КОМБИНИРОВАННЫЙ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ ПРИЕМНИК
COMBINED HYDRO ACOUSTIC RECEIVER

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для измерения параметров скалярно-векторной структуры звуковых полей в морской среде.
Известен комбинированный гидроакустический приемник, содержащий герметичный полый корпус, гидрофонный канал, три векторных канала, оси чувствительности которых ортогональны, и предварительные усилители, к соответствующим входам которых подключены каналы, причем корпус выполнен из двух частей шатровой формы, между которыми установлено центральное кольцо с двумя противоположно установленными в корпусе держателями, снабженное четырьмя равномерно распределенными по окружности отверстиями, закрытыми крышками, свод которых опирается на пьезокерамические кольца, образующие гидрофонный канал, попарно установленные так, чтобы поляризация одной пары была противоположна поляризации другой пары; каждый векторный канал состоит из двух симметрично расположенных относительно центра корпуса чувствительных элементов, выполненных в виде набора пьезокерамических колец, одним концом опирающихся на инерционную массу, расположенную в центре корпуса; при этом вторые концы чувствительных элементов горизонтальных каналов опираются на центральное кольцо, а вертикального канала - на держатели, а в качестве предварительных усилителей используют дифференциальные усилители, платы которых установлены на инерционной массе (патент РФ, №125425, МПК, H04R 1/44, 2012 г.).
Недостатком аналога является низкая чувствительность пьезокерамических элементов векторных каналов на низких частотах, обусловленная тем, что все пьезокерамические элементы, входящие в состав векторных каналов комбинированного гидроакустического приемника, работают как акселерометры, чувствительность которых уменьшается с уменьшением частоты. Кроме того, очевидна сложность установки приемника на подвижном носителе, т.к. сферический корпус, в котором расположены все чувствительные элементы, должен иметь гибкую подвеску, очень чувствительную к внешним возмущениям, возникающим при движении носителя.
Известен комбинированный гидроакустический приемник, содержащий герметичный полый сферический корпус, гидрофонный канал, три векторных канала, оси чувствительности которых образуют ортогональную систему координат, начало которой совпадает с центром герметичного сферического корпуса, и предварительные усилители, к соответствующим входам которых подключены гидрофонный и векторный каналы, причем гидрофонный канал выполнен в виде двух полых пьезоэлектрических элементов, закрепленных снаружи сферического корпуса напротив друг друга и электрически соединенных параллельно, а три векторных канала выполнены каждый в виде двух последовательно соединенных биморфных пьезоэлектрических элементов, расположенных внутри сферического корпуса и подключенных к входам соответствующих усилителей (патент РФ, №88237, МПК, H04R 1/44, 2009 г.).
Такой комбинированный гидроакустический приемник является наиболее близким к заявленному изобретению и выбран в качестве прототипа. Недостатком прототипа является низкая чувствительность биморфных пьезоэлектрических элементов векторных каналов, которые работают как акселерометры, чувствительность которых уменьшается с уменьшением частоты. Кроме того, очевидна сложность установки приемника на подвижном носителе, связанная с необходимостью использования гибкой подвески сферического корпуса внутри носителя.
В основу настоящего изобретения поставлена задача повышения чувствительности пьезоэлектрических элементов гидрофонного и векторных каналов на низких частотах, снижение уровня помех на входах предварительных усилителей, а также уменьшение чувствительности комбинированного гидроакустического приемника к внешним возмущениям при его использовании на подвижном носителе.
