Комбинированный цифровой акустический приемник

Полезная модель относится к акустике и может быть использована для изучения в морских и речных акваториях пространственных характеристик гидроакустических полей различного происхождения.
Известен комбинированный акустический приемник [1], представляющий собой шарообразное тело, выполненное из звукопрозрачной уретановой композиции, внутри которого в двух взаимно перпендикулярных плоскостях располагаются приемники градиента давления, состоящие каждый из дипольной пары закрытых крышками полусфер, разнесенных на расстояние, равное их диаметру и приемник давления, представляющий собой два цилиндрических чувствительных элемента из пьезокерамики, с двух сторон герметично закрытых крышками из капролона, установленых симметрично относительно фазового центра, находящегося в центре шарообразного тела.
К недостаткам данного приемника следует отнести использование в конструкции нескольких пространственно разнесенных чувствительных элементов разных размеров и геометрических форм (полусферы и цилиндры), что неизбежно ведет к появлению соответствующего количества конструкционных резонансных частот, искажающих его характеристики. Кроме этого, пространственные характеристики гидроакустических полей определяются относительно одной из осей наибольшей чувствительности каналов комбинированного акустического приемника, положение которой в пространстве не определено.
Наиболее близким к заявляемому является приемник градиента акустического давления [2], содержащий полый пьезокерамический цилиндр с крышками, связанными друг с другом армирующим элементом, и электродами, нанесенными на внутреннюю и внешнюю поверхности цилиндра. Электрод, нанесенный на внутреннюю поверхность цилиндра, разделен на четыре секции, при этом противоположные секции соединены электрически параллельно, а соответствующие им части пьезокерамического цилиндра имеют разную поляризацию. Благодаря разнознаковой поляризации частей цилиндра сигнал, снимаемый с параллельно соединенных секций пропорционален градиенту акустического давления.
y
x
Основными недостатками описанного цилиндрического приемника градиента акустического давления как устройства для определения пространственных характеристик гидроакустических полей является то, что пространственные характеристики полей, определенные относительно оси наибольшей чувствительности одного из каналов приемника, имеют неоднозначность в 180 градусов, связанную с определением направления распространения акустического сигнала по формуле: ϕ=arctg(Y/X), где Y=Asin(ϕ), X=Acos(ϕ) - амплитуды сигналов с выходов ортогональных каналов градиента давления, ϕ - угол между направлением оси наибольшей чувствительности одного из каналов и направлением распространения акустического сигнала.
Целью разработки полезной модели является создание комбинированного цифрового приемника, сигналы, с выхода которого позволяют однозначно определить амплитуду акустической волны и направление ее распространения.
Поставленная цель достигается за счет того, что в акустическом приемнике с чувствительным элементом в виде закрытого с торцов полого пьезокерамического цилиндра, внутренний электрод которого разделен на три кольцевые секции, средняя из которых выполнена в виде разделенных между собой по образующим цилиндра четырех одинаковых формирующих приемники градиента давления секций, противоположные из которых соединены электрически параллельно, соответствующие им участки пьезокерамического цилиндра имеют разнознаковую поляризацию, крайние формирующие приемник давления кольцевые секции соединены электрически параллельно, а соответствующие им участки цилиндра имеют одинаковую поляризацию, знак которой совпадает по знаку с поляризацией части цилиндра, соответствующей секции в средней части цилиндра, через центр которой перпендикулярно оси цилиндра проходит прямая, соответствующая выделенному направлению, совпадающему с направлением одной из осей размещенного в корпусе приемника цифрового компаса.
Существенным и отличным от аналога признаком заявляемого устройства является то, что все составляющие комбинированного приемника (приемник давления и два приемника градиента давления) выполнены на одном пьезоэлектрическом цилиндре, что минимизирует количество конструкционных резонансных частот. Благодаря этому уменьшаются искажения амплитудных и фазовых характеристик каналов (приемников) давления и градиента давления, составляющих комбинированный приемник.
На фиг. 1 показан акустический приемник 1, чувствительный элемент которого представляет собой закрытый с торцов пьезокерамический цилиндр 2 с единым неразрезным электродом 3 на внешней поверхности цилиндра и разделенным на секции электродом на его внутренней поверхности.
