ПРИЕМНИК НИЗКОЧАСТОТНЫХ КОЛЕБАНИЙ ДАВЛЕНИЯ В ВОДНОЙ СРЕДЕ
RECEIVER OF LOW-FREQUENCY PRESSURE FLUCTUATIONS IN WATER ENVIRONMENT

Изобретение относится к измерительным устройствам, предназначенным для регистрации низкочастотных колебаний давления в воде, и может быть использовано при проведении исследований по акустике водной среды и регистрации сигналов естественного происхождения, при создании специализированных измерительных устройств, основанных на регистрации низкочастотных колебаний давления в воде, например для охраны объектов со стороны водной среды.
Чувствительные элементы приемников колебаний давления в водной среде выполняют обычно на основе пьезокерамики, обладающей значительной чувствительностью. Однако из-за значительного пироэффекта пьезокерамики такие приемники подвержены влиянию флуктуации температуры в водной среде как помехи, особенно в области низких частот - ниже долей герца и единиц герц. Такие помехи неизменно присутствуют, например, при проведении исследований низкочастотного естественного шума океана [1]. Кроме того, такие приемники, уложенные на дно, чувствуют смещения дна, вызванные микросейсмическим фоном или прохождением по дну колебаний, вызванных движением тяжелого транспорта в ближайших сухопутных областях, и смещения водной среды, вызываемые поверхностным волнением и подводными течениями. Одной из проблем поэтому является создание приемника низкочастотных колебаний давления в водной среде на основе пьезокерамики, свободного от влияния воздействий флуктуации температуры в водной среде и смещений.
Обычно борьбу с влиянием помех на низкочастотном краю спектра регистрируемых колебаний давления ведут, вводя частотную фильтрацию регистрируемых сигналов. Однако введение частотной фильтрации приводит к снижению как уровня помехи, так и полезного сигнала, если помеха находится в той же частотной области что и полезный сигнал.
Задача, на решение которой направлено предложенное изобретение, заключается в создании приемника колебаний давления в водной среде с простой реализацией и расширенной областью применения, позволяющего эффективно компенсировать присутствие в общем сигнале, регистрируемом приемником, помех, вызванных воздействием на приемник флуктуации температуры и смещений.
Предпосылкой осуществления предложенной компенсации помех являются рассмотренные выше физические процессы, сопровождающие регистрацию низкочастотных колебаний давления, такие как пирочувствительность пьезокерамики и реакция пьезоэлемента не только на колебания давления, но и на смещения.
В основе предлагаемой компенсации помех лежит возможность выделения составляющей помехи в общем сигнале, регистрируемом приемником, и вычитания ее из общего сигнала.
Для решения поставленной задачи предлагается приемник низкочастотных колебаний давления в водной среде, выполненный на основе пьезокерамических чувствительных элементов, содержащий основной и дополнительный пьезокерамические чувствительные элементы и общий корпус из теплопроводящего материала, при этом основной пьезоэлемент прикреплен снаружи корпуса и воспринимает колебания давления водной среды, а также флуктуации температуры воды и смещения корпуса, как составляющие помехи, а дополнительный пьезоэлемент прикреплен к корпусу в воздушной полости внутри корпуса, где он изолируется от колебаний давления водной среды, но воспринимает флуктуации температуры водной среды и смещения корпуса, при этом оба пьезоэлемента, основной и дополнительный, включают параллельно друг другу, с встречным направлением знаков поляризации и выполняют из идентичного пьезоматериала.
Наиболее простой вариант схемы, осуществляющей собственно вычитание составляющих помехи, температурной и смещения, из сигнала от основного пьезоэлемента, представлен на фиг.1 и 2, где оба пьезоэлемента, основной и дополнительный, подключают ко входу общего усилителя параллельно друг другу со встречным направлением знаков поляризации (+ и - на фиг.1 и 2).
Каждый из признаков, включенных в формулу изобретения, необходим, а все вместе они достаточны для достижения поставленной цели, то есть в формулу изобретения включены существенные признаки.
