МНОГОЧАСТОТНОЕ ПРИЕМОИЗЛУЧАЮЩЕЕ АНТЕННОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2019 года по МПК G01S15/02 H01Q5/00 

Изобретение может быть использовано в гидроакустике, аэроакустике, дефектоскопии, для акустического каротажа и в смежных областях техники, обеспечивая ультразвуковой эхопоиск с высокой пространственной избирательностью в широкой полосе частот.

Известен акустический параметрический излучатель со стоячей бигармонической волной накачки (пат. США № 3872421, МКИ H04b 13/00, опубл. 18.03.1975), содержащий два генератора электрических колебаний, сумматор, усилитель мощности, электроакустический преобразователь, акустическую трубу, заполненную жидкостью и «акустически мягкий» отражатель дисковой формы.

Известный акустический параметрический излучатель обладает следующими недостатками:

- при значительных уровнях возбуждения изменяются пьезоэлектрические и диэлектрические характеристики пьезокерамических материалов, возрастают механические и диэлектрические потери, что вызывает перегрев и располяризацию пьезоэлемента, приводящие к уменьшению механоакустического и электромеханического коэффициентов полезного действия электроакустического преобразователя. (см. Василовский В.В., Тарасова Г.Б. Временная нестабильность свойств пьезокерамики. – В кн.: «Прикладная акустика», Вып.5, Таганрог, ТРТИ, 1977, С.147-154);

- в акустической трубе с длиной L от 76мм до 178мм и толщиной стенки от 0,4мм до 0,8мм с «акустически мягким» отражателем дисковой формы, представляющим собой накопитель акустической энергии, находится водная среда, обладающая низкой кавитационной прочностью и из-за наличия в ней микроскопических пузырьков, твердых частиц с трещинами, заполненными газом, и т.д., возможно возникновение кавитации. При этом в электроакустическом преобразователе снижается сопротивление излучения, возрастает сила возбуждающего его тока и соответствующее увеличение создаваемых им механических напряжений, что приводит к разрушению пьезоактивного элемента (см. Терминологический словарь-справочник по гидроакустике /Р.Х. Бальян, Э.В.Батаногов, А.В. Богородский и др. – Л.: Судостроение, 1989. С.104-105);

- в диапазоне значений внутреннего диаметра акустической трубы 51÷130 мм превышается необходимое для плосковолнового распространения накачки условие , в результате чего эффективность процесса накопления акустической энергии с течением времени снижается за счет нарастания расфазировки излучаемых в объем трубы «новых» дифрагирующих волн накачки и уже существующего волнового процесса – квазистоячей вынужденной волны;

- использование для волн накачки тонкостенной трубы с «акустически мягким» отражателем дисковой формы не позволяет осуществлять ультразвуковое облучение на данных сигналах в водной среде;

- в объеме акустической трубы происходит генерация «противофазных» волн разностной частоты () во встречных пучках накачки от электроакустического преобразователя к отражателю и от отражателя к преобразователю, вследствие чего волны накачки приобретают фазовый сдвиг на 180⁰ за счет «акустической мягкости» (см. Б.К.Новиков, С.П.Тарасов, В.И.Тимошенко Формирование характеристик параметрического излучателя вблизи отражающей границы. – Акуст.журн., АН СССР, 1983, т.29, Вып.2, С.240-246);

- в акустическом параметрическом излучателе со стоячей бигармонической волной накачки не предусмотрен импульсный режим работы, устройство не является обратимым, т.е. для приема отраженных сигналов необходим отдельный электроакустический преобразователь.

Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: генераторы электрических колебаний, усилитель мощности, электроакустический преобразователь, отражатель, акустическая труба.

Известен акустический импульсный параметрический излучатель (а.с. СССР №1258196, опубл.20.12.1999, Бюлл. №35), содержащий генератор электрического бигармонического сигнала, электроакустический преобразователь, акустическую трубу с продольными каналами-резонаторами, заполненными некавитирующей средой, акустический вентиль-отражатель, блок управления и импульсный генератор.

