УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Полезная модель относится к области акустического приборостроения, а именно к построению и возбуждению электроакустических преобразователей, способных формировать широкополосные амплитудно-частотные характеристики (АЧХ), а также - сложные или сравнительно короткие, перестраиваемые по частоте, акустические сигналы, и может найти применение в качестве элементов антенн навигационных и рыбопоисковых станций, в системах звукоподводной связи.
Вопросы расширения полосы пропускания и связанные с ними задачи излучения коротких акустических импульсов являются важными для акустического приборостроения. Основными методами расширения полосы пропускания преобразователей являются: использование согласующих фронтальных слоев (накладок), использование корректирующих пассивных или активных электрических цепей в схемах возбуждения преобразователя, использование различных мод колебаний в одном преобразователе и разночастотных преобразователей в антенне [Гидроакустическая энциклопедия под ред. В.И. Тимошенко, Изд. ТГРУ, 1999, Широкополосность преобразователей, с. 696-697]. Большинство этих методов применимо к разным колебательным системам преобразователей и в частности к цилиндрическим преобразователям, которые используются для решения различных задач в гидроакустике.
Для формирования сложных по структуре акустических сигналов, в том числе коротких (1-2 периода) импульсов, необходимо использование достаточно широкополосных гидроакустических преобразователей и антенн, обладающих, по возможности, равномерной амплитудно-частотной (АЧХ) и линейной фазочастотной (ФЧХ) характеристиками в диапазоне частот порядка 2 октав (122%) и более. Перспективным направлением в соответствии с этими требованиями является разработка для указанных антенн преобразователей, построенных на базе пьезоактивных колец, которые по сравнению с другими пьезоактивными элементами (стержневого, пластинчатого, изгибного типа) обладают наименьшей собственной механической добротностью.
Известны устройства для формирования акустических сигналов, в которых используются пьезоактивные кольца. Так, в работе [Патент 4439847 США, МКИ Н04R 17/00, Высокоэффективный широкополосный направленный преобразователь сонара // Massa, Frank, 1984] с целью расширения полосы пропускания используется гидроакустический преобразователь, состоящий из соосного (коаксиального) набора нескольких разночастотных пьезоактивных колец, снабженных коническими отражателями. За счет перекрытия близко расположенных областей частот, формируемых каждым пьезоактивным кольцом, обеспечивается широкополосность АЧХ преобразователя. К недостаткам этих преобразователей относится ограниченность полосы пропускания (менее 2 октав), сложность компоновки их в гидроакустической антенне и сканирования ее характеристикой направленности (ХН) ввиду большого поперечного волнового размера преобразователей.
Известен гидроакустический преобразователь [Патент США №6722003, МКИ Н04R 17/00, Подводный широкополосный электроакустический преобразователь // Dunn Sheng-Dong, Yeh Chi-Zen, Jih Jeng-Yow, 2003], состоящий из соосно расположенных разночастотных пьезоактивных колец с радиусами, симметрично увеличивающимися от центра преобразователя к его краям. Согласно данным авторов, такое устройство преобразователя позволяет перекрыть диапазон частот 20…200 кГц, но с неравномерностью АЧХ в 15…20 дБ. Кроме того, у такого преобразователя отсутствует направленность в плоскости, перпендикулярной его оси, что вызывает сложность его использования в составе антенн.
Во всех рассмотренных решениях предполагается, что пьезоактивные кольца возбуждаются одним и тем же электрическим напряжением, т.е. синфазно.
Известно также устройство волноводного типа [Мальцев Ю.В., Прокопчик С.Е. Гидроакустические волноводные антенны и перспективы их применения в технических средствах исследования океана // Подводные исследования и робототехника, №2(10), 2010, с. 51-71.] в виде пьезостержня с жестко закрепленным на одном из его торцов сплошным пассивным стержнем, с внешней боковой поверхности которого происходит излучение (по типу антенны бегущей волны). Такие устройства обладают довольно высокой чувствительностью в режимах излучения и приема, однако ширина полосы пропускания невелика (20…40%), т.е. не превышает одной октавы.
