ТРЕХКОМПОНЕНТНЫЙ ВЕКТОРНО-СКАЛЯРНЫЙ ПРИЕМНИК
THREE-COMPONENT VECTOR-SCALAR RECEIVER

Изобретение относится к области гидроакустики, конкретно к векторно-скалярным приемникам, и может быть использовано в составе антенной системы, размещаемой на малогабаритном мобильном или быстро разворачиваемом носителе (безэкипажный катер, необитаемые подводные аппараты различных типов, глайдеры и т.п.) при проведении гидроакустических исследований, в частности для обнаружения источников подводных шумов в морях и океанах.
Известно, что векторно-скалярные приемники, состоящие из приемников звукового давления и приемников градиента давления (ПГД), в точечных гидроакустических антеннах позволяют обеспечить пространственную избирательность и повышение помехоустойчивости к внешним (дальнеполевым) помехам в низкочастотной области за счет реализуемой ПГД дипольной направленности (Гордиенко В.А. Векторно-фазовые методы в акустике. - М: ФИЗМАТЛИТ, 2007. С. 23).
Известны 4 схемы построения ПГД: двух-гидрофонные, разностного типа, силового типа и инерционного типа. Однако только ПГД инерционного и силового типов реализуют качественную дипольную характеристику направленности (с глубокими провалами - не менее 20-30 дБ) при размерах существенно меньших длины продольной звуковой волны в среде, т.е. в низкочастотной области.
Известным недостатком ПГД инерционного типа при размещении на мобильном носителе является необходимость гибкого подвеса, обеспечивающего как свободу перемещений ПГД относительно корпуса носителя при воздействии плоской звуковой волны полезного сигнала (Коренбаум В.И. и др. Низкочастотные приемники градиента давления инерционного типа для океанологических исследований // Приборы и техника эксперимента. 2017. №4. С. 142-146), так и виброизоляцию ПГД от собственных помех, связанных с вибрациями корпуса носителя (Коренбаум В.И. Методы виброзащиты векторных приемников // Ученые записки физического факультета московского университета. 2017. №5, 1750117). Однако гибкий подвес ограничивает прочностные характеристики антенны и тем самым препятствует ее использованию на мобильном или быстро разворачиваемом носителе.
Альтернативным решением является ПГД силового типа, который может быть установлен на корпус носителя с обеспечением большей жесткости крепления, чем ПГД инерционного типа (Двухкомпонентный приемник градиента давления: п. РФ №2568411 С1). Он состоит из двух ортогонально установленных на оси цилиндрического корпуса из звукоотражающего материала круглых чувствительных элементов, снабженных патрубками, выполненными в теле корпуса в виде полых каналов, сечение которых плавно меняется от круглого у чувствительно элемента к прямоугольному на поверхности корпуса. Оси соответствующих каналов чувствительных элементов направлены навстречу друг другу так, чтобы выходы каналов на поверхность корпуса лежали в ортогональных плоскостях относительно оси корпуса и точки на оси корпуса, лежащей посредине между центрами обоих чувствительных элементов.
Недостатком данного ПГД является реализация только двух ортогональных компонент приема сигнала, что не обеспечивает формирование пространственной избирательности векторно-скалярного приемника гидроакустической антенны носителя в направлении перпендикулярном этим двум ортогональным компонентам.
Кроме этого, недостатком известного решения является повышенная чувствительность ПГД к вибрационным помехам, возникающим при использовании векторно-скалярного приемника в составе гидроакустических антенн мобильных носителей в низкочастотном диапазоне (Коренбаум В.И. Методы виброзащиты векторных приемников // Ученые записки физического факультета московского университета. 2017. №5, 1750117).
Известен акустический приемник градиента давления (п.РФ №2624791 С1), в котором для дополнительной виброзащиты ПГД силового типа применена компенсационная виброзащита. Данный приемник, как и предыдущий, включает два ортогонально ориентированных круглых чувствительных элемента, установленных ортогонально друг за другом на оси цилиндрического корпуса из звукоотражающего материала и снабженных полостями переменного сечения, соединенными с цилиндрической поверхностью корпуса в ортогональных относительно оси цилиндра направлениях. Дополнительно к предыдущему решению соосно чувствительным элементам на продольной оси корпуса установлены два ортогонально ориентированных акселерометра. Чувствительные элементы и соответствующие им акселерометры через усилители соединены с устройством для вычитания помехи, создаваемой вибрацией корпуса в направлении осей чувствительности изгибных пьезопреобразователей. Это решение может быть рассмотрено в качестве наиболее близкого аналога.
Однако недостатком известных решений остается реализация только двух ортогональных компонент приема сигнала, что не позволяет осуществить пространственную избирательность гидроакустической антенны носителя во всей контролируемой области пространства.
