Векторно-скалярный многокомпонентный приёмник Российский патент 2023 года по МПК G01V1/18 

Изобретение относится к области гидроакустики, конкретно к векторно-скалярным приемникам и их применению для проведения гидроакустических исследований, в том числе для обнаружения источников подводных шумов в морях и океанах.

Известны векторно-скалярные приемники, состоящие из приемников звукового давления и приемников градиента давления (ПГД), в точечных и линейных гидроакустических антеннах позволяющие обеспечить пространственную избирательность и повышение помехоустойчивости к внешним (дальнеполевым) помехам в низкочастотной области за счет реализуемой ПГД дипольной направленности (С.К. Скребнев «Комбинированные гидроакустические приемники», С.-Петербург, «Элмор», 1996). Основным недостатком перечисленных типов комбинированных приемников является низкое соотношение сигнал/помеха и низкая пространственная избирательность. Кроме того, недостатком приведенных в источнике описаний типов является то, что реализация только двух ортогональных компонент приема сигнала, что не обеспечивает формирование пространственной избирательности векторно-скалярного приемника гидроакустической антенны в направлении перпендикулярном этим двум ортогональным компонентам, а реализация конструктивов с тремя ортогональными компонентами требует относительно большого объема при низкой эффективности использования пространства. Кроме того, недостатком известного решения является реализация только двух ортогональных компонент приема сигнала, которая не обеспечивает формирование пространственной избирательности векторно-скалярного приемника гидроакустической антенны в направлении перпендикулярном этим двум ортогональным компонентам.

Наиболее близким к заявляемому по назначению и технической сущности является комбинированный акустический приемник малого поперечного сечения для линейных антенн, включающий двухкомпонентный приемник градиента давления. Приемник представляет шарообразное тело, выполненное из звукопрозрачной уретановой композиции, внутри которого в двух взаимно перпендикулярных плоскостях располагаются приемники градиента давления, состоящие каждый из дипольной пары полусфер. Приемник давления состоит из двух цилиндрических чувствительных элементов из пьезокерамики, с двух сторон герметично закрытых крышками из капролона, одна из которых совмещена с полой выходной втулкой для вывода проводов, залитых в этой втулке уретановой композицией. Чувствительные цилиндрические элементы установлены симметрично относительно фазового центра, находящегося в центре шарообразного тела (патент РФ №2403684 C1, H04R 17/00).

Существенным недостатком данного приемника является отсутствие возможности обеспечения высокоизбирательной характеристики направленности с низким уровнем боковых лепестков; а также отсутствие возможности сканирования в пространстве характеристики направленности и недостаточное использование чувствительных элементов как конструктивных элементов приемника.

Отсюда возникает техническая проблема разработки эффективного векторно-скалярного приемника, обеспечивающего высокую пространственную избирательность гидроакустической антенны малого поперечного размера во всей контролируемой области пространства и повышенную помехоустойчивость регистрации полезного сигнала в условиях воздействия помех при увеличении соотношения получаемого соотношения сигнал/помеха в широком диапазоне частот с возможностью пространственного сканирования при построении конструкции с повышенным содержанием объема чувствительных элементов.

Перечисленные недостатки устранены в заявляемом техническом решении.

Цель изобретения - увеличение соотношения получаемого соотношения сигнал/помеха в широком диапазоне частот с возможностью пространственного сканирования при построении конструкции с повышенным содержанием объема чувствительных элементов и применение кольцеобразной обтекаемой конструктива приемной части через построение многокомпонентного векторно-скалярный приемник, обеспечивающий повышенную пространственную избирательность при возможности сканирования пространства.

Технический результат - векторно-скалярный приемник, обеспечивающий пространственную избирательность линейной гидроакустической антенны малого поперечного размера во всей контролируемой области пространства и повышенную помехоустойчивость регистрации полезного сигнала в условиях воздействия вибрационных помех.

Для решения названной проблемы предлагается векторно-скалярный приемник, выполненный в виде цилиндрического кольца, состоящего из набора пар пьезоэлектрических призм со встречной поляризацией, симметрично разнесенных друг против друга и последовательно расположенных по сторонам цилиндрического кольца в изменяемом сегментах с раскрывом от 0° до 180°, снабженных электрическими контактами, образуя приемники градиента давления, и дополнительно содержащие электрический контакт для приемника давления, при этом каждая пара пьезоэлектрических призм со встречной поляризацией имеет с соблюдением единого фазового центра на другой стороне цилиндрического кольца симметрично расположенную и последовательно подключенную пару пьезоэлектрических призм симметрично разнесенных друг против друга последовательно расположенных в изменяемом сегменте с раскрывом от 180° до 360° со встречной поляризацией.

