ИЗЛУЧАЮЩИЙ ТРАКТ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО ГИДРОЛОКАТОРА Российский патент 2016 года по МПК G01S3/80 

Изобретение относится к акустическим локационным системам, использующим параметрические излучающие системы, формирующие узконаправленные пучки низкочастотных акустических сигналов. Преимущественная область использования - гидроакустика, а также ультразвуковая дефектоскопия, медицина, рыболокация, геолокация.

В настоящее время для формирования узконаправленных пучков низкочастотных акустических сигналов широко используют так называемые параметрические излучатели, использующие эффект взаимодействия двух или более высокочастотных акустических сигналов в средах, обладающих нелинейностью своих упругих параметров [1-3]. При этом формирование низкочастотного акустического сигнала происходит в самой среде на всем пути распространения исходных высокочастотных акустических сигналов. Следует отметить, что практически все реальные среды характеризуются нелинейностью упругих характеристик и в них можно реализовать параметрические излучатели. Параметрические излучатели являются составными частями различных гидроакустических локационных систем, медицинских приборов, ультразвуковых дефектоскопов и других акустических систем. Наибольшее использование параметрические системы нашли в гидроакустике.

Известен параметрический гидролокатор ПГЛ-300 [2, с. 208-209], использующий параметрический излучающий тракт, содержащий два генератора высокочастотных сигналов, выходы которых подключены к двум входам сумматора, выход сумматора соединен с сигнальным входом нормально закрытого импульсного модулятора, управляющий вход которого соединен с выходом импульсного генератора. Выход импульсного модулятора через усилитель мощности соединен с акустической антенной, находящейся в акустическом контакте со средой лоцирования. Акустическая антенна может состоять из одной одночастотной пьезопластины или из нескольких пьезоэлементов, работающих на резонансной частоте. Первый высокочастотный генератор вырабатывает синусоидальный сигнал с частотой f₁, второй высокочастотный генератор вырабатывает сигнал с частотой f₂. В сумматоре происходит суммирование этих сигналов, и их сумма поступает на сигнальный вход импульсного нормально закрытого модулятора. Импульсный генератор вырабатывает периодически повторяющиеся видеоимпульсы, поступающие на управляющий вход модулятора и разрешающие прохождение через них суммы высокочастотных сигналов, которые затем поступают на вход усилителя мощности, а с его выхода на акустическую антенну, излучающую в среду лоцирования акустические сигналы с частотами f₁ и f₂. В среде лоцирования происходит взаимодействие этих сигналов и формирование низкочастотного сигнала с частотой F=|f₁-f₂|.

Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: два генератора высокочастотных сигналов, импульсный генератор, импульсный модулятор, усилитель мощности, акустическая антенна.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности локатора, обусловленные тем, что акустическая антенна должна быть широкополосной, так как она должна излучать акустический сигнал, содержащий две компоненты с частотами f₁ и f₂. Для расширения полосы пропускания антенны ее акустически демпфируют, что снижает ее эффективность в режиме излучения. Усилитель мощности усиливает сумму двух аналоговых гармонических сигналов с разными частотами. Уровень такого сигнала изменяется непрерывно в пределах от нуля до максимальной величины, что обуславливает необходимость работы усилителя в режиме «А» или «В» с неполным использованием напряжения питания, малым коэффициентом полезного действия и большой мощностью, рассеиваемой на активных элементах усилителя. Максимальный уровень сигнала, поступающего на акустическую антенну, равен удвоенной величине амплитуд высокочастотных сигналов и ограничивается механической прочностью используемой пьзокерамики и кавитационной прочностью среды лоцирования (воды). Поэтому мощность излучаемого в данном локаторе акустического сигнала в 4 раза меньше мощности, излучаемой антенной для одночастотного сигнала.

Известен также параметрический локатор [2, с. 209-210], использующий параметрический акустический излучатель, содержащий генератор высокочастотных сигналов и генератор низкочастотных сигналов, соединенные с входами амплитудного балансного модулятора, выход которого подключен к сигнальному входу импульсного модулятора, а его управляющий вход соединен с выходом импульсного генератора. Выход импульсного модулятора через усилитель мощности соединен с акустической антенной, находящейся в акустическом контакте со средой лоцирования. Генератор высокочастотных сигналов вырабатывает синусоидальный сигнал частотой f₀, поступающий на один из входов амплитудного модулятора, на второй вход которого с генератора низкочастотных сигналов поступает синусоидальный сигнал с частотой F<f₀. С выхода амплитудного модулятора амплитудно-модулированное напряжение частотой f₀ поступает на нормально закрытый импульсный модулятор, который периодически открывается видеоимпульсом, поступающим с выхода импульсного генератора. Импульсы высокочастотных амплитудно-модулированных колебаний поступают с выхода импульсного модулятора на вход усилителя мощности, а с его выхода на акустическую антенну, находящуюся в акустическом контакте со средой лоцирования. В среду лоцирования излучаются амплитудно-модулированные высокочастотные колебания, спектр которых содержит две гармонические составляющие с частотами f₀+F и f₀-F [4]. При распространении в воде такого сигнала происходит взаимодействие этих частотных составляющих и образование акустического низкочастотного сигнала с частотой 2F.

Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: высокочастотный генератор, импульсный генератор, импульсный модулятор, усилитель мощности, акустическая антенна.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности локатора, являющиеся такими же, как и у предыдущего локатора.

От части перечисленных недостатков свободны параметрические акустические локаторы [2 с. 209, 6], излучающие тракты которых содержат два генератора высокочастотных сигналов с частотами f₁, выходы которых подключены соответственно к входам первого и второго импульсных модуляторов, управляющие входы модуляторов соединены с выходом импульсного генератора. Выходы импульсных модуляторов через усилители мощности соединены с элементами двухчастотной акустической антенны, находящейся в акустическом контакте со средой лоцирования. Двухчастотная антенна представляет собой мозаику из пьезоэлементов с резонансными частотами f₁ и f₂, установленными на основании в общем корпусе [5, с. 189-190]. Первый высокочастотный генератор вырабатывает синусоидальный сигнал с частотой f₁, поступающий на вход первого импульсного нормально закрытого модулятора, второй высокочастотный генератор вырабатывает сигнал с частотой f₂, поступающий на вход второго импульсного нормально закрытого модулятора. Импульсный генератор вырабатывает периодически повторяющиеся видеоимпульсы, поступающие на управляющие входы модуляторов и разрешающие прохождение через них высокочастотных сигналов, которые затем поступают на входы двух усилителей мощности, а с их выходов на элементы акустической антенны, излучающей в среду лоцирования акустические сигналы с частотами f₁ и f₂. В среде лоцирования происходит взаимодействие этих сигналов и формирование низкочастотного сигнала с частотой F=|f₁-f₂|. В данном локаторе каждый из усилителей мощности усиливает гармонический сигнал только одной частоты, имеющий постоянную амплитуду. Поэтому они могут работать в режиме «В» с полным использованием напряжения питания или в режиме «D» с малыми мощностями рассеивания на активных элементах усилителей и с высоким коэффициентом полезного действия. Кроме того, пьезоэлементы двухчастотной акустической антенны работают на своих резонансных частотах с высоким значением электроакустического коэффициента полезного действия.

Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: высокочастотные генераторы, импульсный генератор, импульсные модуляторы, усилители мощности, акустическая антенна.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности локатора, обусловленные тем, что пьезоэлементы каждой высокой частоты занимают половину общей площади акустической антенны, энергия излучаемого в среду акустического сигнала распределяется на всю площадь антенны, в результате чего интенсивность акустического сигнала для каждой частоты уменьшается в два раза. Кроме того, отдельные пьзоэлементы разных частот в преобразователе расположены в непосредственной близости друг от друга, что приводит к значительному влиянию их друг на друга. В результате этого сопротивление пьзоэлементов, подключенных к выходам усилителей мощности, изменяется в широких пределах, и в отдельных случаях может принять отрицательное значение, что значительно понижает надежность работы усилителей и повышает требования к ним по отдаваемой пиковой мощности. Изготовление такой двухчастотной акустической антенны отличается большой трудоемкостью, так как она состоит из большого числа пьезоэлементов с разными частотами. Акустическая антенна имеет законченную конструкцию и в процессе эксплуатации ее параметры при необходимости не могут быть изменены.

Лоцирующие системы с аналогичными излучающими параметрическими трактами предложены также в патентах [7-14].

Наиболее близким к заявляемому изобретению является устройство формирования коротких акустических импульсов при параметрическом излучении и варианты устройства его реализации [10], содержащее два генератора высокочастотных сигналов, выход каждого из которых соединен с сигнальным входом соответствующего импульсного модулятора, управляющие входы модуляторов соединены с выходом импульсного генератора, выход каждого модулятора через усилитель мощности соединен с входом акустической антенны.

Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: высокочастотные генераторы, импульсный генератор, импульсные модуляторы, усилители мощности, акустическая антенна.

