Низкочастотный векторный акустический приемник
LOW-FREQUENCY VECTOR ACOUSTIC RECEIVER

Измерение низкочастотных акустических сигналов в водной среде является одним из важнейших способов мониторинга перемещения надводных и подводных судов, объектов морской фауны, получения информации о строении морского дна (сейсморазведка), обнаружения природных и техногенных, в том числе опасных, явлений в водной среде, сопровождающихся акустическими эффектами и т.д.
Для измерения гидроакустических сигналов разработано множество технических средств. Наиболее распространенными являются гидрофоны различной конструкции [Патент РФ 2368099, Патент РФ 2393643, патент РФ 2392767, Патент США 6549488]. Независимо от технологии, использованной при создании гидрофонов, возможности измерения слабых сигналов с помощью гидрофонов ограничены уровнем регистрируемых помех, не относящихся к полезному сигналу и представляющих с точки зрения процессов измерения шум. Одним из способов улучшения отношения сигнал/шум является использование векторного (комбинированного) способа приема сигнала (A. Nehorai & Е. Paldi, "AcousticVectorSensorArrayProcessing, "IEEETransactionsonSignalProcessing, vol. 42, no. 9, p. 2481-2491, September 1994.). В этом случае регистрируется не только давление в акустической волне, как в случае гидрофона, но и векторная составляющая - скорость колебаний частиц в среде. Для измерения скорости частиц чаще всего используется акселерометр. В результате, при обработке получается разделять сигналы по направлению поляризации движения частиц, а значит и по направлению прихода волны в точку приема. Таким образом, можно проводить локацию источника сигнала и, кроме того, повысить отношение сигнал/шум, поскольку появляется возможность путем анализа поляризации выделить компоненты сигнала, относящиеся к вполне определенным направлениям прихода волны. Аналогичным технический эффект достигается при использовании вместо трехосного датчика акселерометра - трехосного датчика градиента давления.
Для инструментальной реализации векторного способа регистрации сигналов известен ряд технических решений. Большинство из них основано на применении пьезоэлектрических преобразователей.
Так, известен трехкомпонентный пьезоэлектрический датчик, который представляет собой три однокомпонентных датчика, объединенных в одном корпусе. Это сложное дорогостоящее устройство, обладающее значительной массой и габаритами [авт. св. N 1057910]. Кроме того, известен трехкомпонентный пьезоэлектрический сейсмометр, содержащий три пары пьезоэлементов, оси чувствительности которых расположены по трем взаимно перпендикулярным направлениям, систему центровки инертной массы с толкателями и пружинами. Это устройство сложно в изготовлении и при настройке, неустойчиво в работе, имеет низкую точность измерений (авт. св. N 397868).
Для уменьшения габаритов устройства и упрощения конструкции предложен трехкомпонентный пьезоэлектрический датчик ускорений, содержащий корпус, жидкостную инертную массу, в этом устройстве пьезоэлектрические пластины расположены попарно по нормали к трем ортогональным осям, ограничивая полость, заполненную под давлением жидкостью (авт. св. N 188767).
Способ расширения температурного и частотного диапазонов предложен винфранизкочастотном трехкомпонентном пьезоэлектрическом датчике ускорений [Патент РФ 2129290], использована конструкция корпуса, содержащего жидкостную инертную массу и введены пьезопреобразователи, расположенные по нормалям к трем ортогональным осям, введены термокомпенсаторы, а жидкостная инертная масса заключена в отдельных полостях, выполненных в корпусе по трем ортогональным осям, причем каждая из полостей ограничена с одной стороны пьезопреобразователем, состоящим из пьезоэлемента, установленного на мембране, а с противоположной - термокомпенсатором, выполненным в виде упругого элемента.
Для уменьшения поперечной чувствительности векторного акустического приемника предложен цифровой метод ее компенсации (Патент РФ 2509320).
В любом случае приведенные технические решения не предполагают введения обратной связи, и поэтому не обеспечивают высокой точности измерений. Кроме того, пьезоэлектрические преобразователи, используемые в рассмотренных устройствах, характеризуются достаточно высокими низкочастотными шумами.
Наименьшие шумы при измерениях в области низких частот обеспечивают акселерометры, построенные с применением преобразующего элемента емкостного типа (Sercel 508ХТ Brochure (English). Available online: http://www.sercel.com/products/Lists/ProductSpecification/508XT_brochure_Sercel.pdf, KinemetricsEpiSensor ES-T Force Balance Accelerometer Datasheet. Available online: http://www.kinemetrics.com/uploads/PDFs/ES-T%20Datasheet.pdf, CMG-5T Strong Motion Feedback Accelerometer. Availableonline: http://www.guralp.com/documents/DAS-050-0001.pdf). Такие акселерометры строятся по принципу силовой компенсации внешнего воздействия с применением электродинамической обратной связи и в англоязычной литературе известны как force-balancedaccelerometers. Приборы относятся к категории точной механики и к их недостаткам следует отнести весьма высокую себестоимость, а также недостаточную механическую прочность по отношению к ударам и вибрациям. Известны способы применения таких датчиков в векторных акустических приемниках, однако широкого распространения указанный подход не получил в силу указанных недостатков.