Поставленная проблема решается также тем, что приемник снабжен аналогичным цилиндрическим кольцом, расположенным соосно первому - что дает возможность детектировать акустический сигнал по третьей координате, т.е. получить объемную картину принимаемого акустического сигнала.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».

Признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение следующих функциональных задач:

Признаки, указывающие что, имеются пары пьезоэлектрических призм со встречной поляризацией, симметрично разнесенных друг против друга последовательно расположенных в изменяемом сегменте с раскрывом от 0° до 180° по сторонам цилиндрического кольца, снабженных электрическими контактами, образуя приемники градиента давления, и дополнительно содержащие электрический контакт для приемника давления. При этом каждая пара пьезоэлектрических призм со встречной поляризацией имеет с соблюдением единого фазового центра на другой стороне цилиндрического кольца симметрично расположенную и последовательно подключенную пару пьезоэлектрических призм симметрично разнесенных друг против друга последовательно расположенных в изменяемом сегменте с раскрывом от 180° до 360° со встречной поляризацией. Таким образом, приемник может быть изготовлен, например, на базе пьезокерамического сегментированного кольца обычного типоразмера (https://www.elpapiezo.ru/plates.html) и включает как скалярные приемники (пьезокерамические призмы), так и набор приемников градиента давления представляющих собой пары пьезоэлектрических призм, со встречной поляризацией, которые разнесены друг от друга по сторонам цилиндрического кольца в сегменте от 0° до 180° и имеющих одинаковую направленность по оси максимальной чувствительности. Набор по количеству приемников градиента давления определяется возможностью формирования сегментированного кольца. При этом каждая пара пьезоэлектрических призм со встречной поляризацией имеет на другой стороне цилиндрического кольца симметрично расположенную и последовательно подключенную пару пьезоэлектрических призм со встречной поляризацией с соблюдением единого фазового центра. Таким образом, кольцо будет иметь единый фазовый центр как по скалярным, так и по векторным элементам. При этом оси максимальной чувствительности приемников градиента давления не будут сдвинуты друг относительно друга на определенные градусы в соответствии с геометрией призм. Кроме того, фактором эффективного использование чувствительных элементов по сравнению с прототипом, является то, что в цилиндрическом кольце роль конструктивных элементов имеют чувствительные элементы приемника, поскольку сегментированное цилиндрическое кольцо является самодостаточной жесткой конструкцией. Другим фактором эффективности применения цилиндрического кольца является его обтекаемая форма, по сравнению с прототипом, привносящая минимум акустических помех при приеме акустических сигналов.

Признаки, указывающие что, имеется дополнительное второе аналогичное цилиндрическое кольцо соосное первому, с функцией обеспечения дополнительной трехкоординатной компоненты измерения градиента давления ортогональной другим компонентам измерения градиента давления - что дает возможность детектировать акустический сигнал по третьей координате, т.е. получить объемную картину принимаемого акустического сигнала. Таким образом, предлагается простое решение, когда без принципиального изменения конструкции добавляется аналогичный конструктив, обеспечивающий работу по третьей координате векторно-скалярного приемника.

На Фиг. 1 представлена схема цилиндрического кольца, где 1 и 2; 3 и 4; 5 и 6; 7 и 8; 9 и 10 - пары пьезоэлектрических призм, находящихся в противоположных сторонах цилиндрического кольца с образованием единого фазового центра. При этом каждая пара пьезоэлектрических призм со встречной поляризацией имеет (кроме 1 и 2) на другой стороне цилиндрического кольца симметрично расположенную и последовательно подключенную пару пьезоэлектрических призм со встречной поляризацией с образованием единого фазового центра и соответственно для пьезоэлектрических призм 3, 4 будут призмы 7, 8, для пьезоэлектрических призм 5, 6 будут пьезоэлектрические призмы 9, 10.