Известному акустическому импульсному параметрическому излучателю присущи следующие недостатки:

- для эффективной работы акустической трубы с продольными каналами-резонаторами (накопителями акустической энергии) необходимо, чтобы отношение частот бигармонического сигнала накачки было равно 1:3:5:…, что не может быть осуществлено при возбуждении электроакустического преобразователя электрическими сигналами с близкими частотами колебаний, находящимися в его полосе пропускания;

- в объемах каналов-резонаторов акустической трубы во встречных пучках накачки (бигармонические сигналы как падающие, так и отраженные от «акустически мягкой» диафрагмы) происходит генерация противофазных компенсирующих друг друга «новых» спектральных составляющих , , что снижает эффективность накопления акустической энергии волн накачки;

- используемый в аналоге бигармонический сигнал накачки с близкими частотами искажает процесс суперпозиции в объемах каналов-резонаторов двух стоячих волн накачки, что также снижает эффективность накопления акустической энергии волн накачки;

- акустический импульсный параметрический излучатель не предназначен для приема эхосигналов, т.е. для приема отраженных сигналов необходим отдельный электроакустический преобразователь;

- использование для ультразвукового зондирования только низкочастотной спектральной составляющей, формирующейся в нелинейной среде, значительно ограничивает пространственную избирательность и возможность обнаружения небольших неоднородностей, обладающих малой отражательной способностью в данном диапазоне частот;

- отсутствует возможность одновременного «разночастотного» кругового эхопоиска объектов с требуемой пространственной избирательностью в необходимом частотном диапазоне в заданной плоскости.

Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: генератор электрических колебаний, усилитель мощности, электроакустический преобразователь, акустическая труба с продольными каналами-резонаторами, акустический вентиль - отражатель, блок управления и импульсный генератор.

Известен принятый за прототип импульсный многочастотный параметрический излучатель (пат. РФ № 137617, МПК G01N29/34, опубл. 20.02.2014 г., бюлл. №5), содержащий два генератора электрических гармонических сигналов с частотами колебаний (, умножители частоты (), два аналоговых ключа, два усилителя мощности, круглый многоэлементный электроакустический преобразователь из полуволновых стержневых пьезоэлементов длин , которые образуют на излучающей поверхности двенадцать одинаковых секторов из колебательных систем с резонансами , на модах нормальных колебаний (=3,5,7,…), последний установлен в многоканальную акустическую трубу, заполненную некавитирующей средой, причем, секторам из колебательных систем с резонансами , соответствует ее поперечная «сотовая» структура из продольных каналов-резонаторов и перегородок с длинами длины и , которые выбраны такими, чтобы на них укладывалось нечетное число четвертей длин волн соответственно, а поперечные размеры каналов составляют не более 0,61 от наименьшей из возбуждаемых длин волн ультразвуковых колебаний (<>), акустический вентиль-отражатель обеспечивает последовательно как накопление акустической энергии волн, так и импульсное излучение результирующих волновых процессов в окружающую водную среду, блок управления, импульсный генератор.

Для прототипа характерны следующие недостатки:

- устройство обеспечивает импульсное многочастотное ультразвуковое облучение водной среды лоцирования преимущественно в направлении оси акустической трубы в пределах небольших телесных углов;

- осуществление шагового ультразвукового облучения в значительных секторах угломестных, и азимутальных плоскостей требует применения сложных устройств механического перемещения;

- импульсный многочастотный параметрический излучатель не решает задачи эхопоиска объектов в окружающей водной среде, так как не является обратимым, поскольку необходим дополнительный приемный электроакустический преобразователь, акустическая ось которого и трубы должны быть коллинеарны;

- невозможен одновременный «разночастотный» круговой эхопоиск объектов с требуемой пространственной избирательностью и частотным диапазоном в заданной плоскости.

Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: два генератора, умножители частоты (), два аналоговых ключа, два усилителя мощности, круглый многоэлементный электроакустический преобразователь, акустическая труба, некавитирующая среда, акустический вентиль-отражатель, блок управления, импульсный генератор.

Основной задачей заявляемого изобретения является создание многочастотного приемоизлучающего антенного устройства, обладающего расширенными эксплуатационными возможностями и обеспечивающего высокую достоверность первичных данных о подводной обстановке.

Техническим результатом изобретения является расширение частотного спектра ультразвукового эхопоиска («частотноокрашенного») в заданной плоскости с высокой пространственной избирательностью при получении информации о расположении объектов поиска в водной среде.

Технический результат достигается тем, что в многочастотное приемоизлучающее антенное устройство, содержащее излучающий тракт с генераторами электрических гармонических сигналов с разными частотами колебаний, умножители частоты, аналоговые ключи, усилители мощности, многоэлементный электроакустический преобразователь из полуволновых стержневых пьезоэлементов, образующих на излучающей поверхности одинаковые секторы из колебательных систем с резонансом на модах нормальных колебаний, многоканальную акустическую трубу, выполненную в первой части с одинаковой поперечно-секторной сотовой структурой из продольных каналов-резонаторов с длинами, на которых укладывается нечетное число четвертей длин волн, соответствующих частотам генераторов электрических гармонических сигналов, причем, секторам многоэлементного электроакустического преобразователя соответствует поперечно-секторная сотовая структура из продольных каналов-резонаторов, акустический вентиль-отражатель, блок управления, импульсный генератор, дополнительно введены вторая и третья части акустической трубы с диаметром, равным диаметру первой части, причем первая и вторая части акустической трубы выполнены с жесткой стенкой, а третья с звукопрозрачной стенкой, бипирамидальный отражатель, дополнительный многоэлементный электроакустический преобразователь, установленный в торце третьей части акустической трубы, внутри которой размещен бипирамидальный отражатель, выполненный в виде двух правильных пирамид, основания которых совмещены, а вершины расположены на оси акустической трубы, причем одна из вершин направлена к акустическому вентилю-отражателю, а другая к дополнительному многоэлементному электроакустическому преобразователю.

