ОБНАРУЖИТЕЛЬ ГИДРОЛОКАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ
SONAR SIGNAL DETECTOR

Предлагаемое изобретение относится к области измерения статистических характеристик гидрофизических полей жидкости, в частности, к подводным приемникам колебательных смещений, обусловленных возникновением волновых колебаний в жидкой среде под воздействием на последнюю естественных и искусственных источников возмущения гидрофизического происхождения и может быть использовано как в системах гидролокации для обнаружения упомянутых источников излучения, так и в системах технического навигационного обеспечения морских малых боевых сил, например, боевых пловцов (БП), движущихся в погруженном положении.
Известны устройства, основанные на преобразовании звуковых колебаний жидкости в колебания измерительной катушки относительно постоянного магнита [1, с. 309-313]. Эти устройства предназначены для измерения колебательной скорости жидкости и состоят из герметичной сферической оболочки, в которой размещены магнит, жестко связанный с оболочкой, и катушка, неподвижно удерживаемая за счет инерции внутренней массы, закрепленной внутри оболочки на подвешивающих пружинах.
Подобные устройства имеют искаженную паразитными колебаниями частотную характеристику, а наличие подвешивающих пружин обуславливает нижний предел рабочего диапазона частот и их применение ограничено измерением только горизонтальных компонент измеряемых величин.
Известно также устройство обнаружения гидролокационных сигналов - гидроакустический приемник колебательных смещений [2, с. 3]. Это устройство содержит корпус, в котором размещены взаимосвязанные измерительный блок с чувствительным элементом, выполненным на основе магниторезисторов и электронный блок. Измерительный блок содержит воспринимающий элемент, выполненный в виде диска, и жестко связанный с чувствительным элементом, жестко закрепленным на неподвижном экране, и представляет собой датчик перемещения с несколькими этапами преобразования входной величины в электрический сигнал.
Воспринимающий элемент перемещается под действием регистрируемой величины и передает перемещения с помощью держателя и истока на магниторезисторы, которые в свою очередь перемещаются в зазоре между постоянными магнитами, поле которых должно иметь равномерный градиент напряженности, заданный и поддерживаемый с определенной точностью. Перемещение магниторезисторов в неоднородном магнитном поле вызывает изменение сопротивления последних, которое и регистрируется как выходной параметр.
Данное устройство предназначено для измерений колебательных смещений в жидкой среде. Однако измеряемая величина должна вызывать перемещения порядка 1-2 мм. Но в упругих элементах при упомянутых перемещениях наблюдаются явления гистерезиса и упругого последействия, что приводит к снижению чувствительности, а в конечном счете и к потере устройством работоспособности. Кроме того, в реальной конструкции практически невозможно создать в поле постоянных магнитов равномерный задаваемый и поддерживаемый с необходимой точностью градиент напряженности магнитного поля, поскольку величины напряженности магнитного поля и магнитной проницаемости зависят от времени (старение) и температуры, а создать неоднородное магнитное поле с большим градиентом (порядка 1 тл/мм) на участке порядка 1-2 мм практически невозможно. Это приводит к снижению работоспособности устройства и надежности измерений.
Описанные недостатки снижают класс точности измерений, приводят к снижению чувствительности и надежности измерений.
Известно также устройство обнаружения гидролокационных сигналов /3/. Это устройство по своему функциональному назначению и конструкции наиболее близко из всех известных устройств к предлагаемому, выбрано в качестве прототипа и содержит корпус, состоящий из гидроакустического экрана с отверстием в центре симметрии и закрытого сетчатой потокозащитной оболочкой, и герметичной камеры. В корпусе размещены взаимосвязанные измерительный блок, состоящий из воспринимающего, выполняемого в виде мембраны, и чувствительных, изготовленных на основе полупроводникового кремниевого монокристалла, элементов, и электронный блок, помещенный в герметичную камеру. Воспринимающий элемент установлен и отцентрирован в упомянутом отверстии с помощью чувствительных элементов, расположенных взаимоперпендикулярно с двух сторон плоскости воспринимающего элемента параллельно ей.
