КОМБИНИРОВАННЫЙ ВЕКТОРНЫЙ ПРИЕМНИК
COMBINED VECTOR RECEIVER

Изобретение относится к гидроакустике, а именно к комбинированным акустическим приемникам, широко применяющимся для проведения векторно-скалярных измерений параметров гидроакустических полей океана.
Известен комбинированный акустический приемник, содержащий два приемника градиента давления, выполненные в виде полусфер из пьезокерамики, и приемник давления, выполненный из двух пьезокерамических дисков, помещенных в звукопрозрачный уретановый корпус (п. РФ №2403684 С1). Однако, приемник является двухканальным и не позволяет измерять третью проекцию вектора колебательной скорости на оси системы координат.Кроме этого, очень близкое расположение друг к другу приемников градиента давления в качестве измерителей колебательной скорости предъявляет очень жесткие требования к их идентичности и чувствительности, особенно на низких частотах.
Известен комбинированный гидроакустический приемник, корпус которого содержит груз, расположенный в центре, гидрофонный канал, три векторных канала, установленных центрально-симметрично между корпусом и грузом, электронный блок преобразования акустических колебаний, дистанционные системы электропитания и передачи информации, а также неконтактную магнитную систему стабилизации корпуса приемника, состоящую из жесткого каркаса, по периметру которого размещены датчики положения корпуса и соединенные с электронной системой регулирования тока электромагниты, напротив которых внутри корпуса установлены постоянные магниты (п. РФ №2577421 С1). Приемник отличается очень сложной конструкцией, а гидрофонный канал выполнен на отдельном чувствительном элементе, что дополнительно увеличивает сложность конструкции.
Наиболее близким к заявляемому является цифровой комбинированный векторный приемник с синтезированными каналами, содержащий корпус с инерционной массой, расположенной в центре корпуса, электронную систему регистрации сигналов, пропорциональных акустическому давлению и трем проекциям вектора колебательного ускорения, и три измерительных канала, каждый из которых состоит из двух чувствительных элементов, выполненных на основе пьезокерамики и установленных навстречу друг другу, при этом чувствительные элементы одним концом фиксируют инерционную массу, а другим опираются на корпус (п.РФ №2509320 С1). Под воздействием акустического поля силы давления на корпус вызывают его деформации. Часть деформирующего усилия передается на чувствительные элементы, опирающиеся на корпус, и при этом на всех чувствительных элементах возникнет деформация одного знака. Колебательное движение корпуса вызывает возникновение сил инерции, нагружающих чувствительные элементы, и создает деформации разных знаков у чувствительных элементов, лежащих на одной оси по разные стороны инерционной массы. Возникающие при этих деформациях чувствительных элементов сигналы оцифровываются и затем с помощью известных математических преобразований получают сигналы, пропорциональные давлению акустического поля и проекциям вектора колебательного ускорения.
Однако, если корпус выполнен из материала с большим модулем упругости, деформации корпуса, вызывающие сигналы датчиков, пропорциональные акустическому давлению, будут малы, поэтому для корректной работы известного приемника предполагается использование материалов с малым модулем упругости. Но в таком случае снижается резонансная частота корпуса, что нежелательно для векторного приемника, так как резонанс корпуса даже близкий к рабочему диапазону частот приводит к нарушению формы характеристики направленности, которая из дипольной вырождается в круговую. Из-за этого приходится либо мириться с плохой формой характеристики направленности, либо специально ограничивать рабочий диапазон меньшими значениями верхней частоты. Данный эффект, в частности, проявляется в том, что для приемника с объявленной верхней рабочей частотой порядка 1 кГц, при резонансной частоте корпуса в диапазоне 15-20 кГц, коэффициент деления (отношение максимума характеристики направленности к минимуму характеристики направленности) существенно ухудшается с ростом частоты: на низких частотах (порядка 200-300 Гц) коэффициент деления может достигать -40 дБ, а на частотах порядка 900 Гц он составляет уже -(15-20) дБ.
Таким образом стоит проблема улучшения рабочих характеристик комбинированного векторного приемника, для чего заявитель предлагает частично отобрать у корпуса функцию передачи давления на чувствительные элементы, что позволит повысить чувствительность приемника и улучшить форму характеристики направленности.
Для этого приемник, содержащий герметичный корпус с инерционной массой, расположенной в центре, электронную систему формирования сигналов, пропорциональных акустическому давлению и трем проекциям вектора колебательного ускорения, и три измерительных канала, каждый из которых состоит из двух чувствительных элементов, выполненных на основе пьезокерамики и установленных навстречу друг другу вдоль осей ортогональной системы координат, дополнительно снабжают глухими отверстиями, выполненными с внешней стороны корпуса напротив каждого чувствительного элемента и оборудованными уплотненным поршнем, при этом чувствительные элементы одним концом фиксируют инерционную массу, а другим опираются на дно отверстия, на которое с другой стороны опирается днище поршня.