Отсюда возникает техническая проблема, требующая решения, которая заключается в создании векторно-скалярного приемника, снабженного приемником звукового давления, с трехкомпонентным ПГД силового типа для мобильного или быстро разворачиваемого малогабаритного носителя с обеспечением возможности снижении воздействия вибраций корпуса носителя на достоверность регистрации полезного сигнала, а также возможность осуществления пространственной избирательности гидроакустической антенны носителя.
Технический результат - пространственная избирательность гидроакустической антенны во всей контролируемой области пространства и повышенная помехоустойчивость регистрации полезного сигнала в условиях воздействия вибраций корпуса носителя.
Для решения названной проблемы предлагается устройство векторно-скалярного приемника, состоящее из двух ортогонально ориентированных относительно друг друга идентичных цилиндрических корпусов приемников градиента давления из акустически непрозрачного материала, на оси которых в отверстиях установлены друг за другом изгибные пьезопреобразователи, соединенные внутренними полостями сложного сечения с поверхностью корпуса в ортогональных относительно оси корпуса направлениях, при этом изгибный пьезопреобразователь в одном из внешних отверстий второго приемника установлен ортогонально изгибным преобразователям первого корпуса, а его второе отверстие снабжено двумя изгибными пьезопреобразователями с внутренним воздушным зазором между ними, электрически включенных синфазно, корпуса приемников с обеспечением зазора между ними жестко присоединены по торцам к стойкам, скрепленным с двух сторон кольцами, одно из которых снабжено системой присоединения к конструкции носителя.
На Фиг. 1 приведены фронтальный вид с разрезом (а) и вид сбоку с разрезом (б), где 1 - цилиндрический корпус, 2 - изгибный пьезопреобразователь вертикального канала приемника градиента давления, 3 - полость сложного сечения, соединяющая изгибный пьезопреобразователь с цилиндрической поверхностью корпуса, 4 - изгибный пьезопреобразователь первого горизонтального канала приемника градиента давления, 5 -изгибный пьезопреобразователь второго горизонтального канала приемника градиента давления, 6 - пара изгибных пьезопреобразователей с внутренним воздушным зазором, образующих канал звукового давления.
На Фиг. 2 приведен разрез изгибных пьезопреобразователей, в) канала ПГД (поз. 2, 4, 5 на Фиг. 1), где г) канал звукового давления (поз. 6 на Фиг. 1); 7 - пьезодиск, 8 - металлическая подложка, 9 - кольцевая опора, 10 - воздушный зазор.
На Фиг. 3 приведен вид одного из возможных вариантов выполнения трехкомпонентного векторно-скалярного приемника с акселерометром, где д). - фронтальный вид, е). - вид сбоку, ж), вид сверху, 11 -корпус с вертикальным и первым горизонтальным каналами векторного приемника, 12 - корпус со вторым горизонтальным каналом векторного приемника и каналом звукового давления, 13 - вертикальные стойки, 14 - вставки с крестообразно расположенными крепежными отверстиями, 15 - верхнее горизонтальное кольцо, 16 - нижнее горизонтальное кольцо, 17 - крепления присоединительной конструкции, 18 - присоединительная конструкция, 19 - трехкомпонентный акселерометр.
Заявляемое устройство функционирует следующим образом.
Для регистрации полезного сигнала приемник устанавливают неподвижно на носитель. При этом три компоненты градиента звукового давления регистрируются на выходах трех взаимно-ортогональных каналов ПГД, образованных изгибными пьезопреобразователями 2, 4, 5 (Фиг. 1), включающими металлическую подложку (8) с двумя пьезодисками (7) (Фиг. 2в), а сигнал звукового давления регистрируется изгибным пьезопреобразователем 6 (Фиг. 1) с двумя пьезодисками (7) на двух металлических подложках (8) и внутренним воздушным зазором (10) (Фиг. 2г). При этом пары датчиков 2, 4 и 5, 6 имеют каждая единый фазовый центр. Хотя между фазовыми центрами пар имеется небольшое смещение в направлении оси корпуса носителя (Фиг. 3), которое существует только для сигналов, приходящих с направления оси корпуса носителя, однако величина этого смещения (порядка 0,1 - 0,2 м) настолько мала по сравнению с длиной продольной звуковой волны (на частоте 200 Гц - 7,5 м, а ниже по частоте - еще больше), что его влияние на качество формируемых 3-х компонентным векторно-скалярным приемником характеристик направленности пренебрежимо мало.
При регистрации вибрационных помех от корпуса носителя вся конструкция векторно-скалярного приемника в сборе (Фиг. 3), скрепленная вертикальными стойками 13, кольцами 15, 16 и системой 17, 18 присоединения к корпусу носителя совершает единые механические колебания, которые за счет высокой виброчувствительности ПГД воспринимаются его тремя взаимно-ортогональными каналами, образованными изгибными пьезопреобразователями 2, 4, 5 (Фиг. 1).