Во всех указанных решениях, даже при наличии сравнительно широкополосной АЧХ излучения в полосе пропускания преобразователя, его фазочастотная характеристика (ФЧХ) излучения не является линейной. Последнее обстоятельство ограничивает возможность формирования с помощью указанных решений сложных акустических сигналов и коротких импульсов.
Для излучения коротких импульсных сигналов, помимо общего требования к широкополосности АЧХ преобразователей, известны также методы, базирующиеся на возбуждении их электрическими импульсами специальной формы. Так в работах [Задириенко И.М., Кузьменко А.Г. Излучение коротких акустических импульсов стержневыми пьезокерамическими преобразователями при возбуждении электрическими сигналами сложной формы // Акуст. журн., 1984, т. 30, №3, с. 328-330 и Коновалов С.И., Кузьменко А.Г. О возможности сокращения длительности переходного процесса в акустическом преобразователе при помощи компенсирующего электрического импульса // Дефектоскопия, 2014; №7, с. 12-18.] рассматривалась возможность формирования коротких акустических импульсов с помощью определенной последовательности возбуждающих импульсов (полупериодов), компенсирующих импульсы, которые отражаются от тыльной границы преобразователя (пьезоэлемента), противоположной излучающей. Согласно результатам выполненных авторами расчетов могут быть получены акустические импульсы длительностью в один период, но только на резонансной частоте используемого пьезоэлемента. Кроме того, амплитуда этих импульсов в несколько раз меньше амплитуды при гармоническом возбуждении, поскольку в результате такой компенсации остаются только два первых полупериода колебаний переходного процесса, определяемого сравнительно небольшой полосой пропускания преобразователя.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является устройство формирования акустических сигналов, представленное в Патенте на полезную модель РФ №88887 «Устройство для формирования эхолокационных и коммуникационных сигналов» / Иванов, М.П., Степанов Б.Г., Публ. 20.11.2009, БИ №32, МKП Н04R 17/00. Реализация этого решения обеспечивается тем, что устройство содержит преобразователь волноводного типа в виде N соосно расположенных идентичных пьезоактивных колец с акустически гибкими прокладками между их торцами, акустический экран, расположенный на внешней поверхности устройства, а также - N -канальный блок формирования сигналов в виде генератора сигналов, соединенного со входом фильтра с регулируемым в рабочей полосе частот устройства коэффициентом передачи, минимальное значение которого находится в области радиального резонанса пьезоактивного кольца, а выход фильтра соединен с линией задержки, обеспечивающей увеличение времени задержки сигнала с ростом номера кольца и соединенную с каждым кольцом через промежуточные усилители с последовательно нарастающим от кольца к кольцу коэффициентом усиления и усилители мощности. В рабочем состоянии внутренняя полость пьезоактивных колец заполняется жидкой средой (водой), а внешняя их поверхность акустически изолируется экраном или газом, находящимся в герметическом корпусе устройства.
Недостатком известного устройства является то, что, несмотря на достаточно широкополосную АЧХ излучения (порядка 3 октав), ввиду использования в цепи возбуждения пьезоактивных колец корректирующего фильтра, обладающего собственными АЧХ и ФЧХ коэффициента передачи, причем вид ФЧХ излучения этого устройства отличается от линейного закона, что неизбежно отражается на искажении излучаемых им сложных и коротких акустических сигналов. Структура формирования сигналов возбуждения известным устройством предполагает использование аналоговых блоков. При этом сигнал возбуждения, вырабатываемый генератором сигналов и сигналы, подаваемые на широкополосные усилители мощности, в целом структурно подобны.
