Комбинированный гидроакустический приёмник Российский патент 2024 года по МПК G01S15/02 

Изобретение относится к измерительной технике и гидрофизике и предназначено для измерения параметров гидроакустических полей океана, а именно скалярного давления и вектора колебательной скорости гидроакустического поля, и может быть использовано для решения прикладных и фундаментальных задач гидроакустики.

Комбинированные гидроакустические приемники (КГП) известны и широко используются в гидроакустике. Приемники включают канал скалярного акустического давления (гидрофон) и три ортогональных канала для определения вектора колебательной скорости. Приемники снабжены системами электропитания и передачи информации. Кроме этого, приемник снабжают системой, удерживающей его в определенном положении, при этом имеются датчики положения, определяющие наклон осей векторных каналов к плоскости горизонта и ориентацию векторных каналов относительно магнитного меридиана. Фазовые центры скалярного и векторного каналов с целью уменьшения погрешности должны быть совмещены, или, хотя бы, расстояние между ними должно быть пренебрежимо малым по сравнению с длиной волны, соответствующей верхней частоте рабочего диапазона частот. КГП позволяют получать дополнительную информацию о гидроакустических полях за счёт того, что они определяют не только скалярное давление в поле акустической волны, но и вектор колебательной скорости. Такой подход, помимо определения направления прихода акустических колебаний в рабочем диапазоне частот, позволяет рассчитывать характеристики потока мощности, за счёт чего может быть получено преимущество при пеленговании шумов в изотропном поле шумов моря. Основными проблемами, ухудшающими характеристики приёмников, являются вибрационные помехи, возникающие по разным причинам и передающиеся на корпус приёмника за счёт механической связи между приёмником и элементами подвеса и наличии кабелей (кабеля) для подвода электропитания и/или вывода полезной информации. По этим же причинам, за счёт проникновения акустических колебаний на корпус приёмника опять же через элементы подвеса и подводящие кабели, происходит искажение характеристики направленности.

Наибольшее распространение получили КГП инерционного типа, которые содержат герметичный, как правило сферический корпус, внутри которого имеется инерционная масса, соединённая с корпусом посредством расположенных вдоль осей ортогональной системы координат пьезокерамических датчиков (п. РФ №2546968). При колебательном движении корпуса, находящегося в гидроакустическом поле, инерционная масса нагружает пьезокерамические датчики возникающими силами инерции, на датчиках возникают электрические напряжения, которые являются полезным сигналом, передаваемым потребителю. При этом КГП инерционного типа измеряют компоненты вектора колебательного ускорения, а для получения вектора колебательной скорости компоненты вектора колебательного ускорения необходимо интегрировать.

Известны комбинированные приемники, в которых для уменьшения воздействия на приемник вибраций используют системы, удерживающие приемник в определенном положении с использованием эластичных нитей. Например, предлагается КГП, в котором используют двухзвенную подвесную систему, при которой комбинированный приемник устанавливается в звукопрозрачной рамке, которая в свою очередь присоединена к корпусу через натяжитель, к которому посредством ограничительной нити крепится и комбинированный приемник. Крепление осуществляют посредством лонжей, изготовленных из эластичной и ограничительной нитей, например из резиновых и кевларовых нитей (п. РФ № 106880).

Необходимо отметить, что системы подвеса КГП, включающие эластичные и ограничительные нити, а также электрические кабели, служащие для подведения электропитания и соединения датчиков с системой передачи/накопления информации, ухудшают характеристики КГП, искажая характеристику направленности. Для исключения влияния элементов подвеса и соединительных кабелей предложен неконтактный подвес, состоящий из не менее четырех электромагнитов, установленных на стенках каркаса, напротив которых на внутренней поверхности приемника установлены постоянные магниты, при этом датчики положения и электромагниты соединены с электронной системой регулирования тока в электромагнитах таким образом, чтобы обеспечить постоянство положения приемника относительно датчиков положения, а каркас дополнительно оборудован системой электропитания для компонентов каркаса (п.РФ № 153134).

Однако выполнение такого рода подвеса приводит к усложнению конструкции и удорожанию.