Ограниченные эксплуатационные возможности данного локатора обусловлены тем, что пьезоэлементы каждой высокой частоты занимают половину общей площади акустической антенны, а энергия излучаемого в среду акустического сигнала распределяется на всю площадь антенны, в результате чего интенсивность акустического сигнала для каждой частоты уменьшается в два раза. Кроме того, отдельные акустические элементы разных частот в преобразователе расположены в непосредственной близости друг от друга, что приводит к значительному влиянию их друг на друга. В результате этого сопротивление акустических элементов, подключенных к выходам усилителей мощности, изменяется в широких пределах, и в отдельных случаях может принимать отрицательное значение, что приводит к значительному снижению надежности работы усилителей и увеличению отдаваемой пиковой мощности. Изготовление такой двухчастотной акустической антенны отличается большой трудоемкостью, так как она состоит из большого числа акустических элементов с разными частотами. Акустическая антенна имеет законченную конструкцию, и в процессе эксплуатации ее параметры при необходимости не могут быть изменены.

Задачей изобретения является создание излучающего тракта параметрического гидролокатора с широкими эксплуатационными возможностями.

Технический результат изобретения заключается в устранении влияния элементов разных частот акустической антенны друг на друга, упрощении конструкции и уменьшении трудоемкости изготовления антенны, изменении ее конструкции таким образом, чтобы при необходимости обеспечивалась возможность варьирования характеристик локатора в требуемых пределах.

Технический результат достигается тем, что в излучающем тракте параметрического гидролокатора, содержащем генераторы высокочастотных сигналов, выход каждого из которых соединен с сигнальным входом соответствующего импульсного модулятора, управляющие входы модуляторов соединены с соответствующим выходом импульсного генератора, выход каждого модулятора через соответствующий усилитель мощности соединен с элементами одной из частот акустической антенны, элементы акустической антенны каждой частоты расположены на отдельном входе акустического волновода, входы волновода акустически не связаны между собой и акустически соединены с выходом волновода, находящимся в акустическом контакте со средой лоцирования, при этом число генераторов высокочастотных сигналов, соответствующих им импульсных модуляторов, усилителей мощности и элементов одной из частот акустической антенны равно или больше двух.

Излучающий тракт параметрического гидролокатора в одном из вариантов выполнения может содержать n генераторов высокочастотных сигналов, n соответствующих им импульсных модуляторов, n усилителей мощности, n элементов одной частоты акустической антенны и n входов акустического волновода, где n равно или более двух.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана структурная схема излучающего тракта параметрического гидролокатора, а на фиг. 2 - конструкция акустической антенны гидролокатора.

Излучающий тракт параметрического гидролокатора содержит 2 или n генераторов высокочастотных сигналов 1 (1-1, 1-2, … 1-n, где n равно или больше двух), выход каждого генератора высокочастотных сигналов 1 соединен с сигнальным входом соответствующего импульсного модулятора 2 (2-1, 2-2, … 2-n), управляющие входы всех импульсных модуляторов соединены с выходом импульсного генератора 3, а выходы импульсных модуляторов 2 через усилители мощности 4 (4-1, 4-2, … 4-n) соединены с элементами 5 акустической антенны 6 (элементы 5-1 - одной частоты, элементы 5-2 - другой частоты, … элементы 5-n - n-й частоты), элементы акустической антенны каждой частоты расположены на отдельном входе акустического волновода 7, входы волновода 7 акустически не связаны между собой и акустически соединены с выходом волновода, акустически связанным со средой лоцирования 8.

