УСТРОЙСТВО ПРИЕМА И ПЕРЕДАЧИ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Полезная модель, относится к устройствам приема и передачи гидроакустических сигналов, предназначенным для преобразования гидроакустических сигналов в электрические при приеме и электрических сигналов в гидроакустические при передаче. Области преимущественного использования устройства: гидролокация, гидроакустическая связь, гидроакустическое телеуправление, гидроакустическая телеметрия.
К устройствам приема и передачи гидроакустических сигналов относятся пьезокерамические гидрофоны, использующие эффект появления поверхностных зарядов в керамике под действием внутренних механических напряжений, вызванных внешними механическими усилиями, (прямой пьезоэффект) или появления механических напряжений и, соответственно, деформаций под действием внешнего электрического поля (обратный пьезоэффект) [Л1, Л2]. Основу пьезокерамического гидрофона составляет пьезоэлемент, представляющий собой кольцо, диск или стержень из керамики определенной марки, на противоположные стороны которых нанесено металлическое напыление для обеспечения электрических контактов. Пьезоэлемент жестко соединен с металлическим корпусом гидрофона, имеющем зону, обладающую повышенной локальной упругостью и используемую как рабочую поверхность в качестве источника излучения гидроакустических колебаний при передаче и в качестве их сенсора при приеме.
На практике для повышения излучаемой мощности и чувствительности гидрофона обычно используется набор из достаточно большого числа пьезоэлементов. Элементы этого набора механически плотно стянуты между собой и образуют, так называемый, пьезопакет. Электрическое соединение элементов в пьезопакете может быть либо последовательным, либо параллельным [Л3]. Данная конструкция принята в качестве прототипа предлагаемого технического решения (Фиг.1 - вариант конструкции пьезокерамического гидрофона с пьезопакетом).
Выбор параллельного или последовательного соединения пьезоэлементов определяется требованиями конкретной технической задачи, поскольку при параллельном соединении можно получить большую мощность при излучении, а при последовательном соединении большую чувствительность при приеме. Этот выбор должен быть сделан до сборки пакета, так как технология изготовления пьезоэлементов предполагает создание в них начальной поляризации, в результате чего они получают разную полярность выводов. Когда элементы пьезопакета предполагается соединять последовательно, то пакет собирается так, чтобы соседние элементы контактировали между собой выводами разной полярности, если же элементы предполагается соединять параллельно, то они должны контактировать одноименными полюсами.
Поэтому, недостатком пьезокерамических гидрофонов, пьезопакеты которых собираются по вышеуказанному принципу, является то обстоятельство, что одни из них лучше работают на излучение, а другие - на прием гидроакустического сигнала.
Полезной моделью решается задача расширения функциональных возможностей пьезокерамического гидрофона за счет обеспечения его оптимальных характеристик, как в режиме передачи, так и в режиме приема гидроакустических сигналов, при сохранении конструкции.
Указанная задача решается тем, что в устройстве приема и передачи гидроакустических сигналов (пьезокерамическом гидрофоне), содержащем, расположенный в металлическом корпусе и жестко с ним связанный, пакет из N пьезокерамических элементов, элементы пакета разделены тонкими электроизоляционными прокладками хорошо проводящими механические упругие колебания, из корпуса выведены отдельно выводы каждого пьезоэлемента и дополнительно введены 2N электромагнитных реле, транзистор проводимости n-p-n и токоограничивающий резистор, причем положительный вывод первого пьезоэлемента соединен с переключающими контактами реле с четными порядковыми номерами 2, 4... 2N-4, 2N-2 и с переключающим контактом реле 2N-1, отрицательный вывод первого пьезоэлемента соединен с переключающим контактом первого реле, положительный вывод второго пьезоэлемента соединен с размыкающим контактом первого реле и с замыкающим контактом второго реле, отрицательный вывод второго пьезоэлемента соединен с замыкающим контактом первого реле и с переключающим контактом третьего реле и так до положительного вывода N-1 элемента, соединенного с размыкающим контактом реле 2N-5 и замыкающим контактом реле 2N-4, отрицательный вывод N-1 элемента соединен с замыкающим контактом реле 2N-5 и с переключающим контактом реле 2N-3, положительный вывод N-го пьезоэлемента соединен с размыкающим контактом реле 2N-3 и с замыкающим контактом реле 2N-2, отрицательный вывод N-го пьезоэлемента соединен с замыкающим контактом реле 2N-3 и с переключающим контактом реле 2N, обмотки всех 2N реле соединены между собой параллельно и одним выводом подключены к положительному полюсу источника питания (внешнего), а другим выводом соединены с коллектором n-p-n транзистора, эмиттер которого подключен к отрицательному полюсу источника питания (к земле), база транзистора соединена с выводом токоограничивающего резистора, второй вывод которого является переключающим входом устройства, выходом устройства являются размыкающиеся контакты реле 2N-1 и 2N, а входом устройства являются замыкающие контакты реле 2N-1 и 2N.
