Двухкомпонентный приемник градиента давления и способ измерения градиента давления с его использованием
TWO-COMPONENT RECEIVER OF PRESSURE GRADIENT AND METHOD OF MEASURING PRESSURE GRADIENT WITH ITS USE

Изобретение относится к области гидроакустики, конкретно к векторно-скалярным приемникам, и может быть использовано в составе мобильной антенной системы (гибкой протяженной буксируемой антенны, донной станции, радиогидроакустического буя) при проведении гидроакустических исследований, в частности для измерения гидроакустических шумов в морях и океанах.
Известно, что векторно-скалярные приемники, состоящие из приемников звукового давления и приемников градиента давления (ПГД) в точечных и линейных гидроакустических антеннах, позволяют обеспечить пространственную избирательность и повышение помехоустойчивости к внешним (дальнеполевым) помехам в низкочастотной области (Гордиенко В.А. Векторно-фазовые методы в акустике. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. С. 23.).
Однако общеизвестным недостатком ПГД является повышенная чувствительность к таким ближнеполевым помехам, как вибрации и турбулентные пульсации давления, характерные при использовании ПГД в составе гидроакустических антенн мобильных устройств (радиогидроакустические буи, гибкие буксируемые антенны и т.д.) (Коренбаум В.И. Защита акустических устройств от ближних полей помех: дис. докт. техн. наук: 01.04.06 - Владивосток, 1999. - 356 с.). Это связано с тем, что датчики колебательной скорости сильно подвержены как гидродинамическим, так и вибрационным воздействиям потока жидкости.
Высокий уровень гидродинамических помех и связанных с ними вибраций антенн в низкочастотной области заставляет применять специальные методы обработки получаемых данных для повышения помехозащищенности и, соответственно, улучшения качества получаемой гидроакустической информации, например интенсиметрическую обработку откликов каналов звукового давления и градиента давления, приводящую к подавлению помех обтекания (Korenbaum V.I., Tagiltsev А.А., J. Acoust. Soc. Am., v. 131, 5, 3755-3762, 2012). Однако этот метод предусматривает мультипликативную обработку сигналов в каналах ПГД и звукового давления, что считается неоптимальным по отношению к дальнеполевым помехам (D'Spain G.L., Luby J.C., Wilson G.R., Gramann R.A. Vector sensors and vector sensor line arrays: Comments on optimal array gain and detection // J. Acoust. Soc. Am. 2006. V. 120. P. 171-185.). Таким образом, рассмотренное техническое решение, хотя и служит подавлению вибрационных помех, но не обеспечивает достаточной эффективности помехозащищенности.
Известен акустический приемник градиента давления (а.с. СССР №1521244), в котором внешняя и внутренняя пары оппозитно расположенных круглых изгибных чувствительных элементов (пьезопреобразователей) включены встречно с возможностью вычитаний помехи, создаваемой вибрацией корпуса в направлении осей круглых чувствительных элементов. При этом для улучшения подавления вибрационной помехи предложено расчетное моделирование влияния присоединенной массы воды внешней пары преобразователей на внутренней паре преобразователей. Однако вследствие технологического разброса характеристик круглых пьезокерамических пластинчатых преобразователей, их склейки и крепления по контуру это решение недостаточно точно, что приводит к неполному подавлению вибрационной помехи.
Наиболее близким к заявляемому является двухкомпонентный приемник градиента давления (ПГД) (п. РФ №2568411), в котором уровень воздействия помех обтекания на чувствительные элементы обеспечивается обтекаемостью корпуса ПГД в осевой плоскости, а также удалением чувствительных элементов от поверхности корпуса.
Данный приемник, выбранный в качестве наиболее близкого аналога, 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 без уменьшения поперечной площади сечения. 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.
При помещении приемника в среду измерения звуковое давление на выходах каналов на поверхность цилиндрического корпуса трансформируется в каналах и поступает на круглые чувствительные элементы, которые измеряют разность давлений между противоположными сторонами. Таким образом, происходит измерение градиента давления в двух ортогональных направлениях.
Однако этот приемник подвержен воздействию вибрационных помех, вызванных колебаниями корпуса, которые приводят при измерении в реальных условиях к искажению величин градиента давления звуковой волны - полезного сигнала.
Полезный сигнал, воспринимаемый данным приемником, представляет собой градиент давления, действующего на оппозитные стороны каждого чувствительного элемента по каждому из каналов. Основной собственной (ближнеполевой) помехой, воспринимаемой устройством, является вибрация корпуса приемника (ПГД), в отношении которой чувствительные элементы функционируют как акселерометры, имеющие максимум чувствительности вдоль своей оси.
Отсюда возникает техническая проблема, требующая решения, которая заключается в снижении воздействия вибраций корпуса приемника на достоверность измерений градиента давления.
