ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ БУКСИРУЕМАЯ АНТЕННА ДЛЯ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ РАБОТ Российский патент 2014 года по МПК G01S7/52 

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в морях, океанах, пресноводных водоемах в качестве геофизической косы для проведения исследований в обеспечении инженерно-геофизических работ на морском дне.

Известно устройство гидроакустической буксируемой антенны, содержащее наружную герметичную оболочку из поливинилхлорида, внутри которой расположен силовой элемент в виде якоря-фала с концевым телом, датчики курса и глубины, антенные модули в виде расположенных вдоль оси гидрофонов из пьезокерамики, соединенные с блоком фильтрации и усиления, блоки частотного или временного уплотнения и линию связи (Ю.А.Корякин и др. ФГУП «ЦНИИ» Морфизприбор», Корабельная гидроакустическая техника, изд-во «Наука», Санкт-Петербург, 2004 г., стр.191-193).

Недостатками известного устройства являются неудобства при операциях постановки и выборки антенны из-за большого диаметра и веса, нестойкость к ударным нагрузкам из-за хрупкости пьезокерамики, а также необходимость использования большого количества каналов передачи информации.

Известно устройство гидроакустической буксируемой антенны, в которой сокращено количество каналов передачи информации за счет того, что она содержит ряд объединенных в одном шланге линейных эквидистантных субантенн, в каждую из которых входят гидроакустические преобразователи, фазовые центры которых размещены на расстоянии, равном половине длины волны верхней частоты диапазона субантенны, предварительные усилители и линии передачи информации к бортовой аппаратуре, при этом каждый преобразователь, усилитель и линия передачи соединены последовательно, образуя приемный канал, а каждая субантенна поделена на определенное число эквидистантных групп с определенным числом приемных каналов в группе (патент РФ №1840453 А1, МПК G01S7/52, 2006 г.)

Недостатками этого устройства являются неудобства при операциях постановки и выборки антенны из-за большого диаметра и веса, нестойкость к ударным нагрузкам из-за хрупкости пьезокерамики.

Известна гидроакустическая буксируемая антенна для геофизических работ, содержащая пьезоэлектрические приемники, состоящие из двух одинаковых чувствительных пьезоэлементов, герметичных корпусов с вмонтированными в них электронными платами с дифференциальными усилителями, к входам которых противофазно подключены чувствительные пьзоэлементы, а к выходу - аналого-цифровые преобразователи, выходы которых подключены к цифровой линии связи, линию питания и силовой трос из прочных эластичных нитей (Цифровая кабельная антенна, Сборник трудов ИПФ РАН, Нижний Новгород, Изд-во ИПФ РАН, 2002 г., стр.50-57).

Недостатком этого устройства является высокая средняя плотность гидроакустического приемника, выполненного из пьезокерамики, и, как следствие, отрицательная плавучесть, т.е. невозможность достижения на ее основе малого диаметра антенны из таких приемников, и небольшая глубоководность из-за недостаточной прочности пьезокерамики.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) к предлагаемому устройству является гидроакустическая буксируемая антенна для геофизических работ, содержащая внешнюю эластичную кабельную оболочку с размещенными внутри нее приемниками, состоящими из двух одинаковых чувствительных пьезоэлементов, выполненных из электрически поляризованной пьезоэлектрической пленки с нанесенными на ее поверхности и прочно сцепленными с ней электродами, герметичных корпусов с вмонтированными в них электронными платами с дифференциальными усилителями и аналого-цифровыми преобразователями, цифровой линией связи и линией питания, причем к входам дифференциальных усилителей противофазно подключены чувствительные пьзоэлементы, а к выходам - аналого-цифровые преобразователи, выходы которых подключены к цифровой линии связи, а также силовой элемент из прочных эластичных нитей, при этом герметичные корпуса выполнены в виде тонкостенных цилиндров из прочного пластика, к внутренней поверхности которых прикреплены соответственно чувствительные пленочные пьезоэлементы сторонами с противоположными знаками полюсов электрической поляризации, причем направление вытяжки пленки направлено по окружности, а торцы герметичных корпусов закрыты крышками, при этом крышки имеют цилиндрические поверхности, которые находятся в контакте с внутренними поверхностями корпусов, пленочные пьезоэлементы выполнены в виде двух колец, прикрепленных к внутренней поверхности корпусов со стороны соответствующих крышек противоположными полюсами поляризации, а силовой элемент выполнен в виде троса из эластичных нитей и пропущен по оси корпусов через герметично закрепленные в крышках корпусов трубки (патент России №2458359, МПК G01S 7/52, G01V 1/38, приоритет 06.07.2011 г.).