Внутренний электрод пьезокерамического цилиндра разделен на секции. Кольцевые секции 4 расположены по краям внутреннего электрода вдоль направляющих цилиндра. Четыре другие секции 5, 6, 7 и 8 расположенные в центральной части внутреннего электрода имеют равную площадь и разделены между собой по образующим цилиндра. Части цилиндра 9 и 10, расположенные под противолежащими электродами, поляризованы разнознаково. Поляризация частей цилиндра, соответствующих кольцевым секциям 4 совпадает с поляризацией части 9.
Кольцевые секции 4 соединены электрически параллельно. Сигнал с них пропорционален акустическому давлению. Противолежащие электроды (секции 5 и 7, 6 и 8) соединены электрически параллельно, что позволяет сформировать в плоскости, перпендикулярной оси цилиндра, два взаимно ортогональных канала градиента давления: канал X (секции 6 и 8) и канал Y (секции 5 и 7).
В корпусе приемника, выполненном из немагнитного материала, размещен электронный компас 11, одна из осей которого совпадает с осью пьезокерамического цилиндра, вторая ориентирована вдоль линии, соединяющей центры двух противолежащих (например, 6 и 8) секций центральной части внутреннего электрода, и направлена в сторону секции 6.
Комбинированный акустический приемник работает следующим образом.
При погружении в воду приемника, подвешенного, например, на грузонесущем кабеле, оси наибольшей чувствительности каналов градиента давления X=cos(ϕ) и Y=sin(ϕ) будут располагаться в горизонтальной плоскости и делить ее на четыре области углов (квадранты), номера которых N отсчитываются от положительного направления оси Y по часовой стрелке. Первому квадранту (N=4) соответствуют углы от 0 до 90 градусов, второму (N=2) от 90 до 180 градусов, третьему (N=3) от 180 до 270 градусов, четвертому (N=4), соответственно, от 270 до 360 градусов. Фазовые центры канала давления и каналов градиента давления совпадают и располагаются в центре пьезоэлектрического цилиндра. Сигнал с выхода, размещенного в корпусе приемника компаса 11, будет пропорционален углу α между направлением на магнитный полюс Земли и направлением оси наибольшей чувствительности канала градиента давления Y.
p
x
y
х
у
р
o
o
При распространении акустического сигнала частоты f=ω/(2π) в области размещения комбинированного приемника значения сигналов с выходов канала давления и каналов градиента давления в момент времени t составят, соответственно, P=Acos(ωt), X=Acos(ϕ)sin(ωt) и Y=Asin(ϕ)sin (ωt), причем А=А=А×(ω/ω)×2/π, где ω - собственная частота нулевой моды окружных колебаний пьезокерамического цилиндра.
o
Для последующей обработки сигналы необходимо оцифровать, например, с помощью микроконтроллера, который может быть размещен в корпусе приемника, что позволит снизить потери качества сигнала при передаче по кабельной линии и обходиться для передачи сигналов каналов давления, градиента давления и компаса трехжильным (земля, питание сигнал) кабелем. Частота оцифровки сигнала для последующей обработки должна составлять не менее f=2ω/π.
Для тонального сигнала определение квадранта прихода сигнала может быть произведено путем сравнения знаков текущих (мгновенных) значений Р и сдвинутых по фазе на π/2 текущих (мгновенных) значений X и Y, на выходе соответствующих каналов АЦП микроконтроллера, в соответствии с таблицей 1.
В случае прихода сигнала с направления, соответствующего первому квадранту, например, 45 градусов от положительного направления оси Y по часовой стрелке, положительным мгновенным значениям Р будут соответствовать положительные значения X и Y, а отрицательным значениям Р отрицательные значения X и Y. Если же сигнал распространяется в противоположном направлении, то есть приходит с направления 225 градусов, соответствующему 3 квадранту, то положительным мгновенным значениям Р будут соответствовать отрицательные значения X и Y, а отрицательным значениям Р положительные значения X и Y.
Направление прихода акустического сигнала относительно направления на магнитный север определяется путем расчета значения угла по амплитудам сигналов в каналах градиента давления с учетом номера квадранта N и данных компаса (угол α соответствует отклонению положительного направления оси наибольшей чувствительности канала X=cos(ϕ) от направления на магнитный север) по формуле:
ϕ=arctg (Y/X)+α+180×[N/2],
где [N/2] - целая часть числа, получаемого в результате деления номера квадранта угла прихода сигнала на 2.
Источники информации
1. Комбинированный акустический приемник. Патент РФ № 2403684 от 23.10.2009 по кл. H04R 17/00.
2. Приемник градиента акустического давления. Авторское свидетельство СССР № 1732500 от 04.04.1990 по кл. H04R 17/00.