Известен инерционный векторный КГП, содержащий каркас с установленными на нем гидрофонами, неконтактную систему подвеса герметичного корпуса, в которую входят постоянные магниты и электромагниты; систему стабилизации корпуса, которая содержит датчики положения, измеряющие зазоры между каркасом и корпусом; систему регулировки тока в электромагнитах, обеспечивающую удержание корпуса внутри каркаса в определённом положении за счёт взаимодействия магнитных полей постоянных магнитов и электромагнитов. Внутри корпуса размещена инерционная масса, закреплённая с помощью чувствительных элементов в центре корпуса, образуя 3 векторных канала, измеряющих три компоненты вектора колебательного ускорения. В корпусе также установлен электронный блок, обеспечивающий дистанционную передачу электропитания и полученной информации потребителю (п. РФ №2577421).

Это устройство рассматривается как наиболее близкое к заявляемому и принято в качестве прототипа.

Однако, следует отметить, что амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) векторных каналов приёмников инерционного типа имеет вид прямой линии с наклоном 6 дБ/октаву, т.е. с понижением частоты чувствительность таких приёмников понижается, что является одним из факторов, ограничивающих частотный диапазон снизу. Сверху частотный диапазон ограничивается размерами корпуса в связи с тем, что длина волны гидроакустических колебаний уменьшается и размеры корпуса приёмника становится соизмеримыми с длиной волны; кроме того, частотный диапазон сверху ограничивается собственным резонансом инерционной массы на датчиках векторных каналов. При этом необходимо учитывать, что среднюю плотность корпуса КГП необходимо выдерживать примерно равной плотности воды для того, чтобы обеспечивать низкую резонансную частоту подвеса, независимо от типа его устройства. Таким образом, для того, чтобы получить приемлемую чувствительность КГП на низких частотах, необходимо повышать величину инерционной массы; с учётом требований, предъявляемых к средней плотности корпуса КГП, что ведёт к пропорциональному увеличению объёма корпуса, и, как следствие, к увеличению его размеров, и в свою очередь, приводит к дополнительному ограничению частотного диапазона сверху; кроме этого, увеличение инерционной массы понижает частоту собственного резонанса инерционной массы на датчиках векторных каналов, что является дополнительным фактором, ограничивающим верхнюю рабочую частоту.

В связи с тем, что чувствительные элементы векторных каналов расположены внутри герметичного корпуса, а сам корпус подвешен в магнитных полях внутри каркаса и не имеет с каркасом никакой механической связи, прототип пришлось оснастить сложными электронными системами, обеспечивающими передачу электроэнергии внутрь корпуса и передачу информации из корпуса на каркас, с целью дальнейшего использования. Известная система магнитного подвеса не обладает естественной устойчивостью, для чего пришлось применить следящую систему, обеспечивающую удержание корпуса в заданном положении относительно каркаса и оснащённую системой измерения зазоров между корпусом и каркасом и системой регулирования тока в электромагнитах. Такая следящая система также отличается сложностью. Кроме того, вышеперечисленные системы увеличивают энергопотребление, что нежелательно для автономных регистраторов.

Таким образом, стоит проблема улучшения частотных характеристик комбинированного приемника, упрощение конструкции и снижение стоимости, уменьшение габаритных размеров и массы конструкции, уменьшение энергопотребления.

Проблема решается предлагаемой конструкцией КГП, состоящей из двух блоков, соединённых посредством кабелей: электронного блока, включающего трёхканальный усилитель с дифференциальными входами для векторных каналов и суммирующий одноканальный усилитель с четырьмя входами для гидрофонного канала, систему регистрации и систему электропитания; и приемного блока, выполненного в виде шарообразной конструкции, содержащей каркас с размещенными на нём четырьмя гидрофонами, установленный в каркасе полый негерметичный сферический корпус с отверстиями для затекания воды, в центре которого размещена заполненная воздухом герметичная полость, закреплённая в корпусе посредством стержней, соосно которым на поверхности корпуса закреплены шесть постоянных магнитов цилиндрической формы с осевым намагничиванием, входящими с зазором в отверстия кольцевых магнитов с осевым намагничиванием, закреплённых на каркасе, образуя систему стабилизации корпуса, при этом каркас изготовлен из немагнитного материала с высокой плотностью, корпус, герметичная полость и стержни - из немагнитного материалов с низкой плотностью, а система приема акустических колебаний включает три векторных канала, измеряющих компоненты вектора колебательной скорости, образованных ортогонально закрепленными на каркасе шестью электрическими катушками, попарно соединенными с дифференциальными входами трёхканального усилителя электронного блока, и канала измерения скалярного давления, образованного гидрофонами, подключенными к четырем входам суммирующего одноканального усилителя (как вариант: к четырём входам одноканального усилителя-сумматора; или: к четырём входам суммирующего усилителя).

