ДВУХКОМПОНЕНТНЫЙ ПРИЕМНИК ГРАДИЕНТА ДАВЛЕНИЯ
TWO-COMPONENT PRESSURE GRADIENT RECEIVER

Изобретение относится к гидроакустике, а именно к конструированию двухкомпонентных приемников градиента давления, и может быть использовано в системах радиогидрологических буев для измерения пеленга на источник акустического сигнала или в гибких буксируемых антеннах.
Применение приемников градиента давления ПГД (векторных приемников) в подводной акустике позволяет обеспечить пространственную избирательность при малых волновых размерах антенных устройств (Гордиенко В.А. Векторно-фазовые методы в акустике. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. С. 18-32). Особенно часто такие приемники используются в радиогидроакустических буях. Принято выделять три основных типа приемников градиента давления (ПГД): разностные, силовые и инерционные (соколеблющиеся). Разностные ПГД применяются только для высокочастотной области. В низкочастотной области распространены ПГД последних двух типов.
В качестве аналога может быть рассмотрен двухкомпонентный ПГД инерционного типа (п.РФ №2501043), состоящий из легкого корпуса, в котором ортогонально установлены акселерометры. Недостатком этого решения, как и всех ПГД инерционного типа, является необходимость гибкого подвеса корпуса (для обеспечения его свободных колебаний под действием звуковой волны), что создает ограничения снизу по рабочему диапазону частот и неудобства эксплуатационного характера.
Альтернативным вариантом является ПГД силового типа, содержащий пластинчатые изгибные преобразователи, установленные по краям тяжелого сердечника (Гордиенко В.А. Векторно-фазовые методы в акустике. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. С. 23, рис. В5). Недостатком данного аналога является низкая чувствительность к градиенту давления из-за короткого набега (примерно равен половине ширины преобразователя) звуковой волны между двумя сторонами пластинчатого преобразователя.
Известен двухкомпонентный приемник градиента давления, выполненный в виде двух ортогонально расположенных друг над другом круглых чувствительных элементов, каждый из которых установлен в центре трубы, образованной двумя патрубками. (Гордиенко В.А. Векторно-фазовые методы в акустике. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. С. 23, рис. В4). Повышение чувствительности достигается за счет увеличения длины набега (примерно половина длины трубы) звуковой волны. Это решение может быть рассмотрено в качестве наиболее близкого аналога. Недостатком данного решения является невыполнение условия единства фазового центра ортогональных каналов ПГД, что приводит к увеличению погрешности пеленгования источников звука. Кроме того, прототип имеет плохую обтекаемость, что может создавать повышенный уровень помех.
Заявляемое техническое решение имеет задачу обеспечения единства фазового центра ортогональных каналов ПГД и повышения защищенности ПГД от помех обтекания.
Технический результат - снижение погрешности пеленгования и уменьшение помех обтекания.
Поставленная задача достигается предлагаемым двухкомпонентным приемником градиента давления, состоящим из двух ортогонально установленных круглых чувствительных элементов, снабженных патрубками, при этом чувствительные элементы установлены ортогонально друг за другом на оси цилиндрического корпуса из звукоотражающего материала, а патрубки выполнены 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, при этом 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.
Для пояснения сущности заявляемого решения на Фиг. 1 показан приемник в разрезе, где (а) - основной вид и (б) - вид сверху, а на Фиг. 2 - изометрический вид заявляемого приемника, где 1 цилиндрический корпус, 2, 3 - круглые чувствительные элементы вертикальной и горизонтальной ориентации, соответственно, 4 - вертикальные каналы в корпусе, 5 - горизонтальные каналы в корпусе.
Предлагаемое устройство функционирует следующим образом. Звуковое давление на выходах каналов 4, 5 на поверхность цилиндрического корпуса трансформируется в каналах и поступает на круглые чувствительные элементы 2, 3, которые измеряют разность давлений между противоположными сторонами. Таким образом, происходит измерение градиента давления в двух ортогональных направлениях.
Заявляемая конструкция приемника за счет предлагаемого расположения чувствительных элементов и направления осей каналов чувствительных элементов навстречу друг другу так, что выходы каналов на поверхность корпуса лежат в ортогональных плоскостях относительно оси корпуса и точки на его оси, лежащей посредине между центрами обоих чувствительных элементов, обеспечивает единство фазового центра обоих ортогональных каналов ПГД, что, по сравнению с прототипом, приводит к повышению точности пеленгования цели. Условие постоянства площади поперечного сечения патрубков обеспечивает неизменность чувствительности датчика. Другим преимуществом предлагаемого технического решения по сравнению с прототипом является обтекаемость корпуса ПГД в осевой плоскости, что снижает потенциальный уровень помех обтекания при применении заявленного решения в составе гибких буксируемых антенн (горизонтальная ориентация) или радиогидроакустических буев (вертикальная ориентация). Достоинством предложенного решения является также размещение круглых чувствительных элементов в диаметральном сечении корпуса, что позволяет выполнить чувствительные элементы с наибольшим возможным диаметром при заданном диаметре корпуса и, следовательно, с максимальной возможной чувствительностью. Дополнительно чувствительность к градиенту давления повышается за счет расположенных внутри корпуса каналов, которые увеличивают длину набега звуковой волны. Более того, сечение этих каналов может постепенно увеличиваться при продвижении от чувствительного элемента к поверхности цилиндрического корпуса, что также повышает чувствительность к градиенту звукового давления за счет эффекта трансформации давления звуковой волны. Кроме того, удаление чувствительных элементов от поверхности корпуса уменьшает уровень воздействия помех обтекания на чувствительные элементы. Для еще большего 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 круглых 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).
В качестве примера осуществления изобретения рассмотрим следующее устройство. Корпус 1 диаметром 52 мм выполнен из алюминиевого сплава. Круглый 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 круглый чувствительный элемент (2, 3) представляет собой цилиндрическую таблетку диаметром 46 мм и высотой 8 мм. Полые каналы (4, 5) корпуса имеют сечение, которое плавно меняется от круглого диаметром 33 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). Таким образом, собирается устройство, показанное на Фиг. 2.