (Коренбаум В.И. Методы виброзащиты векторных приемников // Ученые записки физического факультета московского университета. 2017. №5, 1750117). Однако гибкий подвес ограничивает прочностные характеристики антенны и тем самым препятствует ее использованию на мобильном или быстро разворачиваемом носителе.
Альтернативным решением является ПГД силового типа, который может быть установлен на корпус носителя с обеспечением большей жесткости крепления, чем ПГД инерционного типа (п.РФ №2568411 С1). Он состоит из двух ортогонально установленных на оси цилиндрического корпуса из звукоотражающего материала круглых чувствительных элементов, снабженных полостями, выполненными в теле корпуса в виде полых каналов, сечение которых плавно меняется от круглого у чувствительно элемента к прямоугольному на поверхности корпуса. Оси соответствующих каналов чувствительных элементов направлены навстречу друг другу так, чтобы выходы каналов на поверхность корпуса лежали в ортогональных плоскостях относительно оси корпуса и точки на оси корпуса, лежащей посредине между центрами обоих чувствительных элементов.
Недостатком данного ПГД является реализация только двух ортогональных компонент приема сигнала, что не обеспечивает формирование пространственной избирательности векторно-скалярного приемника гидроакустической антенны носителя в направлении перпендикулярном этим двум ортогональным компонентам.
Кроме этого, недостатком известного решения является повышенная чувствительность ПГД к вибрационным помехам, возникающим при использовании векторно-скалярного приемника в составе гидроакустических антенн мобильных носителей в низкочастотном диапазоне (Коренбаум В.И. Методы виброзащиты векторных приемников // Ученые записки физического факультета московского университета. 2017. №5, 1750117).
Известен акустический приемник градиента давления (п. РФ №2624791 С1), в котором для дополнительной виброзащиты ПГД силового типа применена компенсационная виброзащита. Данный приемник представляет собой цилиндрический корпус из акустически непрозрачного материала, на оси которого ортогонально друг другу установлено два круглых изгибных преобразователя, снабженных полостями переменного сечения, соединенными с цилиндрической поверхностью корпуса в ортогональных относительно оси корпуса направлениях. Соосно преобразователям на продольной оси корпуса установлены два ортогонально ориентированных акселерометра. Преобразователи и соответствующие им акселерометры через усилители соединены с устройством для вычитания помехи, создаваемой вибрацией корпуса в направлении осей чувствительности изгибных пьезопреобразователей, установленном вне приемника. Это решение может быть рассмотрено в качестве наиболее близкого аналога.
Однако недостатком данного решения остается реализация только двух ортогональных компонент приема акустического сигнала, что не позволяет осуществить пространственную избирательность гидроакустической антенны носителя во всей контролируемой области пространства.
Отсюда возникает техническая проблема, требующая решения, которая заключается в создании векторно-скалярного приемника, снабженного приемником звукового давления с трехкомпонентным ПГД силового типа для носителя с обеспечением возможности осуществления пространственной избирательности гидроакустической антенны носителя во всей контролируемой области пространства, а также возможности снижении воздействия вибраций корпуса носителя на достоверность регистрации полезного сигнала.
Технический результат - пространственная избирательность гидроакустической антенны во всей контролируемой области пространства с обеспечением повышенной помехоустойчивости регистрации полезного сигнала в условиях воздействия вибраций корпуса носителя.
Для решения названной проблемы предлагается векторно-скалярный приемник, включающий крестообразно прикрепленные торцами к центральной соединительной конструкции, обеспечивающей крестообразное взаимно-ортогональное расположение четырех идентичных цилиндрических корпусов из акустически непрозрачного материала, на оси каждого из которых в отверстиях друг за другом установлены в ортогональных относительно оси цилиндра направлениях круглые изгибные пьезопреобразователи, соединенные внутренними полостями сложного сечения с поверхностью соответствующего корпуса в ортогональных относительно оси корпуса направлениях, причем оппозитно расположенные корпуса ориентированы осями отверстий одинаково в каждой паре, при этом изгибные пьезопреобразователи, расположенные в крайних отверстиях оппозитно расположенных корпусов, соединены попарно суммарно, формируя два канала векторного приемника в направлениях перпендикулярных оси центральной соединительной конструкции, изгибные пьезопреобразователи, расположенные во внутренних отверстиях одной из оппозитных пар корпусов, соединены суммарно, формируя канал векторного приемника в направлении оси центральной соединительной конструкции, а в каждом из внутренних отверстий второй оппозитной пары корпусов установлено по два изгибных пьезопреобразователя с внутренним воздушным зазором, электрически включенных между собой синфазно, и соединенных суммарно с аналогичным пьезопреобразователем этой же пары корпусов, формируя канал скалярного приемника звукового давления, при этом центральная соединительная конструкция снабжена системой механического присоединения к конструкции носителя.