На Фиг. 2 схематически изображено цилиндрическое кольцо в торцевой проекции с парой пьезоэлектрических призм 1, 2 со встречной поляризацией, находящихся в противоположных сторонах цилиндрического кольца с образованием единого фазового центра, с любой парой пьезоэлектрических призм, например, 3, 4 со встречной поляризацией, соответственно находящихся в сегменте X^3-4 цилиндрического кольца на противоположных сторонах сегмента, вплоть до пары пьезоэлектрических призм 5, 6 со встречной поляризацией, соприкасающихся боковыми поверхностями пьезоэлектрических призм и находящихся в сегменте X^5-6 цилиндрического кольца. При этом, каждая пара пьезоэлектрических призм со встречной поляризацией имеет (кроме 1 и 2) на другой стороне цилиндрического кольца симметрично расположенную пару пьезоэлектрических призм со встречной поляризацией с образованием единого фазового центра и соответственно для пьезоэлектрических призм 3, 4 будут призмы 7, 8 в сегменте Z⁷⁸, для пьезоэлектрических призм 5, 6 будут пьезоэлектрические призмы 9, 10 в сегменте Z ^9-10.

На Фиг. 3 изображены два соосных цилиндрических кольца с набором пьезоэлектрических призм для обеспечения третьей компоненты ортогональной другим компонентам измерения градиента давления пьезоэлектрические преобразователи градиента давления.

На Фиг. 4 изображен пример итоговой характеристики направленности 11 только за счет учета обработки кардиоидных характеристик, а также итоговой характеристики направленности 12 дополнительно за счет учета волновых размеров кольца (волновых размеров каждой пары пьезоэлектрических призм).

Векторно-скалярный многокомпонентный приемник работает следующим образом: порядок обработки сигналов можно представить относительно Фиг. 1 следующим образом: когда из набора суммарных сигналов (пьезоэлектрических призм 1, 2) получающихся при вычитании от сигнала от приемника давления суммарного сигнала скалярного приемника давления с кардиоидной характеристикой направленности, а также что пары пьезоэлектрических призм со встречной поляризацией, разнесены друг от друга по сторонам цилиндрического кольца в сегменте Х⁰ в диапазоне от 0° до 180° (аналогичных в наборе, таких как: X³⁴, … X⁵⁶). При этом каждая пара пьезоэлектрических призм со встречной поляризацией имеет на другой стороне цилиндрического кольца симметрично-расположенную и последовательно подключенную пару пьезоэлектрических призм со встречной поляризацией Z⁰ в диапазоне от 180° до 360° (аналогичных в наборе, таких как: Z⁷⁸, … Z^9-10) с образованием единого фазового центра образуемой с каждого компонента множества преобразователя с последующей передачей на линии задержки относительно сигнала с других пар преобразователей имеемых на другой стороне цилиндрического кольца с получением итоговой характеристики направленности каждого преобразователя и выведением сигнала от скалярных приемников давления 9 и 10. Получение характеристики направленности определено в своем сегмента. Такая же схема обработки для любой другой из множества парой (называемой для примера N-я пара комбинированных приемников) пьезоэлектрических призм 1, 2 склеенных смежными плоскостями со встречной поляризацией. Поскольку таких пар призм определено как набор, но в конкретных случаях количество призм определено конкретной геометрией трапециевидного сечения призмы и предельное количество призм соответствует геометрии кольца, так в некоторых кольцах количество пар призм может соответствовать 32 парам (в примере, когда диаметр кольца составляет 230 мм, а количество призм в кольце 64 штуки). Таким образом мы получаем однонаправленную в одной плоскости систему детектирования приходящего сигнала и исходную базу для точного определения направления приходящего сигнала. При этом классические условия определения градиента давления требуют, чтобы Δх/λ<0,4 (где Δх - расстояние между осями приемника градиента давления из пьезокерамических призм, λ - длина падающей волны) (см. стр.56, С.К. Скребнев «Комбинированные гидроакустические приемники», С.-Петербург, «Элмор»). Соответственно, любые каждые две пары приемников градиента давления в этом кольце имеют единый фазовый центр. При этом либо призмы имеющие вывод суммарного сигнала с отдельных обкладок пар пьезокерамических призм как от скалярных приемников давления, либо любые две призмы расположенные симметрично относительно фазового центра соединенные как от скалярных приемников давления, играют роль скалярного приемника давления. Далее приведение к общей направленности всего множества пер комбинированных приемников за счет относительно избранной пары 1-2 с последующим суммированием или мультиобработкой 12. Далее сканирование всего комплекта пар комбинированных приемников во всем диапазоне за счет через изменение выбора избранной пары пьезоэлектрических призм и сочетание привязанных к ней пар других пьезоэлектрических призм относительно расположения на угле раскрыва.

По Фиг. 3 можно понять, что имеется дополнительное второе аналогичное цилиндрическое кольцо соосное первому, с функцией обеспечения дополнительной объемной компоненты измерения градиента давления ортогональной другим компонентам измерения градиента давления и без принципиального изменения конструкции добавляется аналогичный конструктив, обеспечивающий работу по третьей ортогональной компоненте комбинированного приемника.

