Гидроакустический маяк

Полезная модель относится к гидроакустической технике и может быть использована в гидроакустических (подводных) маяках, предназначенных для обнаружения под водой объекта в случае его затопления, путем подачи аварийных акустических ультразвуковых сигналов.
Подводный гидроакустический маяк (ПАМ) представляет собой генератор ультразвуковых сигналов. При погружении в воду маяк автоматически включается и в течение определенного времени (зависит от емкости батареи) подает аварийные сигналы для определения местоположения, ушедшего под воду объекта.
Известен подводный гидроакустический маяк (ПАМ) типа ПАМ-6К (серийно выпускаемый заводом им. Петровского, г. Нижний Новгород), принцип работы которого основан на излучении по круговой диаграмме направленности ультразвуковых импульсов в водную среду при попадании в нее ПАМ. Структура ПАМ включает: корпус-замыкатель, устройство питания с емкостным накопителем энергии, генератор частоты заполнения импульса, формирователь импульсов, формирователь радиоимпульса, усилитель мощности, согласующий элемент, пьезоэлектрический излучатель.
Известен также гидролокатор бокового обзора (патент RU №126848 на полезную модель), принятый в качестве прототипа заявляемого устройства, излучающий тракт которого включает блок установки параметров зондирующего сигнала (формирователь периода и длительности импульса), выход которого соединен с входом формирователя зондирующего сигнала (генератор частоты заполнения и формирователь радиоимпульса), выход которого, в свою очередь, подключен через последовательно соединенные широкополосный усилитель мощности и согласующий элемент к акустическому преобразователю с разными резонансными частотами.
Технической проблемой (недостатком) вышеуказанных аналогичных устройств является то обстоятельство, что при длительной эксплуатации и регулярном воздействии изменения температуры в больших пределах происходят изменения электрофизических параметров пьезоэлемента излучателя ПАМ, что не позволяет достигать максимальной акустической мощности излучения при минимальном энергопотреблении.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое в качестве полезной модели устройство, и технический результат от его использования, является обеспечение долговременной работы изделия при сохранении акустической мощности излучения в заданных пределах путем адаптации устройства к изменению электрофизических параметров пьезоэлемента излучателя ПАМ.
Сущность решения технической задачи заключается в том, что гидроакустический маяк, включающий блок установки параметров зондирующего сигнала (формирователь периода и длительности импульса), выход которого соединен с входом формирователя зондирующего сигнала (генератор частоты заполнения и формирователь радиоимпульса), выход которого, в свою очередь, подключен через последовательно соединенные усилитель мощности и согласующий элемент к пьезоэлектрическому излучателю (акустическому преобразователю), содержит микроконтроллер с реализованными на нем блоком установки параметров зондирующего сигнала (формирователь периода и длительности импульса) и формирователя зондирующего сигнала (генератор частоты заполнения и формирователь радиоимпульса), а согласующий элемент в виде дросселя выполнен с n отводами, подключаемыми к пьезоэлектрическому излучателю через контакты соответствующих реле, включаемые в работу микроконтроллером, при этом выходы отводов согласующего дросселя подключены через дополнительно введенную цепочку последовательно соединенных пикового детектора, резистивного делителя и аналого-цифрового преобразователя (АЦП) к микроконтроллеру.
В варианте выполнения устройства АЦП реализован на базе микроконтроллера.
На фиг. 1 представлена структурная схема примера выполнения заявляемого устройства, на фиг. 2 - временной график формирования радиоимпульса.
ПАМ содержит устройство питания 1 (литиевую батарею 1.1 и емкостной накопитель 1.2), микропроцессор 2 с реализованными на нем блоком установки параметров зондирующего сигнала 2.1 (формирователь периода и длительности импульса) и формирователем зондирующего сигнала (генератор частоты заполнения 2.2 и формирователь радиоимпульса 2.3), подключенный через усилитель мощности 3 и согласующий дроссель 4 к пьезоэлектрическому излучателю 5. Дроссель 4 имеет n отводов, подключаемых к пьезоэлектрическому излучателю 5 через контакты 6.1.1, 6.2.2, … 6.n.n, управляемые соответствующими реле 6.1; 6.2 … 6.n, включаемые в работу микроконтроллером 2. Выходы отводов дросселя 4 подключены через последовательно соединенные пиковый детектор 9, резистивный делитель 7 и АЦП 8 к микроконтроллеру 2.
Питание от устройства питания 1 подается на микроконтроллер 2, усилитель мощности 3, АЦП 8.
Блоки, входящие в состав предлагаемого устройства, могут быть выполнены в следующих вариантах: в качестве устройства питания используются литиевые элементы и емкостной накопитель энергии питания, представляющий собой конденсатор, накапливающий энергию в паузах между зондирующими импульсами; в качестве микроконтроллера использована структура из семейств MSP430; в качестве АЦП используется микросхема ADS7816 с потребляемой мощностью 1,9 mW; в качестве реле используется оптореле типа G3VM-61G2 фирмы «Omron» с током включения 2 мА; пьезоэлектрический излучатель выполнен из керамики Р-43; выполнение усилителя мощности (класса Д), дросселя, реле, пикового детектора и резистивного делителя осуществляется по известным схемам и не вызывает затруднений.