Техническим результатом предложенной конструкции КГП является амплитудно-частотная характеристика приемника, не зависящая от частоты в рабочем диапазоне частот, обеспечивающая высокую чувствительность в низкочастотной области и отсутствие резонанса в области верхних частот рабочего диапазона частот, что позволяет расширить рабочий диапазон частот; уменьшение габаритных размеров (что также способствует расширению частотного диапазона) и массы приёмника; упрощение конструкции и снижение энергопотребления за счёт отсутствия электронной системы позиционирования соколеблющегося корпуса, дистанционных систем передачи данных и электроэнергии, а также малые погрешности формы характеристик направленности каналов за счёт отсутствия контакта соколеблющегося корпуса с несущим каркасом и снижение стоимости.

На фиг. приведена схема заявляемого приемника, где:

1 - негерметичный сферический корпус с отверстиями; 2 - герметичная полость; 3 - стержень; 4 - постоянный магнит цилиндрической формы; 5 - постоянный магнит кольцевой формы; 6 - каркас; 7 - электрическая катушка; 8 - трёхканальный усилитель сигналов с дифференциальными входами (на Фиг.1 показаны два векторных канала X и Y, лежащих в плоскости чертежа; канал Z на Фиг. не показан; показаны лишь входы канала Z усилителя); 9 - гидрофон; 10 - четырёхвходовый суммирующий усилитель; 11 - электронный блок.

Описание работы устройства.

Заявляемый КГП, измеряющий скалярное акустическое давление (P) и компоненты вектора колебательной скорости (X, Y, Z) гидроакустического поля предназначен для работы, например, в составе донной станции. При этом корпус 1 выполнен из материала с низкой плотностью и удерживается в подвешенном состоянии в каркасе 6, изготовленного из материала с высокой плотностью, который может быть выполнен, например, в виде двух колец, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях с элементами крепления, соединённых между собой посредством шести бесконтактных магнитных подвесов, каждый из которых состоит из пар магнитов 4 и 5, что позволяет возможность совершать корпусу колебания под воздействием акустической волны (соколеблется с окружающей средой), амплитуда которых, при средней плотности корпуса 1, равной плотности воды, равна амплитуде колебаний частиц жидкости в поле акустической волны [Векторно-фазовые методы в акустике / В.А. Гордиенко, В.И. Ильичев, Л.Н. Захаров. - М.: Наука, 1989, -223с]. При этом магниты 4, закреплённые на корпусе 1, перемещаются относительно электрических катушек, являющихся датчиками колебательной скорости и закреплённых на каркасе 6, вызывают на концах обмоток электрических катушек 7 переменные напряжения. При этом напряжения на электрических катушках 7, расположенных вдоль одной оси, находятся в противофазе и поступают на дифференциальный вход одного из каналов трёхканального усилителя 8 и складываются. Таким образом, на выходе каждого канала усилителя 8 получают сигналы, пропорциональные проекциям вектора колебательной скорости на оси системы координат, вдоль которых размещены цилиндрические магниты 4, закреплённые на корпусе 1, и катушки 7, закреплённые на каркасе 6. Следует отметить, что, так как сигналы катушек поступают на дифференциальные входы усилителя 8, синфазные сигналы, возникающие на катушках 7 при перемещениях корпуса 1 перпендикулярно данной оси подавляются, за счёт чего диаграмма направленности приёмника вдоль каждой оси имеет дипольную форму.

Величина скалярного давления определяется с помощью четырёх гидрофонов 9, закреплённых на каркасе 6; сигналы гидрофонов поступают на входы суммирующего усилителя 10, за счёт чего происходит выделение синфазной составляющей и подавляются противофазные. За счёт применения такой схемы достигается совпадения фазового центра группы гидрофонов с геометрическим центром корпуса 1.