Для повышения помехозащищенности устройства от вибрации корпуса носителя центральная соединительная конструкция устройства может быть снабжена трехкомпонентным акселерометром и/или виброизолятором, например, резино-металлическим. Виброизолятор может быть установлен между системой присоединения к носителю и самим носителем. Кроме этого, наружная поверхность приемника может быть оборудована единым осесимметричным звукопрозрачным обтекателем, например, в виде сегмента сферы, конформно с обводами корпуса носителя, а внутренняя полость обтекателя и/или полости корпусов приемников могут быть заполнены звукопрозрачным компаундом, например, из полиуретана.
Присоединительная конструкция, обеспечивающая крестообразное взаимно-ортогональное расположение четырех идентичных цилиндрических корпусов, может быть выполнена в виде, например, четырехгранного стержня, который может быть снабжен полостью для размещения акселерометра.
На Фиг. 1 приведен один из возможных вариантов трехкомпонентного векторно-скалярного приемника (вид сверху с разрезом), где 1 - цилиндрический корпус из акустически непрозрачного материала, 2 - изгибный пьезопреобразователь первого горизонтального канала векторного приемника, 3 - полость сложного сечения, соединяющая изгибный пьезопреобразователь с цилиндрической поверхностью корпуса, 4 - изгибный пьезопреобразователь второго горизонтального канала векторного приемника, 5 - изгибный пьезопреобразователь вертикального канала векторного приемника, 6 - пара изгибных пьезопреобразователей с внутренним воздушным зазором, образующих канал звукового давления, 7 - центральная соединительная конструкция, 8 - трехкомпонентный акселерометр
На Фиг. 2 приведен разрез изгибных пьезопреобразователей: а) канала градиента давления ПГД (поз. 2, 4, 5 на Фиг. 1), б) канала звукового давления (поз. 6 на Фиг. 1); где 9 - пьезодиск, 10 - металлическая подложка, 11 - кольцевая опора, 12 - воздушный зазор.
Предлагаемое устройство функционирует следующим образом.
Для регистрации полезного сигнала векторно-скалярный приемник устанавливают неподвижно на носитель. При этом три компоненты градиента звукового давления регистрируются на выходах трех взаимно-ортогональных каналов приемника, образованных изгибными пьезопреобразователями 2, 4, 5 (Фиг. 1), включающими металлическую подложку (10) с двумя пьезодисками (9) (Фиг. 2а), а сигнал звукового давления регистрируется парой изгибных пьезопреобразователей 6 (Фиг. 1) с внутренним воздушным зазором (12) между ними (Фиг. 2б). При этом оппозитно расположенные относительно оси центральной соединительной конструкции пары датчиков ПГД и скалярного приемника звукового давления имеют каждая и все вместе единый фазовый центр, который совпадает с геометрическим центром проекции центральной соединительной конструкции 7 (Фиг. 1). Таким образом устраняется возможная ошибка за счет несинфазности каналов.
При регистрации вибрационных помех от корпуса носителя вся конструкция векторно-скалярного приемника в сборе, скрепленная с центральной соединительной конструкцией 7 (например, штифтами) (Фиг. 1), совершает единые механические колебания, которые за счет высокой виброчувствительности ПГД воспринимаются его тремя взаимно-ортогональными каналами, образованными изгибными пьезопреобразователями 2, 4, 5 (Фиг. 1).