Для реализации указанной задачи в комбинированном гидроакустическом приемнике, содержащем герметичный сферический корпус, усилители, гидрофонный канал, в состав которого входят два пьезоэлектрических элемента, закрепленных снаружи сферического корпуса напротив друг друга и подключенных к первому усилителю, трехкомпонентный векторный канал, в состав которого входят три пары биморфных пьезоэлектрических элементов, подключенных ко второму, третьему и четвертому усилителям соответственно, при этом биморфные пьезоэлектрические элементы каждого векторного канала попарно установлены на сферическом корпусе напротив друг друга так, что оси чувствительности трех компонент векторного канала образуют ортогональную систему координат, начало которой совпадает с центром герметичного сферического корпуса, все биморфные пьезоэлектрические элементы, входящие в состав трехкомпонентного векторного канала, расположены снаружи сферического корпуса, входы всех четырех усилителей выполнены дифференциальными, два пьезоэлектрических элемента гидрофонного канала выполнены на основе герметичных, встречно поляризованных пьезополимерных пленочных преобразователей и подключены к дифференциальному входу первого усилителя, две пары биморфных пьезоэлектрических элементов, входящих в состав горизонтальных компонент (х,у) векторного канала, выполнены встречно поляризованными и подключены к дифференциальным входам второго и третьего усилителей соответственно, две пары биморфных пьезоэлектрических элементов, входящих в состав вертикальной компоненты (z) векторного канала, выполнены встречно поляризованными, соединены электрически попарно параллельно и подключены к дифференциальному входу четвертого усилителя, две пары биморфных пьезоэлектрических элементов, входящих в состав горизонтальных компонент (х,у) векторного канала, конструктивно выполнены на основе герметичных пьезополимерных пленочных преобразователей, наклеенных попарно на противоположные поверхности четырех вертикально ориентированных упругих подложек, две пары биморфных пьезоэлектрических элементов, входящих в состав вертикальной компоненты (z) векторного канала, конструктивно выполнены на основе герметичных пьезополимерных пленочных преобразователей, наклеенных попарно на противоположные поверхности четырех горизонтально ориентированных упругих подложек, причем внутренние торцы всех четырех пар упругих подложек установлены на внешней поверхности сферического корпуса с возможностью выполнения изгибных колебаний упругой подложки, внешние торцы всех четырех пар упругих подложек жестко закреплены на внешнем кольцевом герметичном корпусе с размещенными внутри него усилителями, расположенном вне сферического корпуса, длина каждой упругой подложки и ее толщина подобраны так, чтобы первая резонансная частота изгибных колебаний подложки совпадала с верхней частотой рабочего диапазона частот комбинированного акустического приемника, положение внешнего кольцевого герметичного корпуса стабилизировано в горизонтальной плоскости, а сферический корпус частично заполнен жидкостью до уровня, соответствующего нулевой плавучести сферического корпуса в рабочей среде.
При таком исполнении комбинированного гидроакустического приемника его сферический корпус, имеющий нулевую плавучесть, играет роль соколеблющегося тела, смещения которого в акустическом поле передаются на биморфные пьезоэлектрические элементы трех векторных каналов, которые работают как датчики смещения. Чувствительность по давлению такого датчика смещения растет с уменьшением частоты, а уменьшение чувствительности с ростом частоты компенсируется резонансными свойствами упругой подложки, резонансная частота которой совпадает с верхней частотой рабочего диапазона частот комбинированного гидроакустического приемника. В результате чувствительность по давлению биморфных пьезоэлектрических элементов трех векторных каналов увеличивается в сравнении с прототипом во всем рабочем диапазоне частот, а возможность жесткого крепления комбинированного гидроакустического приемника на подвижном носителе без нарушения режима работы самого приемника уменьшает его зависимость от внешних возмущений, возникающих при движении носителя. Сам внешний кольцевой корпус может крепиться на подвижном носителе комбинированного гидроакустического приемника, сохраняя при этом ориентацию в горизонтальной плоскости, например, с использованием карданова подвеса.
Использование пар встречно поляризованных пьезополимерных пленочных преобразователей, например, на основе поливинилиденфторида (ПВДФ), позволяет резко уменьшить массу самого комбинированного гидроакустического приемника, увеличить по сравнению с прототипом чувствительность гидрофонного канала и трех векторных каналов, а также уменьшить уровень помехи на входе каждого предварительного усилителя.