Действие акустического сигнала или группового перемещения частиц жидкости вызывает плоскопараллельное перемещение воспринимаемого элемента, которое вызывает попеременное сжатие-растяжение чувствительных элементов. Это приводит к изменению сопротивления последних и в конечном счете к изменению электрического сигнала на их выводах, что в свою очередь приводит к изменению сигнала на выходе электронного блока, пропорциональное входному воздействию.
Данное устройство предназначено для обнаружения гидроакустических сигналов различного происхождения в достаточно широком спектре длин волн. И хотя границы частотного диапазона устройства при работе в режиме "датчика давлений" ограничений снизу не имеют, выделение сигналов инфранизкой частоты даже с пониженными точностью и чувствительностью в нем практически трудно осуществлено. И поэтому применение устройств данного типа для обнаружения медленно движущихся в погруженном положении источников волновых колебаний, специфичных как для каждого индивидуума из состава морских малых боевых сил (например, БП), так и для каждого вида морских животных, а также искусственных объектов, вызывающих малые изменения импульсов переноса в ограниченном объеме, не применимы.
Целью предлагаемого изобретения является повышение чувствительности и точности измерений гидролокационных сигналов инфранизкого диапазона частот в области малых (пороговых) сигналов.
Поставленная цель достигается за счет того, что измерительный блок закрыт идентичными полыми обтекателями, герметично укрепленными на экране с двух сторон измерительного блока симметрично относительно центра симметрии экрана. Внутренние полости обтекателей заполнены инертной жидкостью (более плотная фаза) и соединены с окружающей внешней жидкой средой (менее плотная фаза) при помощи капилляров, выполненных в корпусах обтекателей таким образом, чтобы на поверхности воспринимающего элемента создались симметричные геометрические места точек приложения сил направленных воздействий, возникающих на выходах капилляров. При этом капилляры имеют одинаковые размеры и равные расстояния от выхода каждого капилляра до соответствующей ему точки на поверхности воспринимающего элемента в предлагаемом устройстве, содержащем корпус, состоящий из гидроакустического экрана, закрытого сетчатой потокозащитной оболочкой, и герметичной камеры, а также взаимосвязанные измерительный блок, состоящий из воспринимающего и чувствительных элементов, и электронный блок, помещенный в герметичную камеру, воспринимающий элемент выполнен в виде мембраны, установленной и отцентрированной с минимальным зазором в отверстии в центре симметрии экрана с помощью чувствительных элементов, изготовленных на основе полупроводникового кремниевого монокристалла по принципу стержня равного сопротивления с утолщениями в середине для механического крепления в центре симметрии воспринимающего элемента и по краям для создания на всех омических контактов с малой плотностью тока и для крепления на кромке отверстия в экране при установке и центрировании в нем воспринимающего элемента, при этом чувствительные элементы расположены взаимноперпендикулярно с противоположных сторон воспринимающего элемента параллельно его плоскости с предварительным натяжением.
Такое построение устройства обеспечивает повышение чувствительности и точности измерений гидролокационных сигналов инфранизкого диапазона частот в области малых (пороговых) сигналов благодаря тому, что выполнение измерительного блока с герметичными полыми обтекателями, заполненными инертной жидкостью, полости которых соединены с внешней средой с помощью капилляров, позволяет обнаруживать малые изменения импульсов переноса, обусловленные инфранизкочастотными волновыми колебаниями внешней среды, возбуждаемыми медленно движущимися в погруженном положении малоразмерными объектами, например, из состава морских малых боевых сил (БП и др.). В основу построения заявляемого устройства положено явление переноса импульса, которое наиболее полно описывает механизм силового взаимодействия твердого тела с жидкостью, а также гидрофизические особенности и закономерности явлений, возникающих на поверхностях раздела двух несмешиваемых жидкостей различных фазовых состояний и твердого тела.
Данное техническое решение соответствует критериям "существенные отличия" и "новизна", так как все перечисленные выше признаки в этой совокупности органически связаны, существенны, необходимы и достаточны для обеспечения поставленной задачи. Все признаки в заявляемом устройстве известны порознь, но в той совокупности, в которой они заявлены в предложенном техническом решении, не встречаются ни в аналогах, ни в прототипе, ни в других источниках информации, доступных заявителю и авторам. При этом заявляемая совокупность признаков проявляет новое свойство, которое не обнаруживается ни в одном из известных объектов, а именно: измерять гидролокационные сигналы инфранизкой частоты в области малых (пороговых) значений во всем диапазоне рабочих глубин погружения с повышенной чувствительностью и точностью измерений.