Техническая задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, заключается в разработке такого устройства формирования акустических сигналов, которое позволяет обеспечить не только широкополосную АЧХ излучения (порядка 3 октав), но и возможность формирования заданных сложных акустических сигналов или коротких (например, 1-1.5 периодов колебаний) акустических импульсов с возможностью перестройки их по частоте и сохранением формы в рабочей полосе частот устройства.
i
i
i
Поставленная задача решается за счет того, что в предлагаемой полезной модели так же, как в известном решении, устройство формирования акустических сигналов содержит преобразователь волноводного типа, внутренняя полость которого заполнена жидкостью и который образован набором N соосно расположенных идентичных пьезоактивных колец с пассивными гибкими прокладками между их торцами, акустический экран, расположенный на внешней поверхности преобразователя, а также N-канальный блок формирования сигналов, выходы которого подключены через широкополосные усилители мощности к соответствующему по номеру пьезоактивному кольцу. Но, в отличие от известного решения, N-канальный блок формирования сигналов выполнен в виде программно-управляемого цифрового блока, обеспечивающего формирование сигналов возбуждения с учетом структурных параметров преобразователя, а также условия постоянства амплитуд колебаний пьезоактивных колец и обеспечения между сигналами возбуждения фазового сдвига Δϕ=ωτ, где ω - круговая частота, τ=d/с(i-1), i=1, 2,…N, с - скорость звука в жидкости, заполняющей внутреннюю полость преобразователя, d - расстояние между центрами пьезоактивных колец. Возбуждение с таким фазовым сдвигом обеспечивает режим бегущей волны во внутренней полости преобразователя волноводного типа, заполняемой жидкостью, например, окружающей преобразователь водой.
Достигаемый технический результат заключается в уменьшении искажения требуемых сложных акустических сигналов и коротких, перестраиваемых по частоте, акустических импульсов. Причем этот результат обеспечивается выполнением N -канального блока формирования сигналов в виде программно-управляемого цифрового блока, который формирует сигналы возбуждения с учетом структурных параметров преобразователя волноводного типа, а также условия постоянства амплитуд колебаний пьезоактивных колец и характера их возбуждения, обеспечивающего режим бегущей волны во внутренней водозаполненной полости преобразователя.
Совокупность признаков, сформулированных в п. 2 формулы полезной модели, характеризует устройство, в котором программно-управляемый цифровой блок формирования сигналов состоит из программируемого управляющего микропроцессора, соединенного шинами передачи данных через интерфейсный модуль с программно-вычислительным устройством, а также с дешифратором-синхронизатором и оперативными запоминающими устройствами в каждом канале, к выходам которых подключены цифроаналоговые преобразователи и согласующие усилители.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежами, представленными на фиг. 1-8.
1
2
N
ак
На фиг. 1 показан пример выполнения устройства формирования акустических сигналов. На фиг. 2а-4а показан вид электрических импульсов u(t), u(t), …u(t), подаваемых на пьезоактивные кольца преобразователя волноводного типа для получения требуемого однопериодного акустического импульса на разных частотах его формирования; на фиг. 2б-4б показан вид акустических импульсов s(t), которые формируются и излучаются на этих частотах с помощью предлагаемой полезной модели; на фиг. 5 показан акустический импульс сформированный устройством, принятым за прототип, при возбуждении его однопериодным импульсом на частоте, соответствующей фиг. 3. На фиг. 6-8 показаны соответственно эхолокационный сигнал дельфина и этот же сигнал, сформированный с помощью предлагаемой полезной модели и устройством, принятым за прототип.