Сигналы усилителей 8 и 10 поступают в систему регистрации (на Фиг. не показан), включенную в состав электронного блока 11, наряду с блоком питания (на Фиг. не показан), обеспечивающим работу электронных устройств приёмника. Усилители 8,10 и электронный блок 11 размещаются в герметичном контейнере, закреплённом, например, на донной станции, на небольшом расстоянии от места закрепления каркаса 6 приемника. В качестве системы регистрации может быть применён, например, микропроцессор с встроенным АЦП и системой записи на SD карту; в качестве блока питания может быть установлена, например, аккумуляторная батарея. Необходимо отметить, что закреплённая с помощью стержней 3 внутри корпуса 1 герметичная полость 2 служит для приведения средней плотности корпуса 1 к плотности воды. При этом вода, заполняющая полый корпус 1 через отверстия, значительно увеличивает присоединённую массу корпуса 1, за счёт чего понижается резонансная частота подвеса, зависящая от соотношения величины магнитных сил и присоединённой массы корпуса 1. В конечном итоге, для данного предложения, в зависимости от точности выдерживания параметров магнитных полей магнитов 4 и 5, размеров каркаса 6, размеров и средней плотности корпуса 1 может быть достигнута любая, наперёд заданная, частота резонанса. Практически же, частота резонанса (определяющая, в том числе, и величину сил, удерживающих корпус 1 внутри каркаса 6) должна назначаться с учётом скорости течений, существующих в месте размещения КГП.

Для подвеса корпуса 1 в каркасе 6 применены магниты 4 и 5 с осевой намагниченностью, при этом на каждой оси размещено по две пары магнитов, ориентация полюсов которых приведена на Фиг. Как показано в [https://imlab.narod.ru/M_Fields/PM_Bearings/PM_Bearings.htm], согласно теореме Ирншоу, такая система магнитного подвеса обладает радиальной (в направлении перпендикулярном оси) устойчивостью, и не обладает осевой устойчивостью. Однако, в связи с наличием трёх подвесов, расположенных вдоль трёх взаимно перпендикулярных осей, образующих единую механическую систему, объединяемую корпусом 1, корпус 1 оказывается устойчивым и удерживается силами магнитных полей без соприкосновения с каркасом 6. Размеры магнитов, зазоры между магнитами определяются экспериментально исходя из необходимой (заданной, желаемой) резонансной частоты магнитного подвеса на низких частотах.

Корпус 1, герметичная полость 2 и стержни 3 должны быть изготовлены из немагнитных материалов с низкой плотностью, например, пластика ABS. Каркас 6 должен быть изготовлен из немагнитного материала с высокой плотностью, например из нержавеющей стали. Указанное условие по соотношению плотностей материалов каркаса 6 и корпуса 1 необходимо выдерживать для уменьшения амплитуды паразитных колебаний каркаса 6, расположенного в гидроакустическом поле, из-за наличия которых может снижается величина амплитуды колебаний магнитов 4 относительно электрических катушек 7. В связи с тем, что средняя плотность корпуса 1 примерно равняется плотности воды, силы, которые должны быть созданы магнитами подвеса 4 и 5 могут быть небольшими, соответственно сами магниты, особенно с учетом наличия серийно выпускаемых магнитов из редкоземельных сплавов, обладающих большими силами магнитного взаимодействия, могут иметь очень небольшие размеры, согласно оценкам вполне достаточно в качестве цилиндрических магнитов использовать магниты диаметром 3-4 мм и длиной 5-6 мм; при этом диаметр корпуса 1 может составлять 50 мм, что конструктивно приемлемо и в несколько раз меньше диаметра корпусов известных конструкций КГП инерционного типа. При этом достаточен объём герметичной полости 2 порядка 2-3 см³. Чувствительность КГП по колебательной скорости, а заявляемый КГП вырабатывает сигналы, пропорциональные колебательной скорости и не требует интеграторов в каналах (в отличие от КГП инерционного типа), зависит от напряжённости магнитного поля, создаваемой магнитами 4, количества витков электрических катушек 7 и зазорами между катушкой 7 и магнитами 4 и может колебаться в широких пределах. Следует отметить, однако, что с точки зрения согласования датчиков с цепями усилителя вид импеданса электрических катушек более выгоден по сравнению с пьезоэлектрическими датчиками КГП инерционного типа, которые требуют высоких входных сопротивлений при условии необходимости регистрации низких частот (единицы герц), что обусловливает высокий уровень собственных шумов входных каскадов усилителя.

С целью защиты от коррозии магниты 4 и 5 могут быть покрыты защитными покрытиями, например, окрашены водонепроницаемой краской, а катушки 7 должны быть залиты водонепроницаемым компаундом. Электронный блок 11 с усилителями 8, 10 должен быть помещён в герметичный контейнер (на Фиг. не показан), а кабели, идущие от гидрофонов 9 и катушек 7, вводятся в герметичный контейнер через гермовводы (на Фиг. не показаны). Для изготовления усилителей 8 и 10 могут быть применены серийно выпускаемые операционные усилители.

