ПРИЕМНЫЙ ГИДРОФОН

Полезная модель относится к области морской техники, а именно к глубоководным устройствам приема гидроакустического сигнала и предназначена для преобразования акустических давлений в водной среде в электрический сигнал, может применяться в гидроакустике для регистрации подводных сигналов и шумов, а также для различных измерительных целей.
Принцип действия таких устройств основан на прямом пьезоэлектрическом эффекте элементов, обладающих пьезоэлектрическими свойствами.
Известны гидрофоны аналогичного назначения, содержащие цилиндрический корпус с закрепленным в нем соосным трубчатым пьезоэлектрическим элементом, переходные втулки и герметизирующие кольца, при этом один из торцов цилиндрического пьезоэлектрического элемента закрыт заглушкой, а на наружные поверхности цилиндрического корпуса и трубчатого пьезоэлектрического элемента нанесено упругое изоляционное покрытие (патенты RU №2393643, 2392767).
Недостатками данного устройства являются сложность его конструкции и технологии его изготовления, низкая прочность к воздействию гидростатического давления.
В качестве прототипа предлагаемого устройства выбрана конструкция приемного гидрофона (низкочастотного приемника звукового давления), разработанного ЗАО «Завод им. Г.И. Петровского», г. Н. Новгород (см. Приложение и сайт предприятия, публикация октябрь 2014 г.). Такой гидрофон собран в металлическом корпусе со съемной крышкой в нижней части и с закрепленным в нем блоком цилиндрических пьезоэлектрических элементов с электродами, выведенными из корпуса с помощью проводников через выходной разъем в крышке, верхняя часть корпуса имеет опорный фланец, сверху которого выполнен торцевой кольцевой выступ, внутри которого выполнен внутренний торцевой выступ для контакта с блоком пьезоэлектрических элементов, который снизу поджат гайкой через шайбу.
Недостатком вышеуказанных устройств гидрофонов является недостаточная чувствительность (отношение сигнал/шум), обеспечиваемая конструкцией гидрофонов, что снижает эффективность и надежность их работы в системах, установленных в местах с повышенной шумностью среды.
Задача, на решение которой направлено заявляемое в качестве полезной модели техническое решение и технический результат от его использования, заключается в повышении чувствительности устройства, что, в конечном итоге, улучшает надежность и эффективность его эксплуатации.
Для решения поставленной задачи и обеспечения требуемого технического результата в приемном гидрофоне, содержащем цилиндрический полый корпус со съемной крышкой в его нижней (хвостовой) части и с закрепленным в нем соосным блоком цилиндрических пьезоэлектрических элементов с электродами, выведенными из корпуса с помощью проводников через выходной разъем в крышке, верхняя часть корпуса имеет опорный фланец, сверху которого выполнен торцевой кольцевой выступ, внутри которого выполнен внутренний торцевой выступ (меньшего диаметра) для контакта с (основанием) блоком пьезоэлектрических элементов, который снизу поджат гайкой через шайбу, дополнительно на внутренней боковой поверхности корпуса по ее окружности в области расположения блока пьезоэлектрических элементов напротив каждого из элементов выполнены выступы, контактирующие с поверхностью соответствующего пьезоэлектрического элемента из блока.
В варианте выполнения приемного гидрофона размеры диаметра D внешнего торцевого выступа, диаметра внутреннего торцевого выступа d и высота h находятся в соотношении: D=48±1 мм, d=24±1 мм, h=8±1 мм, обеспечивая устойчивую передачу акустического давления на блок пьезоэлектрических элементов.
Приемный гидрофон содержит монтажную плату с усилителем и устройством аналого-цифрового преобразования и цифровой обработки сигнала с пьезоэлектрических элементов, закрепленную внутри корпуса и электрически соединенную с электродами блока пьезоэлектрических элементов и выходным разъемом. Это позволяет исключить влияние внешних электромагнитных (ЭМП) полей на электрические цепи электронных устройств гидрофона.
В крышке корпуса приемного гидрофона дополнительно выполнено отверстие с заглушкой для вакуумирования и заполнения внутренней полости корпуса инертным газом, например азотом, который снижает окислительные процессы и предотвращает выпадение конденсата, что существенно влияет на чувствительность пьезокерамических элементов.
Сущность технического решения поясняется чертежами, где изображено:
на фиг. 1 - общий вид (а) и вид в разрезе (в);
на фиг. 2 - общий вид с вырезом четверти корпуса;
на фиг. 3 - вид со стороны крышки;
на фиг. 4 - вид корпуса изнутри.
