гидроакустический преобразователь для морской среды

Формула изобретения

1. Гидроакустический преобразователь для морской среды, содержащий измерительный гидрофон и контейнер с электронной аппаратурой, а также средство защиты преобразователя от воздействия внешних факторов, выполненное в виде герметичного корпуса обтекаемой формы и покрывающей корпус звукопоглощающей оболочки с сеткой, преимущественно из капроновой жилки, отличающийся тем, что звукопоглощающая оболочка выполнена в виде примыкающих друг к другу акустоэлектрических ячеек, подключенных выходами к резисторам.

2. Гидроакустический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что величина активного сопротивления R [Ом] резисторов задается математическим выражением

R = (Cf_cp)^-1,

где С [Ф] - выходная емкость гидроакустического преобразователя;

f_ср [Гц] - средняя частота частотного диапазона измеряемого акустического сигнала.

3. Гидроакустический преобразователь по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве акустоэлектрических ячеек используют ячейки с частотой f_рм [Гц] механического резонанса, превышающей, по крайней мере, в два раза верхнюю частоту f_в [Гц] частотного диапазона измеряемого акустического сигнала f_рм > 2f_в.

4. Гидроакустический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что в качестве акустоэлектрических ячеек используют ячейки с емкостным выходным сопротивлением, выполненные преимущественно из пьезоэлектрической керамики или пьезоэлектрического полимера, например поливинилденфигорида, при этом величина активного сопротивления резистора задается математическим выражением

R = (Cf_н)^-1,

где f_н [Гц] - нижняя частота частотного диапазона измеряемого акустического сигнала.

5. Гидроакустический преобразователь по пп.1 и 3, отличающийся тем, что в качестве акустоэлектрических ячеек используют ячейки с индуктивным выходным сопротивлением магнитострикционного, или электромагнитного, или магнитоэлектрического типов, при этом величина активного сопротивления резисторов задается математическим выражением



где L [Гн] - эквивалентная индуктивность гидроакустического преобразователя.

6. Гидроакустический преобразователь по п.1 или 2, или 3, или 4, или 5, отличающийся тем, что к выходам каждой акустоэлектрической ячейки дополнительно подключен электрический элемент настройки акустоэлектрической ячейки в резонанс.

7. Гидроакустический преобразователь по п.1, или 4, или 6, отличающийся тем, что в качестве электрического элемента настройки акустоэлектрической ячейки в резонанс используют катушку самоиндукции с регулируемой величиной индуктивности.

8. Гидроакустический преобразователь по п.1, или 5, или 6, отличающийся тем, что в качестве электрического элемента настройки акустоэлектрической ячейки в резонанс используют конденсатор регулируемой емкости.

9. Гидроакустический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что на поверхности акустоэлектрических ячеек дополнительно наносят аналогичные акустоэлектрические ячейки, подключенные выходами к дополнительно введенным резисторам.

10. Гидроакустический преобразователь по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, или 8, или 9, отличающийся тем, что измерительный гидрофон располагают вне контейнера с электронной аппаратурой.

11. Гидроакустический преобразователь по п.1 или 11, отличающийся тем, что измерительный гидрофон механически связан с контейнером с электронной аппаратурой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для измерения уровня давления гидроакустических шумов надводных и подводных плавсредств в условиях морской среды, изобретение может также использоваться для защиты плавсредств от систем активного гидроакустического обнаружения.

Гидроакустические преобразователи для морской среды помимо первичного преобразователя (гидрофона), например, пьезоэлектрического типа, как правило, включают в себя подводные устройства предварительной обработки электрического сигнала гидрофона, систему передачи сигнала, а также блоки окончательной обработки сигнала и регистрации полученных данных. При этом картина измеряемого гидроакустического поля в водной среде существенно искажается, если размеры подводных частей гидроакустического преобразователя сравнимы или больше длины волны контролируемых гидроакустических волн, а акустические свойства наружной поверхности подводных частей преобразователя отличаются от акустических свойств окружающей их водной среды. Эти обстоятельства неизбежно вносят погрешности в результаты измерений уровней давления гидроакустических полей посредством гидроакустических преобразователей.

Известен подводный гидроакустический преобразователь аналогичного назначения [1] , содержащий цилиндрический каркас, в котором поочередно располагают ряды приемных и передающих гидрофонов, выполненных на основе пьезокерамических сегментов, а также электронную аппаратуру предварительной обработки сигнала, расположенную внутри контейнера.