Таким образом, реализуется схема обработки сигнала, основанная на преимуществах заявляемого комбинированного приемника, а именно: 1. Сигналы с каждого компонента набора преобразователя приемника градиента давления, имеющего дипольную характеристики направленности и скалярного приемника преобразуется множество суммарных сигналов. Таким образом, остается «неподвижная» характеристика направленности обнаружения сигнала в пределах сегмента каждого приемника градиента давления. Приведенный пример позволяет через мультипликативную обработку сигналов достичь раствора вращаемой характеристики направленности единого векторно-скалярного приемника в ~20° (в примере, когда диаметр кольца составляет 230 мм, а количество призм в кольце 64 штуки) при минимуме боковых лепестков и высокой приемной чувствительности итогового мультипликативно обработанного сигнала 12 Фиг. 4. В этом случае мы имеем центральную избранную пару приемников градиента давления расположенных на оси максимальной чувствительности и 11 пар пьезоэлектрических призм расположенных равномерно по одну сторону кольца относительно оси максимальной чувствительности и 11 пар пьезоэлектрических призм расположенных равномерно по другую сторону кольца относительно оси максимальной чувствительности. При этом также в пределах этого же конструктива возможно достичь классическим способом дополнительного сужения итогового раствора характеристики направленности в ~14° (на частоте 6 кГц) за счет волнового размера пары приемников градиента давления при уровне боковых лепестков ~0,03, при сложении с основным сигналом 13 Фиг. 4. Данный пример можно представить в виде следующей функциональной формулы для расчета характеристики направленности при условии электрической и акустической идентичности каналов:

где:

• α - угол в характеристике направленности

• α₀ - угол максимальной чувствительности характеристики направленности в избранном приемнике градиента давления

• k - волновое число

• d_m - расстояние между двумя парами противолежащих пьезоэлектрических призм

• i - номер из набора суммарных сигналов (приемников градиента давления и приемников давления) от 1 до N.

В этом случае можно получить дополнительные преимущества в получении оптимальной характеристики направленности.

Изобретение относится к области гидроакустики, конкретно к векторно-скалярным приемникам и их применению для проведения гидроакустических исследований, в том числе для обнаружения источников подводных шумов в морях и океанах. Заявлен векторно-скалярный многокомпонентный приемник, который выполнен в виде цилиндрического кольца, состоящего из набора пар пьезоэлектрических призм со встречной поляризацией, симметрично разнесенных друг против друга и последовательно расположенных по сторонам цилиндрического кольца в изменяемом сегментах с раскрывом от 0° до 180°, снабженных электрическими контактами, образуя приемники градиента давления, и дополнительно содержащие электрический контакт для приемника давления. При этом каждая пара пьезоэлектрических призм со встречной поляризацией имеет с соблюдением единого фазового центра на другой стороне цилиндрического кольца симметрично расположенную и последовательно подключенную пару пьезоэлектрических призм, симметрично разнесенных друг против друга, последовательно расположенных в изменяемом сегменте с раскрывом от 180° до 360° со встречной поляризацией. Технический результат - построение характеристики направленности векторно-скалярного приемника с узким раствором луча при возможности вращения характеристики направленности. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Векторно-скалярный многокомпонентный приемник, включающий приемник давления и приемники градиента давления с пьезокерамическими чувствительными элементами и общим фазовым центром, отличающийся тем, что векторно-скалярный многокомпонентный приемник выполнен в виде цилиндрического кольца, состоящего из набора пар пьезоэлектрических призм со встречной поляризацией, симметрично разнесенных друг против друга и последовательно расположенных по сторонам цилиндрического кольца в изменяемом сегментах с раскрывом от 0° до 180°, снабженных электрическими контактами, образуя приемники градиента давления, и дополнительно содержащие электрический контакт для приемника давления, при этом каждая пара пьезоэлектрических призм со встречной поляризацией имеет с соблюдением единого фазового центра на другой стороне цилиндрического кольца симметрично расположенную и последовательно подключенную пару пьезоэлектрических призм, симметрично разнесенных друг против друга, последовательно расположенных в изменяемом сегменте с раскрывом от 180° до 360° со встречной поляризацией.

2. Векторно-скалярный многокомпонентный приемник по п. 1, отличающийся тем, что приемник снабжен аналогичным цилиндрическим кольцом, расположенным соосно первому.