Рассмотрим пример выполнения предлагаемой полезной модели. Устройство формирования акустических сигналов содержит преобразователь волноводного типа, образованный соосным набором N пьезоактивных колец 1, отделенных друг от друга гибкими прокладками 2, а также N-канальный программно-управляемый цифровой блок формирования сигналов (ЦБФС) 3, который состоит из программно-вычислительного устройства (ПВУ) 4, соединенного посредством интерфейсного модуля (ИМ) 5 с программируемым управляющим микропроцессором (ПУМП) 6, который через дешифратор-синхронизатор (ДШ/С) 7 и адресную шину 8 осуществляет поканальную адресацию данных, которые, в свою очередь, подаются по шине данных 9 на оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) 10, выходы которых соединены с цифроаналоговыми преобразователями (ЦАП) 11, которые через идентичные согласующие усилители (СУ) 12 и широкополосные усилители мощности (ШУМ) 13 подключены к соответствующим по номеру пьезоактивным кольцам 1. Внешняя цилиндрическая поверхность преобразователя снабжена акустически мягким экраном 14 или контактирует с газом (воздухом), заполняющим корпус устройства, а внутренняя - образует полость 15, которая заполняется жидкостью, контактирующей с внешней жидкой средой. Стрелками показано направление преимущественного излучения.
1
2
N
1
2
N
Рассмотрим пример работы устройства формирования акустических сигналов. По заданным структурным параметрам преобразователя волноводного типа, условиям его работы, заданному одинаковому и постоянному значению амплитуды колебаний всех пьезоактивных колец и заданному характеру их возбуждения, обеспечивающему режим бегущей волны во внутренней водозаполненной полости преобразователя, а также заданному виду импульса, который требуется излучить, программно-вычислительным устройством (ПВУ) 4 с помощью преобразования Фурье формируются для каждого из N пьезоактивных колец сигналы возбуждения u(t), u(t), … u(t) в виде N массивов временных отсчетов, которые подаются через интерфейсный модуль (ИМ) 5 на программируемый управляющий микропроцессор (ПУМП) 6. Управляющий микропроцессор 6 подает принятые массивы временных отсчетов сигналов возбуждения по шине данных 9 на соответствующие по номеру N оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) 10. При этом дешифратор-синхронизатор (ДШ/С) 7 осуществляет через адресную шину 8 поканальную адресацию данных. С выходов оперативных запоминающих устройств 10 массивы временных отсчетов синхронно, с заданным периодом следования, подаются на входы N цифроаналоговых преобразователей (ЦАП) 11, с выходов которых сформированные электрические сигналы возбуждения u(t), u(t), … u(t) поступают на пьезоактивные кольца 1 устройства через идентичные согласующие усилители (СУ) 12 и широкополосные усилители мощности (ШУМ) 13. Согласующие усилители 12 служат для согласования слаботочных цепей формирования электрических сигналов возбуждения с более мощными оконечными цепями усилителей мощности 13 и обеспечивают предварительное усиление электрических сигналов. Широкополосные усилители мощности 13 обеспечивают усиление по мощности электрических сигналов, подаваемых на пьезоактивные кольца 1, и согласование нагрузок электрических цепей и пьезоактивных колец.
1
2
N
к
к
i
i
ак
i
i
ак
i
i
1
2
N
1
2
N
В
ф
Принцип работы устройства формирования акустических сигналов заключается в том, что формирование сигналов возбуждения u(t), u(t), … u(t) базируется: на заданных структурных параметрах преобразователя волноводного типа (значения d/a, l/a, cи т.д., где a, l, и c - радиус, высота, и скорость звука пьезоактивных колец) и условиях его работы, на заданном характере возбуждения пьезоактивных колец, обеспечивающем режим бегущей волны (фазовый сдвиг Δϕ=ωτ) во внутренней водозаполненной полости преобразователя, и условии постоянства амплитуд колебаний пьезоактивных колец, а также - виде акустического сигнала s(t), который требуется излучить. При этом задание фазового сдвига в виде Δϕ=ωτ в итоге определяет линейность ФЧХ излучения устройства (преобразователя волноводного типа), а условие постоянства амплитуд колебаний пьезоактивных колец в определенной мере определяет равномерность его АЧХ излучения (звукового давления). Все это служит базой для неискаженной передачи формы акустического импульса s(t), излучаемого предлагаемым устройством. Такой подход предполагает использование решения задачи синтеза, когда по заданным одинаковым и не зависящим от частоты амплитудам колебательной скорости на излучающей внутренней поверхности пьезоактивных колец, а также - фазовому сдвигу между ними Δϕ=ωτ, линейно изменяющемуся с частотой, определяются частотные зависимости амплитуд и фаз возбуждающих пьезоактивные кольца электрических напряжений U(ω), U(ω), …U(ω), которые в общем случае являются комплексными величинами. Непосредственно сигналы возбуждения u(t), u(t), …u(t) определяются с использованием преобразования Фурье по формуле  - спектральная характеристика заданного сигнала, который должен быть излучен предлагаемым устройством; ω - верхний предел интегрирования, определяющий полноту спектральных составляющих в спектральной характеристике Ф(ω), например, по  Акустический импульс, который в этом случае формируется предлагаемым устройством при излучении в направлении, показанным стрелками на фиг. 1, будет:  где p(ω) - частотная характеристика звукового давления предлагаемого устройства.
