ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ БУКСИРУЕМАЯ АНТЕННА ДЛЯ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ РАБОТ Российский патент 2015 года по МПК G01S15/02 

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, включая морскую сейсморазведку полезных ископаемых.

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 ( авт. свид. СССР №1840453 A1, МПК G01S 7/52, 2007 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 пьезоэлементы, 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).

Недостатками этого устройства являются 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.

Известна 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 пьезоэлементы, 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.

Наиболее близкой 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, 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 (Заявка на изобретение №2012143983/28 от 16.10.2012 г., МПК G01S 7/52, по которой принято решение о выдаче патента от 08.11.2013 г.).

Недостатком прототипа является достаточно большой диаметр антенны, низкая помехозащищенность из-за малой протяженности приемного элемента и высокий уровень структурных помех.

Техническим результатом изобретения является снижение диаметра антенны, повышение помехозащищенности от гидродинамических помех на низких частотах за счет увеличения протяженности приемного элемента, а также снижение структурных помех, возникающих при изгибах и продольных деформациях антенны при буксировке, за счет малого шага навива пьезопленочных элементов и их ориентировки под большим углом к оси антенны.

Технический результат достигается за счет того, что в гидроакустической буксируемой антенне для геофизических работ, содержащей внешнюю эластичную кабельную оболочку, в которую вмонтирован выполненный в виде сетчатой оплетки армирующий силовой элемент, размещенный внутри оболочки набор приемников, каждый из которых состоит 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 линии связи и линии питания, причем к входам дифференциальных усилителей противофазно подключены чувствительные пьезоэлементы, а к выходам - аналого-цифровые преобразователи, выходы которых подключены к цифровой линии связи, линия питания и линия связи объединены в единую кабельную сборку, дополненную корделями в виде эластичных полимерных жил до придания сборке круглой формы, пленочные пьезоэлементы выполнены в виде двух лент с противоположной ориентацией поляризации, навитых под углом на поверхность кабельной сборки, при этом кабельная сборка закреплена с противоположных сторон на опорных шайбах с продольными вырезами, в которых пропущены дополнительные силовые элементы в виде сверхпрочных шнуров, а все внутреннее пространство под кабельной оболочкой заполнено вязким липким материалом, например, полиизобутиленом.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлен продольный разрез отрезка антенны и приемников и поперечный разрез по А-А.

Гидроакустическая буксируемая антенна для геофизических работ содержит внешнюю эластичную кабельную оболочку 1, в которую вмонтирован выполненный в виде сетчатой оплетки армирующий силовой элемент 2, размещенный внутри оболочки набор приемников, каждый из которых состоит из двух одинаковых чувствительных пьезоэлементов 3 и 4, выполненных из электрически поляризованной пьезоэлектрической пленки с нанесенными на ее поверхности прочно сцепленными с ней электродами, герметичных корпусов 5 с вмонтированными в них электронными платами с дифференциальными усилителями и аналого-цифровыми преобразователями 6, цифровой линии связи 7 и линии питания 8, причем к входам дифференциальных усилителей противофазно подключены чувствительные пьезоэлементы 3 и 4, а к выходам - аналого-цифровые преобразователи, выходы которых подключены к цифровой линии связи 7, причем линия питания 8 и линия связи 7 объединены в единую кабельную сборку 9, дополненную корделями 10 в виде эластичных полимерных жил до придания сборке круглой формы, пленочные пьезоэлементы 3 и 4 выполнены в виде двух лент с противоположной ориентацией поляризации, навитых под углом на поверхность кабельной сборки 9, при этом кабельная сборка 9 закреплена с противоположных сторон на опорных шайбах 11 с продольными вырезами, в которых пропущены дополнительные - силовые элементы 12 в виде сверхпрочных шнуров, а все внутреннее пространство под кабельной оболочкой 1 заполнено вязким липким материалом 13, например, полиизобутиленом.

Устройство работает следующим образом.

При расположении антенны в воде на нее падают акустические волны, создавая за счет пьезоэффекта в чувствительных пьезоэлементах 3 и 4, выполненных из электрически поляризованной пьезопленки в виде двух лент с противоположной ориентацией поляризации, навитых под углом на цилиндрическую поверхность кабельной сборки 9, закрепленной с противоположных сторон на опорных шайбах 11 с продольными вырезами, в которые пропущены дополнительные силовые элементы 12 в виде сверхпрочных шнуров, а все внутреннее пространство под кабельной оболочкой и под чувствительными элементами 3 и 4 заполнено вязким липким материалом 13, например, полиизобутиленом, который поглощает структурные помехи (колебания - дрожание буксируемой антенны в потоке).

