ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ ЗОНД ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ЗВУКА В МОРЕ
HYDROACOUSTIC PROBE FOR MEASURING SOUND SPEED AT SEA

Изобретение относится к гидроакустическим измерениям и может быть использовано для измерения вертикального распределения скорости звука в море с передачей измерительной информации на судно по гидроакустическому каналу связи.
Известны зонды для измерения вертикального распределения скорости звука в море с передачей измерительной информации на судно по гидроакустическому каналу связи (гидроакустические зонды).
В книге [1] дано описание погружаемого в море на кабель-тросе гидроакустического зонда, состоящего из частотных датчиков скорости звука и глубины, формирователя сигнала излучения, усилителя мощности и гидроакустического излучателя. Излучаемый гидроакустическим излучателем сигнал представляет сумму трех сигналов: стабилизированной кварцем несущей частоты и двух сигналов, частота которых однозначно зависит от значения измеряемой скорости звука и гидростатического давления соответственно.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются необходимость использования палубного оборудования для погружения и подъема зонда на тросе, невозможность измерять таким зондом на ходу судна, а также малая точность, обусловленная излучением непрерывных аналоговых акустических сигналов зонда, мешающих нормальному функционированию его датчика скорости звука и имеющих низкую помехоустойчивость приема.
Гидроакустический зонд одноразового использования по патенту США [2] содержит герметичный контейнер с импульсно-циклическим датчиком скорости звука, датчиком гидростатического давления (глубины), амплитудным модулятором, генератором фиксированной частоты, усилителем мощности, гидроакустическим излучателем и автономным источником питания.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются сложность конструкции и большая стоимость одноразового гидрологического зонда, а также малая точность, обусловленная излучением непрерывных аналоговых акустических сигналов зонда, мешающих нормальному функционированию его датчика скорости звука и имеющих низкую помехоустойчивость приема.
Гидроакустический зонд для измерения скорости звука в море по авторскому свидетельству СССР [3] состоит из импульсно-циклического датчика скорости звука, задающего генератора, преобразователя частотного сигнала датчика в двоичный код, акустического передатчика и автономного источника питания. Датчик скорости звука включает в себя последовательно электрически связанные импульсный генератор, цилиндрический пьезоэлектрический преобразователь и усилитель принятого сигнала. Задающий генератор состоит из последовательно электрически соединенных кварцевого генератора фиксированной частоты, первого и второго делителей частоты и элемента задержки. Преобразователь частотного сигнала датчика скорости звука в двоичный код выполнен из последовательно соединенных вычитающего устройства, временного селектора, двоичного счетчика и сдвигового регистра, последовательно соединенных формирователя интервала отсчетов, формирователя маркерного сигнала и формирователя сигнала параллельной записи. Акустический передатчик включает в себя импульсный амплитудный модулятор, усилитель мощности и гидроакустический излучатель.
Гидроакустический зонд для измерения скорости звука в море излучает импульсный цифровой акустический радиосигнал и поэтому у него отсутствуют недостатки, характерные для зондов с аналоговым излучающим сигналом.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются низкая точность измерения скорости звука, вследствие использования импульсно-циклического датчика скорости звука с цилиндрическим акустическим преобразователем при наличии в его рабочей внутренней полости многократных отражений акустического сигнала, которые мешают приему полезного сигнала, повышенная стоимость одноразового гидроакустического зонда из-за сложности его задающего генератора и преобразователя частотного сигнала датчика скорости звука в двоичный код, выполненных из большого количества отдельных цифровых и логических микросхем.
Наиболее близким по совокупности признаков и технической сущности к предлагаемому изобретению является гидрологический зонд для измерения скорости звука в море по полезной модели [4], содержащий автономный источник питания и схему его включения, цилиндрический пьезоэлектрический преобразователь, последовательно электрически соединенные усилитель мощности и гидроакустический излучатель, кварцевый генератор, импульсный генератор, усилитель принятого сигнала, аналого-цифровой преобразователь и микроконтроллер, вход аналого-цифрового преобразователя подключен к выходу усилителя принятого сигнала, а выходы аналого-цифрового преобразователя и кварцевого генератора подсоединены к соответствующим входам микроконтроллера, первый выход которого подключен к входу импульсного генератора, а второй выход микроконтроллера подсоединен к входу усилителя мощности.
Причиной, препятствующей достижению технического результата, является наличие в зонде-прототипе дополнительного акустического преобразователя для излучения гидроакустических сигналов, несущих измерительную информацию о скорости звука в море, что усложняет конструкцию гидроакустического зонда и увеличивает его стоимость.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения, состоит в упрощении конструкции гидроакустического зонда для измерения скорости звука в море и уменьшении его стоимости.
Для достижения технического результата в предлагаемом гидроакустическом зонде для измерения скорости звука в море дополнительно введен переключатель, к выходу которого подключен цилиндрический пьезоэлектрический преобразователь, первый вход переключателя электрически связан с выходом импульсного генератора и входом усилителя принятого сигнала, второй вход переключателя подсоединен к выходу усилителя мощности, а третий вход переключателя подключен к третьему выходу микроконтроллера.
