КОМБИНИРОВАННЫЙ ВЕКТОРНЫЙ ПРИЕМНИК
COMBINED VECTOR RECEIVER

Изобретение относится к гидроакустике, а именно к комбинированным акустическим приемникам и может быть использовано для проведения векторно-скалярных измерений параметров гидроакустических полей океана.
Комбинированные гидроакустические приемники играют важную роль в исследовании гидроакустических полей океана в связи с тем, что обладают характеристикой направленности в рабочем диапазоне, что представляет ценность в ряде применений. Существуют различные типы векторных приемников, в частности, имеются так называемые приемники инерционного типа, действие которых основано на законе Рэлея, согласно которому тело, находящееся в жидкости при наличии акустического поля, под действием сил, возникающих на поверхности тела, соколеблется с частицами жидкости (Скребнев Г.К. Комбинированные гидроакустические приемники. Спб.: Элмор, 1997 г. 200 с). При этом, в случае если средняя плотность тела равна плотности жидкости, то амплитуда колебательной скорости тела совпадает с амплитудой колебательного движения частиц жидкости. Способность соколебаться с окружающей средой определяет наличие дипольной характеристики направленности у векторных приемников, что выгодно отличает их от гидрофонов - приемников скалярного давления, имеющих круговую характеристику направленности. При этом, имея сигналы, пропорциональные колебательной скорости и акустическому давлению, можно получить важную характеристику акустического поля - поток мощности, с помощью которого, находясь в изотропном поле шумов, можно существенно повысить возможности по обнаружению локальных шумящих источников (Векторно-фазовые методы в акустике / В.А. Гордиенко, В.И. Ильичев, Л.Н. Захаров. -М.: Наука, 1989. 223 с).
Приемники инерционного типа представляют собой тела, как правило, сферической формы, помещенные в водную среду и удерживаемые в нужном месте с помощью растяжек. Находящиеся внутри корпуса преобразователи непосредственного контакта с акустическим полем не имеют и реагируют на перемещение приемника в пространстве как акселерометры. При этом акселерометры генерируют сигналы, пропорциональные проекциям вектора колебательного ускорения, при условии расположения осей чувствительности акселерометров вдоль осей ортогональной системы координат, а сигнал, пропорциональный проекциям вектора колебательной скорости затем вычисляют, интегрируя полученные сигналы. Для определения потока мощности или формирования диаграммы направленности кардиоидного типа необходимо иметь в точке приема еще и гидрофон с целью получения сигнала, пропорционального скалярному давлению. При этом решающее значение имеют фазовые соотношения между сигналом, пропорциональным колебательной скорости и сигналом, пропорциональным скалярному давлению. Для минимизации погрешности фазовых соотношений стремятся разместить гидрофон как можно ближе к корпусу приемника или разместить несколько гидрофонов прямо на поверхности корпуса приемника, при этом сигналы отдельных гидрофонов суммируют в надежде уменьшить погрешность фазовых соотношений от несовпадения мест расположения гидрофонов и геометрического центра комбинированного приемника. Однако, и в том и другом случае имеет место погрешность фазовых соотношений, вызванная несовпадением геометрического центра приемника и местом расположения гидрофона (гидрофонов).
Известен комбинированный гидроакустический приемник, который содержит сферический корпус, внутри которого расположены три векторных канала, каждый из которых выполнен в виде двух биморфных пьезоэлектрических элементов, расположенных напротив друг друга. Оси чувствительности каждого из векторных каналов образуют декартову систему координат, начало которой совпадает с центром сферического полого корпуса. Снаружи корпуса расположен гидрофон, выполненный из двух элементов, закрепленных напротив друг друга, (п. РФ №88237U1)
Известен приемник, который содержит полый корпус, состоящий из центральной части и двух крышек шатровой формы (п. РФ №125425U1). В центральной части корпуса выполнены четыре отверстия, закрытые подверженными внешнему давлению крышками, опирающимися на пьезокерамические кольца, которые попарно ориентированы взаимно противоположным образом, образуя гидрофонный канал так, что будучи подключенными к дифференциальным входам усилителя обеспечивают сложение полезных сигналов и вычитание синфазной электрической наводки. Центральная часть корпуса, состоящая из основного кольца и двух дополнительных держателей, содержит чувствительные элементы векторных каналов, набранные из пьезокерамических колец, по два элемента на канал, при этом каналы имеют оси чувствительности, расположенные в пространстве согласно осям ортогональной системы координат так, что чувствительные элементы опираются своими концами на инерционную массу, определяя ее положение относительно корпуса. Данный приемник рассматривается как наиболее близкий аналог.