Поэтому предложенное решение соответствует критериям "существенные отличия" и "новизна".
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:
на фиг. 1 - обнаружитель гидролокационных сигналов, общий вид;
на фиг. 2 - измерительный блок, общий вид;
на фиг. 3 - электронный блок, схема электрическая;
на фиг. 4 - электронный блок, схема монтажная.
Обнаружитель гидролокационных сигналов (см. фиг. 1, 2) состоит из корпуса 1, выполненного в виде гидроакустического экрана 2, закрытого сетчатой потокозащитной оболочкой 3, и герметичной камеры 4, жестко соединенной с корпусом 1 перпендикулярно плоскости экрана 2. В корпусе 1 размещены взаимосвязанные измерительный блок 5 с чувствительными элементами 6-1 и 6-2 и воспринимающим элементом 7 и электронный блок 8, помещенный в герметичную камеру 4.
2
Воспринимающий элемент 7 выполнен в виде плоской жесткой мембраны, например, из титана, и закреплен при помощи чувствительных элементов 6-1 и 6-2 в отверстии диаметром 10 мм, выполненном в центре симметрии экрана 2, с минимальным зазором порядка 0,1-0,2 мм. Чувствительные элементы 6-1 и 6-2 в отверстии диаметром 10 мм, выполненном в центре симметрии экрана 2, с минимальным зазором порядка 0,1-0,2 мм. Чувствительные элементы 6-1 и 6-2 выполнены на основе полупроводникового кремниевого монокристалла с коэффициентом тензочувствительности K=(1-1,2)·10 в виде тонкой струны диаметром 12-30 мкм с утолщениями a и b по концам для создания на них омических контактов с малой плотностью тока и утолщением с в середине для механического крепления в центре симметрии, являющемся одновременно и центром массы воспринимающего элемента 7. Чувствительные элементы 6-1 и 6-2 расположены взаимно перпендикулярно с противоположных сторон воспринимающего элемента 7 параллельно его плоскости с предварительным натяжением.
5
2
Измерительный блок 5 закрыт идентичными полыми обтекателями 9-1 и 9-2, герметично укрепленными на экране 2 с двух сторон измерительного блока 5 симметрично относительно центра симметрии экрана 2. Внутренние полости обтекателей 9-1 и 9-2 заполнены инертной жидкостью (более плотная фаза) и соединены с внешней жидкой средой (менее плотная фаза) при помощи капилляров 10, выполненных в корпусах обтекателей 9-1 и 9-2 таким образом, чтобы на поверхности воспринимающего элемента 7 создавались симметричные геометрические места точек приложения сил направленных воздействий, возникающих на выходах капилляров 10. Последние при этом имеют одинаковые размеры и равные расстояния от выхода каждого из капилляров 10 до соответствующей ему точки на поверхности воспринимающего элемента 7. Экран 2 предназначен для ослабления эффекта акустического короткого замыкания. Сетчатая потокозащитная оболочка 3 обеспечивает значительное уменьшение генерируемого на поверхности экрана 2 псевдозвукового давления, спектральные составляющие которого могут достигать (особенно в области частот до 200 Гц) уровня 110 дБ (здесь: децибелы приняты относительно 2·10 Н/м). Одновременно упомянутая оболочка 3 служит для предохранения измерительного блока 5 от случайных механических повреждений. Крепят оболочку 3 к буртикам 11, составляющим одно целое с экраном 2.
Электронный блок 8 (см. фиг. 1, 3, 4) состоит из схемы включения чувствительных элементов 6-1 и 6-2 (TR1 и TR2), собранной на элементах C1, C2, R1, R2, R3 и R4, и дифференциального усилителя, построенного на микросхеме А1 типа 140УД17, входы которой подсоединены к выходам TR1 и TR2, а выход служит выходом устройства.