Недостатками данного устройства являются низкая чувствительность из-за торможения торцов цилиндрических оболочек корпусов приемников крышками при его колебаниях и сильная зависимость чувствительности от глубины погружения из-за увеличения силы прижатия крышек при увеличении давления, а также большой диаметр из-за центрального расположения силового элемента.

Техническим результатом изобретения является увеличение чувствительности и уменьшение ее зависимости от глубины погружения, а также снижение диаметра антенны.

Технический результат достигается за счет того, что в гидроакустической буксируемой антенне для геофизических работ, содержащей внешнюю эластичную кабельную оболочку с размещенными внутри нее приемниками, состоящими из двух одинаковых чувствительных пьезоэлементов, выполненных из электрически поляризованной пьезоэлектрической пленки с нанесенными на ее поверхности и прочно сцепленными с ней электродами, герметичные корпуса с вмонтированными в них электронными платами с дифференциальными усилителями и аналого-цифровыми преобразователями, цифровой линией связи и линией питания, причем к входам дифференциальных усилителей противофазно подключены чувствительные пьзоэлементы, а к выходам - аналого-цифровые преобразователи, выходы которых подключены к цифровой линии связи, а также силовой элемент из прочных эластичных нитей, при этом герметичные корпуса выполнены в виде тонкостенных цилиндров из прочного пластика, к внутренней поверхности которых прикреплены соответственно чувствительные пленочные пьезоэлементы сторонами с противоположными знаками полюсов электрической поляризации, причем направление вытяжки пленки направлено по окружности, а торцы цилиндрических корпусов закрыты крышками, на внешних поверхностях крышек выполнены кольцевые канавки, в которых установлены уплотнительные кольца, между крышками внутри герметичных корпусов установлены опорные жесткие элементы, пленочные пьезоэлементы выполнены в виде двух полуцилиндрических оболочек, прикрепленных с зазором к внутренней поверхности корпусов противоположными полюсами поляризации по всей их длине, а силовой элемент выполнен в виде сетчатой оплетки, вмонтированной в качестве армирующего элемента в эластичную внешнюю кабельную оболочку.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на Фиг.1 представлен продольный разрез отрезка антенны и приемников, а на Фиг.2 представлен поперечный разрез приемника по А-А.

Гидроакустическая буксируемая антенна для геофизических работ содержит внешнюю эластичную кабельную оболочку 1 с размещенными внутри нее приемниками, состоящими из двух одинаковых чувствительных пьезоэлементов 2 и 3, выполненных из электрически поляризованной пьезоэлектрической пленки с нанесенными на ее поверхности и прочно сцепленными с ней электродами, герметичных корпусов 4 с вмонтированными в них электронными платами с дифференциальными усилителями 5 и аналого-цифровыми преобразователями 6, причем к входам дифференциальных усилителей 5 противофазно подключены чувствительные пьзоэлементы 2 и 3, а к выходам - аналого-цифровые преобразователи 6, выходы которых подключены через герметичные контакты 7 к жгуту линий связи и питания 8, при этом герметичные корпуса 4 выполнены в виде тонкостенных цилиндров из прочного пластика, к внутренней поверхности которых прикреплены соответственно чувствительные пленочные пьезоэлементы 2 и 3 сторонами с противоположными знаками полюсов электрической поляризации, причем направление вытяжки пленки направлено по окружности, а торцы корпусов 4 закрыты крышками 9, на внешних поверхностях которых выполнены кольцевые канавки, в которых установлены уплотнительные резиновые кольца 10, между крышками 9 внутри корпусов 4 установлены опорные жесткие элементы 11, например, в виде штырей, пленочные пьезоэлементы 2 и 3 выполнены в виде двух полуцилиндрических оболочек, прикрепленных с зазором к внутренней поверхности корпусов 4 противоположными полюсами поляризации по всей их длине, а снаружи корпуса 4 с крышками 9 покрыты герметизирующим слоем 12, например, из полиуретана, силовой элемент из прочных эластичных нитей выполнен в виде сетчатой оплетки 13, вмонтированной в качестве армирующего элемента в эластичную внешнюю кабельную оболочку 1, при этом незаполненное элементами антенны внутреннее пространство кабельной оболочки 1 заполнено герметизирующим электроизоляционным вязким материалом 14, например резиновой смесью на основе каучука.