Рационально многоканальную акустическую трубу в первой части выполнять в виде двенадцати одинаковых секторов с поперечной «сотовой» структурой из продольных каналов-резонаторов.

Каналы-резонаторы оптимально выполнять с поперечными размерами не более 0,61 от наименьшей из возбуждаемых длин волн ультразвуковых колебаний.

Оптимально выполнить акустический вентиль-отражатель с возможностью изменения коэффициента звукопрозрачности.

Предпочтительно заполнять внутренние объемы акустической трубы следующим образом: первая многоканальная часть - некавитирующий материал, вторая и третья одноканальные части – водной средой.

Оптимально выполнить акустический вентиль-отражатель с неподвижной и подвижной мембранами, разделенными газовым зазором.

Предпочтительно выполнить первую и вторую части акустической трубы с жесткой цилиндрической поверхностью.

Пространственная избирательность и расширение частотного диапазона ультразвукового эхопоиска достигается за счет исполнения приемоизлучающего антенного устройства на основе единого конструкционного элемента - акустической трубы, состоящей из трех частей одинакового внешнего диаметра: 1) многоканальной с жесткой цилиндрической поверхностью, объем продольных каналов которой заполнен некавитирующей средой, 2) одноканальной с жесткой цилиндрической поверхностью, объем которой заполнен водой из среды лоцирования через отверстия, 3) одноканальной с звукопрозрачной цилиндрической поверхностью, объем которой заполнен как водой из среды лоцирования через отверстия, так и бипирамидальным отражателем.

В торцах единого конструкционного элемента устанавливаются одинаковые многоэлементные электроакустические преобразователи (ЭАП), первый из которых излучает сигналы накачки в некавитирующую среду, а второй (дополнительный) -принимает отраженные сигналы от объектов эхопоиска, находящихся в среде зондирования. Первая многоканальная и вторая одноканальная части трубы отделяются друг от друга акустическим вентилем-отражателем, коэффициент звукопрозрачности которого регулируется оператором устройства при помощи блока управления.

В первой части акустической трубы происходит накопление акустической энергии стоячих волн накачки в каналах-резонаторах, ограниченных возбуждаемым сектором многоэлементного электроакустического преобразователя и акустическим вентилем-отражателем с регулируемым коэффициентом звукопрозрачности диафрагмы. В режиме излучения при звукопрозрачной диафрагме в объеме второй части акустической трубы, одноканальной с жесткой цилиндрической поверхностью, распространяется мощный импульс взаимодействующих волн накачки заданных частот, в результате чего в ней происходит нелинейная генерация индивидуального и широкополосного набора зондирующих импульсных сигналов.

В третьей части акустической трубы, одноканальной с звукопрозрачной стенкой, происходит изменение направления распространения зондирующих импульсных сигналов на заданный угол, с продольного на поперечное относительно оси акустической трубы, т.е. осуществляется ультразвуковое «облучение» выбранного сектора в азимутальной плоскости. Это достигается за счет переотражения от заданной боковой грани правильной пирамидальной поверхности отражателя, установленного таким образом, что его вершина находится на оси акустической трубы и направлена к акустическому вентилю-отражателю, а основание вписано в ее внутренний диаметр.

Эхосигналы от обнаруженных неоднородностей в выбранном секторе через некоторый промежуток времени проходят через звукопрозрачную цилиндрическую поверхность третьей части акустической трубы, отражаются от второй пирамидальной поверхности, установленной таким образом, что ее вершина находится на оси акустической трубы, а основание совмещено с основанием первой пирамидальной поверхности, и достигают соответствующего сектора приемного многоэлементного электроакустического преобразователя, установленного во втором торце единого конструкционного элемента - акустической трубы. «Разночастотный» эхопоиск в соседних секторах азимутальной плоскости (в устройстве предложено двенадцать «частотноокрашенных» секторов эхопоиска) осуществляется аналогичным образом, их количество определяется числом боковых поверхностей граней в бипирамидальном отражателе, рабочее расположение многочастотного приемоизлучающего антенного устройства - вертикальное. Режим «акустически мягкой» диафрагмы акустического вентиля-отражателя позволяет в объемах каналов-резонаторов, заполненных некавитирующей средой, формировать стоячие волны конечной амплитуды при интерференции «разночастотных» ультразвуковых волн малой амплитуды, излучаемых электроакустическим преобразователем на нечетных модах нормальных колебаний пьезокерамического элемента, а режим звукопрозрачного состояния диафрагмы обеспечивает необходимый порядок импульсного излучения «разночастотной» накопленной акустической энергии волн накачки в нелинейную среду акустической трубы. Конструкция бипирамидального отражателя задает количество секторов облучения в азимутальной плоскости в среде лоцирования и позволяет осуществлять в тех же секторах прием эхосигналов от регистрируемых неоднородностей.

