Чувствительный элемент для пьезокабельных бортовых гидроакустических антенн Российский патент 2017 года по МПК G01S7/521 

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к гидроакустическим системам навигации подводных аппаратов, и может быть использовано при разработке протяженных бортовых гидроакустических антенн, а также и гибких, протяженных антенн в системах шумопеленгования надводных и подводных плавсредств, а также при разработке буксируемых морских сейсмокос для морской разведки полезных ископаемых.

Известно устройство чувствительного элемента гибкой протяженной приемной гидроакустической антенны, содержащее наружную герметичную оболочку из поливинилхлорида, внутри которого расположен силовой элемент в виде якоря-фала, 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, стр. 191-193).

Недостатками известного устройства являются неудобства монтажа антенны в качестве бортовой антенны из-за большого диаметра, нестойкость к ударным нагрузкам из-за хрупкости пьезокерамики, а также необходимость использования большого количества каналов передачи информации.

Известен чувствительный элемент гибкой протяженной приемной гидроакустической 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 чувствительных элементов, 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 G01S 7/52, 2006).

Недостатками этого устройства являются неудобства монтажа в качестве бортовой антенны из-за большого диаметра, нестойкость к ударным нагрузкам из-за хрупкости пьезокерамики.

Известен чувствительный элемент гибкой протяженной приемной гидроакустической кабельной антенны, выполненный в виде пьезокерамических цилиндров с платами электронных блоков, размещенных в металлических корпусах, охваченных армированным рукавом, места соединения проводов к жилам кабеля вместе с чувствительным элементом, корпусом электронного блока и концами рукава залито эластичным полимерным компаундом, поверх которого размещена термоусадочная трубка (Цифровая кабельная антенна. Сборник трудов ИПФ РАН, Нижний Новгород, Изд-во ИПФ РАН, 2002, стр. 50-57).

Недостатками этого устройства являются неудобства при операциях монтажа антенны в качестве бортовой из-за большого диаметра, наличия выступающих за пределы кабеля гидрофонов чувствительных элементов и крепления силового элемента снаружи кабеля, нестойкость к ударным нагрузкам из-за хрупкости пьезокерамики, а также повышенный уровень гидродинамических шумов из-за малого продольного размера чувствительных элементов.

Известен чувствительный элемент гибкой протяженной приемной гидроакустической антенны, состоящий 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).

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 близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) к предлагаемому устройству является известный чувствительный элемент гибкой протяженной гидроакустической цифровой антенны, содержащий два отрезка кабелей из эластичного пьезоэлектрического материала с противоположной поляризацией, закрученные вокруг единого жгута с кабелями линии питания, линии связи и жил кордовых элементов, электронный блок с последовательно соединенными дифференциальным усилителем, аналого-цифровым преобразователем и блоком подготовки и передачи информации, входы дифференциальных усилителей соединены с соответствующими выходами отрезков кабелей из эластичного пьезоэлектрического материала, а выход блока подготовки и передачи информации соединен с линией связи. (Патент России №2426146, МПК G01S 7/52, приоритет 04.06.2010).

Недостатком прототипа является смещение частотного диапазона в сторону высоких частот из-за большой жесткости приемных чувствительных элементов.

Техническим результатом изобретения является расширение частотной полосы чувствительного элемента для пьезокабельных бортовых гидроакустических антенн в область низких частот.

Технический результат достигается за счет того, что в чувствительный элемент, содержащий два пьезоэлектрических коаксиальных кабеля с противоположной поляризацией, введена эластичная круглая трубка, внутри которой размещен жгут кабелей линии питания и линии связи, обеспечивающей функционирование каналов передачи данных, синхронизации и управления, а вокруг внешней поверхности эластичной круглой трубки навиты двумя параллельными спиралями с зазорами между соседними витками два пьезоэлектрических коаксиальных кабеля с противоположной поляризацией с шагом не менее одного своего диаметра, при этом электронный блок вставлен в герметичный цилиндрический корпус с герметичными фиксирующимися разъемами, к соответствующим контактам которых подключены выходы пьезоэлектрических кабелей и кабели линий питания и связи, на корпусе установлена и закреплена центрирующая втулка из эластичного материала с продольными наружными выступами, а внешняя герметизирующая оболочка совмещена с силовым элементом и электростатическим экраном в виде сетчатой оплетки с включением в нее мишурных нитей, пространство внутри эластичной трубки, а также между эластичной трубкой, пьезоэлектрическими коаксиальными кабелями и герметизирующей оболочкой заполнено вязкой звукопоглощающей эластичной средой, например гидрофобным гелем.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых на Фиг. 1 представлен осевой, а на Фиг. 2 и Фиг. 3 представлены поперечные разрезы предлагаемого устройства чувствительного элемента для пьезокабельных бортовых гидроакустических антенн.

