гидроакустическая антенна
Классы МПК: | H04R1/44 специальные приспособления для использования под водой, например для гидрофонов H04R29/00 Контрольные устройства; испытательные устройства G01S15/00 Системы с использованием отражения или вторичного излучения акустических волн, например системы гидроакустических станций |
Автор(ы): | Некрасов В.Н., Савостин Ю.М. |
Патентообладатель(и): | Государственное предприятие "Всероссийский научно- исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений" |
Приоритеты: |
подача заявки:
2000-07-21 публикация патента:
20.03.2003 |
Изобретение относится к области гидроакустики. Предложена гидроакустическая антенна, содержащая многожильный кабель с подключенными N пьезопреобразователями, выходы которых подключены к N предварительным усилителям, а также генератор тестового сигнала, подключенный к входам N пьезопреобразователей гидроакустической антенны. Антенна дополнительно содержит N электрических эквивалентов, каждый из которых выполнен в виде неполяризованного элемента пьезопреобразователя, а каждый предварительный усилитель выполнен по схеме дифференциального усилителя, неинвертирующий вход которого подключен к пьезопреобразователю, а инвертирующий вход - к электрическому эквиваленту. Пьезопреобразователи, электрические эквиваленты и предварительные усилители объединены в съемные модули, а в многожильный кабель вмонтированы унифицированные посадочные места с возможностью подключения к ним съемных модулей. В результате упрощается процедура контроля, а также получается возможность настройки гидроакустической антенны на ее штатном месте. 1 ил.
Рисунок 1
Формула изобретения
Гидроакустическая антенна, содержащая многожильный кабель с подключенными N пьезопреобразователями, выходы которых подключены к N предварительным усилителям, а также генератор тестового сигнала, подключенный к входам N пьезопреобразователей гидроакустической антенны, отличающаяся тем, что дополнительно содержит N электрических эквивалентов, каждый из которых выполнен в виде неполяризованного элемента пьезопреобразователя, а каждый предварительный усилитель выполнен по схеме дифференциального усилителя, неинвертирующий вход которого подключен к пьезопреобразователю, а инвертирующий вход - к электрическому эквиваленту, при этом пьезопреобразователи, электрические эквиваленты и предварительные усилители объединены в съемные модули, а в многожильный кабель вмонтированы унифицированные посадочные места с возможностью подключения к ним съемных модулей.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для проверки работоспособности различных рабочих средств измерений, выполненных на базе пьезопреобразователей, расположенных на их штатном месте в натурных условиях, например гидроакустических антенн. Известна гидроакустическая антенна [1], у которой проверку работоспособности пьезопреобразователей проводят в лабораторных условиях после демонтажа антенны на штатном месте. Недостатком такой антенны является необходимость ее демонтажа для проверки работоспособности и последующего монтажа на штатное место после ее испытаний и настройки в лабораторных условиях. Известна гидроакустическая антенна, содержащая многожильный кабель и N пьезопреобразователей с N соответствующими предварительными усилителями, выходы которых подключены к соответствующим сигнальным жилам кабеля. Кроме этого, в состав антенны входит генератор тестового сигнала, подключенный к входам N пьезопреобразователей гидроакустической антенны [2]. Данная гидроакустическая антенна [2] принята за прототип заявленной антенны. Недостатком прототипа является невозможность контроля работоспособности гидроакустической антенны в натурных условиях при небольших значениях изменений чувствительности ее пьезопреобразователей и невозможность замены неработоспособных пьезопреобразователей на штатном месте антенны. Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является упрощение процедуры контроля, а также получение возможности настройки гидроакустической антенны на ее штатном месте. Данный технический результат достигается за счет того, что гидроакустическая антенна, содержащая многожильный кабель с подключенными N пьезопреобразователями, выходы которых подключены к N предварительным усилителям, а также генератор тестового сигнала, подключенный к входам N пьезопреобразователей гидроакустической антенны, дополнительно содержит N электрических эквивалентов, каждый из которых выполнен в виде неполяризованного элемента пьезопреобразователя, а каждый из предварительных усилителей выполнен по схеме дифференциального усилителя, неинвертирующий вход которого подключают к пьезопреобразователю, а инвертирующий вход - к электрическому эквиваленту, при этом электрические эквиваленты и предварительные усилители объединены в съемные модули, а в многожильный кабель вмонтированы унифицированные посадочные места с возможностью подключения к ним съемных модулей. Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена функциональная схема гидроакустической антенны. Гидроакустическая антенна включает в себя генератор тестового сигнала 1, пьезопреобразователь 2, электрический эквивалент 3 и дифференциальный предварительный усилитель 4. Гидроакустическая антенна содержит многожильный кабель 5 с N посадочными местами 61,..., 6N для подключения к антенне гидрофонов 71,..., 7N. Посадочные места имеют герморазъемы 81,..., 8N. Каждый гидрофон 7 включает в себя пьезопреобразователь 2, электрический эквивалент 3, дифференциальный предварительный усилитель 4 и герморазъем 9, являющийся ответным к герморазъему 8 посадочного места 6. Корпус каждого гидрофона 7 имеет присоединительные размеры, соответствующие присоединительным размерам посадочного места 6. Посадочные места 6 позволяют осуществлять механическое крепление гидрофонов 7 на многожильном кабеле 5, а герморазъемы 8 и 9 - передавать электрические сигналы из гидрофонов и в гидрофоны. Антенна на конце имеет фланец 10, через который подключается генератор тестового сигнала 1, обрабатывающая и регистрирующая аппаратура 11. Выходные сигналы дифференциальных предварительных усилителей через герморазъемы 8 и 9 подаются в многожильный кабель 5 и далее на аппаратуру 11. С другой стороны, тестовый сигнал с генератора 1 через многожильный кабель 5, герморазъемы 8 и 9 подается на пьезопреобразователи 2 и электрические эквиваленты 3. Возможность реализации способа контроля изменений чувствительности гидроакустического пьезопреобразователя в натурных условиях основана на том, что на частотах менее десятой части от частоты первого резонанса пьезопреобразователя его чувствительность прямо пропорциональна модулю произведения частоты на комплексный электрический импеданс (далее по тексту импеданс) пьезопреобразователя [3]. Обозначим![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/2201041-2t.gif)