Введенные блоки в совокупности с описанными связями позволяют расширить эксплуатационные возможности устройства за счет осуществления «частотноокрашенного» ультразвукового эхопоиска в заданной плоскости с высокой пространственной избирательностью.

Полезная модель поясняется чертежами, где:

- на фиг.1 приведена структурная схема многочастотного приемоизлучающего антенного устройства и схематическое изображение его конструкции;

- на фиг.2 изображены продольный (А-А) и поперечный (Б-Б) разрезы акустической трубы с «сотовой» структурой из каналов-резонаторов;

- на фиг.3 показан набор колебаний в одномерной стоячей волне в канале длиной , заполненном средой с плотностью и скоростью , (на конце имеется «жесткая крышка», а на конце - «мягкая крышка»);

На фиг. 4 представлена конструкция большого мозаичного электроакустического преобразователя, разработанного в Лаборатории прикладных исследований Техасского университета, г. Остин (см. Garrett G.S., Tjotta J. N., Tjotta S. Nearfield of a large acoustic transducer. Pt.2.Parametric radiation//J. Acoust. Soc. Amer.,1983, v.74, №3, P.1013–1020.

Многочастотное приемоизлучающее антенное устройство (фиг.1) содержит двухканальный излучающий тракт, содержащий генераторы 1 электрических гармонических сигналов с частотами колебаний (, которые соединены как напрямую, так и через умножители частоты 2 () с соответствующими входами аналоговых ключей 3. Выходы аналоговых ключей 3 через усилители мощности 4 соединены со входами обоих половин круглого излучающего многоэлементного электроакустического преобразователя 5, состоящего из полуволновых стержневых пьезоэлементов длин , которые образуют на излучающей поверхности двенадцать одинаковых секторов из колебательных систем с резонансами , на модах нормальных колебаний (=3,5,7,…). Излучающий многоэлементный электроакустический преобразователь 5 установлен в первую многоканальную часть акустической трубы 6 таким образом, что секторам из колебательных систем с резонансами , соответствует ее поперечная «сотовая» структура из продольных каналов-резонаторов 7 и перегородок 8, длины и которых выбраны такими (фиг. 2, 3), чтобы на них укладывалось нечетное число четвертей длин волн соответственно, а поперечные размеры каналов составляли не более 0,61 от наименьшей из возбуждаемых длин волн ультразвуковых колебаний (<>) в некавитирующей среде 9. Акустический вентиль-отражатель 10 (а.с. 533864 СССР МКИ G01N 29/04 Ультразвуковая диафрагма/ Ермаченко В.П., Косолапов Н.Г., Трахтенберг Л.И. (СССР). - №2038822/28; Заявлено 28.06.74. Опубл. 30.10.1976; Бюл.40.–2 с.) обеспечивает последовательно накопление акустической энергии волн (звукопрозрачные неподвижная 11 и подвижная 12 мембраны акустического вентиля-отражателя 10 разделены газовым зазором), и импульсное излучение результирующих волновых процессов. Звукопрозрачные неподвижная 11 и подвижная 12 мембраны акустического вентиля-отражателя 10 приведены в непосредственный контакт для передачи импульсного излучения в окружающую водную среду 13, поступающего через блок управления 14 с выхода импульсного генератора 15. Многоканальная часть акустической трубы 6 соединена как со второй, так и с третьей частями - одноканальной с жесткой толстой стенкой 16 и с одноканальной звукопрозрачной стенкой 18, которые заполнены из среды лоцирования водой 13 через отверстия 17 и 19 соответственно (фиг.1).

В торце третьей части установлен дополнительный многоэлементный электроакустический преобразователь 23, состоящий из полуволновых стержневых пьезоэлементов длин , которые образуют на приемной поверхности двенадцать одинаковых секторов из колебательных систем с резонансами , на модах нормальных колебаний (=3,5,7,…). Внутри одноканальной третьей части акустической трубы 6, выполненной с звукопрозрачной стенкой 18, установлен бипирамидальный отражатель, состоящий из двух правильных пирамид 20, 21, основания которых совмещены, а вершины находятся на оси акустической трубы 6 и направлены в противоположные стороны: - к акустическому вентилю-отражателю 10 для пирамиды 20 и к дополнительному многоэлементному электроакустическому преобразователю 23 для пирамиды 21.