Чувствительный элемент для пьезокабельных бортовых гидроакустических антенн содержит два пьезоэлектрических коаксиальных кабеля с противоположной поляризацией 1 и 2, внешнюю эластичную кабельную оболочку 3, в тело которой вмонтирован выполненный в виде сетчатой оплетки армирующий силовой элемент 4 с вплетенными в него мишурными нитями, выполняющими роль электростатического экрана, герметичный корпус 5 с торцевыми крышками 6, смонтированными внутри него электронными платами с дифференциальным усилителем 7, аналого-цифровым преобразователем 8 и блоком подготовки и передачи информации 9, причем к входам дифференциального усилителя 7 подключены пьезочувствительные кабели 1 и 2, а к выходу - вход аналого-цифрового преобразователи 8, выход которого подключен к входу блока подготовки и передачи информации 9, к выходу которого подключена линия связи из жгута кабелей 10, при этом в торцевые крышки 6 вмонтированы на их продольной оси с противоположных сторон герметичные фиксирующиеся разъемы 11 с соответствующим числом контактов, к которым подсоединены образующие жгут 10 провода цифровой линии связи и линии питания, причем в чувствительный элемент введена круглая цилиндрическая трубка 12, закрепленная на ответной части 13 фиксирующегося разъема 11 на крышке 6 корпуса 5 с электронными платами, при этом внутри трубки пропущен жгут 10 проводов цифровой линии связи и линии питания, а пьезоэлектрические коаксиальные кабели 1 и 2 с противоположной поляризацией навиты под углом двумя параллельными спиралями вокруг внешней поверхности круглой эластичной трубки 12, на корпусе 5 поверх внешней эластичной кабельной оболочки 3 установлена центрирующая втулка 14 из эластичного материала с продольными наружными выступами 15, а пространство внутри эластичной трубки 11, а также между эластичной трубкой, пьезоэлектрическими коаксиальными кабелями 1 и 2, внешней эластичной кабельной оболочкой 3 заполнено вязкой звукопоглощающей средой, например гидрофобным гелем 16.

Чувствительный элемент для пьезокабельных бортовых гидроакустических антенн работает следующим образом. При расположении чувствительного элемента в жидкой вязкой среде на пары пьезоэлектрических коаксиальных кабелей 1 и 2 с противоположной поляризацией, навитых под углом двумя параллельными спиралями вокруг внешней поверхности круглой эластичной трубки 12, падают акустические волны, создавая за счет пьезоэффекта электрические сигналы на их выходах. Эти сигналы усиливаются соответствующими дифференциальными усилителями 7, оцифровываются аналого-цифровыми преобразователями 8, обрабатываются в блоке подготовки и передачи информации 9 и передаются через контакты герметичного разъема 11 и жгут проводов 10 с цифровой линией связи и линией питания к бортовой аппаратуре обработки. Расположение силового элемента 4 в виде сетчатой оплетки из сверхпрочной нити, вмонтированного в наружную оболочку 3, освобождает центральную часть чувствительного элемента для расположения корпуса 5 с электронными устройствами и эластичной трубки 12, внутри которой проложен жгут проводов 10 с кабелями линии питания и линии связи, а с наружной стороны навиты пьезоэлектрические кабели 1 и 2, что позволяет расположить платы 7 и 8 с электронными блоками вблизи оси чувствительного элемента (в самом широком месте). Выполнение корпусов с крышками 6, снабженных герметичными фиксирующимися разъемами 11, обеспечивает возможность их отдельного модульного изготовления и технологичность при сборке внутри кабельной оболочки 3. Электростатический экран 13 обеспечивает снижение уровня электрических помех, а центрирующие втулки 14 с продольными выступами 15 обеспечивают расположение элементов антенны строго по осевой линии. Введение трубки 12 из эластичного материала, вокруг которой навиты пьезоэлектрические кабели 1 и 2 с малым шагом, обеспечивает малую упругость чувствительного элемента, существенно снижая собственную нижнюю резонансную частоту и расширяя частотную полосу в область низких частот, а за счет заполнения внутреннего пространства чувствительного элемента вязкой средой - гидрофобным гелем 16 ни в самой трубке 12, ни в ее полости не возникают резонансные колебания из-за поглощения этих колебаний этой вязкой средой.