При оборудовании устройства трехкомпонентным акселерометром 8 (Фиг. 1), каждую из компонент акселерометра ориентируют в пространстве соосно с одной из компонент (2, 4, 5) приемника градиента давления (Фиг. 1), и электрически включают через регулируемые усилители с обеспечением минимизации откликов на вибрации путем вычитания выходных напряжений каждого из каналов ПГД и соответствующим образом ориентированного канала акселерометра. Усилители и вычитающие устройства могут быть размещены, например, в отдельном герметичном контейнере. Таким образом, происходит компенсационное подавление вибрационных помех от корпуса носителя, как правило, на 25-40 дБ. При воздействии же полезного сигнала в виде плоской звуковой волны отклик каналов неподвижного акселерометра близок к нулю и полезный сигнал регистрируется без существенного ослабления, чем и достигается эффект повышения помехоустойчивости заявляемого приемника к вибрационным помехам носителя. При этом канал звукового давления приемника при выборе идентичных по своим свойствам пьезопреобразователей (Фиг. 2б) к вибрациям корпуса носителя практически нечувствителен.
Каждый из цилиндрических корпусов заявляемого устройства выполняют, например, следующим образом. Корпус (1) размером 168×∅100 мм изготовлен из нержавеющей стали и состоит из 8 собираемых на штифтах одинаковых секций. Изгибные преобразователи собраны из двусторонних биморфных преобразователей, состоящих из бронзовой подложки (10) ∅70 мм, толщиной 1,2 мм, склеенной с двумя тонкими (толщина 0,3 мм) круглыми пьезодисками (9) ∅30 мм. Бронзовая подложка по контуру ∅65 мм закреплена (оперта) между двумя кольцевыми опорами (11), имеющими внешний диаметр ∅80 мм, выполненными из текстолита. Каждый собранный изгибный преобразователь залит звукопрозрачным уретановым компаундом в форме цилиндрической таблетки. (Коренбаум В.И., Тагильцев А.А., Горовой С.В., Дегтярев И.В., Серветников М.И. Низкочастотный приемник градиента давления силового типа // Материалы 7-й Всероссийской научно-технической конференции «Технические проблемы освоения мирового океана», 2 октября - 6 октября 2017 г. Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения РАН, Владивосток, с. 193-196.)
-2
-6
-2
В качестве 3-компонетного акселерометра может быть применен разработанный фирмой ООО «СМИС Эксперт» трехкомпонентный акселерометр СД-1Э с пьезокерамическими чувствительными элементами и встроенными усилителями. Базовый вариант имеет чувствительность 1000 мВ/мс по каждой координатной оси, частоту резонанса 500 Гц (что позволяет обеспечить компенсационную виброзащиту на частотах ниже 200-300 Гц), шумы 2*10 мс, динамический диапазон около 80 дБ, размеры 80×75×52 мм и массу 300 г. Усилители реализуются на стандартных операционных усилителях.
Остальные конструктивные элементы векторно-скалярного приемника, включая центральную соединительную конструкцию, систему присоединения к носителю легко выполнимы с помощью стандартных технологий акустического приборостроения и металлообработки.
Компенсационную виброзащиту заявляемого приемника предварительно настраивают, помещая векторно-скалярный приемник в сборе под поверхность воды на перевернутом вибрационном столе, прикрепляя его к виброболту, и возбуждая продольные колебания корпуса приемника последовательно в направлениях максимальной чувствительности каналов ПГД и 3-компонентного акселерометра. При этом коэффициенты усиления усилителей с регулируемым коэффициентом усиления устанавливают так, чтобы обеспечить минимальный уровень отклика на вибрационную помеху, т.е. максимум подавления вибрационной помехи по каждому из ортогональных каналов ПГД (п. РФ №2624791).
Таким образом, за счет предлагаемых конструкторских и технологических решений в заявляемом устройстве реализуется трехкомпонентный векторно-скалярный приемник с 3-компонентным ПГД силового типа и приемником звукового давления для носителя с обеспечением пространственной избирательности гидроакустической антенны во всей контролируемой области пространства и возможности снижении воздействия вибраций корпуса носителя на достоверность регистрации полезного сигнала.