Функционирование многочастотного приемоизлучающего антенного устройства осуществляется следующим образом. Непрерывные электрические сигналы с частотами колебаний ( от генераторов 1 через умножители частоты 2 (), аналоговые ключи 3 и усилители мощности 4 подаются на входы обоих половин круглого излучающего многоэлементного электроакустического преобразователя 5, состоящего из полуволновых стержневых пьезоэлементов длин , которые образуют на излучающей поверхности двенадцать одинаковых секторов из колебательных систем с резонансами , на модах нормальных колебаний (=3,5,7,…), вследствие чего в трубе 6 распространяются акустические колебания. Рассмотрим физические основы функционирования режима накопления акустической энергии в продольном канале-резонаторе 7. Звуковое давление для дискретных наборов колебаний в одномерной стоячей волне в продольном канале длиной , заполненном средой с плотностью и скоростью , если на конце имеется «жесткая крышка» (электроакустический преобразователь 5), а на конце расположена «мягкая крышка» (газовый зазор между неподвижной 11 и подвижной 12 мембранами акустического вентиля 10), описывается соотношением (см. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Глав. ред. И.П.Голямина. – М.: «Сов. Энциклопедия», 1979. С.336-337)

, (1)

где - амплитуда звукового давления -ого обертона ( номер обертона) стоячей волны основного тона (), - волновое число, определяемое граничными условиями на концах трубы и , где - длина и циклическая частота монохроматической бегущей волны,- текущее время. В данном случае собственные частоты находятся в отношениях 1:3:5 ….., образуя неполный гармонический ряд, а на длине продольного канала в каждой из стоячих волн ( фиг.3) укладывается нечетное число четвертей длин волн основного тона () или обертонов (), что определяет длину канала

. (2)

Когда бегущая гармоническая волна от электроакустического преобразователя 5 достигает преграды, от которой она может отразиться, появляется отраженная волна, распространяющаяся в обратном направлении. В данном случае движение каждой частицы некавитирующей среды с волновым сопротивлением можно рассматривать как результат интерференции двух волн – падающей и отраженной

(3)

где - длина волны, т.е. расстояние, которое проходит волна за один период; - волновое число; - амплитуда плоских бегущих падающей и отраженной волн (смещение относительно положения равновесия). Таким образом, в продольных каналах-резонаторах 7 возникают стоячие волны, в которых различные участки среды колеблются либо синфазно, либо противофазно. Для любой ограниченной области среды существует бесконечный дискретный набор стоячих волн, различающихся частотой (собственные частоты) и характерным расположением узлов и пучностей, образующих фиксированные в пространстве плоскости, параллельные отражающей границе. Пучности звукового давления расположены на расстоянии полуволны друг от друга, а узлы давления делят эти расстояния пополам, т.е., в стоячей волне узлы и пучности чередуются через каждые четверть длины волны. Рассмотрим особенности процесса отражения акустической волны от «мягкой крышки», т.е. при наличии газового зазора между неподвижной 11 и эластичной 12 мембранами акустического вентиля-отражателя 10. Волна сжатия, достигнув правого торца продольного канала, сообщает поступательное движение вперед частицам материала мембраны 11, причем, движение будет передаваться вперед до тех пор, пока оно не прекратится под воздействием сил упругости мембраны. Таким образом, в волновом процессе сжатие успевает перейти в разрежение, знак деформации изменяется, и волна звукового давления будет отражаться в противофазе, в результате чего амплитуды прямой и отраженной волн вычитаются и звуковое давление на мембране 11 падает до нуля.