Рабочий режим гидроакустического маяка - это излучение ультразвуковых импульсов в водной среде. В момент попадания ПАМ в водную среду смачиваются контакты корпуса замыкателя (на рисунке не показаны) и происходит включение устройства питания 1 (литиевая батарея 1.1 и емкостной накопитель 1.2). При подаче питания микроконтроллер 2 по заданной программе формирует (с помощью блоков 2.2 и 2.3) радиоимпульс с необходимыми параметрами и частотой (с помощью блока 2.1), который поступает на усилитель 3 для выработки импульса заданной мощности. Радиоимпульс через согласующий дроссель 4, образующий с емкостью пьезоэлектрического излучателя 5 последовательный контур (настраиваемый на рабочую частоту излучения маяка), воздействует на пьезоэлектрический излучатель, излучающий ультразвуковые импульсы в водную среду.
P
C
C
Cmax
Cmin
C
P
C
P
C
C
P
P
C
1
2
Поскольку при длительной эксплуатации устройства в условиях разной температурной среды электрофизические параметры (статическая емкость) пьезоэлемента 5 изменяются, то для сохранения акустической мощности излучения в заданных пределах автоматически происходит автоподстройка режима последовательного резонанса контура за счет изменения индуктивности дросселя 4, включенного последовательно с излучателем 5 и статической емкостью излучателя, собственная частота которого должна быть равна частоте излучаемого сигнала, и, дополнительно, за счет автоподстройки частоты излучаемого сигнала в допустимых пределах. Если допустить, что это равенство частот обеспечено при настройке устройства при его изготовлении, то сохранить его в реальных условиях в течение всего срока эксплуатации не представляется возможным. В результате собственная резонансная частота контура f может меняться от минимального значения до максимального. Обычно в технических требованиях к устройству оговариваются пределы, в которых может находится значение частоты излучаемого сигнала f, т.е. Δf=f-f. Если окажется, что Δf > Δf, то требуемое равенство частот f и f может быть обеспечено автоматической подстройкой частоты сигнала f по максимуму напряжения на излучателе. Если окажется, что Δf < Δf, то равенство частот реализуется изменением индуктивности дросселя путем переключения числа его витков. Общее количество дополнительных отводов от обмотки п определится отношением: n ≥ Δf/Δf, обычно достаточно n=5. Для этого, микроконтроллер 2 включает реле 6.1, который с помощью контакта 6.1.1 подключает первый отвод дросселя 4 к пьезоэлектрическому излучателю 5, посылая радиоимпульс во внешнюю среду. Для измерения амплитуды радиоимпульса последний через пиковый детектор 9, резистивный делитель 7 поступает на АЦП 8. Пиковый детектор 9 снижает требования по частоте взятия выборок АЦП, уменьшения потребления электроэнергии АЦП. Оцифрованный сигнал с АЦП поступает в микроконтроллер 2, где происходит запоминание величины амплитуды первого радиоимпульса. По истечении нормированного времени излучения радиоимпульса (10 мс), микроконтроллер 2 заканчивает вырабатывать радиоимпульс, переводя тем самым усилитель мощности и АЦП в режим низкого энергопотребления. Одновременно микроконтроллер выключает реле 6.1, переводит контакт 6.1.1 в разомкнутое состояние и переходит в режим «сна». В паузе между формированием следующего радиоимпульса (см. фиг. 2) емкостной накопитель заряжается малым током от источника питания, накапливая энергию для усилителя мощности при излучении. По истечении времени паузы микроконтроллер «просыпается» и цикл повторяется с той лишь разницей, что в момент формирования второго радиоимпульса подключается с помощью реле 6.2 и его контакта 6.2.2 второй отвод дросселя 4, изменяя тем самым величину его индуктивности и, соответственно, амплитуду сигнала на излучателе 5. Амплитуда оцифрованного сигнала запоминается микроконтроллером 2. Процедура адаптации происходит до включения последнего отвода дросселя 4 с помощью реле 6n и его контакта 6nn. Из запомненных значений амплитуд микроконтроллером выбирается максимальное значение и в дальнейшем постоянно подключает соответствующий отвод дросселя 4 к излучателю 5. Для более точной настройки в резонанс последовательного контура (для эффективного излучения маяк должен излучать на резонансной частоте) используется изменение частоты излучаемого сигнала в заданных пределах рабочей полосы частот при выбранном ранее соответствующего отвода дросселя 4, при котором получена максимальная амплитуда сигнала на излучателе 5. Для этого выставляется с помощью микроконтроллера 2 частота f, измеряется и запоминается значение амплитуды сигнала на излучателе 5. Аналогично происходит изменение частоты f…fn и запоминаются соответствующие им амплитуды сигнала. Затем выбирается частота с соответствующей ей максимальной амплитудой на излучателе 5 и в дальнейшем происходит излучение на этой частоте. На этом процедура адаптации заканчивается и в дальнейшем работа ПАМ происходит на максимальной акустической мощности при минимальной потребляемой мощности от устройства питания.
Следует отметить, что процедура адаптации проводится, не мешая основной работе ПАМ - излучению ультразвукового сигнала. С помощью соответствующего программного обеспечения микроконтроллера 2 процедура адаптации может производиться n раз в течение всей работы ПАМ, при этом обеспечение равенства частоты излучаемого сигнала с резонансной частотой контура позволяет оптимизировать энергетические соотношения источника сигнала и излучателя при достижении максимальной акустической мощности устройства и минимальных энергетических потерях.