Недостатком известного преобразователя является искажение принимаемого гидроакустического поля из-за наличия переотражений гидроакустических волн от цилиндрического каркаса преобразователя и, как следствие этого, погрешности измерений параметров гидроакустических полей.

Известен гидроакустический преобразователь, аналогичного назначения, в котором лицевая сторона корпуса с пьезокерамическими гидрофонами и электронной аппаратурой покрывается эластичным защитным материалом [2]. Это позволяет частично скомпенсировать вредные переотражения гидроакустических волн от внешних элементов корпуса. Но эффективность поглощения падающих на корпус гидроакустических волн - невелика, из-за узкого частотного диапазона их поглощения. Это является недостатком преобразователя.

Известен гидроакустический преобразователь для морской среды, содержащий измерительный гидрофон и контейнер с электронной аппаратурой, а также средство защиты преобразователя от воздействия внешних факторов, выполненное в виде герметичного корпуса обтекаемой формы, и покрывающей корпус звукопоглощающей оболочки с волоконной сеткой преимущественно из капроновой жилки [3].

Данный преобразователь принят за прототип.

Недостатком прототипа является влияние корпуса контейнера с электронной аппаратурой на результаты измерений уровней давления гидроакустических полей ввиду недостаточно эффективной работы защитного покрытия гидроакустического преобразователя.

Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является уменьшение уровня рассеивания гидроакустических волн от внешней поверхности контейнера и как следствие этого повышение точности измерений параметров гидроакустических полей и уменьшение погрешности гидроакустического преобразователя.

Данный технический результат получают за счет того, что в известном гидроакустическом преобразователе для морской среды, содержащем измерительный гидрофон и контейнер с электронной аппаратурой, а также средство защиты преобразователя от воздействия внешних факторов, выполненное в виде герметичного корпуса обтекаемой формы, и покрывающей корпус звукопоглощающей оболочки с волоконной сеткой преимущественно из капроновой жилки, звукопоглощающая оболочка выполнена в виде примыкающих друг к другу акустических ячеек (АЯ), подключенных выходами к резисторам.

Величина активного сопротивления R [Ом] резистора задается математическим выражением:

R = (Cf_cp)^-1, (1)

где C [Ф] - выходная емкость гидроакустического преобразователя; f_ср [Гц] - средняя частота частотного диапазона, измеряемого акустического сигнала.

В качестве АЯ используют ячейки с частотой f_рм [Гц] механического резонанса, превышающей по крайней мере в два раза верхнюю частоту f_в [Гц] с частотного диапазона измеряемого акустического сигнала

f_рм > 2f_в.

В качестве АЯ используют также ячейки с емкостным выходным сопротивлением, выполненные преимущественно из пьезоэлектрической керамики или пьезоэлектрического полимера, например, полинилденфигорида (как наиболее дешевого пьезоматериала), при этом величина активного сопротивления резистора задается математическим выражением:

R = (Cf_н)^-1, (3)

где f_н [Гц] - нижняя частота частотного диапазона измеряемого акустического сигнала.

В качестве АЯ используют также ячейки с индуктивным выходным сопротивлением магнитострикционного или электромагнитного или магнитоэлектрического типов, при этом величина активного сопротивления резисторов задается математическим выражением:



где L [Гн] - эквивалентная индуктивность гидроакустического преобразователя.

К выходам каждой АЯ дополнительно подключен электрический элемент настройки АЯ в резонанс.

При этом в качестве электрического элемента настройки АЯ в резонанс используют конденсатор регулируемой емкости, если в качестве АЯ применяется ячейка с индуктивным выходным сопротивлением, или катушку самоиндукции с регулируемой величиной индуктивности, если в качестве ячейки применяют АЯ с емкостным выходным сопротивлением.

На поверхности АЯ дополнительно наносят аналогичные АЯ, подключенные выходами к дополнительно введенным резисторам.

Измерительный гидрофон располагают вне контейнера с электронной аппаратурой, а также электрически и механически связывают его с ней.

Изобретение поясняется чертежом.