На фиг.2 представлена электрическая схема предлагаемого устройства приема и передачи гидроакустических сигналов, а на фиг.3 - схема соединения обмоток реле в устройстве.
Устройство приема и передачи гидроакустических сигналов содержит расположенный в металлическом корпусе пьезокерамический пакет 1 из N пьезокерамических элементов, разделенных, в отличие от прототипа, тонкими электроизоляционными прокладками 2, хорошо передающими механические упругие колебания, что дает возможность соединять пьезоэлементы в пакете или последовательно или параллельно. Из корпуса выведены отдельно выводы каждого пьезоэлемента и дополнительно введены 2N электромагнитных реле с контактными группами 3 и с обмотками 4, транзистор проводимости n-p-n 5 и токоограничивающий резистор 6. Положительный вывод первого пьезоэлемента соединен с переключающими контактами реле с четными порядковыми номерами 2, 4... 2N-4, 2N-2 и с переключающим контактом реле 2N-1, отрицательный вывод первого пьезоэлемента соединен с переключающим контактом первого реле, положительный вывод второго пьезоэлемента соединен с размыкающим контактом первого реле и с замыкающим контактом второго реле, отрицательный вывод второго пьезоэлемента соединен с замыкающим контактом первого реле и с переключающим контактом третьего реле и так до положительного вывода N-1 пьезоэлемента, соединенного с размыкающим контактом реле 2N-5 и с замыкающим контактом реле 2N-4. Отрицательный вывод N-1 пьезоэлемента соединен с замыкающим контактом реле 2N-5 и с переключающим контактом реле 2N-3, положительный вывод N-го пьезоэлемента соединен с размыкающим контактом реле 2N-3 и с замыкающим контактом реле 2N-2, отрицательный вывод N-го пьезоэлемента соединен с замыкающим контактом реле 2N-3 и с переключающим контактом реле 2N. Обмотки 4 всех 2N реле 3 соединены между собой параллельно и одним выводом подключены к положительному полюсу источника питания (внешнего), а другим выводом соединены с коллектором, n-p-n транзистора 5, эмиттер которого подключен к отрицательному полюсу источника питания (к земле), база n-p-n транзистора 5 соединена с выводом токоограничивающего резистора 6, второй вывод которого является переключающим входом устройства. Выходом устройства являются размыкающиеся контакты реле 2N-1 и 2N, a входом устройства являются замыкающие контакты реле 2N-1 и 2N.
В режиме передачи (излучения гидроакустического сигнала), волны упругих деформаций пьезоэлемента, как реакция на возбуждающее переменное напряжение, подведенное к его выводам, распространяются по корпусу гидрофона. Часть корпуса гидрофона, в которой конструктивно создана повышенная локальная упругость, испытывает наибольшую амплитуду колебаний. Поверхность этой части корпуса, контактирующая со средой распространения, носит - название излучающей (рабочей) поверхности. В режиме приема, под воздействием внешнего переменного гидроакустического давления на рабочую поверхность, в корпусе гидрофона и, соответственно, в пьезоэлементах 1, распространяются волны упругих деформаций. Результатом будет электрический сигнал на выводах пьезоэлементов 1, воспроизводящий в аналоговой форме внешнее акустическое давление.
С помощью реле 3, 4 производится электрическая коммутация выводов каждого пьзоэлемента пакета гидрофона, благодаря чему они могут быть соединены либо последовательно, либо параллельно и устройство, соответственно, получает оптимальные характеристики работы либо на прием, либо на передачу.
Переключение режима работы устройства «прием/передача» осуществляет транзистор 5 с токоограничивающим резистором 6. Соответственно, устройство имеет «вход» и «выход» сигнала. Механическая устойчивость конструкции обеспечивается установкой коммутирующих реле 3, 4, транзистора 5 и резистора 6 на монтажной плате в металлическом экране.
Таким образом, устройство приема и передачи гидроакустических сигналов может работать как в режиме передачи, так и в режиме приема гидроакустических сигналов, при сохранении оптимальных характеристик.
Литература:
1. Свердлин Г.М. Гидроакустические преобразователь и антенны. Л., Судостроение, 1987 с 160-167
2. Свердлин Г.М. Прикладная гидроакустика. Л., Судостроение, 1990, с 260
3. Р.Дж.Боббер. Гидроакустические измерения. М., «Мир», 1974, с 265, рис.5.5