В предлагаемом комбинированном гидроакустическом приемнике существенными признаками, общими с прототипом, являются:
- герметичный сферический корпус;
- усилители;
- гидрофонный канал, в состав которого входят два пьезоэлектрических элемента, закрепленных снаружи сферического корпуса напротив друг друга и подключенных к первому усилителю;
- трехкомпонентный векторный канал, в состав которого входят три пары биморфных пьезоэлектрических элементов, подключенных ко второму, третьему и четвертому усилителям соответственно;
- биморфные пьезоэлектрические элементы каждого векторного канала попарно установлены на сферическом корпусе напротив друг друга так, что оси чувствительности трех компонент векторного канала образуют ортогональную систему координат, начало которой совпадает с центром герметичного сферического корпуса.
Отличительными существенными признаками являются:
- все биморфные пьезоэлектрические элементы, входящие в состав трехкомпонентного векторного канала, расположены снаружи герметичного сферического корпуса, а входы всех усилителей выполнены дифференциальными;
- два пьезоэлектрических элемента гидрофонного канала выполнены на основе герметичных, встречно поляризованных пьезополимерных пленочных преобразователей, подключенных к дифференциальному входу первого усилителя;
- две пары биморфных пьезоэлектрических элементов, входящих в состав горизонтальных компонент (х,у) векторного канала, выполнены встречно поляризованными и подключены к дифференциальным входам второго и третьего усилителей соответственно;
- две пары биморфных пьезоэлектрических элементов, входящих в состав вертикальной компоненты (z) векторного канала, выполнены встречно поляризованными, соединены электрически попарно параллельно и подключены к дифференциальному входу четвертого усилителя;
- две пары биморфных пьезоэлектрических элементов, входящих в состав горизонтальных компонент (х,у) векторного канала, конструктивно выполнены на основе герметичных пьезополимерных пленочных преобразователей, наклеенных попарно на противоположные поверхности четырех вертикально ориентированных упругих подложек;
- две пары биморфных пьезоэлектрических элементов, входящих в состав вертикальной компоненты (z) векторного канала, конструктивно выполнены на основе герметичных пьезополимерных пленочных преобразователей, наклеенных попарно на противоположные поверхности четырех горизонтально ориентированных упругих подложек;
- внутренние торцы каждой из четырех пар упругих подложек установлены на внешней поверхности сферического корпуса с возможностью выполнения изгибных колебаний упругой подложки, внешние торцы каждой из четырех пар упругих подложек жестко закреплены на внешнем кольцевом герметичном корпусе с размещенными внутри него усилителями, расположенном вне сферического корпуса;
- длина каждой упругой подложки и ее толщина подобраны так, чтобы первая резонансная частота изгибных колебаний подложки совпадала с верхней частотой рабочего диапазона частот комбинированного акустического приемника;
- положение внешнего кольцевого корпуса стабилизировано в горизонтальной плоскости;
- сферический корпус частично заполнен жидкостью до уровня, соответствующего нулевой плавучести сферического корпуса в рабочей среде.
Таким образом, именно такая совокупность существенных признаков заявленного устройства позволяет создать комбинированный гидроакустический приемник с улучшенными характеристиками. На основании изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков заявленного изобретения имеет причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1-2 представлены вертикальный разрез и вид сверху комбинированного гидроакустического приемника, на фиг.3 представлена электрическая схема подключения встречно поляризованных пьезоэлектрических элементов гидроакустического канала и встречно поляризованных биморфных пьезоэлектрических элементов трехкомпонентного векторного канала на дифференциальные входы соответствующих усилителей, на фиг.4 представлена конструкция герметичных пьезополимерных пленочных преобразователей.