При сборке антенны все чувствительные элементы соединяются электрически и механически с помощью герметичных фиксирующихся разъемов 11, а получившуюся на их основе заготовку антенны покрывают оплеткой из сверхпрочных нитей типа кевлар и герметичной оболочкой, пространство между которой и внешними эластичными кабельными оболочками 3 чувствительных элементов с силовой оплеткой заполняют гидрофобным гелем.

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к гидроакустическим системам навигации подводных аппаратов, и может быть использовано при разработке бортовых гидроакустических антенн и гибких протяженных антенн в системах шумопеленгования надводных кораблей и подводных лодок, а также при разработке буксируемых морских сейсмокос при морской разведке полезных ископаемых. Техническим результатом изобретения является расширение частотной полосы чувствительного элемента для пьезокабельных бортовых гидроакустических антенн в область низких частот. Технический результат достигается за счет того, что в чувствительный элемент, содержащий два пьезоэлектрических коаксиальных кабеля с противоположной поляризацией, введена эластичная круглая трубка, внутри которой размещен жгут кабелей линии питания и линии связи, обеспечивающей функционирование каналов передачи данных, синхронизации и управления, а вокруг внешней поверхности эластичной круглой трубки навиты двумя параллельными спиралями с зазорами между соседними витками два пьезоэлектрических коаксиальных кабеля с противоположной поляризацией с шагом не менее одного своего диаметра, при этом электронный блок вставлен в герметичный цилиндрический корпус с герметичными фиксирующимися разъемами, к соответствующим контактам которых подключены выходы пьезоэлектрических кабелей и кабели линий питания и связи, на корпусе установлена и закреплена центрирующая втулка из эластичного материала с продольными наружными выступами, а внешняя герметизирующая оболочка совмещена с силовым элементом и электростатическим экраном в виде сетчатой оплетки с включением в нее мишурных нитей, пространство внутри эластичной трубки, а также между эластичной трубкой, пьезоэлектрическими коаксиальными кабелями и герметизирующей оболочкой заполнено вязкой звукопоглощающей эластичной средой в виде гидрофобного геля. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Чувствительный элемент для пьезокабельных бортовых гидроакустических антенн, содержащий два пьезоэлектрических коаксиальных кабеля с противоположной поляризацией, внешнюю эластичную кабельную оболочку, в тело которой вмонтирован выполненный в виде сетчатой оплетки армирующий силовой элемент, герметичный корпус с торцевыми крышками, смонтированными внутри него электронными платами с дифференциальным усилителем, аналого-цифровым преобразователем и блоком подготовки и передачи информации, к входам дифференциального усилителя подключены пьезочувствительные кабели, а к выходу - вход аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к входу блока подготовки и передачи информации, к выходу которого подключена линия связи из жгута кабелей, при этом в торцевые крышки вмонтированы на их продольной оси с противоположных сторон герметичные фиксирующиеся разъемы с соответствующим числом контактов, к которым подсоединены образующие жгут провода цифровой линии связи и линии питания, отличающийся тем, что в чувствительный элемент введена круглая эластичная трубка, закрепленная на ответной части фиксирующегося разъема на крышке корпуса с электронными платами, при этом внутри трубки пропущен жгут проводов цифровой линии связи и линии питания, а пьезоэлектрические коаксиальные кабели с противоположной поляризацией навиты под углом двумя параллельными спиралями вокруг внешней поверхности круглой эластичной трубки, на корпусе поверх внешней эластичной кабельной оболочки установлена центрирующая втулка из эластичного материала с продольными наружными выступами, а пространство внутри эластичной трубки, а также между эластичной трубкой, пьезоэлектрическими коаксиальными кабелями и внешней эластичной кабельной оболочкой заполнено вязкой звукопоглощающей средой в виде гидрофобного геля.

2. Чувствительный элемент для пьезокабельных бортовых гидроакустических антенн по п. 1, отличающийся тем, что шаг навивки на эластичную трубку пьезоэлектрического коаксиального кабеля должен быть больше его диаметра в пределах от двух до десяти диаметров.

3. Чувствительный элемент для пьезокабельных бортовых гидроакустических антенн по п. 1, отличающийся тем, что центрирующие втулки выполнены съемными.

4. Чувствительный элемент для пьезокабельных бортовых гидроакустических антенн по п. 1, отличающийся тем, что в оплетку силового элемента вплетена мишурная нить, выполняющая роль электростатического экрана.