Каждый из генераторов высокочастотных сигналов 1 вырабатывает синусоидальный сигнал с частотой f₁, f₂, f₃…f_n (отдельные частоты f_i могут быть равны между собой), поступающий на сигнальные входы нормально закрытых импульсных модуляторов 2. На управляющие входы импульсных модуляторов 2 с выхода импульсного генератора 3 поступают периодически повторяющиеся видеоимпульсы, разрешающие прохождение высокочастотных сигналов через модуляторы. Период повторения и длительность видеоимпульсов определяются известными выражениями [16, с. 108-110]. Радиоимпульсы с выходов импульсных модуляторов 2 после усиления усилителями мощности 4 поступают на элементы 5 акустической антенны 6, излучающие в акустический волновод 7 акустические сигналы с частотами f₁-f_n. В акустическом волноводе 7 происходит суммирование этих акустических сигналов и их последующее излучение в среду лоцирования 8. Количество частот f_i сигналов, вырабатываемых генераторами 1, может быть равно двум или больше двух. Акустический волновод 7, как показано на фиг. 2, конструктивно имеет n акустически не связанных между собой входов, которые акустически соединены с выходом волновода. Таким образом, в нем выполняется суммирование акустических высокочастотных сигналов, излучаемых элементами 5 акустической антенны 6. В среду лоцирования 8 излучаются акустические высокочастотные сигналы нескольких частот, распространяющиеся одновременно в одних и тех же участках среды 8. Так как реальные среды (жидкости, газы, твердые тела) обладают нелинейностью своих упругих характеристик, то при распространении в них высокочастотных сигналов нескольких частот будет происходить их взаимодействие и образование низкочастотных сигналов с частотами F_k=|f_i-f_j|. Включая те или иные высокочастотные генераторы 1, можно получать различные значения частот F_k низкочастотных сигналов. Каждый из элементов 5 акустической антенны 6 работает на одной частоте. Заменяя их на элементы другой частоты, можно без каких-либо затруднений выполнять модернизацию всего излучающего тракта локатора. Конструктивно между элементами 5 разных частот отсутствует акустическая связь, что облегчает работу усилителей мощности 4, так как они работают на нагрузку с постоянным сопротивлением. Волновод 7 может быть выполнен из материала, акустически хорошо согласующегося со средой лоцирования 8. Такими материалами для среды лоцирования 8 - вода могут быть звукопрозрачные компаунды, например эластомер полиуретановый двухкомпонентный СПБ-ХП-80 (ТУ224-001-20507988-2003), либо форполимер СКУ-ПФЛ-100 с отвердителем, либо вулканизированная резина. Также волновод может быть выполнен в виде объема самой среды 8, ограниченного акустически жесткими или акустически мягкими стенками. Выполнив элементы волновода 7 с переменным сечением, можно получить увеличение интенсивности акустических высокочастотных сигналов или выполнить необходимое их согласование с элементами 5 акустической антенны 6 или со средой лоцирования 8 [15].

В прототипе акустическая антенна состоит из большого числа акустических элементов разной частоты, распределенных и закрепленных на основании и находящихся в общем корпусе. Поскольку число этих отдельных элементов для акустической антенны средних размеров может достигать нескольких сотен, а монтаж каждого из них требует выполнения операций по пайке и креплению к основанию на заданных местах, сборка такой акустической антенны характеризуется высокой трудоемкостью, а ее конструкция не подлежит дальнейшей модификации.

В предлагаемом изобретении для упрощения конструкции и снижения трудоемкости изготовления излучающего тракта параметрического гидролокатора акустическая антенна выполнена в виде набора отдельных элементов одной частоты, каждый из которых расположен на отдельном входе акустического волновода, выход которого непосредственно связан со средой лоцирования. При этом конструкция и монтаж этих элементов значительно упрощается, так как все элементы, расположенные рядом на каждом из входов волновода, имеют одну частоту. Поэтому их количество можно уменьшить. В пределе это может быть одна пьезопластина, работающая на своей резонансной частоте. Отсутствие взаимного влияния элементов разных частот, достигнутое применением акустического волновода, позволяет понизить требования к усилителям мощности и повысить надежность их работы.

При переходе на другие значения частот сигналов высокой частоты или акустического сигнала достаточно заменить только акустические элементы соответствующей частоты, что не связано с какими-либо затруднениями. Это значительно повышает эксплуатационные возможности заявляемого устройства.

В отличие от прототипа, где акустические элементы одной частоты занимают половину общей площади акустической антенны, а энергия акустического сигнала распределяется на всю ее площадь, что приводит к снижению интенсивности акустического сигнала каждой частоты в два раза, в заявляемом устройстве элементы одной частоты занимают всю площадь входа акустического волновода акустической антенны. В результате этого интенсивность высокочастотного сигнала для каждой исходной частоты увеличивается в два раза, а уровень акустического сигнала разностной частоты увеличивается в 2-4 раза при той же нагрузке на элементы акустической антенны. При взаимодействии более двух высокочастотных сигналов уровень сигналов разностной частоты возрастает еще больше. Это позволяет увеличить дальность лоцирования, или на тех же дистанциях обнаруживать объекты с меньшими размерами, что повышает эксплуатационные возможности заявляемого устройства.

