УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ 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 устройства для формирования акустических сигналов, 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.
Q
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, c - скорость звука в жидкой среде (воде); при этом геометрию колец выбирают в соответствии с условием d/a≤0.82.
Недостатком такого преобразователя волноводного типа 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 мощных выходных электронных устройств, при условии реализации одной и той же полосы пропускания и эффективности излучения. Это позволит заметно уменьшить массо-габаритные параметры заявляемого устройства, а также - уменьшить стоимость их изготовления.
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.
Технический результат достигается за счет того, что предлагаемое устройство для формирования акустических 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, обеспечивающую увеличение времени задержки сигнала с ростом номера кольца и соединенную с каждым кольцом через промежуточные усилители и усилители мощности. Но в отличие от известного технических решений, в заявляемом устройстве для формирования акустических сигналов генератор сигналов соединен с линией задержки, каждый из N выходов которой соединен с соответствующими N входами фильтров с регулируемыми в рабочей полосе частот преобразователя коэффициентами передачи, имеющими минимумы в области радиального резонанса пьезоактивного кольца и выше, причем с ростом номера кольца глубина этих минимумов последовательно уменьшается, а соответствующие им частоты увеличиваются.
Достигаемый технический результат: уменьшение массо-габаритных параметров устройства для формирования акустических сигналов при сохранении его рабочей полосы пропускания и эффективности излучения, обеспечивается за счет введения в цепь возбуждения преобразователя фильтров с регулируемыми коэффициентами пропускания, формирующими 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 показано предлагаемое устройство. На Фиг.2 приведены нормированные частотные характеристики звукового давления преобразователя при излучении им во фронтальном и тыльном направлениях, а также - при условии постоянства амплитуд колебательных скоростей 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 предлагаемых фильтров с регулируемым коэффициентом передачи. На Фиг.4 - показаны нормированные частотные характеристики звукового давления преобразователя волноводного типа для предлагаемого устройства (кривые 1 и 1') и для прототипа (кривые 2 и 2') при прочих равных условиях.
Как видно из фиг.1, заявляемое устройство представляет собой сооснный набор N пьезоактивных колец 1, отделенных друг от друга акустически гибкими прокладками 2 и подключенных к генератору сигналов (ГС) 3 через линию задержки (ЛЗ) 4, выходы которой соединены с фильтрами (Ф) 5, имеющими регулируемые коэффициенты передачи, промежуточные усилители (ПУ) 6 и усилители мощности (УМ) 7. Внешняя поверхность преобразователя снабжена акустически мягким экраном 8, а внутренняя полость 9 заполняется жидкостью, контактирующей с внешней жидкой средой. Стрелками показано направление преимущественного излучения.
im
im
m
i
m
0
im
m
i
i
1
0
1
0
0
i
0
1
N
0
р
p
p
p
k
k
0
k
0
р
k
0
0
р
im
m
i
i
i
i
1
0
1
0
N
N
0
1
N
ik
jωτ(i-1)
При таком построении преобразователя 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≈v≈const), входящих в состав устройства. 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 j=l;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/а, тем лучше кривые 1 и 2 приближаются к прямой параллельной оси частот (волнового размера ka; k=ω/c). 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 амплитуд электрических напряжений, реализуемых с помощью предлагаемых фильтров 5 с регулируемыми коэффициентами передачи, выполненных (как одна из возможных реализаций) в виде комбинированных двойных Т-образных фильтров [5], обеспечивающих как последовательный сдвиг минимума коэффициента передачи по частоте, так и уменьшение коэффициента затухания. Последнее обстоятельство приводит к последовательно нарастающему от кольца к кольцу значению амплитуды электрического напряжения. Для заявляемой полезной модели закон изменения электрического напряжения подаваемого на каждое пьезоактивное кольцо с номером i может быть записан следующим образом: , где i=1,2…N; К(ω) - коэффициент передачи i-го фильтра с учетом выбора его минимального значения на частоте ω; m(ω)=|K(ω)| - коэффициент затухания для первого кольца (i=1) преобразователя волноводного типа определенный на частоте ω; ω=ω+(i-1)Δω; ; ω и ω - частоты соответствующие минимальным значениям коэффициентов передачи фильтров для колец с номерами 1 и N; 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 c. Частота ω определяется как частота, соответствующая минимальному значению коэффициента передачи фильтра для первого кольца устройства. Введение некоторой девиации при выборе частоты ω 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 фильтров 5. В частности, при использовании в качестве фильтров 5 комбинированных двойных Т-образных фильтров, коэффициент их передачи может быть представлен в виде:, где F=ω/ω; параметр ; ; U(ω)=U(ω)+(i-1)ΔU; ; U(ω) и U(ω) - значения возбуждающих напряжений для 1 и N кольца преобразователя волноводного типа соответственно на частотах ω=ω и ω. При расчете звукового давления в качестве нормирующего множителя выбрана величина , где d - пьезомодуль; - упругая податливость; а - радиус пьезоактивного кольца; η - КПД.