Колебательные скорости частиц в волне разрежения направлены в сторону, противоположную распространению волны, а так как отраженная волна разрежения распространяется противоположно направлению распространения прямой волны сжатия, колебательные скорости в прямой и отраженной волнах будут происходить в фазе, а их амплитуды складываются. Таким образом, для координаты на «мягкой крышке» продольного канала 7 акустической трубы образуется узел звукового давления и пучность колебательной скорости, в то время как для на «жесткой крышке» (излучающем многоэлементном электроакустическом преобразователе 5) из аналогичных соображений наблюдается противоположная картина – пучность звукового давления и узел колебательной скорости. В продольных каналах 7 акустической трубы 6 существуют стабильные области интерференционного усиления и ослабления колебаний. Энергия в стоячей волне распределяется так, что в областях, близких к узлам, сосредоточивается, главным образом, энергия потенциальная, а в областях, близких к пучности, - кинетическая, причем, при отсутствии потерь сумма этих двух видов энергии остается постоянной во времени. При прохождении частицами среды в каналах 7 положения равновесия потенциальная энергия становится минимальной, а кинетическая – максимальной, через четверть периода колебаний, когда частицы достигают максимальных смещений, кинетическая энергия убывает до нуля, а потенциальная становится максимальной. Следовательно, в стоячей волне за каждые четверть периода происходит преобразование кинетической энергии в потенциальную, и наоборот. Однако средний поток энергии вдоль продольных каналов акустической трубы за период остается равным нулю: в отличие от бегущей волны стоячая волна не передает энергии, которая только колеблется между соседними пучностями звукового давления и скорости, причем, кинетическая энергия колебаний переходит в упругую (потенциальную) энергию и обратно. Таким образом, каждый участок среды длиной в четверть длины волны не обменивается энергией с соседними участками.

Рассчитаем полную энергию , равную только потенциальной для момента , на участке среды длиной :

, ( 4 )