Технический результат - повышение помехоустойчивости и достоверности измерения градиента давления в условиях воздействия вибраций корпуса ПГД.
Для достижения этого технического результата необходимо вычесть отклик, создаваемый вибрацией корпуса на чувствительных элементах, из отклика, создаваемого на них градиентом давления. Для этого в известную по прототипу конструкцию ПГД введены новые элементы, а именно заявляемое устройство дополнительно снабжено двумя акселерометрами, ориентированными соосно с соответствующим чувствительным элементам, причем выход первого акселерометра подключен через усилитель с регулируемым коэффициентом усиления к входу первого вычитающего устройства, ко второму входу которого подключен через усилитель с постоянным коэффициентом усиления выход первого чувствительного элемента, а выход второго акселерометра подключен через усилитель с регулируемым коэффициентом усиления к входу второго вычитающего устройства, ко второму входу которого подключен через усилитель с постоянным коэффициентом усиления выход второго чувствительного элемента.
Включение акселерометров, ориентированных соосно с соответствующими чувствительными элементами, а также электрическая схема включения чувствительного элемента и акселерометра по каждому из ортогональных каналов ПГД позволяют осуществить компенсационное вычитание откликов чувствительного элемента и акселерометра, то есть в конечном счете повысить помехоустойчивость и достоверность измерения градиента давления
На Фиг. 1 приведен фронтальный разрез ПГД (а) и вид сверху в разрезе (б), где 1 - корпус, 2 - первый чувствительный элемент, ориентированный вертикально, 3 - второй чувствительный элемент, ориентированный горизонтально, 4 - первый акселерометр, ориентированный вертикально, 5 - второй акселерометр, ориентированный горизонтально, 6 - канал в корпусе, ориентированный вертикально, 7 - канал в корпусе, ориентированный горизонтально.
На Фиг. 2 приведена схема подключения одного из чувствительных элементов (для второго схема аналогична), где 2 - чувствительный элемент, 4 - акселерометр, 8 - усилитель с постоянным коэффициентом усиления, 9 - усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, 10 - вычитающее устройство.
При измерении градиента давления звуковое давление на выходах каналов 6, 7 на поверхность цилиндрического корпуса приемника трансформируется в каналах и поступает на чувствительные элементы 2, 3, которые измеряют разность давлений между противоположными сторонами. Таким образом, происходит измерение градиента давления в двух ортогональных направлениях. Однако одновременно датчики 2, 3 измеряют и вибрационную помеху, действующую на корпус ПГД. Эта вибрационная помеха измеряется также акселерометрами 4 и с помощью схемы Фиг. 2 вычитается из общего уровня сигнала и вибрационной помехи регистрируемыми датчиками 2, 3.
Однако электрический отклик акселерометра и соответствующего ему чувствительного элемента на вибрацию корпуса ПГД необязательно равны. В то же время при измерении градиента давления для эффективного подавления вибрационной помехи это равенство необходимо обеспечить. Сделать это не так просто, поскольку точное значение вибрационной чувствительности чувствительного элемента зависит от технологического разброса характеристик его составляющих, из которых он изготовлен, параметров их склейки и крепления по контуру. Кроме того, на значение вибрационной чувствительности элемента влияет присоединенная масса окружающей среды (воды), что необходимо учитывать. Известно расчетное моделирование влияния присоединенной массы воды на внутреннем преобразователе (акселерометре) (а.с. СССР №15821244). Однако оно недостаточно точно, что приводит к неполному подавлению вибрационной помехи.
Для того чтобы повысить достоверность измерения градиента давления в условиях воздействия вибраций, нами предложен способ измерения градиента давления с использованием заявляемого приемника, при котором приемник предварительно настраивают на максимум подавления вибрационной помехи. Для этого его помещают под поверхность воды, крепят на виброболт перевернутого над поверхностью воды вибрационного стола за торцы с обеспечением заполнения водой внутренних каналов и возбуждают продольные колебания корпуса приемника последовательно в направлениях максимальной чувствительности первого чувствительного элемента, первого акселерометра и второго чувствительного элемента, второго акселерометра, при этом коэффициенты усиления усилителей с регулируемым коэффициентом усиления устанавливают так, чтобы обеспечить минимальный уровень отклика на вибрационную помеху с выхода вычитающего устройства, соответствующего канала ПГД, т.е. обеспечивают максимум подавления вибрационной помехи по каждому из ортогональных каналов ПГД. Затем настроенный приемник помещается в среду измерения и при измерениях градиента давления плоской звуковой волны в водной среде производится вычитание вибрационной помехи из суммы полезного сигнала и помехи, регистрируемой устройством.