При этом можно отметить следующие недостатки такого решения:
1). Корпус представляет собой пустотелую конструкцию, заполненную воздухом, находящимся при атмосферном давлении. Данное решение призвано обеспечить приемнику плавучесть, близкую к нейтральной за счет обеспечения средней плотности приемника, примерно равной плотности воды. При этом корпус подвержен действию гидростатического давления и должен его выдерживать, что, для больших рабочих глубин, ведет к необходимости применять стенки корпуса повышенной толщины, что ведет к увеличению их веса, что, в свою очередь ведет к увеличению размеров корпуса для обеспечения нейтральной плавучести в условиях возросшего веса самого корпуса. При этом увеличиваются габариты, масса и стоимость приемника.
2). Акустическое давление, воздействуя на крышки, вызывает изменение силы, действующей на пьезокерамические кольца, которые, обладая пьезоэффектом, генерируют сигнал, пропорциональный акустическому давлению. Размещение гидрофонов на периферии корпуса обуславливает возникновение фазовой погрешности за счет расстояния между центром корпуса и его периферией, равному радиусу корпуса. Для снижения этой погрешности сигналы гидрофонов суммируют с помощью сумматора, однако, помимо усложнения конструкции, требующей наличия нескольких (в данном случае, четырех) гидрофонов и сумматора, необходимо обеспечить идентичность каждого из используемых гидрофонов, что существенно усложняет технологию изготовления приемников, требуя проведения отбора гидрофонов с идентичными характеристиками.
Заявляемое решение направлено на улучшение технических и технологических характеристик комбинированного векторного приемника.
Техническим результатом, получаемым от внедрения данного предложения, являются устранение влияния гидростатического давления на характеристики прочности корпуса приемника и устранение фазовой погрешности между сигналами акустического давления и колебательной скорости.
Поставленная задача решается тем, что комбинированный векторный приемник, содержащий полый сферический корпус, снабжен как минимум двумя отверстиями, расположенными на одной линии на диаметрально противоположных сторонах корпуса, закрытыми эластичными непроницаемыми мембранами и заполнен жидкостью с плотностью, меньше, чем у воды, в центре которого установлена инерционная масса, жестко зафиксированная относительно корпуса шестью чувствительными пьезокерамическими элементами векторных каналов с электродами для снятия сигналов, размещенными вдоль осей ортогональной системы координат, начало которой совпадает с центром сферического корпуса, при этом инерционная масса оборудована сквозными отверстиями и центральной полостью, внутри которой в геометрическом центре приемника установлен жестко связанный с инерционной массой гидрофон с электродами для снятия сигналов, при этом и чувствительные элементы и гидрофон снабжены предварительными усилителями.
В качестве жидкости с плотностью, меньшей, чем плотность воды, могут быть использованы, например, спирты этанол или метанол, или бензин. Заполнение корпуса жидкостью может быть осуществлено различными методами, например, окончательной сборкой корпуса под слоем жидкости, налитой в подходящую по размерам емкость, или через технологическое отверстие, которое по окончании заполнения заглушают, при этом, размеры корпуса подбирают таким образом, чтобы средняя плотность полученной конструкции примерно равнялась плотности воды.
Конструктивно корпус может быть выполнен любым технологически приемлемым способом, например, из двух половин, склеенных или стянутых болтами, или из трех деталей, как в прототипе (центральное кольцо и две крышки), соединяемых винтами. При этом, за счет того, что жидкость, по сравнению с газообразным воздухом, практически несжимаема, такое решение разгружает полый корпус предлагаемого приемника от гидростатического давления окружающей среды, которое в то же время воспринимается находящейся внутри жидкостью.
Для выравнивания давления снаружи и внутри корпуса корпус снабжен отверстиями, закрытыми эластичной непроницаемой мембраной, изготовленной, например, из листовой резины небольшой (порядка 1 мм) толщины, или любого другого эластичного материала. Мембрана также может быть изготовлена из более жесткого материала, например, металла, имеющего малую жесткость в направлении, перпендикулярном поверхности мембраны, для чего ее толщина должна быть малой, а поверхность снабжена гофрами, как сделано на мембранах анероидных коробках. Мембрана предотвращает вытекание заполняющей корпус легкой жидкости, и при этом передает давление окружающей среды внутрь корпуса, вызывая разгрузку полого корпуса от действия давления окружающей среды за счет равенства давления снаружи и внутри корпуса.
Предлагаемая конструкция содержит единственный гидрофон, помещенный в геометрическом центре сферического корпуса в полости центральной инерционной массы и жестко с ней соединенный, а сама инерционная масса снабжена отверстиями, за счет чего полость, внутри которой размещен гидрофон, сообщается с пространством внутри корпуса.
Чувствительные элементы представляют собой цилиндры, как правило, набранные из пьезокерамических колец, жестко удерживающие инерционную массу в центре корпуса.