где - циклическая частота колебаний, - площадь поперечного сечения продольного канала. Из соотношения (4) следует, что накопленная акустическая энергия в канале-резонаторе пропорциональна квадрату амплитуды результирующего волнового процесса. В реальных условиях практически всегда приходится иметь дело либо с вынужденными, либо с затухающими квазистоячими волнами, поскольку даже при отсутствии излучения в водную среду имеет место поглощение колебательной энергии в некавитирующей среде. Незатухающие стоячие волны в продольном канале можно осуществить как вынужденные, в которых потери колебательной энергии компенсируются работой вынуждающих сил, создаваемых действием электроакустического преобразователя 5, причем, совпадение частоты ультразвуковых колебаний малой амплитуды с собственной частотой продольного канала-резонатора, позволяет возбудить резонансные стоячие волны конечной амплитуды. Следует отметить, что приведенные выше физические процессы происходят в каналах-резонаторах как первого (), так и второго вида (), , (). Отметим, что круглый излучающий многоэлементный электроакустический преобразователь 5 состоит из полуволновых стержневых пьезоэлементов длин , образующих на излучающей поверхности двенадцать одинаковых секторов из колебательных систем () с резонансами , на модах нормальных колебаний (=3,5,7,…), причем, в каждом секторе может быть возбужден «индивидуальный» набор резонансных стоячих волн конечной амплитуды на различных модах колебательных систем (). Таким образом, акустические волны разных длин волн в продольных каналах-резонаторах различных секторов суммируются в фазе и их энергия в первой многоканальной части трубы 6 нарастает до тех пор, пока потери при переотражении волн не станут равными энергии, излучаемой на соответствующей моде колебательной системы акустического преобразователя 5. Заполнение внутреннего объема трубы 6 некавитирующим материалом 9 позволяет избежать недостаточной степени накопления энергии за счет возникновения в среде кавитационных явлений. При подаче от импульсного генератора 15 на вход блока управления 14 импульса напряжения длительностью неподвижная 11 и подвижная 12 мембраны акустического вентиля 10 приводятся в соприкосновение (принцип функционирования с использованием электропневмоклапанов, трубопровода и сосудами высокого и низкого давления подобен прототипу), акустический вентиль-отражатель 10 переключается в режим звукопрозрачности, рабочий ход мембран составляет около 10^-3м, что обеспечивает быстродействие срабатывания. Акустические волны мощной бигармонической накачки () из акустической трубы 6 проходят через мембраны 11,12 в водную среду 13, заполнившую одноканальную трубу 16 через отверстия 17. При распространении этих волн в водной среде формируются за счет нелинейных эффектов взаимодействия и самовоздействия «новые» спектральные составляющие: - ⎢⎢- суммарная и разностная компоненты, - высшие гармоники сигналов накачки, что расширяет частотный диапазон излучаемых ультразвуковых сигналов при обеспечении стабильности работы многочастотного приемоизлучающего антенного устройства. Длительность импульсного сигнала равна , где - скорость звука в водной среде лоцирования. С помощью блока управления 14 и аналоговых ключей 3 может быть возбуждена требуемая мода нормальных колебаний (=1,3,5,7,…) колебательных систем () с резонансами , , составляющих круглый многоэлементный электроакустический преобразователь 5. После прекращения действия импульса генератора 15 акустический вентиль-отражатель 10 переключается в режим звуконепрозрачности, происходит новое накопление энергии акустических волн в первой многоканальной части трубы 6 и многочастотное приемоизлучающее антенное устройство переходит в режим приема эхосигналов. Таким образом, в режиме излучения в объеме второй части акустической трубы 16, одноканальной с жесткой цилиндрической поверхностью, распространяется мощный импульс взаимодействующих волн накачки заданных частот, в результате чего в ней происходит нелинейная генерация индивидуального и широкополосного набора зондирующих импульсных сигналов. В третьей части акустической трубы 18, одноканальной с звукопрозрачной стенкой, происходит изменение направления распространения зондирующих импульсных сигналов на заданный угол (с продольного на поперечное относительно оси акустической трубы), т.е. осуществляется ультразвуковое «облучение» 24, 26 выбранного сектора в азимутальной плоскости. Это достигается за счет переотражения от заданной боковой грани правильной пирамидальной поверхности отражателя 20. Последний установлен так, что его вершина находится на оси акустической трубы и направлена к акустическому вентилю-отражателю 10, а основание вписано в ее внутренний диаметр. Эхосигналы от обнаруженных неоднородностей 25 в выбранном секторе через некоторый промежуток времени проходят через звукопрозрачную цилиндрическую поверхность третьей части акустической трубы 18, отражаются от второй пирамидальной поверхности 21, установленной так, что ее вершина находится на оси акустической трубы, а основание совмещено с основанием первой пирамидальной поверхности 20, и достигают соответствующего сектора приемного второго многоэлементного электроакустического преобразователя 23, установленного во втором торце акустической трубы 6. «Разночастотный» эхопоиск в соседних секторах азимутальной плоскости (в устройстве предложено двенадцать «частотноокрашенных» секторов эхопоиска) осуществляется аналогичным образом, их количество определяется числом боковых поверхностей граней в бипирамидальном отражателе 20,21, рабочее расположение многочастотного приемоизлучающего антенного устройства - вертикальное. Режим «акустически мягкой» диафрагмы 11, 12 акустического вентиля-отражателя 10 позволяет в объемах каналов-резонаторов 7, заполненных некавитирующей средой 9, формировать стоячие волны конечной амплитуды при интерференции «разночастотных» ультразвуковых волн малой амплитуды, излучаемых электроакустическим преобразователем 5 на нечетных модах нормальных колебаний пьезокерамического элемента, а режим звукопрозрачного состояния акустического вентиля-отражателя 10 обеспечивает необходимый порядок импульсного излучения «разночастотной» накопленной акустической энергии волн накачки в нелинейную среду 13 акустической трубы. Конструкция отражателя 20,21 задает количество секторов облучения в азимутальной плоскости в среде лоцирования и позволяет осуществлять в тех же секторах прием эхосигналов от регистрируемых неоднородностей 25. При работе данного устройства в составе, например, эхолокационных систем, импульс от генератора 15 может быть использован для синхронизации других блоков. Предложенный в устройстве принцип «разночастотного» накопления акустической энергии волн накачки требует для своей раскачки значительно меньших возбуждающих напряжений по сравнению с традиционными (в 5-10 раз) при той же мощности излучаемого акустического сигнала. Это повышает надежность и стабильность работы устройства за счет уменьшения отказов и удлинения срока службы. В качестве многоэлементных электроакустических преобразователей 5 и 23 может быть использована конструкция большого мозаичного электроакустического преобразователя (см. фиг.4) диаметром 182 см и состоящего из 364 пьезоэлементов прямоугольной формы (4,86,4) см. Пьезоэлементы распределены по плоской поверхности в виде 13 концентрических колец. В одной из реализаций, для параметрической генерации волны разностной частоты в диапазоне (0,55) кГц, мозаичный преобразователь излучал акустические волны накачки средней мощности в частотном диапазоне (1116) кГц, что сопровождалось формированием и высокочастотных компонент спектра – вторых гармоник и волны суммарной частоты. При проведении эксперимента были использованы два способа излучения в водную среду волн накачки:

- смешанный, когда в электронном тракте формировался сигнал бигармонической накачки, который после усилителя мощности поступал на все пьезоэлементы преобразователя накачки одновременно;

- раздельный, когда сигнал накачки с более высокой частотой 16 кГц подавался на пьезоэлементы, образующие нечетные кольца, а с более низкой частотой 11 кГц – на четные кольца, причем, площади излучения для каждой накачки были равны, а ширина колец составляла 4,8 см.

Заявляемое изобретение способствует созданию многочастотного приемоизлучающего антенного устройства, обладающего расширенными эксплуатационными возможностями и обеспечивающего высокую достоверность первичных данных о подводной обстановке.