Устройство работает следующим образом.

При расположении антенны в воде на поверхности цилиндрических приемников падают акустические волны, создавая за счет пьезоэффекта в чувствительных пьезоэлементах 2 и 3, выполненных из электрически поляризованной пьезопленки, приклеенных к внутренней цилиндрической поверхности корпусов 3 сторонами с разными полюсами поляризации, электрический сигнал, пропорциональный деформации цилиндрического корпуса и, соответственно, приклеенной к нему пьезопленки. При этом сигналы с каждого из двух пьезопленочных чувствительных элементов 2 и 3 противофазны и, следовательно, в дифференциальных усилителях 5, регистрирующих разность сигналов, складываются, так как имеют противоположные знаки, сигналы же электромагнитных помех, попадающие на входы дифференциальных усилителей 5, синфазны (одинаковы по знаку), и они вычитаются. С выходов дифференциальных усилителей 5 сигналы подаются на входы аналого-цифровых преобразователей 6, оцифровываются и передаются в цифровом виде по линии связи 8 к бортовой аппаратуре обработки. Силовой элемент 13 из эластичных нитей типа «кевлар» в виде сетчатой оплетки, вмонтированной в качестве армирующего элемента в эластичную внешнюю кабельную оболочку 1, обеспечивает прочность и герметичность эластичной внешней кабельной оболочки 1 при силовых воздействиях на антенну при буксировке, жгут линии связи и питания 8, например, в виде витых пар или коаксиальных кабелей протянут между приемниками и подключен через герметичные контакты 7 к соответствующим платам дифференциальных усилителей 5 и аналого-цифровых преобразователей 6, обеспечивая питание электронных устройств, усиление принятых гидроакустических сигналов, преобразование их в цифровые сигналы и передачу по линии связи к аппаратуре обработки информации. Пустоты цилиндрических участков между приемниками внутри эластичной внешней кабельной оболочки 1 заполнены вязкой и липкой резиновой смесью 14 на основе каучука, которая обеспечивает продольную герметизацию антенны и позволяет сохранить цилиндрической форму, сохраняя один и тот же диаметр по всей длине антенны перед нанесением методом экструзии эластичной внешней кабельной оболочки 1, например, из эластолана с встроенным в нее силовым элементом 13. Это позволяет изготовить антенну малого диаметра без выступающих частей. За счет меньшей плотности эластичных пьезоматериалов антенна легче и может иметь при сохранении нейтральной плавучести в несколько раз меньший диаметр, чем антенны на основе пьезокерамики, занимая при той же длине в несколько раз меньший объем, а следовательно, имея меньший диаметр. Использование пьезопленки, наклеиваемой на внутреннюю поверхность цилиндрического корпуса из прочного легкого полимерного материала, например капролона, позволяет достигать большей глубоководности не только при сохранении чувствительности, но и за счет трансформации механических напряжений в оболочке корпуса и, следовательно, в пьезопленке, увеличения ее в число раз, равное отношению радиуса к толщине цилиндрической оболочки корпуса при близких модулях Юнга материалов пьезопленки и корпуса. Выполнение приемных пьезопленочных элементов в виде полуцилиндров и длиной, близкой к длине корпуса, позволяет расположить (разместить) электронные платы вблизи диаметра и увеличить свободный объем внутри корпуса для соединительных проводов, кабелей и опорных жестких элементов, а силовой элемент совместить с эластичной наружной кабельной оболочкой, что уменьшает и диаметр D антенны при том же сечении прочных нитей на величину AD=d(l - d/D), где d - диаметр троса из нитей при расположении в центре (на оси) корпуса. Опорные жесткие элементы 11 между крышками 9 и уплотнительные резиновые кольца 10 уменьшают влияние глубины погружения на чувствительность, так как крышки не зажимают торцов корпуса 4 и не затормаживают оболочку корпуса с увеличением давления на них с увеличением глубины.