Таким образом, за счет предложенной конструкции приемника достигается улучшение характеристик комбинированного приемника за счет увеличения чувствительности в области низких частот, расширение рабочего частотного диапазона за счёт понижения нижней рабочей частоты из-за снижения резонансной частоты подвеса и повышения верхней рабочей частоты из-за уменьшения габаритных размеров корпуса и принципиальное отсутствия резонанса в области высоких частот рабочего диапазона, а также упрощение конструкции устройства, снижение его стоимости, уменьшение габаритных размеров и массы конструкции, уменьшение энергопотребления.

Изобретение относится к измерительной технике и гидрофизике и предназначено для измерения параметров гидроакустических полей океана. Комбинированный гидроакустический приемник состоит из двух блоков, соединенных кабелями. Первый, электронный блок, включает трёхканальный усилитель с дифференциальными входами и суммирующий одноканальный усилитель с четырьмя входами, систему регистрации и систему электропитания. Второй, приемный блок, выполнен в виде шарообразной конструкции, содержащей каркас с размещенными на нем четырьмя гидрофонами. В каркасе установлен полый негерметичный сферический корпус с отверстиями для затекания воды, в центре которого размещена герметичная полость, заполненная воздухом. Полость закреплена в корпусе стержнями, соосно которым на поверхности корпуса закреплены шесть постоянных магнитов цилиндрической формы с осевым намагничиванием, которые входят с зазором в отверстия кольцевых магнитов с осевым намагничиванием, закреплённых на каркасе, образуя систему стабилизации корпуса. При этом каркас изготовлен из немагнитного материала с высокой плотностью. Корпус, герметичная полость и стержни - из немагнитного материала с низкой плотностью. Система приема акустических колебаний включает три векторных канала, измеряющих компоненты вектора колебательной скорости, образованных ортогонально закрепленными на каркасе шестью электрическими катушками, которые соединены с дифференциальными входами трехканального усилителя и скалярного канала давления, образованного гидрофонами, подключенными к суммирующему одноканальному усилителю. Техническим результатом предложенной конструкции КГП является амплитудно-частотная характеристика приемника, не зависящая от частоты в рабочем диапазоне частот, обеспечивающая высокую чувствительность в низкочастотной области и отсутствие резонанса в области верхних частот рабочего диапазона частот. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Комбинированный гидроакустический приемник, состоящий из двух соединенных кабелями блоков: электронного блока, включающего трёхканальный усилитель с дифференциальными входами и суммирующий одноканальный усилитель с четырьмя входами, систему регистрации и систему электропитания, и приемного блока, выполненного в виде шарообразной конструкции, содержащей каркас с размещенными на нем четырьмя гидрофонами, установленный в каркасе полый негерметичный сферический корпус с отверстиями для затекания воды, в центре которого размещена заполненная воздухом герметичная полость, закреплённая в корпусе посредством стержней, соосно которым на поверхности корпуса закреплены шесть постоянных магнитов цилиндрической формы с осевым намагничиванием, входящие с зазором в отверстия кольцевых магнитов с осевым намагничиванием, закреплённых на каркасе, образуя систему стабилизации корпуса, при этом каркас изготовлен из немагнитного материала с высокой плотностью, а корпус, герметичная полость и стержни - из немагнитного материала с низкой плотностью, система приема акустических колебаний включает три векторных канала, измеряющих компоненты вектора колебательной скорости, образованных ортогонально закрепленными на каркасе шестью электрическими катушками, соединенными с дифференциальными входами трехканального усилителя и скалярного канала давления, образованного гидрофонами, подключенными к суммирующему одноканальному усилителю.

2. Комбинированный гидроакустический приемник по п. 1, отличающийся тем, что каркас представляет собой два кольца, соединённых между собой и расположенных во взаимоперпендикулярных плоскостях.

3. Комбинированный гидроакустический приемник по п. 1, отличающийся тем, что в качестве немагнитного материала с низкой плотностью используют пластмассу.

4. Комбинированный гидроакустический приемник по п. 1, отличающийся тем, что в качестве немагнитного материала с высокой плотностью используют нержавеющую сталь.