Изобретение относится к аэро- и гидроакустике и дефектоскопии, для акустического каротажа и т.д., обеспечивая ультразвуковой эхопоиск с высокой пространственной избирательностью в широкой полосе частот. Многочастотное приемоизлучающее антенное устройство содержит излучающий тракт с генераторами электрических гармонических сигналов с разными частотами колебаний, умножители частоты, аналоговые ключи, усилители мощности, многоэлементный электроакустический преобразователь из полуволновых стержневых пьезоэлементов, образующих на излучающей поверхности одинаковые секторы из колебательных систем с резонансом на модах нормальных колебаний, многоканальную акустическую трубу, выполненную в первой части с одинаковой поперечно-секторной сотовой структурой из продольных каналов-резонаторов с длинами, на которых укладывается нечетное число четвертей длин волн, соответствующих частотам генераторов электрических гармонических сигналов, причем секторам многоэлементного электроакустического преобразователя соответствует поперечно-секторная сотовая структура из продольных каналов-резонаторов, акустический вентиль-отражатель, блок управления, импульсный генератор. При этом многочастотное приемоизлучающее антенное устройство дополнительно содержит вторую и третью части акустической трубы с диаметром, равным диаметру первой части, причем первая и вторая части акустической трубы выполнены с жесткой стенкой, а третья - со звукопрозрачной стенкой, дополнительный многоэлементный электроакустический преобразователь, установленный в торце третьей части акустической трубы, внутри которой размещен бипирамидальный отражатель, выполненный в виде двух правильных пирамид, основания которых совмещены, а вершины расположены на оси акустической трубы, причем одна из вершин направлена к акустическому вентилю-отражателю, а другая - к дополнительному многоэлементному электроакустическому преобразователю. Предложенное устройство позволяет расширить частотный спектр при ультразвуковом эхопоиске в заданной плоскости с высокой пространственной избирательностью. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Многочастотное приемоизлучающее антенное устройство, содержащее излучающий тракт с генераторами электрических гармонических сигналов с разными частотами колебаний, умножители частоты, аналоговые ключи, усилители мощности, многоэлементный электроакустический преобразователь из полуволновых стержневых пьезоэлементов, образующих на излучающей поверхности одинаковые секторы из колебательных систем с резонансом на модах нормальных колебаний, многоканальную акустическую трубу, выполненную в первой части с одинаковой поперечно-секторной сотовой структурой из продольных каналов-резонаторов с длинами, на которых укладывается нечетное число четвертей длин волн, соответствующих частотам генераторов электрических гармонических сигналов, причем секторам многоэлементного электроакустического преобразователя соответствует поперечно-секторная сотовая структура из продольных каналов-резонаторов, акустический вентиль-отражатель, блок управления, импульсный генератор, отличающийся тем, что в него дополнительно введены вторая и третья части акустической трубы с диаметром, равным диаметру первой части, причем первая и вторая части акустической трубы выполнены с жесткой стенкой, а третья - со звукопрозрачной стенкой, бипирамидальный отражатель, дополнительный многоэлементный электроакустический преобразователь, установленный в торце третьей части акустической трубы, внутри которой размещен упомянутый бипирамидальный отражатель, выполненный в виде двух правильных пирамид, основания которых совмещены, а вершины расположены на оси акустической трубы, причем одна из вершин направлена к акустическому вентилю-отражателю, а другая - к дополнительному многоэлементному электроакустическому преобразователю.

2. Многочастотное приемоизлучающее антенное устройство по п. 1, отличающееся тем, что дополнительный многоэлементный электроакустический преобразователь выполнен из полуволновых стержневых пьезоэлементов, образующих на излучающей поверхности двенадцать одинаковых секторов.

3. Многочастотное приемоизлучающее антенное устройство по п. 1, отличающееся тем, что многоканальная акустическая труба в первой части выполнена из продольных каналов-резонаторов в виде двенадцати одинаковых секторов с поперечной сотовой структурой.

4. Многочастотное приемоизлучающее антенное устройство по п. 1, отличающееся тем, что поперечные размеры каналов-резонаторов составляют не более 0,61 от наименьшей из возбуждаемых длин волн ультразвуковых колебаний.

5. Многочастотное приемоизлучающее антенное устройство по п. 1, отличающееся тем, что акустический вентиль-отражатель выполнен с возможностью изменения коэффициента звукопрозрачности.

6. Многочастотное приемоизлучающее антенное устройство по п. 1, отличающееся тем, что внутренний объем первой части трубы заполнен некавитирующим материалом.

7. Многочастотное приемоизлучающее антенное устройство по п. 1, отличающееся тем, что акустический вентиль-отражатель содержит неподвижную и подвижную мембраны, разделенные газовым зазором.

8. Многочастотное приемоизлучающее антенное устройство по п. 1, отличающееся тем, что первая и вторая части акустической трубы выполнены с жесткой цилиндрической поверхностью.