Связь обнаружителя гидролокационных сигналов, например, с блоком регистрации, индикации и управления осуществляется с помощью герметичной, водонепроницаемой приборной вилки 12, например, типа 2РМГД24Б10Ш5Е2, которая электрически связана с электронным блоком 8 и укреплена на корпусе камеры 4.
Сборку обнаружителя гидролокационных сигналов осуществляют следующим образом (см. фиг. 1, 2). Утолщения a и b чувствительных элементов 6-1 и 6-2 крепят с помощью водоустойчивого эпоксидного клея, например типа "Спрут", взаимно перпендикулярно на кромке отверстия в экране 2, предварительно поместив между ними воспринимающий элемент 7. После этого средние части с чувствительных элементов 6-1 и 6-2 перемещают в противоположные стороны от плоскости воспринимающего элемента 7 перпендикулярно последнему и крепят с помощью водоустойчивого эпоксидного клея типа "Спрут" на соответствующие контактные площадки 13, чем обеспечивают предварительное натяжение элементов 6-1 и 6-2, при котором рабочее перемещение отцентрированного с помощью последних в отверстии экрана 2 воспринимающего элемента 7 приводит при малых усилиях к большим изменениям сопротивлений элементов 6-1 и 6-2. Зоны омических контактов a и b защищены клеем, а электрические выводы чувствительных элементов 6-1 и 6-2 покрывают, например, кремнийорганическим лаком. Полость 14, в которой расположен измерительный блок 5 с чувствительными 6-1 и 6-2 к воспринимающим 7 элементами заливают низкомодульным (например, марки КЛТ) или полиуретановым составом, который одновременно служит для гидроизоляции элементов 6-1 и 6-2 измерительного блока 5 и для предотвращения нарушения стационарности гидрофизических полей в обтекателях 9-1 и 9-2, которые герметично устанавливают на экране 2 с двух сторон измерительного блока 5 симметрично относительно центра симметрии экрана 2, совпадающего с центром симметрии воспринимающего элемента 7. Внутренние полости обтекателей 9-1 и 9-2 заполняют инертной жидкостью (более плотная фаза), например, составом,  изготовленным на основе полиметилсилоксановой жидкости типа ПМС ГОСТ 13032-77 или на основе кремнийорганической жидкости типа ПЭС-В ГОСТ 16480-70, не перемешиваемой с окружающей средой (менее плотная фаза). Электронный блок 8 устанавливают с помощью розетки 15 (например, типа МРН14-1) на однотипной с последней вилке 16, укрепленной на кронштейне 17 в полости камеры 4, а свободную грань его фиксируют на кронштейне 18. Затем соединив по электрическим цепям измерительный блок 5 с электронным блоком 8, а последний с вилкой 12, полость камеры 4 герметизируют с помощью крышки 19 и уплотнительной прокладки 20. Все места герметичных соединений и контактов дополнительно герметизируют герметиком, например, типа УТ-32 ТУ 38.1051386-80. Затем к специальным буртикам 11, составляющим одно целое с экраном 2, жестко крепят сетчатую потокозащитную оболочку 3.
Параллельно со сборкой и соединением по электрическим цепям элементов и блоков обнаружителя гидролокационных сигналов осуществляют их настройку. Проверяют работоспособность элементов, блоков и устройства в целом.
Устройство работает следующим образом (см. фиг. 1, 2, 3): на поверхности раздела двух фаз (две несмешиваемые жидкости) в результате различного межмолекулярного взаимодействия в соприкасающихся фазах обнаруживается направленная внутрь более плотной фазы равнодействующая сил, приложенных к площади слоя раздела. А на поверхности раздела между этими жидкостями и твердым телом свойства поверхностного натяжения вызывают особые явления, которые проявляются в образовании капиллярных волн при возмущениях внешней среды. В этом случае существование устойчивости и равновесия зависит от величины натяжений на поверхностях раздела и от степени смачивания. При этом внутри жидкости более плотной фазы, заключенной в капиллярах, формируются жидкостные линзы.