Заявленный комбинированный гидроакустический приемник содержит сферический корпус 1, частично заполненный жидкостью 2, встречно поляризованные пьезоэлектрические элементы 3-4 гидрофонного канала, расположенные на внешней стороне корпуса напротив друг другу, встречно поляризованные биморфные пьезоэлектрические элементы 5-8 горизонтальных компонент (х,у) векторного канала, встречно поляризованные биморфные пьезоэлектрические элементы 9-12 вертикальной компоненты (z) векторного канала, расположенные вне сферического корпуса, оси чувствительности которых образуют ортогональную систему координат, начало которой совпадает с центром герметичного сферического корпуса, упругие подложки 13 и внешний кольцевой герметичный корпус 14 с размещенными в нем усилителями 15-18. Установка внутренних торцов каждой из четырех пар упругих подложек на внешней поверхности сферического корпуса с возможностью выполнения изгибных колебаний упругой подложки осуществлена, например, посредством герметика. Жесткое крепление внешних торцов каждой из четырех пар упругих подложек на внешнем кольцевом герметичном корпусе выполнено, например, с помощью сварки. Внешний кольцевой герметичный корпус 14 с размещенными в нем усилителями выполнен секционированным с герметичным соединением отдельных секций друг с другом. Основу пьезополимерного пленочного преобразавателя составляет пьезополимерная пленка 19 типа ПВДФ, на противоположные стороны которой нанесены электроды 20, помещенная в герметичную оболочку 21 с герметичными электрическими выводами 22. Все выводы подключены к общему герморазъему, установленному на внешнем кольцевом герметичном корпусе. Суммарная толщина пленочного пьезопреобразователя не превышает 1 мм. Такая конструкция хорошо противостоит внешнему гидростатическому давлению, сам пленочный пьезопреобразователь имеет высокую чувствительность и малую массу, что делает его предпочтительным при изготовлении чувствительных элементов комбинированного гидроакустического приемника.
Комбинированный гидроакустический приемник работает следующим образом.
При помещении комбинированного гидроакустического приемника в водную среду его сферический корпус 1, имеющий нулевую плавучесть, играет роль соколеблющегося тела, а внешний кольцевой герметичный корпус 14 играет роль несущей конструкции, которая может быть закреплена или на внешнем носителе комбинированного гидроакустического приемника, или снабжена якорным устройством и поплавком при работе в стационарном режиме. Во внешнем звуковом поле пара пьезоэлектрических элементов 3-4 с встречной поляризацией, расположенных на сферическом корпусе напротив друг друга, генерирует электрическое напряжение, пропорциональное звуковому давлению, поступающее на дифференциальный вход усилителя гидрофонного канала 15. Кроме того, сферический корпус во внешнем звуковом поле будет совершать вынужденные колебания, которые передаются упругим подложкам, каждая из которых установлена одним торцом на внешней поверхности сферического корпуса с возможностью выполнения изгибных колебаний упругой подложки и жестко закреплена другим торцом на внешнем кольцевом герметичном корпусе. Изгибные колебания подложки возбуждают электрическое напряжение на обкладках биморфных пьезоэлектрических элементов 5-12, нанесенных на противоположные стороны соответствующих подложек, пропорциональное колебательному смещению в звуковом поле. Чувствительность по давлению датчиков смещения растет с понижением частоты, а такой тип частотной характеристики является предпочтительным при использовании комбинированного гидроакустического приемника на низких частотах. Встречная поляризация биморфных пьезоэлектрических элементов позволяет получить электрическое напряжение противоположной полярности, которое поступает на дифференциальный вход усилителей 16-18 соответствующих векторных каналов, что позволяет минимизировать уровень помех на входе усилителей. В результате, на выходе усилителей комбинированного гидроакустического приемника мы получим четыре электрических сигнала, каждый из которых пропорционален либо звуковому давлению, либо компонентам вектора колебательной скорости (колебательного смещения).
Таким образом, в заявленном комбинированном гидроакустическом приемнике чувствительность всех пьезоэлектрических элементов в гидрофонном канале и векторных каналах увеличена в сравнении с прототипом, уменьшен уровень помех на входах дифференциальных усилителей и уменьшена чувствительность комбинированного гидроакустического приемника к внешним возмущениям при его использовании на подвижном носителе.