Преобразователь на принципах молекулярно-электронного переноса (электрохимический акселерометр) (Лидоренко Н.С., Ильин Б.И., Зайденман И.А. и др. Введение в молекулярную электронику 1984. 320 с., Н. Huang, V. Agafonov, and Н. Yu, "Molecular electric transducers as motion sensors: A review", Sensors (Switzerland), vol. 13, no. 4, p. 4581-4597, 2013), подобно емкостному, обеспечивает высокую эффективность преобразования в диапазоне низких частот. В то же время, достоинствами таких датчиков является значительно большая механическая прочность.
Низкочастотный векторный акустический приемник на принципах молекулярно-электронного переноса представлен в изобретениях (Патент РФ, 2128850, Патент РФ на полезную модель 53459) и является наиболее близким аналогом заявленного изобретения. Это устройство включает размещенные в общем или отдельных корпусах три преобразователя, причем каждый преобразователь представляет собой полый корпус, герметично закрытый с обоих торцов упругими эластичными мембранами и заполненный электрохимической окислительно-восстановительной системой. Внутренний объем полого корпуса разделен на два отсека, соединенных каналом. В канале размещена система из четырех электродов для преобразования потока жидкости в электрический сигнал.
Недостатками такого решения является достаточно большой объем, необходимый для размещения всех трех преобразователей, и невысокая точность преобразования, связанная с отсутствием в устройстве механизма обратной связи.
Наконец отметим, что на основе молекулярно-электронных преобразователей можно строить датчики градиента давления (В.Г. Дмитриев. Опыт построения и исследования комбинированной акустической антенны. Акустический журнал. 2013, Т. 59, №4, С. 494-501, Патент РФ 2403684).
Таким образом, основные недостатки известных технических решений, используемых при создании низкочастотного акустического приемника векторного типа, состоят в избыточном шуме на низких частотах, больших габаритах и невысокой точности измерений. Последний недостаток связан с отсутствием в конструкции элементов, формирующих сигнал обратной связи. Известно, что применение отрицательной обратной связи позволяет улучшить целый ряд характеристики преобразователя, непосредственно влияющих на точность проводимых с его помощью измерений. К таким характеристикам относятся ширина рабочей полосы, динамический диапазон, температурная и временная стабильность выходных параметров.
Задачей предлагаемого изобретения является создание низкочастотного векторного акустического приемника, обеспечивающего устранение отмеченных недостатков.
Решение задачи достигается тем, что в низкочастотном векторном акустическом приемнике, инерциальная масса которого является общей для трех каналов регистрации и присоединена к трем молекулярно-электронным преобразователям и трем элементам, формирующим обратную связь, по крайней мере один из элементов обратной связи представляет собой электродинамическую систему из взаимодействующих между собой проводника с током и магнитом, совмещенную с гидроусилителем, увеличивающим воздействие на инерциальную массу. При этом общая инерциальная масса представляет собой твердое тело, присоединенное к мембранам трех молекулярно-электронных преобразователей, а указанный гидроусилитель представляет собой камеру, заполненную жидкостью и ограниченную с двух сторон мембранами различной площади, причем большая сторона мембраны подсоединена к указанной инерциальной массе, а меньшая - к катушке электродинамической системы.
Общая инерциальная масса представляет собой жидкость, соединенную каналами с рабочими объемами трех молекулярно-электронных преобразователей, а указанный гидроусилитель состоит из пары электродов в магнитном поле, помещенных в канал, через который протекает жидкость под действием сил инерции, причем поперечное сечение указанного канала в области, где происходит взаимодействие тока, протекающего между электродами, с магнитным полем намного меньше поперечного сечения остальной части канала.
В частных случаях исполнения низкочастотный векторный акустический приемник характеризуется следующим: размещен в герметичном корпусе; подвешен на мягком упругом подвесе на опоре с основанием, фиксированным на морском дне; подвешен на мягком упругом подвесе на опоре с основанием, вмороженным в ледовый покров.
Для снижения собственных шумов используется молекулярно-электронный преобразующий элемент со значительной присоединенной инерциальной массой, поскольку известно, что амплитуда перемещений инерциальной массы, связанная со случайным, броуновского типа, движением, уменьшается с увеличением инерциальной массы. Инерциальная масса может быть в виде твердого тела или жидкостная.
Для уменьшения габаритов предлагается использовать общую для всех трех измерительных каналов инерциальную массу. Такая конструкция позволяет значительно уменьшить массу и габариты предлагаемого измерительного устройства.