Таким образом, весь внутренний объем корпуса приемника, заполненного жидкостью с плотностью меньшей, чем вода, за счет наличия на корпусе отверстий, закрытых эластичной мембраной, оказывается под давлением, равным давлению окружающей среды. При этом акустическое давление звукового поля также проникает внутрь корпуса комбинированного приемника и оказывает воздействие на помещенный в геометрический центр приемника гидрофон, вызывая появление на электрических выводах гидрофона полезного сигнала, который подается на предварительный усилитель, а затем, передается, например, на систему записи сигналов либо на вычислительное устройство обработки информации.
На Фиг. представлена схема заявляемого приемника, где 1 - эластичная мембрана; 2 - полый сферический корпус; 3 - центральная инерционная масса; 4 - гидрофон; 5 - отверстия в центральной инерционной массе; 6 - отверстия в сферическом корпусе; 7 - внутренний объем полого корпуса, заполненный легкой жидкостью; 8 - полость внутри центральной инерционной массе; 9 - чувствительные элементы
Работает устройство следующим образом.
Приемник содержит полый сферический корпус 2, внутри которого размещено центральное массивное тело 3 с полостью 8, внутри которой размещен гидрофон 4, жестко соединенный с массивным телом. Центральная инерционная масса опирается на корпус с помощью шести чувствительных элементов 9, представляющих пьезокерамические цилиндры, набранные из пьезокерамических колец и способные, за счет этого, генерировать электрические сигналы при возникновении деформации, направленной вдоль оси чувствительного элемента. Цилиндры снабжены двумя электродами (на фиг. не показаны), на которых возникают электрические сигналы, а к каждому электроду присоединяется электрический кабель. Деформации чувствительных элементов 9 возникают при соколебательном движении корпуса 2 в акустическом поле за счет возникновения сил инерции на центральной инерционной массе 3. Шесть чувствительных элементов 9 размещены в пространстве внутри корпуса 2 вдоль осей ортогональной системы координат, центр которой совпадает с центром сферического корпуса. Чувствительные элементы, лежащие на одной оси, своими электрическими кабелями подключаются каждый к отдельному предварительному усилителю (на фиг. не показаны), причем один из чувствительных элементов подключается к инвертирующему входу предварительного усилителя (на фиг. не показан), за счет чего достигается взаимное вычитание сигналов чувствительных элементов, лежащих на одной оси, чем достигается ослабление синфазных помех и удвоение полезного сигнала, который для чувствительных элементов, лежащих на одной оси, является противофазным. Гидрофон 4 подключается к отдельному предварительному усилителю (на фиг. не показан) также посредством кабеля. Центральная инерционная масса, изготавливаемая из металла, например, из меди, играет при этом роль экрана, защищающего гидрофон 4 от электромагнитных помех.
Параметры корпуса, такие как объем, толщина стенки и плотность материла, из которого корпус изготовлен, подбираются так, чтобы получить приемник с плавучестью, близкой к нулевой.
Для изготовления центральной инерционной массы может быть использован любой подходящий металл, при этом чем больше плотность металла, тем меньший объем (при заданной массе) он будет занимать, что может облегчить проектирование и изготовление. Предварительные усилители, в зависимости от технологических возможностей изготовителя, размещаются в любом удобном месте, например, в отдельном герметичном контейнере вне корпуса приемника, или наоборот, внутри корпуса, на центральном массивном теле или на внутренней поверхности сферического корпуса. Соединение чувствительных элементов и гидрофона с входами предварительных усилителей осуществляется с помощью электрических кабелей. Для изготовления чувствительных элементов и гидрофона могут быть использованы выпускаемые промышленностью, подходящих размеров пьезокерамические кольца и диски, оснащенные электродами. С целью исключить влияние градиента давления на давление внутри полого корпуса полый корпус оснащается как минимум двумя отверстиями, закрытыми эластичными мембранами, причем отверстия на корпусе размещены на диаметрально противоположных сторонах корпуса, лежащими на одной линии.
Таким образом, предлагаемая конструкция комбинированного векторного приемника, полностью заполненного жидкостью с плотностью ниже плотности воды, позволяет конструктивно выполнить сам корпус не учитывая величину гидростатического давления, каким бы оно не было и использовать корпус с минимальной толщиной стенки, что уменьшает массу конструкции и ее стоимость тем в большей степени, чем на большую глубину погружения рассчитывается приемник. Использование единственного гидрофона, размещенного в геометрическом центре приемника, исключает возникновение фазовой погрешности между сигналами колебательной скорости и скалярного давления, возникающей из-за несовпадения геометрического центра корпуса и места расположения гидрофона, а также упрощает конструкцию как за счет уменьшения количества гидрофонов, так и за счет отсутствия необходимости устанавливать сумматор сигналов.