Таким образом, в предлагаемом устройстве в результате введения новых блоков и связей: а именно - акустического волновода, расположенного между элементами акустической антенны и средой лоцирования достигается:

-устранение влияния элементов разных частот акустической антенны друг на друга;

-упрощение конструкции и снижение трудоемкости изготовления акустической антенны;

-облегчение режима работы усилителей мощности локатора;

-возможность формирования низкочастотного акустического сигнала в широкой полосе частот путем изменения параметров излучающего тракта параметрического гидролокатора.

Предлагаемое изобретение способствует созданию излучающего тракта параметрического гидролокатора с расширенными эксплуатационными возможностями и упрощенной конструкцией, при этом снижается трудоемкость его изготовления.

Источники информации

1. Зарембо Л.К., Красильников В.А. Введение в нелинейную акустику. М.: Наука, 1966. - 418 с.

2. Новиков Б.К., Тимошенко В.И. Параметрические антенны в гидролокации. - Л.: Судостроение, 1989. - 256 с.

3. Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика. Л.: Судостроение, 1981.-261 с.

4. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Сов. радио, 1986. - 512 с.

5. Воронин В.А., Кузнецов В.П., Мордвинов Б.Г., Тарасов С.П., Тимошенко В.И. Нелинейные и параметрические процессы в акустике океана. - Ростиздат. Ростов-на-Дону. 2007. - 448 с.

6. Патент US 4308599 «Параметрический двухчастотный гидролокатор», МПК G01S 15/02, G01S 15/10, G01S 15/87, опубликован 19.05.1980.

7. Патент US 5790474 «Активный гидролокатор для работы в подледных условиях», МПК G01S 15/06, G01S 15/10, G01S 7/539, G01S 15/87, опубликован 4.08.1989.

8. Патент US 3763463 «Локатор для обнаружения инородных включений», МПК А61 В8/08; G01S 15/04; G10K 11/00, опубликован 21.09.1972.

9. Патент DE 3113261 «Эхолот», МПК G01S 15/60, опубликован 21.10.1982.

10. Патент RU 2390797 «Способ формирования коротких акустических импульсов при параметрическом излучении и варианты устройства его реализации», МПК G01S 15/00, G01S 7/524, опубликован 27.05.2010.

11. Патент RU 2205420 «Параметрический акустический локатор», МПК G01S 13/32, G01S 15/02, G01N 29/04, опубликован 27.05.2003.

12. Патент RU 2133047 «Параметрический эхо-импульсный локатор», МПК G01S 15/60, опубликован 10.07.1999.

13. Патент RU 69646 «Параметрический эхо-импульсный локатор», МПК G01S 15/60, G01N 29/04, опубликован 27.12.2007.

14. Патент RU 2011205 «Параметрический эхолот», МПК G01S 15/00, опубликован 15.04.1994.

15. Исакович М.А. Общая акустика. М.: Наука, 1973. - 496 с.

16. Кобяков Ю.С., Кудрявцев Н.Н., Тимошенко В.И. Конструирование гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры. - Л.: Судостроение. 1986. - 272 с.

(57) Изобретение относится к акустическим локационным системам, использующим параметрические излучающие системы, формирующие узконаправленные пучки низкочастотных акустических сигналов. Преимущественная область использования - гидроакустика, а также ультразвуковая дефектоскопия, медицина, рыболокация, геолокация. Излучающий тракт параметрического гидролокатора содержит два или более генераторов высокочастотных сигналов, выход каждого из них соединен с сигнальным входом соответствующего импульсного модулятора, управляющие входы всех импульсных модуляторов соединены с выходом импульсного генератора, а выходы импульсных модуляторов через усилители мощности соединены с элементами акустической антенны, элементы акустической антенны каждой частоты расположены на отдельном входе акустического волновода, входы волновода акустически не связаны между собой и акустически соединены с выходом волновода, акустически связанным со средой лоцирования. 2 ил.

Излучающий тракт параметрического гидролокатора, содержащий генераторы высокочастотных сигналов, выход каждого из которых соединен с сигнальным входом соответствующего импульсного модулятора, управляющие входы модуляторов соединены с соответствующим выходом импульсного генератора, выход каждого модулятора через соответствующий усилитель мощности соединен с элементами одной из частот акустической антенны, отличающийся тем, что элементы акустической антенны каждой частоты расположены на отдельном входе акустического волновода, входы волновода акустически не связаны между собой и акустически соединены с выходом волновода, находящимся в акустическом контакте со средой лоцирования, при этом число генераторов высокочастотных сигналов, соответствующих им импульсных модуляторов, усилителей мощности и элементов одной из частот акустической антенны равно или более двух.