Увеличение инерциальной массы требует создания со стороны обратной связи больших усилий, компенсирующих действие сил инерции:
При использовании твердотельной инерциальной массы используется механизм обратной связи, состоящий из взаимодействующих между собой катушки и магнита. Катушка крепится к инерциальной массе, а магнит – к корпусу приемника. Величина создаваемого такой системой усилия может быть определена по формуле:
1
2
где В - магнитное поле, I - ток в катушке, А - коэффициент, растущий с увеличением числа витков в катушке, зависящий также от геометрии и взаимного расположения катушки и магнита. Таким образом, при фиксированном магнитном поле для увеличения усилия требуется увеличение тока, протекающего через катушку, или числа витков в катушке (следовательно - сопротивления катушки). В любом из этих случаев увеличивается энергопотребление. Поэтому в предлагаемом техническом решении электродинамическое устройство для создания сигнала обратной связи предлагается дополнить гидроусилителем, состоящим из жидкостной камеры, ограниченной с двух сторон мембранами различного диаметра, причем большая мембрана будет подсоединена к инерциальной массе, а меньшая - к катушке электродинамического устройства. В этом случае гидроусилитель обеспечивает увеличение воздействия со стороны электродинамического устройства в  раз, где S и S - площади большей и меньшей мембран, соответственно.
При использовании жидкостной инерциальной массы поток жидкости через преобразующий молекулярно-электронный элемент определяется перепадом давлений, создаваемым силами инерции:
где L - длина столба жидкости в направлении действия сил инерции.
Компенсирующее усилие со стороны обратной связи обеспечивается магнитогидродинамической ячейкой, состоящей из пары электродов, расположенных по противоположным сторонам канала, через который протекает рабочая жидкость под действием сил инерции. При формировании сигнала обратной связи через электроды пропускается электрический ток, величина которого пропорциональна выходному току молекулярно-электронного преобразователя. Область пересечения линий тока и указанного канала находится в магнитном поле, перпендикулярном к плоскости, содержащей линии тока и ось указанного канала. В этом случае компенсирующий перепад давлений со стороны механизма обратной связи имеет вид:
mhd
где S - площадь поперечного сечения канала в области, где происходит взаимодействие электрического тока, протекающего между электродами магнитогидродинамической ячейки, и магнитного поля. Таким образом, для увеличения компенсирующего перепада давлений область канала, прилегающего к магнитогидродинамической ячейке, надо выполнять в виде сужения в канале, что обеспечивает усиление компенсирующего воздействия в  раз.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
Фиг. 1. Блок-схема изобретения.
Фиг. 2. Фотография (пример реализации) изобретения.
Фиг 3. Схематическое изображение низкочастотного векторного акустического приемника с жидкой инерциальной массой.
Фиг. 4. Схематическое изображение устройства, усиливающего сигнал обратной связи, для использования в составе низкочастотного векторного акустического приемника с жидкой инерциальной массой.
Фиг 5. Строение каналов внутри магнитогидродинамической ячейки для примера реализации изобретения.
Фиг. 6. Схематическое изображение низкочастотного векторного акустического приемника с твердой инерциальной массой.
Фиг. 7. Схематическое изображение устройства, усиливающего сигнал обратной связи, для использования в составе низкочастотного векторного акустического приемника с твердой инерциальной массой.
Пример реализации изобретения.
Блок-схема реализации показана на Фиг. 1.
Практический пример реализации предлагаемого изобретения показан на Фиг. 2 и структурно соответствует схеме, приведенной на Фиг. 3. В данной реализации приемник имеет форму трехмерного креста, в центре которого располагается камера 1 с общей жидкостной инерциальной массой. В выступающих частях креста устроены боковые жидкостные камеры 2, в которых размещается по одной магнитогидродинамической ячейке 3. Каждая такая камера соединена каналом 4 с центральной камерой, а на внешней стороне закрыта гибкой резиновой мембраной 5, деформируемой под действием сил инерции, действующих на жидкость.
Строение каналов внутри магнитогидродинамической ячейки показано на Фиг. 4 и 5. Каналы 6 имеют круглое сечение, диаметр узкой части - 1 мм, основной части - 3 мм. Таким образом обеспечивается девятикратное усиление сигнала обратной связи. Магнит 7 прилегает к стенкам канала, электроды 8 ячейки расположены по сторонам канала (Фиг. 5). Молекулярно-электронный преобразователь 9 помещается в канале между центральной камерой и одной из боковых. Электронная плата обеспечивает преобразование выходных токов молекулярно-электронного преобразователя в напряжение, частотную коррекцию, замыкание обратной связи и фильтрацию выходного сигнала.
За счет большой длины каждого из трех каналов, заполненных жидкостью и ориентированных вдоль осей чувствительности датчика, ограниченных с обоих концов гибкими мембранами, разработанная конструкция обеспечивает согласно формуле (3) большой перепад давлений на преобразующем элементе, а значит - высокую чувствительность и низкие шумы. Значительная часть каналов приходится на общую инерциальную массу, что уменьшает габариты устройства. Сужение в канале магнитогидродинамической ячейки обеспечивает эффективную работу глубокой отрицательной обратной связи в широком частотном и динамическом диапазонах.
Основные технические характеристики преобразователя приведены в таблице 1.
Другой пример реализации иллюстрирует Фиг. 6. Здесь общая инерциальная масса 10 подсоединяется к большим мембранам гидроусилителей 11. К меньшим мембранам гидроусилителей подсоединяется привод механизма обратной связи, состоящий из катушки 12 и магнита 13. Инерциальная масса к большим мембранам подсоединяется посредством подвесов 14. Вся конструкция закрепляется к корпусу приемника 15.