Заявляемая конструкция приемника за счет предложенной передачи сил внешнего давления на чувствительные элементы и уменьшения вредного влияния собственного резонанса корпуса приемника на характеристику направленности позволяет повысить чувствительность приемника и улучшить форму характеристики направленности
Силы внешнего давления вызывают деформацию корпуса, который, в свою очередь, деформирует чувствительные элементы. Чем меньше жесткость корпуса, тем больше деформация корпуса при воздействии давления и тем сильнее деформируются чувствительные элементы, проявляя, таким образом, хорошую чувствительность, но при этом снижается резонансная частота корпуса. Введение дополнительно в конструкцию приемника поршня для каждого чувствительного элемента позволяет избавится от необходимости иметь корпус малой жесткости и дает возможность использовать жесткий корпус с высокой резонансной частотой, а также обеспечивает хорошую передачу сил давления на чувствительные элементы, не теряя при этом чувствительность. Помимо этого, данное техническое решение позволяет использовать для корпусов более широкий спектр материалов и сделать корпус достаточно прочным для применения на большой глубине.
На фиг. приведена схема заявляемого устройства, где 1 - корпус с отверстиями, 2 - поршень; 3 - чувствительный элемент, 4 - уплотнительное кольцо поршня; 5 - инерционная масса; 6 - дно отверстия.
При этом конструктивно дно отверстия может быть выполнено съемным и изготовленным из иного материала, чем корпус, и закреплено в корпусе любым должным образом, например на винтах или с помощью клея, с выдерживанием размеров, необходимых для фиксации чувствительных элементов, опирающихся на инерционную массу.
Работает устройство следующим образом. Когда приемник находится в акустическом поле, его корпус (1) соколеблется с водной средой, при этом на инерционной массе (5) возникают силы инерции, которые воспринимаются чувствительными элементами (3). Дно (6) отверстия, являясь одновременно частью корпуса, за счет малой толщины обладает небольшой жесткостью для передачи на чувствительные элементы (3) силы акустического давления, воздействующей на поршни (2) с внешней стороны. Толщину дна отверстия подбирают с учетом эксплуатационных требований по заданным частотному диапазону, чувствительности и рабочей глубине погружения.
Таким образом, на всех шести чувствительных элементах присутствуют сигналы, пропорциональные акустическому давлению, и на каждых двух чувствительных элементах, расположенных вдоль одной оси координат, присутствуют сигналы, пропорциональные проекции вектора колебательного ускорения на соответствующую ось. Для выделения из полученных сигналов сигнала, пропорционального давлению, суммируют сигналы со всех шести чувствительных элементов. А для выделения сигналов, пропорциональных компонентам колебательного ускорения, попарно вычитают один из другого сигналы чувствительных элементов, расположенных вдоль одной оси, при этом противофазные сигналы проекции вектора колебательного ускорения суммируются, а синфазные сигналы, пропорциональные давлению взаимно вычитаются.
Реализовать электронную систему алгоритма расчета формирования сигналов можно различными способами, например, как описано в прототипе, где электронная система формирования сигналов, пропорциональных давлению в акустической волне и компонентам вектора колебательного ускорения, выполнена с использованием микропроцессорного устройства: каждый чувствительный элемент подключен к входу своего АЦП, выходные коды которого подаются в микропроцессорное устройство; или, например, подавая сигналы всех чувствительных элементов на аналоговый сумматор («Р»), где противофазные сигналы, пропорциональные проекциям вектора колебательного ускорения, будут взаимно вычитаться, а синфазные сигналы, вызванные давлением акустического поля будут суммироваться, образуя на выходе сумматора («Р») сигнал, пропорциональный акустическому давлению. Для получения сигналов, пропорциональных проекциям колебательного ускорения попарно суммируют сигналы чувствительных элементов, принадлежащих одной оси с помощью трех других сумматоров, например, «Vx», «Vy», «Vz», причем один из сигналов в парах инвертирован, и тогда на выходах сумматоров «V» получают сигналы, пропорциональные проекциям вектора колебательного ускорения, при этом сигналы, пропорциональные давлению будут взаимно вычитаться.
Заявляемый приемник может быть изготовлен с использованием стандартных конструкторских приемов и элементов. Например, корпус и поршни могут быть изготовлены из пластмассы, подходящей по физико-химическим характеристикам, например, поликарбоната, или из металлического сплава, при этом толщина стенки корпуса выбирается конструктором исходя из заданной резонансной частоты приемника, что может привести к достаточно жесткому корпусу, но так как передача акустического давления на чувствительные элементы осуществляется через поршни, высокая жесткость не повлияет на характеристики чувствительности и уменьшит вредное влияние собственного резонанса корпуса приемника на характеристику направленности за счет того, что жесткость корпуса и, соответственно, частота его собственного резонанса, может быть повышена без ущерба для передачи сил внешнего давления на чувствительные элементы за счет предлагаемой конструкции. Помимо этого, данное техническое решение позволяет сделать корпус достаточно прочным для применения на большой глубине.