1
2
N
Указанные обстоятельства обеспечивают работу предлагаемого устройства как передаточного звена, позволяющего формировать и излучать сложные акустические сигналы, в том числе - перестраиваемые по частоте короткие акустические импульсы. Таким образом, структурно-логическое соединение блоков 4-12 определяет программно-управляемый N -канальный генератор специальных сигналов u(t), u(t),… u(t). Структура (вид) этих сигналов возбуждения определяется с учетом параметров преобразователя волноводного типа и требованиям к характеру возбуждения его пьезоактивных колец в соответствии с решением задачи синтеза. В результате этого решения получаются необходимые соотношения между амплитудами сигналов возбуждения и сдвигом их по времени между собой.
1
2
N
ак
0
0
0
0
к
0
0
0
ак
0
0
Указанные положения иллюстрируются результатами расчетов, показанных на фиг. 2-5. На фиг. 2а-4а показан вид нормированных к максимальному значению электрических импульсов u(t), u(t), … u(t), подаваемых на соответствующие по номеру пьезоактивные кольца преобразователя волноводного типа (N=10; l/а=0.6; d/а=0.66), для получения требуемого однопериодного акустического импульса s(t) на разных частотах его формирования: а) ω=0.5ω; б) ω=ω; в) ω=2ω, где ω - текущая частота; ω=с/а - резонансная частота пьезоактивного кольца; t - текущее время; T=2π/ω - время периода колебаний на частоте ω. Номера кривых соответствуют следующим номерам пьезоактивных колец: 1 - i=1; 2 - i=4; 3 - i=7; 4 - i=N=10. На фиг. 2б-4б показан вид нормированных акустических импульсов s(t), которые формируются и излучаются на указанных частотах с помощью предлагаемой полезной модели. Небольшие осцилляции после однопериодного импульса, особенно когда ω≥2ω, обусловлены влиянием области частот, в которой дополнительно возникает нормальная волна первого порядка. На фиг. 5 показан нормированный акустический импульс, сформированный устройством, принятым за прототип, при возбуждении его однопериодным импульсом на частоте ω=ω. Сопоставление результатов, приведенных на фиг. 3б и фиг. 5, показывает, что акустический импульс, излученный предлагаемым устройством, имеет существенно меньше искажений. На фиг. 6 показан эхолокационный сигнал дельфина, содержащий в своей структуре, дополнительно к однопериодному сигналу, два последовательных полупериодных колебания одной полярности, которые сложны для воспроизведения. На фиг. 7 и 8 показан этот же сигнал, сформированный соответственно с помощью предлагаемой полезной модели и устройством, принятым за прототип. В обоих случаях основной спектр сигнала дельфина охватывался АЧХ излучения рассматриваемых устройств.
Приведенное описание предлагаемого устройства формирования акустических сигналов доказывает достижение технического результата - уменьшение искажения при излучении как сложных акустических сигналов, так и коротких акустических импульсов с возможностью перестройки их по частоте при сохранении собственной формы в достаточно широком диапазоне частот (в приведенном примере 2 октавы).