ЦИФРОВОЙ КОМБИНИРОВАННЫЙ ВЕКТОРНЫЙ ПРИЕМНИК С СИНТЕЗИРОВАННЫМИ КАНАЛАМИ
DIGITAL COMPOSITE VECTOR RECEIVER WITH SYNTHESISED CHANNELS

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для проведения векторно-скалярных измерений параметров гидроакустических полей в морях и океанах.
Известен векторный приемник, который содержит корпус сферической формы с полостями в виде стаканов, стержни, три пары пьезоблоков, ориентированных взаимно перпендикулярно и закрепленных на соответствующих стержнях симметрично относительно центра корпуса, инерционную массу из шести идентичных частей. В каждой из полостей корпуса размещены соосно закрепленные продольно сцентрированные пьезоблок и части инерционной массы, внешняя поверхность которой расположена с зазором относительно стенки полости корпуса (а.с. №1107061А, МПК G01P 15/09).
Известен комбинированный векторный приемник, содержащий сферический полый корпус, гидрофонный канал, подключенный выходом к первому усилителю, векторный канал, выполненный в виде двух последовательно соединенных биморфных пьезоэлектрических элементов, расположенных внутри сферического корпуса и подключенных к второму усилителю, содержит два дополнительных аналогичных векторных канала, выполненных в виде двух последовательно соединенных биморфных пьезоэлектрических элементов, расположенных внутри сферического корпуса и подключенных соответственно к дополнительно введенным третьему и четвертому усилителям, при этом биморфные пьезоэлектрические элементы каждого векторного канала попарно установлены на корпусе напротив друг друга, а оси чувствительности векторных каналов образуют декартову систему координат, причем гидрофонный канал выполнен виде двух полых пьезоэлектрических элементов, закрепленных снаружи сферического корпуса напротив друг друга и электрически соединенных параллельно (п. РФ №88237U1, МПК H04R 1/44).
На сегодняшний день для измерения вектора колебательного ускорения и скалярного давления в поле акустической волны широкое распространение получили комбинированные векторные приемники, представляющие собой устройства, в которых вектор ускорения определяется с помощью трехосного акселерометра, а давление - с помощью выделенного гидрофонного канала.
Наиболее близким к заявляемому является комбинированный гидроакустический приемник, содержащий полый корпус с инерционной массой, расположенной в центре корпуса, гидрофонный канал, представляющий собой четыре пьезоэлектрических сегмента корпуса, расположенных на одинаковом угловом расстоянии друг от друга, и три векторных канала. Каждый из векторных каналов состоит из двух чувствительных элементов, установленных центрально-симметрично между корпусом и инерционной массой таким образом, что оси чувствительностей каждого из векторных каналов образуют декартову систему координат. Чувствительные элементы векторных каналов состоят из двух пьезоблоков, каждый из которых включает два пьезоэлемента, соединенных навстречу друг другу, при этом соединение пьезоэлементов в каждом из блоков противоположное, первые электроды пьезоэлементов, инерционная масса и корпус электрически соединены между собой и «землей», а вторые плюсовые и минусовые электроды пьезоэлементов подключены к входам трех соответствующих предварительных усилителей, первые электроды четырех пьезоэлектрических сферических сегментов корпуса гидрофонного канала соединены с.«землей», а вторые электроды подсоединены к входу четвертого предварительного усилителя (п. РФ №89794 U1, МПК H04R 1/44).
Суммирование сигналов от чувствительных элементов, принадлежащих каждому из векторных каналов, производится путем подключения выходов соответствующим образом сфазированных чувствительных элементов ко входу соответствующего предварительного усилителя. При этом за счет неизбежного технологического разброса свойств пьезокерамики, образующей чувствительный элемент, сквозные электроакустические коэффициенты передачи каждого чувствительного элемента получаются различными. Кроме того, на электроакустические коэффициенты передачи каналов оказывают влияние геометрические погрешности, возникающие при монтаже и изготовлении конструктивных элементов приемника. С одной стороны, это приводит к ухудшению характеристик приемника, в частности, к ухудшению формы характеристики направленности, с другой стороны, для улучшения характеристик возникает необходимость предварительного подбора пьезоэлементов по параметрам, что ведет к увеличению стоимости и длительности изготовления. Кроме того, параллельное подключение гидрофонов (пьезоэлектрических сегментов корпуса) к электрическому усилителю не дает возможности компенсировать электрические наводки на гидрофонный канал, а само по себе наличие конструктивных элементов, формирующих гидрофонный канал, ведет к усложнению конструкции.