На фиг. 1 представлена общая схема гидроакустического преобразователя; на фиг. 2 - схема подводного контейнера преобразователя; на фиг. 3 - эквивалентная электрическая схема широкополосной АЯ с пьезоэлектрическим преобразователем, имеющим емкостное выходное сопротивление; на фиг. 4 - эквивалентная электрическая схема широкополосной АЯ с магнитострикционным преобразователем, имеющим индуктивное выходное сопротивление; на фиг. 5 - эквивалентная электрическая схема АЯ с пьезоэлектрическим преобразователем и резонансным поглощением энергии падающей гидроакустической волны; на фиг. 6 - эквивалентная электрическая схема АЯ с магнитострикционным преобразователем и резонансным поглощением энергии падающей гидроакустической волны; на фиг. 7 - эквивалентная электрическая схема АЯ с пьезоэлектрическим преобразователем и настроенным магнитострикционным преобразователем с резонансным поглощением падающей гидроакустической волны (подстроечные элементы магнитострикционного преобразователя не показаны); на фиг. 8 - эквивалентная электрическая схема АЯ с магнитострикционным преобразователем с резонансным поглощением падающей волны (подстроечные элементы не показаны).

Гидроакустический преобразователь для морской среды содержит измерительный гидрофон 1 (далее гидрофон 1), механически связанный через трос-кабель 2 с контейнером 3 с электронной аппаратурой 4 (фиг. 2) предварительной обработки сигнала. Контейнер 3 (фиг. 1) связан кабелем 5 с основными блоками обрабатывающей аппаратуры и регистрирующими блоками, расположенными на надводном плавсредстве или на берегу (на чертеже не показаны). Под позициями 6, 7, 8 на фиг. 1 также соответственно обозначены исследуемый излучатель (6) гидроакустических колебаний, поверхность (7) водоема с морской средой и дно (8) водоема.

Подводный контейнер 3 (фиг. 2) покрыт средством его защиты от воздействия внешних факторов (морской водной среды), выполненное в виде прочного герметичного металлического корпуса 9 обтекаемой формы и покрывающей корпус 9 звукопоглощающей оболочки 10 с сеткой 11, выполненной преимущественно из капроновой жилки для устранения обрастания контейнера 3 биологическими продуктами моря.

Согласно изобретения звукопоглощающая оболочка 10 выполнена в виде примыкающих друг к другу АЯ 12, которые подключены своими выходами к резисторам R (фиг. 3-8).

Принцип действия гидроакустического преобразователя для морской среды основан на том, что энергия гидроакустических колебаний, воздействующих на внешнюю поверхность контейнера 3 с электронной аппаратурой 4, с помощью АЯ преобразуется сначала в энергию электрических колебаний, а затем с помощью резисторов R в тепловую энергию, которая рассеивается в окружающую среду, уже в виде тепла, а не акустических колебаний, как в известных аналогичных устройствах, включая прототип. Таким путем удается значительно уменьшить энергию гидроакустического поля рассеяния контейнером гидроакустических колебаний (так называемый уровень вторичного поля контейнера), вызывающих инструментальную погрешность гидроакустического преобразователя и средства измерений уровня давления.

Гидроакустический преобразователь работает следующим образом.

Энергия акустических волн, например, по лучу 13 (фиг. 1) попадает на гидрофон 1 от исследуемого излучателя шума 6. На этот же гидрофон 1 попадает энергия, отраженная от контейнера 3 (например, по лучу 14), вносящая погрешности в результаты измерений уровня гидроакустического давления.

На гидрофон 1 может также попадать энергия последовательно переотраженная от контейнера 3 и поверхности 7 водоема, а также от контейнера 3 и дна 8 водоема и т.д. (на чертеже эти лучи не обозначены).

Для уменьшения вредного влияния этих переотражений поверхность контейнера 3 согласно изобретения покрыта одним или несколькими слоями АЯ 12, выполненных по эквивалентным электрическим схемам на фиг. 3-8 и подключенных к поглощающим резисторам R.

При этом рабочая поверхность контейнера 3 находясь в акустическом поле, воспринимает акустическое давление P. В результате акустоэлектрического преобразования на выходе АЯ 12, покрывающих контейнер 3, возникает электрическое напряжение E = P_n, где _n - коэффициент преобразования АЯ 12 гидроакустического давления в электрическое напряжение. При этом через резистор R (фиг. 3) под действием напряжения E на выходе АЯ 12 начинает течь электрический ток I = E/R, который, протекая через обратимый преобразователь, каким является преобразователь АЯ, заставляет его колебаться так, что его колебание препятствует колебаниям преобразователя, появляющихся от воздействия гидроакустического поля с уровнем давления P [4, гл.2, 4].

Это в свою очередь изменяет акустическое сопротивление преобразователя, таким образом, что происходит частичное поглощение акустической энергии, уменьшающее уровень рассеяния гидроакустической волны АЯ.