Приемный гидрофон содержит выполненный из титанового сплава (марки ВТ-9) цилиндрический полый корпус 1 со съемной крышкой 2 в его нижней (хвостовой) части и с закрепленным в нем соосным блоком цилиндрических пьезоэлектрических элементов 3 с электродами, выведенными из корпуса с помощью проводников 4 через выходной разъем 5 в крышке 2. Верхняя часть корпуса 1 имеет опорный фланец 6, сверху которого выполнен торцевой кольцевой выступ 7, внутри которого выполнен внутренний торцевой выступ 8 (меньшего диаметра) для контакта с (основанием) блоком пьезоэлектрических элементов 3, который для надежной фиксации элементов поджимаются гайкой 9 через шайбу 10. Остальная открытая часть корпуса 1 закрывается крышкой 2 через уплотнительную резиновую прокладку 11, с помощью стопорного кольца с наружной резьбой 12 происходит фиксация крышки в корпусе. На внутренней боковой поверхности корпуса 1 по ее окружности в области расположения блока пьезоэлектрических элементов напротив каждого из элементов 3 выполнены выступы 13, контактирующие с поверхностью соответствующего пьезоэлектрического элемента из блока.
Оптимальные соотношения размеров элементов торцевого выступа: диаметр D внешнего торцевого выступа 48 мм, диаметр d внутреннего торцевого выступа 24 мм и высота h внутреннего торцевого выступа 8 мм.
Внутри корпуса 1 приемного гидрофона, с внутренней стороны крышки 2 размещена монтажная печатная плата 14 с усилителем и устройством аналого-цифрового преобразования и цифровой обработки сигнала с пьезоэлектрических элементов 3, электрически соединенная с электродами блока пьезоэлектрических элементов 3 и выходным разъемом 5. Таким образом, во внутреннее пространство корпуса, в последовательном электрическом соединении, устанавливаются элементы и от крайних полюсов, по специальным выполненным пазам корпуса, идут провода для передачи электрического сигнала.
В крышке 2 корпуса 1 приемного гидрофона выполнено отверстие 15 (с заглушкой, обеспечивающая воздушную герметичность корпуса), через которое производится вакуумирование и заполнение внутреннего объема корпуса инертным газом (азотом).
Наружные уплотнительные резиновые кольца круглого сечения 16 обеспечивают герметизацию от внешнего гидростатического давления при постановке устройства в изделие.
Приемный гидрофон работает следующим образом.
Устанавливают гидрофон в заданной области водоема.
Гидроакустические шумы, воздействующие на чувствительные элементы 3 гидрофона, преобразуются в электрический сигнал, усиливаемый и направляемый на устройство аналого-цифрового преобразования и цифровой его обработки (на рисунке не показаны), расположенные на печатной плате 14.
В результате такой конструкции приемного гидрофона диаметральные торцевые выступы 13 внутри корпуса 1 обеспечивают большую площадь контакта боковой поверхности пьезоэлектрических элементов 3 с корпусом для передачи максимального акустического давления на элементы (не только по осевому направлению корпуса через торцовые выступы 7 и 8, но и через боковую поверхность корпуса), создавая устойчивый поверхностный контакт с элементами при наружном гидростатическом давлении.
Подобранные в результате натурных испытаний оптимальные размеры внешнего и внутреннего торцевых выступов корпуса обеспечивает устойчивый поверхностный контакт с поверхностью блоков пьезоэлектрических элементов при наружном гидростатическом давлении.
Таким образом, каждый из пунктов формулы полезной модели позволяет улучшить чувствительность (отношение сигнал/шум) гидрофона за счет устойчивого поверхностного контакта корпуса с элементами 3, снижения влияния ЭМП, снижения окислительных процессов и предотвращает выпадение конденсата внутри корпуса, существенно повышая чувствительность пьезокерамических элементов, уменьшая составляющую шумового сигнала.
Так, величина чувствительности полезной модели (при измерениях электростатическим методом на частотах до 1000 Гц) превышает максимальную чувствительность прототипа в 2 раза.
Полезная модель была испытана на внешнее гидростатическое давление 60 МПа на испытательном комплексе ДМТ-161, принадлежащем ЗАО «Руспром», г. Москва, который во время испытаний сохранял свою работоспособность.
Поставленный технический результат - повышение чувствительности устройства, что, в конечном итоге, увеличивает надежность работы гидрофона, при простоте сборки и технологичности конструкции, достигается всей совокупностью существенных признаков пунктов формулы полезной модели.