Задачей изобретения является разработка нового цифрового комбинированного векторного приемника с высокими техническими, конструктивными и технологическими характеристиками.
Основным техническим результатом является компенсация разницы электроакустических коэффициентов передачи чувствительных элементов приемника, что приводит к снижению поперечной чувствительности заявляемого приемника и ведет к улучшению формы диаграммы направленности, а также конструктивное и технологическое упрощение за счет исключения отдельных датчиков гидрофонного канала и упрощения технологии изготовления корпуса приемника.
Данный технический результат достигают за счет нового конструкторского решения комбинированного векторного приемника, который содержит корпус с расположенными внутри инерционной массой, установленной в центре корпуса, шесть АЦП, микропроцессор и три измерительных канала, каждый из которых состоит из двух чувствительных элементов, выполненных на основе пьезокерамики и соединенных навстречу друг другу, при этом чувствительные элементы одним концом фиксируют инерционную массу, определяя ее положение относительно корпуса, а другим опираются на корпус, при этом каждый чувствительный элемент подключен к входу своего АЦП, цифровые выходы которых соединены с микропроцессорным устройством, а каналы имеют оси чувствительности, расположенные в пространстве согласно осям ортогональной системы координат.
Заявляемый приемник конструктивно представляет собой цифровой комбинированный векторный приемник с синтезированными каналами, конструкция которого с использованием всего трех измерительных каналов позволяет определять как вектор колебательного ускорения, так и величину скалярного давления в поле акустической волны.
Приемники, выполненные по заявляемой схеме, в зависимости от требуемой чувствительности, соответственно, размеров корпуса и величины инерционной массы могут быть использованы в широком частотном диапазоне, от единиц герц до примерно 10-15 кГц.
В качестве чувствительных элементов, в зависимости от поставленной задачи, могут быть использованы пьезоэлементы различной конфигурации, например, наборы пьезокерамических колец, соединенных между собой, например, параллельно.
Как правило, с целью упрощения задачи обеспечения значения средней плотности, близкой к плотности воды, корпус приемника изготавливают из материалов малой плотности, например алюминиевых сплавов. В данном случае для корпуса целесообразно использовать материал с низким модулем упругости, например, акриловый полимер, что позволит увеличить деформации чувствительных элементов под действием сил акустического давления, а следовательно, увеличить чувствительность заявляемого приемника по давлению.
На Фиг. приведена схема размещения элементов приемника в корпусе, где 1 - корпус, 2 и 3 - чувствительные элементы канала X, 4 и 5 - чувствительные элементы канала Y, 6 и 7 - чувствительные элементы канала Z; 8 - инерционная масса.
При соколебаниях корпуса 1 приемника под воздействием акустического поля, силы инерции, возникающие на инерционной массе 8, вызывают деформации противоположного знака на чувствительных элементах, расположенных на одной оси, при действии проекции ускорения вдоль этой оси. Под воздействием акустического поля силы давления на корпус вызывают его деформации, при этом часть деформирующего усилия передается на чувствительные элементы, опирающиеся на корпус, и на всех чувствительных элементах возникнет деформация одного знака.
Предлагаемая конструкция приемника основана на том, что если рассмотреть два чувствительных элемента, расположенных на одной оси по разные стороны инерционной массы, то сигналы, пропорциональные ускорению, противофазны, а сигналы, пропорциональные деформациям корпуса, на который опираются чувствительные элементы, под действием акустического давления - синфазны. Таким образом, если вычесть сигнал элемента 2 из сигнала элемента 3, то синфазная составляющая (давление) обращается в ноль, а противофазная (колебательное ускорение) удваивается. Если наоборот, суммировать сигнал чувствительного элемента 2 и сигнал чувствительного элемента 3, то синфазная составляющая (давление) удваивается, а противофазная (колебательное ускорение) обращается в ноль. Таким образом, выполняя суммирование сигналов от чувствительных элементов, получают сигнал, пропорциональный давлению, а вычитая сигналы, получают сигнал, пропорциональный ускорению.