При использовании более тонких антенн требуется меньшая сила для их буксировки, а следовательно, достаточны маломерные суда для работы с ними, что составляет большую экономию средств на соответствующие дорогостоящие геофизические работы.

Использование: изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в морях, океанах, пресноводных водоемах в качестве геофизической косы для проведения исследований в обеспечении инженерно-геофизических работ на морском дне. Сущность: гидроакустическая буксируемая антенна для геофизических работ содержит внешнюю эластичную кабельную оболочку с размещенными внутри нее приемниками, состоящими из двух одинаковых чувствительных пьезоэлементов, выполненных из электрически поляризованной пьезоэлектрической пленки с нанесенными на ее поверхности и прочно сцепленными с ней электродами, герметичные корпуса с вмонтированными в них электронными платами с дифференциальными усилителями и аналого-цифровыми преобразователями, цифровую линию связи и линию питания. К входам дифференциальных усилителей противофазно подключены чувствительные пьзоэлементы, а к выходам - аналого-цифровые преобразователи, выходы которых подключены к цифровой линии связи. Герметичные корпуса выполнены в виде тонкостенных цилиндров из прочного пластика, к внутренней поверхности которых прикреплены соответственно чувствительные пленочные пьезоэлементы сторонами с противоположными знаками полюсов электрической поляризации, причем направление вытяжки пленки направлено по окружности, а торцы цилиндрических корпусов закрыты крышками, на внешних поверхностях крышек выполнены кольцевые канавки, в которых установлены уплотнительные кольца, между крышками внутри герметичных корпусов установлены опорные жесткие элементы. Пленочные пьезоэлементы выполнены в виде двух полуцилиндрических оболочек, прикрепленных с зазором к внутренней поверхности корпусов противоположными полюсами поляризации по всей их длине, а силовой элемент выполнен в виде сетчатой оплетки, вмонтированной в качестве армирующего элемента в эластичную внешнюю кабельную оболочку. Технический результат: увеличение чувствительности и уменьшение ее зависимости от глубины погружения, а также снижение диаметра антенны. 2 ил.

Гидроакустическая буксируемая антенна для геофизических работ, содержащая внешнюю эластичную кабельную оболочку с размещенными внутри нее приемниками, состоящими из двух одинаковых чувствительных пьезоэлементов, выполненных из электрически поляризованной пьезоэлектрической пленки с нанесенными на ее поверхности и прочно сцепленными с ней электродами, герметичных корпусов с вмонтированными в них электронными платами с дифференциальными усилителями и аналого-цифровыми преобразователями, цифровой линией связи и линией питания, причем к входам дифференциальных усилителей противофазно подключены чувствительные пьзоэлементы, а к выходам - аналого-цифровые преобразователи, выходы которых подключены к цифровой линии связи, а также силовой элемент из прочных эластичных нитей, при этом герметичные корпуса выполнены в виде тонкостенных цилиндров из прочного пластика, к внутренней поверхности которых прикреплены соответственно чувствительные пленочные пьезоэлементы сторонами с противоположными знаками полюсов электрической поляризации, причем направление вытяжки пленки направлено по окружности, а торцы герметичных корпусов закрыты крышками, отличающаяся тем, что на внешних поверхностях крышек выполнены кольцевые канавки, в которых установлены уплотнительные кольца, между крышками внутри герметичных корпусов установлены опорные жесткие элементы, пленочные пьезоэлементы выполнены в виде двух полуцилиндрических оболочек, прикрепленных с зазором к внутренней поверхности корпусов противоположными полюсами поляризации по всей их длине, а силовой элемент выполнен в виде сетчатой оплетки, вмонтированной в качестве армирующего элемента в эластичную внешнюю кабельную оболочку.