Для повышения помехозащищенности устройства от вибрации корпуса носителя присоединительная конструкция 18 приемника может быть снабжена трехкомпонентным акселерометром 19 (Фиг. 3) и/или виброизолятором (на Фиг. не показан). При этом каждая из компонент акселерометра ориентирована в пространстве соосно с одной из компонент (2, 4, 5) приемника градиента давления (Фиг. 1), и электрически включена через регулируемые усилители с обеспечением минимизации откликов на вибрации путем вычитания выходных напряжений каждого из каналов ПГД и соответствующим образом ориентированного канала акселерометра. Таким образом, происходит компенсационное подавление вибрационных помех от корпуса носителя, как правило, на 25-40 дБ. При воздействии же полезного сигнала в виде плоской звуковой волны отклик каналов неподвижного акселерометра близок к нулю и полезный сигнал регистрируется без существенного ослабления. Чем и достигается эффект повышения помехоустойчивости ПГД 3-компонентного векторно-скалярного приемника к вибрационным помехам носителя. При этом канал звукового давления векторно-скалярного приемника при выборе идентичных по своим свойствам пьезопреобразователей 7 (Фиг. 2г) к вибрациям корпуса носителя практически нечувствителен.
Для усиления эффекта защиты от вибрационных помех присоединительная конструкция устройства может быть снабжена виброизолятором (например, резино-металлический), а наружная поверхность векторно-скалярного приемника может быть накрыта единым осесимметричным звукопрозрачным обтекателем, например в виде сегмента сферы. Возможно также заполнение внутренней полости обтекателя и/или полостей корпусов приемников звукопрозрачным компаундом, например, из полиуретана.
Каждый из цилиндрических корпусов заявляемого устройства может быть выполнен, например, как описано в статье Коренбаум В.И., Тагильцев А.А., Горовой С.В., Дегтярев И.В., Серветников М.И. Низкочастотный приемник градиента давления силового типа // Материалы 7-й Всероссийской научно-технической конференции «Технические проблемы освоения мирового океана», 2 октября - 6 октября 2017 г. Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения РАН, Владивосток, с. 193-196. Корпус размером 168×∅100 мм изготовлен из нержавеющей стали и состоит из 8 собираемых на штифтах одинаковых секций. Круглые чувствительные элементы собраны из двусторонних биморфных преобразователей, состоящих из бронзовой подложки ∅70 мм, толщиной 1,2 мм, склеенной с двумя тонкими (толщина 0,3 мм) круглыми пьезодисками ∅30 мм. Бронзовая подложка по контуру ∅65 мм закреплена (оперта) между двумя кольцевыми обоймами, имеющими внешний диаметр ∅80 мм, выполненными из текстолита. Каждый собранный чувствительный элемент 2 залит звукопрозрачным уретановым компаундом в форме цилиндрической таблетки.
-2
-6
-2
В качестве 3-компонетного акселерометра может быть применен разработанный фирмой ООО «СМИС Эксперт» трехкомпонентный акселерометр СД-1Э с пьезокерамическими чувствительными элементами и встроенными усилителями. Базовый вариант имеет чувствительность 1000 мВ/мс по каждой координатной оси, частоту резонанса 500 Гц (что позволяет обеспечить компенсационную виброзащиту на частотах ниже 200-300 Гц), шумы 2*10 мс, динамический диапазон около 80 дБ, размеры 80×75×52 мм и массу 300 г. Усилители реализуются на стандартных операционных усилителях.
Остальные конструктивные элементы заявляемого устройства (Фиг. 1 - Фиг. 3) выполняют с помощью стандартных технологий акустического приборостроения и металлообработки.
Компенсационную виброзащиту заявляемого приемника предварительно настраивают, помещая векторно-скалярный приемник в сборе под поверхность воды на перевернутом вибрационном столе, прикрепляя его к виброболту, и возбуждая продольные колебания корпуса приемника последовательно в направлениях максимальной чувствительности каналов ПГД и, соответственно 3-компонентного акселерометра. При этом коэффициенты усиления усилителей с регулируемым коэффициентом усиления устанавливают так, чтобы обеспечить минимальный уровень отклика на вибрационную помеху, т.е. максимум подавления вибрационной помехи по каждому из ортогональных каналов ПГД (п. РФ №2624791).
Таким образом, за счет предлагаемых конструкторских решений, а именно использования дополнительного корпуса с установленным в нем третьим приемником градиента давления и приемником звукового давления, расположения корпусов приемников и наличия системы присоединения к носителю, а также технологической схемы соединения измерительных трактов с 3-компонентным аксерометром реализуется векторно-скалярный приемник с 3-компонентным ПГД силового типа и приемником звукового давления для мобильного или быстро разворачиваемого малогабаритного носителя с обеспечением возможности снижении воздействия вибраций корпуса носителя на достоверность регистрации полезного сигнала.