х
2
3
2
x
3
x
2x
3х
2х
2
х
3х
3
x
x
2x
3х
x
х
2x
3x
x
2x
x
3x
2x
x
3x
Рассмотрим сигналы, возникающие на чувствительных элементах, лежащих вдоль одной из осей, например X, при действии ускорения величиной a вдоль этой же оси. Пусть чувствительные элементы 2 и 3 имеют электроакустические коэффициенты передачи k и k соответственно, пусть k=mk, где m есть некий множитель. Возникающие на чувствительных элементах и оцифрованные посредством АЦП Х2 и АЦП Х3, подключенных к каждому чувствительному элементу, сигналы обозначим как u и u. Очевидно, u=ka и u=ka. Возникает задача подбора множителя m таким образом, чтобы выполнялось соотношение U=u, при котором характеристика направленности будет иметь наилучший вид. Для выполнения этого условия величина m определяется как m=u/u. Следует отметить, что именно неидентичность электроакустических коэффициентов передачи элементов, лежащих на одной оси по разные стороны инерционной массы, является основной причиной появления поперечной чувствительности, которую желательно иметь как можно более малой. Для каждого приемника множитель m рассчитывается и записывается в энергонезависимую память микропроцессорного устройства приемника в процессе стандартной процедуры его предварительной калибровки. При эксплуатации выходной сигнал канала X, пропорциональный действующему вдоль оси Х ускорению, будет рассчитываться в микропроцессорном устройстве как Х=u-mu. Аналогичным образом определяются сигналы и в других векторных каналах. Что касается сигнала, пропорционального давлению, то он определяется как Р=u+mu. Практически, для получения сигнала давления следует суммировать сигналы от двух, четырех или всех шести чувствительных элементов приемника. При этом, если брать четыре элемента, то одна пара элементов должна иметь фазировку, противоположную другой паре, а сигнал, пропорциональный давлению, получают путем вычитания просуммированных сигналов одной пары из просуммированных сигналов другой пары, что позволит избавиться от электромагнитной наводки. Для векторных каналов условие подавления синфазной электромагнитной наводки выполняется всегда.
Приемник работает следующим образом.
x
Предварительно осуществляют калибровку приемника для вычисления множителя m, помещая его в рабочую среду и воздействуя пробным акустическим сигналом.
При воздействии звуковой волны на приемник последний соколеблется с частицами жидкости и подвергается переменному акустическому давлению. При этом на чувствительных элементах каналов возникают электрические сигналы, пропорциональные сумме акустического давления и проекций колебательного ускорения частиц среды в звуковой волне на оси чувствительности измерительных каналов.
Принятые сигналы оцифровываются индивидуальными для каждого чувствительного элемента АЦП и поступают в микропроцессорное устройство, где формируются выходные сигналы, пропорциональные скалярному давлению акустической волны и трем компонентам колебательного ускорения, которые направляются на дальнейшую обработку с целью регистрации или хранятся в памяти.
Таким образом, заявляемая конструкция цифрового комбинированного векторного приемника с синтезированными каналами, выполненная с использованием только трех измерительных каналов из шести чувствительных элементов для измерения одновременно как скалярного давления акустической волны, так и трех компонентов колебательного ускорения, позволяет снизить поперечную чувствительность, что улучшает форму характеристики направленности за счет компенсации различий сквозных электроакустических коэффициентов передачи каждого чувствительного элемента, возникающих неизбежно за счет разброса свойств пьезокерамики, образующей чувствительный элемент, а также из-за геометрических погрешностей при монтаже и изготовлении конструктивных элементов приемника. Кроме того, отсутствие конструктивных элементов, формирующих гидрофонный канал, существенно упрощает конструкцию, а с помощью фазировки чувствительных элементов имеется возможность компенсировать синфазную электромагнитную наводку не только для векторных каналов, но и для гидрофонного канала.