Сущность заявленного решения поясняется рисунками:
фиг.1 - предварительный усилитель с включенными на входе пьезоэлементами;
фиг.2 - принцип выполнения приемника;
фиг.3 - сигналы, обусловленные реакцией пьезоэлементов на температурное воздействие;
фиг.4 - сравнение спектров естественного шума озера, регистрируемых приемником с компенсацией помех и при отсутствии компенсации помех.
На фиг.2 показано выполнение приемника, помещенного в водную среду, в соответствии с принципом функционального разделения работы пьезоэлементов, основного и дополнительного. Здесь корпус 1 приемника выполняется из материала с высокой теплопроводностью, например из металла, и содержит воздушную полость 2. Основной пьезоэлемент 3 прикреплен снаружи к корпусу и воспринимает колебания давления из водной среды. Дополнительный пьезоэлемент 4 прикреплен к тому же корпусу со стороны воздушной полости, где он изолируется от воздействия колебаний давления со стороны водной среды. При этом оба пьезоэлемента, как основной так и дополнительный, воспринимают низкочастотные смещения приемника и флуктуации температуры водной среды - основной как основной так и дополнительный, воспринимают низкочастотные смещения приемника и флуктуации температуры водной среды - основной пьезоэлемент непосредственно через воду, а дополнительный пьезоэлемент через теплопроводящий материал корпуса.
В качестве пьезоэлементов наиболее целесообразно использовать пластины из пьезокерамики, позволяющие создать приемлемый тепловой контакт с корпусом приемника и выполнить условие идентичности обоих пьезоэлементов. Кроме того, для компенсации составляющих смещений пластины обоих пьезоэлементов необходимо располагать в корпусе параллельно друг другу, как показано на фиг.2.
В реальных практических условиях основной пьезоэлемент герметизируется со стороны водной среды и защищается от механических повреждений. Приемник также содержит предварительный усилитель сигналов с включенными на входе пьезоэлементами, как показано на фиг.1, с последующей передачей усиленного сигнала с выхода предусилителя по сигнальному кабелю на блок обработки данных.
Предложенный приемник экспериментально апробирован. В экспериментах приемник помещался в емкость с водой и проводилось одновременное наблюдение сигналов на выходе каждого из пьезоэлементов, основного и дополнительного, а также результат вычитания сигналов, обусловленных температурными флуктуациями в воде. С этой целью в емкость добавлялась порция горячей воды. На фиг.3 показана наблюдаемая реакция каждого из пьезоэлементов на температурное воздействие и результат компенсации температурного воздействия за счет встречного по полярности включения обоих пьезоэлементов в приемнике. Здесь 5 и 6 -сигналы температурного воздействия, регистрируемые основным и дополнительным пьезоэлементами и 7 - результат компенсации температурного воздействия в выходном сигнале приемника. Видно, что воздействие вводимой в водную среду температурной неоднородности эффективно компенсируется на выходе приемника.
Дополнительной проверкой эффективности работы предлагаемого приемника послужило его использование для регистрация естественного низкочастотного шума водной среды. С этой целью была проведена регистрация шума в натурных условиях в озере приемником с использованием предлагаемой компенсации помех и, для сравнения, без компенсации. На фиг.4 показаны регистрируемые спектры шума в частотной области до 30 Гц. Здесь 8 - спектр шума, обусловленный совместным воздействием на основной пьезоэлемент колебаний давления, флуктуации температуры водной среды и смещений, 9 - выделенная из общего шума составляющая, обусловленная колебаниями давления в водной среде и ее спектр. Видно, что использование приемника с предлагаемой компенсации помех позволяет подавлять в регистрируемом сигнале составляющие, вызываемые температурными флуктуациями водной среды и смещениями дна и таким образом выявлять составляющую естественного шума водной среды, обнаруживать в регистрируемом шуме составляющие разной физической природы, что важно при проведении научных исследований и при создании регистрирующей аппаратуры.
Техническим результатом настоящего изобретения является эффективная компенсация помех в сигнале, регистрируемом приемником колебаний давления в водной среде, обусловленных воздействием на приемник флуктуации температуры водной среды и смещений.
Источники информации
1. И.Ф. Кадыков. Подводный, низкочастотный акустический шум океана. М.: Эдиториал УРСС, 1999. с.33.