0
0
Устройство для формирования акустических 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 преобразователь. Необходимый для излучения электрический сигнал создается генератором сигналов 3 и подается на вход линии задержки 4, обеспечивающей последовательно нарастающий от кольца к кольцу временной сдвиг , где i=1,2…N; d - расстояние между центрами двух соседних колец; c - скорость звука в жидкости, заполняющей внутреннюю полость преобразователя волноводного типа. С выходов линии задержки 4 электрические сигналы сдвинутые относительно друг друга на время τ поступают на входы N фильтров 5, частотно зависимые коэффициенты передачи которых, имеют минимумы в области радиального резонанса пьезоактивного кольца и выше, причем с ростом номера кольца глубина этих минимумов последовательно уменьшается, а соответствующие им частоты - увеличиваются. Таким образом, каждый фильтр имеет свою частотную характеристику коэффициента пропускания с последовательно уменьшающимся (с ростом номера фильтра) коэффициентом затухания. 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 фильтр. С выходов фильтров скорректированные электрические сигналы поступают на пьезоактивные кольца 1 устройства через промежуточные усилители 6 и оконечные усилители мощности 7. Благодаря последовательному уменьшению коэффициента затухания фильтров, происходит соответствующее увеличение амплитуды электрических сигналов, формируемых на выходе фильтров. Промежуточные усилители 6 служат для согласования слаботочных цепей формирования электрических сигналов возбуждения с более мощными оконечными цепями усилителями мощности 7 и обеспечивают предварительное усиление электрических сигналов. 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 заявленного устройства 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 преобразователем волноводного типа. 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 устройства.
im
m
im
m
Действие фильтров 5 приближает частотную зависимость амплитуды возбуждающего напряжения к той, которая позволяет реализовать условие v=v=const (особенно в области низких частот). Таким образом, формируемые фильтрами 5 частотные зависимости электрических сигналов, подаваемых на пьезоактивные кольца 1, способствует выравниванию амплитуд колебательной скорости на излучающих поверхностях пьезоактивных колец вдоль всего устройства. Область частот, в которой удается поддерживать примерное равенство амплитуд колебательной скорости колец (ν≈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 полученным результатам расчетов, при выполнении устройства (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). При выполнении заявляемого устройства для формирования акустических сигналов (с теми же значениями параметров Q; η; d/a) полоса пропускания для N=10 будет Δf/f=155% (~3 октавы), а для N=20 - Δf/f=170% (~3.7 октавы). На Фиг.4 показано сопоставление результатов расчета для заявляемой полезной модели (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 анализируемых 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, предлагаемое устройство для формирования акустических 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 преобразователя, что и достигает технический результат полезной модели.
Конструкция и принцип работы предлагаемого устройство для формирования акустических 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, предлагаемый преобразователь 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, предлагаемыое устройство для формирования акустических сигналов достигает технический результат: заявленная полезная модель 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.
Использованная 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 A1 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