В процессе настройки чувствительные элементы оказываются погруженными в воду, что приводит к естественному нагружению их присоединенной массой воды при колебаниях корпуса ПГД, аналогично условиям реальной эксплуатации. Поскольку акселерометры, герметично размещенные внутри тяжелого корпуса, при погружении в воду своих характеристик не меняют, то достигаемое при вышеописанной настройке максимальное подавление вибрационной помехи обеспечивает максимальное подавление вибрационной помехи в реальных условиях измерения градиента давления при стандартных условиях обеспечения неподвижности корпуса ПГД под воздействием звуковой волны (полезного сигнала), что, как известно (Скребнев Г.К. Комбинированные гидроакустические приемники. СПБ. Изд-во «Элмор», 1997. 200 с.), для ПГД силового типа является обязательным и может быть обеспечено либо при жестком креплении корпуса ПГД к носителю, либо при виброизолирующем креплении корпуса ПГД к носителю на частотах существенно выше собственной частоты виброизоляционного крепления ПГД.
Величина подавления вибрационной помехи при реализации предлагаемого способа измерения с использованием заявленного устройства достигает в широкой полосе частот величин 20 дБ (10 раз).
Для усиления этого эффекта на наружную поверхность корпуса может быть надета тонкая оболочка из звукопрозрачного материала. Возможно также заполнение каналов внутри корпуса звукопрозрачным компаундом, например, из полиуретана или ПВХ.
В качестве чувствительных элементов могут быть использованы изгибные пластинчатые биморфные пьезопреобразователи, как в прототипе, или любые другие датчики разности давления или колебательной скорости, например доплеровские или электрокинетические (а.с. СССР №932575).
-2
В качестве акселерометров могут быть применены, например, малогабаритные акселерометры РСВ 333В52 (Piezotronics), каждый из которых имеет чувствительность по ускорению 100 мВ/мс, при массе всего лишь 7,5 г и размерах в виде кубика со стороной около 12 мм.
Усилители реализуются на стандартных операционных усилителях.
В качестве примера осуществления изобретения рассмотрим следующее устройство. Корпус 1 диаметром 52 мм выполнен из нержавеющего металла. Чувствительный элемент (2, 3) представляет собой биморфный пластинчатый датчик (бронзовая подложка склеена с тонким пьезокерамическим диском), установленный между двумя кольцевыми обоймами из эбонита с возможностью совершения изгибных колебаний. С обеих сторон датчик залит звукопрозрачным компаундом заподлицо с эбонитовыми обоймами. В результате чувствительный элемент (2, 3) представляет собой цилиндрическую таблетку диаметром 46 мм и высотой 8 мм. Полые каналы (6, 7) корпуса имеют сечение, которое плавно меняется от круглого диаметром 34 мм, у чувствительного элемента, к прямоугольному 50×20 мм, у поверхности корпуса, без уменьшения поперечной площади сечения. Оси каналов изогнуты во встречном направлении, так что выходы каналов на поверхность цилиндра лежат в ортогональных плоскостях симметрично относительно оси цилиндра и точки на его оси, лежащей посредине между центрами обоих круглых чувствительных элементов. Цилиндрический корпус выполнен из четырех одинаковых полуцилиндрических частей, каждая из которых может быть изготовлена литьем или трехмерным принтингом. Цилиндрическая таблетка круглого чувствительного элемента фиксируется при клеевом оппозитном соединении двух четвертушек корпуса. Две получившиеся цилиндрические половинки корпуса разворачиваются относительно друг друга вдоль продольной оси корпуса на 90° и скрепляются по торцу (склейкой или механическим соединением). Акселерометры устанавливают герметично внутри корпуса на его продольной оси с внешней стороны чувствительных элементов и ориентируют соосно с ними. Усилители и вычитающие устройства целесообразнее размещать в отдельном герметичном контейнере, на небольшом удалении от ПГД.
В условиях измерения градиента давления заявляемый приемник предварительно настраивают, помещая под поверхность воды на перевернутом вибрационном столе и возбуждая продольные колебания корпуса приемника последовательно в направлениях максимальной чувствительности первого чувствительного элемента, первого акселерометра и второго чувствительного элемента, второго акселерометра, при этом коэффициенты усиления усилителей с регулируемым коэффициентом усиления устанавливают так, чтобы обеспечить минимальный уровень отклика на вибрационную помеху с выхода вычитающего устройства, соответствующего канала ПГД, т.е. максимум подавления вибрационной помехи по каждому из ортогональных каналов ПГД.
Таким образом, за счет предлагаемого двухкомпонентного приемника и способа измерения градиента давления с его использованием достигается увеличение помехозащищенности приемника и увеличивается достоверность измерения градиента давления с его использованием в широкой полосе частот.