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/2201041-3t.gif)
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/2201041-4t.gif)
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/2201041-5t.gif)
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/2201041-6t.gif)
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/2201041-7t.gif)
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/2201041-8t.gif)
Таким образом, чувствительность Е пьезопреобразователя
E~fz,
где f - частота. Заранее, в лабораторных условиях можно определить
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/2201041-9t.gif)
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/2201041-10t.gif)
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/966.gif)
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/2201041-11t.gif)
u(t) = u0sin(
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/969.gif)
где u0 и
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/969.gif)
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201020/960.gif)
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/2201041-12t.gif)
Отсюда получаем выражения для модуля и фазы комплексного коэффициента передачи
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/2201041-13t.gif)
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/2201041-14t.gif)
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/2201041-15t.gif)
Измерив k,
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/966.gif)
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/966.gif)
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/966.gif)
k2+ = k2--k2
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201021/177.gif)
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/966.gif)
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/966.gif)
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/2201041-16t.gif)
знак перед косинусом разности необходимо выбирать из условия, чтобы значение k+ было бы не отрицательным. Рассмотрим коэффициент передачи
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/2201041-17t.gif)
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/2201041-18t.gif)
Можно получить систему уравнений для определения z и
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201001/981.gif)
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/2201041-19t.gif)
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/2201041-20t.gif)
Решая полученную систему уравнений относительно z, получаем
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/2201041-21t.gif)
В рабочем частотном диапазоне пьезопреобразователя выполняется условие z0<
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201014/8776.gif)
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/2201041-22t.gif)
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/2201041-23t.gif)
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/2201041-24t.gif)
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/2201041-25t.gif)
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/2201041-26t.gif)
где j - мнимая единица, и, следовательно,
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/2201041-27t.gif)
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/2201041-28t.gif)
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/2201041-29t.gif)
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/2201041-30t.gif)
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/2201041-31t.gif)
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/2201041-32t.gif)
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201001/981.gif)
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201001/981.gif)
Тогда
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/2201041-33t.gif)
таким образом, изменение электрической емкости пьезопреобразователя 3 будет говорить об изменении его чувствительности. В этом случае
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/2201041-34t.gif)
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/2201041-35t.gif)
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/2201041-36t.gif)
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/2201041-37t.gif)
где
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/964.gif)
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/964.gif)
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/964.gif)
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/2201041-38t.gif)
При нормальных условиях
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/964.gif)
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/964.gif)
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/8800.gif)
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/969.gif)
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/964.gif)
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/8811.gif)
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/969.gif)
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/964.gif)
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/8811.gif)
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/969.gif)
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/964.gif)
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/969.gif)
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/964.gif)
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/964.gif)
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/964.gif)
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/964.gif)
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/2201041-39t.gif)
отметим, что d
![гидроакустическая антенна, патент № 2201041](/images/patents/269/2201041/964.gif)
1. Патент США 4420825, кл. 367-122 (G 01 S 3/80), 1983. 2. Патент ФРГ 3322765, кл. H 04 R 29/00, 1985 - прототип способа и устройства. 3. Павлов Л.Е., Сильвестров С.В. Измерение и контроль чувствительности пьезопреобразователей на низких частотах. - Измерительная техника, 1979, 11, с.68 и 69.
Класс H04R1/44 специальные приспособления для использования под водой, например для гидрофонов
Класс H04R29/00 Контрольные устройства; испытательные устройства
Класс G01S15/00 Системы с использованием отражения или вторичного излучения акустических волн, например системы гидроакустических станций