Сущность изобретения поясняется фигурой 1, на которой представлена структурная схема гидроакустического зонда для измерения скорости звука в море.
Гидроакустический зонд для измерения скорости звука в море содержит: микроконтроллер 1; импульсный генератор 2; переключатель 3; цилиндрический акустический преобразователь 4; усилитель 5; аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 6; усилитель мощности 7; кварцевый генератор 8; автономный источник питания 9; схему включения источника питания 10 с контактом 11.
Гидроакустический зонд для измерения скорости звука в море функционирует следующим образом.
п
K
K
K
-3
После сброса зонда за борт судна контакт 11 электрически соединяется через малое сопротивление соленой воды с металлическим корпусом зонда, при этом срабатывает схема 10, которая включает автономный источник питания 9, подающий на все электронные схемы зонда электрическое напряжение U. Переключатель 3 находится в положении «Измерение». По команде микроконтроллера 1 с выхода импульсного генератора 2 через переключатель 3 на обратимый цилиндрический акустический преобразователь 4 подается электрический видеоимпульс. Цилиндрический пьезоэлемент преобразователя 3 ударно возбуждается по толщине стенки h на частоте f≈0.5·C/h, где C - скорость звука в пьезоэлектрическом материале преобразователя. Если C≈4000 м/с и h≈10м, то f≈2 МГц. Соответствующий акустический радиоимпульс распространяется в воде, заполняющей внутреннюю полость цилиндра, до противоположного участка внутренней поверхности, где отражается и возвращается обратно. Данный процесс отражений повторяется многократно.
1
2
1
2
1
1
2
2
1
2
С выхода цилиндрического пьезоэлемента 4 принятый и преобразованный в электрический радиоимпульс через переключатель 3 и усилитель 5 поступает на вход АЦП 6, который микроконтроллером 1 включается через время t после момента излучения импульса, и до момента времени t производится оцифровка сигнала с выхода усилителя и передача его в микропроцессор 1. Интервалы времени t и t определяются как t=n·d/C и t=n·d/C, где d-h - внутренний диаметр цилиндрического пьезоэлемента акустического преобразователя, n - число используемых отражений акустического импульса при его распространении в воде во внутренней полости цилиндра, С≈1600 м/с - максимальное для данного датчика измеряемое значение скорости звука в воде, С≈1400 м/с - значение скорости звука немного меньшее, чем минимально возможное ее значение в воде (~ 1402 м/с).
2
Для обеспечения процесса полного затухания отражений акустических импульсов, излучение радиоимпульсов производится с периодом следования, которое значительно больше значения времени t.
1
2
c
C
В промежутке времени от t до t микроконтроллер 1 определяет время прихода t принятого радиоимпульса и по нему находит измеренное значение скорости звука в воде по формуле C=n·d/t, которое запоминается. По команде микроконтроллера 1 переключатель 3 переводится в положение «Передача». Далее микроконтроллер 1 вырабатывает цифровой электрический радиосигнал, соответствующий измеренному значению скорости звука C.
0
K
K
0
-3
Усиленный усилителем мощности 7 цифровой электрический радиосигнал через переключатель 3 подается на цилиндрический акустический преобразователь 4, который возбуждается радиально. При этом его средний радиус совершает пульсирующие колебания, вызывая изменение (увеличение и уменьшение) на некоторую величину длины средней окружности пьезоцилиндра. Акустический преобразователь 4 излучает в воду соответствующий цифровой акустический сигнал. Несущая частота акустического сигнала равна f=C/n(d+h). Пусть, как и ранее, C≈4000 м/с, h≈10 м, а d≈0,02 м, тогда f≈30 кГц. Данные о значении скорости звука передаются по окончании цикла ее измерения и не создают нежелательных акустических помех. После передачи цифрового сигнала микроконтроллер 1 переводит переключатель 3 в положение «Измерение» и режимы функционирования зонда непрерывно повторяются. Работа всех цифровых схем синхронизируется кварцевым генератором 8.
В предлагаемом гидроакустическом зонде для измерения скорости звука в море один цилиндрический пьезоэлектрический преобразователь поочередно выполняет функции измерительной базы при измерении скорости звука и гидроакустического излучателя, передающего цифровую измерительную информацию на судно через водную среду. Это позволяет упростить конструкцию гидроакустического зонда для измерения скорости звука в море и уменьшить его стоимость.
СПИСОК БИБЛИОГРАФИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ
1. Комляков В.А. Корабельные средства измерения скорости звука и моделирования акустических полей в океане. СПб.: Наука. 2003. 357 с.
2. Pat. 3341808 USA. CI. 340-5. Telemetering apparatus / Levin M., Stahl R.A. Filed 12.10.1965. Publ. 12.09.1967.
3. A.c. 1770770 СССР. G 01 H 5/00. Акустический зонд для измерения скорости звука в море / Попов Е.Д., Матвеев М.В. Заявл. 11.01.1990. Опубл. 23.10.1992. БИ №39.
4. Патент на полезную модель G 01 H 5/00. Серавин Г.Н., Микушин И.И., Лобанов В.Н. Гидрологический зонд для измерения скорости звука в море / Заявл. 12.03.2014. Опубл. 27.10.2014. Бюл. №30.