В свою очередь ток I, протекающий под действием напряжения E на выходе АЯ через резистор R, нагревает последний до температуры t⁰. Это тепло, полученное за счет механической энергии гидроакустического поля, рассеивается в окружающую среду, также уменьшая при этом уровень рассеянных АЯ акустических волн.

В связи с этим электрический сигнал на выходе гидрофона 1 не будет содержать (или будет содержать значительно уменьшенную) погрешность, вызванную рассеянием акустической энергии контейнером 3.

Выходной сигнал с гидрофона 1 через кабель-трос 2 поступает на блок 4 с электронной аппаратурой для предварительной обработки сигнала, а затем по кабелю 5 на блоки окончательной обработки и регистрации сигнала (на чертеже не показаны).

Варианты выполнения гидроакустического преобразователя, представленные на фиг. 3-8, работают аналогичным образом.

При этом величина активного резистора R задается соотношением (1) для более эффективного перекрытия всего рабочего диапазона измеряемого акустического сигнала (f₁...f₂), где f₁, f₂ - нижняя и верхняя границы измеряемого сигнала соответственно.

Если в качестве АЯ используются ячейки с частотой f_рм механического резонанса (фиг. 5, 6), то должно выполняться уравнение (2) для уменьшения влияния неравномерности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) ячейки на результаты работы гидроакустического преобразователя.

При использовании в качестве АЯ ячейки с емкостным выходным сопротивлением, выполненной, например, из пьезоэлектрической керамики или пьезоэлектрического полимера преимущественно поливинилденфигорида величина активного сопротивления резистора должна удовлетворять уравнению (3) для более эффективной работы АЯ [4, гл. 4].

Если в гидроакустическом преобразователе используются АЯ, имеющие индуктивное выходное сопротивление (фиг. 4), например, магнитострикционного, электромагнитного или магнитоэлектрического типов, то величина R должна удовлетворять уравнению (4), исходя из эффективной работы преобразователя [4, гл. 5].

Для еще большего уменьшения погрешности измерений за счет переотражений энергий гидроакустического поля от поверхности контейнера к выходу каждой АЯ подключен внешний электрический элемент 15 (фиг.7, 8) настройки ячейки в резонанс, в качестве которого, например, преобразователь, имеющий характер выходного сопротивления, противоположный характеру выходного сопротивления АЯ.

Так в качестве подстроечной катушки самоиндукции применен преобразователь, имеющий индуктивное выходное сопротивление, а в качестве подстроечного конденсатора может быть применен преобразователь, имеющий емкостное выходное сопротивление. При этом выходное напряжение основного и настроечного преобразователей должны быть в противофазе. Величины подключаемых катушки самоиндукции L_p и конденсатора C_p выбираются из условия настройки АЯ на резонанс [5]

L_pi = (4²f²_iC_pi)^-1, (5)

C_pi = (4²f²_iL_pi)^-1, (6)

где i = 1, 2, 3,... - номера различных АЯ.

А величина сопротивления поглощающего резистора R_ni ячейки выбирается из условия максимального поглощения электрической энергии [4, 5]



Таким образом, каждая АЯ настраивается на свою резонансную частоту.

При этом частота настройки АЯ f_i, выбирается таким образом, чтобы полосы пропускания частот полученных контуров перекрывали рабочий диапазон измерений с допустимой неравномерностью АЧХ поглощения от f₁ до f₂.

Причем за нижнюю частоту f₁ измеряемого диапазона принимают величину (f₁ = 6000/l, где l [м] - максимальный габаритный размер контейнера.

Если одного слоя АЯ на контейнере будет не хватать для достаточно эффективного гашения энергии переотраженного гидроакустического поля, на контейнер дополнительно наносят несколько слоев аналогичных АЯ.

Таким образом, применение АЯ в гидроакустическом преобразователе позволяет уменьшить, а в пределе устранить рассеивание гидроакустических волн от внешней поверхности контейнера с электронной аппаратурой преобразователя во всем измеряемом диапазоне частот и тем самым повысить точность измерений параметров исследуемого гидроакустического поля.

Источники информации

1. Патент Франции N 2209267, кл. H 04 R 1/44, 1974.

2. Патент США N 4364117, кл. 367-152 (H 04 R 17/00), 1982.

3. Патент Японии N 1-20394, кл. G 01 S 7/52, H 04 R 10/44, 1983 - прототип.

4. Г. М. Свердлин. Гидроакустические преобразователи и антенны. Л.: Судостроение, 1988.

5. В. М.Яворский, А.А.Детлаф. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов. Издание третье. М.: Наука, 1965, с. 445-452.