8
10
При изменении импульса переноса во внешней среде над квазинеподвижной поверхностью раздела создается вертикальный градиент импульса. Вследствие этого движение во внешней среде у поверхности раздела станет неустойчивым и распадется на отдельные вихри, которые создают пульсационный ход давления над поверхностью раздела, что приводит к образованию в более плотной фазе жидкости первичных капиллярных волн и изменению энергонасыщенности коротких волн в жидкостных линзах. Это, в свою очередь, приводит к образованию в полостях обтекателей 9-1 и 9-2 волн, которые вызывают плоскопараллельные перемещения воспринимающего элемента 7, обуславливающие попеременное сжатие-растяжение чувствительных элементов 6-1 и 6-2. Это приводит к изменению внутреннего сопротивления последних и в конечном счете к изменению электрического сигнала на их выводах a и b. Конструкция элементов 6-1 и 6-2 и их размещение в измерительном блоке 5 приводят к тому, что при рабочем перемещении воспринимающего элемента 7 сопротивления чувствительных элементов 6-1 и 6-2 имеют равные по величине, но противоположные по знаку приращения. Это приводит к удвоению сигнала измерительного блока 5 и к термокомпенсации в нем. Наличие предварительного прогиба чувствительных элементов 6-1 и 6-2 позволило использовать эффект "разложение силы на канате", что привело к дополнительному повышению коэффициента умножения усилия, развиваемого воспринимающим элементом 7, который определяется соотношением площадей воспринимающего элемента 7 и поперечного сечения чувствительных элементов 6-1 и 6-2. При реальном соотношении этих площадей величина упомянутого коэффициента может достигать значений 10-10. Дополнительно он может быть увеличен за счет различных трансформаторов сил или перемещения (например: рычажных или разложения силы на канате). В этом случае возможно увеличение усилия на один-два порядка. Это позволило повысить чувствительность устройства и довести ее до 10-15 мВ/Па. Выполнение чувствительных элементов 6-1 и 6-2 с утолщениями a и b на концах привело к снижению сопротивления растекания в областях омических контактов и выносит последние из области с относительно высокой плотностью поля, что в свою очередь снижает шумы контактов, а утолщения c повышают качество механического соединения чувствительных элементов 6-1 и 6-2 с воспринимающим элементом 7. Выходное напряжение измерительного блока 5 подают на дифференциальный усилитель, выполненный на операционном усилителе А1. С выхода последнего напряжения подают для дальнейшего использования, например, на блок регистрации, индикации и управления.
Предлагаемый обнаружитель гидролокационных сигналов позволяет  обнаруживать создаваемые движущимся в погруженном положении, например, боевым пловцом, волновые колебания, а при соответствующей обработке выходных сигналов устройства селектировать упомянутые колебания, поскольку они специфичны как для каждого индивидуума (то есть БП), так и для каждого вида морских животных, их пола и возраста.
Предлагаемое устройство обладает следующими основными параметрами:
масса, не более, г
100
напряжение питания, В
12
чувствительность, не хуже, мВ/Па
10-15
энергопотребление, не более, Вт
0,3
долговечность, ориентировочно, ч
4000
Таким образом, предлагаемый обнаружитель гидролокационных сигналов отличается от всех существующих устройств обнаружения гидролокационных сигналов, предназначен для использования как в системах подводной локации для обнаружения волновых колебаний, обусловленных воздействием на жидкую среду естественных и искусственных источников возмущения гидрофизического происхождения, например, движущимся в погруженном положении боевым пловцом, так и в системах технического навигационного обеспечения морских малых боевых сил в инфранизком диапазоне частот. Предлагаемое устройство может быть использовано в одноканальных и многоканальных системах.
Заявляемый обнаружитель гидролокационных сигналов технологичен в изготовлении, в нем использованы элементы и узлы, серийно выпускаемые промышленностью. Изготовление составных элементов, например, корпуса с сетчатой потокозащитной оболочкой платы, электронного блока, измерительного блока, обтекателей не представляет технических трудностей.
Источники информации
1. Боббер Р.Дж. Гидроакустические измерения, М. 1974.
2. ЦНИИ "Румб" Сб. рефератов изобретений по тематике отрасли, серия III, "Гидроакустические приборы и устройства, их установка и эксплуатация", вып. 3, 1982.
3. Князюк А.Н., Скворцов В.В., Тиняков В.Г. Обнаружитель гидролокационных сигналов, авт. свид. № 1841033, заявка 3203663 от 5.07.1988.