На пьезопленочных чувствительных элементах 3 и 4 появляются сигналы, пропорциональные амплитуде колебаний в этой волне, при этом сигналы с каждого из двух пьезопленочных чувствительных элементов 3 и 4 противофазны вследствие их противоположной поляризации, следовательно, на выходе дифференциальных усилителей печатной платы 6, регистрирующих разность сигналов, сигналы складываются, так как имеют противоположные знаки, сигналы же электромагнитных помех, попадающие на входы дифференциальных усилителей - синфазны (одинаковы по знаку) и они вычитаются. С выходов дифференциальных усилителей сигналы подаются на входы аналогово-цифровых преобразователей, оцифровываются и передаются в цифровом виде по цифровой линии связи 7 к бортовой аппаратуре обработки. Силовой элемент 2 из эластичных нитей типа «кевлар» в виде сетчатой оплетки, вмонтированной в эластичную внешнюю кабельную оболочку 1, обеспечивает прочность и герметичность эластичной внешней кабельной оболочки 1 при силовых воздействиях на антенну во время буксировки, цифровая линия связи 7 и линия питания 8, например, в виде коаксиальных кабелей или витых пар, протянуты между приемниками, составляя вместе с корделями 10 и слоем вязкого липкого материала 13, например, полиизобутилена, заполняющего пространство под навитыми пьезопленочными элементами, охватываемых внешней эластичной кабельной оболочкой. Линия питания 8 обеспечивает питание плат с дифференциальными усилителями и аналого-цифровыми преобразователями, которые соответственно, усиливают принятые гидроакустические сигналы, преобразуют их в цифровые сигналы и передают их по цифровой линии связи к аппаратуре обработки информации.

Таким образом, за счет использования тонких ленточных пьезоэлементов, навитых на кабельную сборку, обеспечено снижение диаметра антенны, повышена помехозащищенность от гидродинамических помех на низких частотах за счет возможности навивки чувствительных элементов большой протяженности, а также снижение структурных помех, возникающих при изгибах и продольных деформациях антенны при буксировке, за счет малого шага навива пьезопленочных элементов и их ориентировки под большим углом к оси антенны.

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. Техническим результатом изобретения является снижение диаметра антенны, повышение помехозащищенности от гидродинамических помех на низких частотах, а также снижение структурных помех, возникающих при изгибах и продольных деформациях антенны при буксировке. Технический результат достигается за счет того, что в гидроакустической буксируемой антенне для геофизических работ, содержащей внешнюю эластичную кабельную оболочку, в которую вмонтирован выполненный в виде сетчатой оплетки армирующий силовой элемент, размещенный внутри оболочки набор приемников, каждый из которых состоит 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 линии связи и линии питания, причем к входам дифференциальных усилителей противофазно подключены чувствительные пьезоэлементы, а к выходам - аналого-цифровые преобразователи, выходы которых подключены к цифровой линии связи, линия питания и линия связи объединены в единую кабельную сборку, дополненную корделями в виде эластичных полимерных жил до придания сборке круглой формы, пленочные пьезоэлементы выполнены в виде двух лент с противоположной ориентацией поляризации, навитых под углом на поверхность кабельной сборки, при этом кабельная сборка закреплена с противоположных сторон на опорных шайбах с продольными вырезами, в которых пропущены дополнительные силовые элементы в виде сверхпрочных шнуров, а все внутреннее пространство под кабельной оболочкой заполнено вязким липким материалом, например, полиизобутиленом. 1 ил.

Гидроакустическая буксируемая антенна для геофизических работ, содержащая внешнюю эластичную кабельную оболочку, в которую вмонтирован выполненный в виде сетчатой оплетки армирующий силовой элемент, размещенный внутри оболочки набор приемников, каждый из которых состоит 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 линии связи и линии питания, причем к входам дифференциальных усилителей противофазно подключены чувствительные пьзоэлементы, а к выходам - аналого-цифровые преобразователи, выходы которых подключены к цифровой линии связи, отличающаяся тем, что линия питания и линия связи объединены в единую кабельную сборку, дополненную корделями в виде эластичных полимерных жил до придания сборке круглой формы, пленочные пьезоэлементы выполнены в виде двух лент с противоположной ориентацией поляризации, навитых под углом на поверхность кабельной сборки, при этом кабельная сборка закреплена с противоположных сторон на опорных шайбах с продольными вырезами, в которых пропущены дополнительные силовые элементы в виде сверхпрочных шнуров, а все внутреннее пространство под кабельной оболочкой заполнено вязким липким материалом, например, полиизобутиленом.