ГИДРОФОН Советский патент 1994 года по МПК H04R1/44 

Изобретение относится к электроакустике и ультразвуковой технике, в частности к конструкции пьезоэлектрического гидрофона.

Известен гидрофон, содержащий в герметичной оболочке чувствительный элемент из пьезоэлектрического материала с электродами, а также кабель, подключенный к электродам пьезоэлектрического материала.

Недостатком известной конструкции являются низкие эксплуатационные характеристики гидрофона, обусловленные влиянием импеданса электрических потерь на выходной сигнал чувствительного элемента. Импеданс потерь в известной конструкции складывается из импеданса потерь пьезоэлемента, импеданса потерь герметизирующей оболочки, в которую заключен пьезоэлемент, импеданса потерь кабеля, подключенного к электродам пьезоэлемента, импеданса потерь входного каскада электронного устройства, подключаемого к гидрофону. В случае нарушения герметичности оболочки к нему добавляется импеданс потерь, вызванный затеканием воды в гидрофон. Влияние импеданса потерь на выходной сигнал чувствительного элемента уменьшает величину выходного сигнала, сужает полосу рабочих частот, снижает надежность работы, т.е. ухудшает эксплуатационные характеристики гидрофона.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является гидрофон, содержащий помещенный в герметичную оболочку чувствительный пьезокерамический элемент с электродами, подключенными к входу активного четырехполюсника, выход которого электрически связан с кабелем. Активный четырехполюсник в известной конструкции выполнен как катодный повторитель. Этот гидрофон выбран в качестве прототипа.

Недостатками известного гидрофона являются узкий диапазон рабочих частот, низкая чувствительность и надежность, что обусловлено влиянием импеданса электрических потерь пьезоэлемента, герметизирующей оболочки, активного четырехполюсника, а также импеданса потерь, возникающего при затекании воды, на эксплуатационные характеристики гидрофона. Кроме того, наличие частотно-зависимого выходного импеданса пьезоэлемента влияет на частотную характеристику гидрофона, увеличивая ее неравномерность.

Целью изобретения является расширение диапазона рабочих частот, увеличение чувствительности и повышение надежности, а также повышение равномерности частотной характеристики.

Цель достигается тем, что в гидрофоне, содержащем помещенный в герметичную оболочку чувствительный пьезокерамический элемент с электродами, подключенными к входу активного четырехполюсника, активный четырехполюсник выполнен в виде усилителя-преобразователя тока в напряжение, входной импеданс которого , где - импеданс электрических потерь.

С целью повышения равномерности частотной характеристики величина импеданса преобразования усилителя-преобразователя тока в напряжение выбрана прямо пропорциональной величине динамического импеданса чувствительного пьезокерамического элемента и обратно пропорциональной коэффициенту дифракции гидрофона.

На фиг. 1 представлена конструкция гидрофона; на фиг. 2 - структурная электрическая схема гидрофона; на фиг. 3 - электрическая эквивалентная схема гидрофона; на фиг. 4 - эквивалентная электрическая схема примера выполнения гидрофона.

Гидрофон содержит чувствительный пьезокерамический элемент 1 с электродами, подключенными к входу усилителя-преобразователя тока в напряжение 2, выход которого электрически связан с кабелем 3. Кроме того, гидрофон содержит герметичную оболочку 4, а усилитель-преобразователь тока в напряжение 2 заключен в металлический корпус.

Кабель 3 предназначен для подключения гидрофона к измерительной аппаратуре, а герметичная оболочка 4 - для защиты пьезоэлемента от воздействия воды.

Эквивалентная электрическая схема (см.фиг.3) гидрофона содержит генератор эквивалентного напряжения; динамический импеданс , импеданс электрических потерь , усилитель-преобразователь тока в напряжение с импедансом преобразования и входным сопротивлением , при этом ; - входной импеданс кабеля.

Выходное напряжение гидрофона определяется по формуле
= · .. (1)
Устройство работает следующим образом. При воздействии звукового давления Р_о на чувствительный элемент 1 с площадью поверхности S в нем возникает электрическое напряжение.

= , , (2) где К_д - коэффициент дифракции гидрофона;
N - коэффициент электромеханической трансформации.

С электродов электрический ток поступает на активный четырехполюсник 2, выполненный в виде усилителя-преобразователя тока в напряжение, и с его выхода напряжение поступает на кабель 3.

Поскольку усилитель-преобразователь тока в напряжение (УПТН) имеет очень маленький входной импеданс , намного меньшй импеданса потерь (см. фиг. 3), под воздействием через входную цепь УПТН течет ток , равный . На выходе УПТН, имеющего низкий выходной импеданс, возникает напряжение = . Входной импеданс кабеля намного превышает выходной импеданс УПТП и не влияет на выходное напряжение УПТН. Следовательно, напряжение на выходе кабеля будет равно напряжению на выходе УПТН. Таким образом, справедливо выражение (1), т.е. на выходной сигнал чувствительного элемента не влияет импеданс электрических потерь.

На основании формул (1) и (2):
= . (3) Чувствительность гидрофона М равна
= = .. (4)
Поскольку S и N от частоты не зависят, то для получения равномерной частотной характеристики необходимо соблюдение условия:
= ,, (5) где С - константа, независимая от частоты.

Следовательно, выбором коэффициента преобразования УПТН можно обеспечить равномерную частотную характеристику.

Пример конкретного выполнения устройства показан на эквивалентной электрической схеме (см.фиг.4). На ней динамический импеданс состоит из сопротивления R_м, индуктивности L_м и емкости С_м.

==R_м+jL_м+ (6)
Импеданс электрических потерь представлен в виде активного сопротивления потерь R_о и емкости С_о заторможенного чувствительного элемента.

Входной импеданс УПТН =10^-3Z_М. Резонансная частота гидрофона f_р = 100 кГц.

Усилитель-преобразователь тока в напряжение может быть выполнен по схеме, приведенной в журнале "Электроника", 1988, N 1, с. 77-82, рис. 2, "Быстродействующий прецизионный усилитель-преобразователь сопротивлений".

Выполнение активного четырехполюсника в виде УПТН улучшает эксплуатационные характеристики гидрофона: расширяется вниз диапазон рабочих частот, увеличивается выходной сигнал, а также повышается надежность гидрофона, так как уменьшается влияние импеданса потерь, возникающего при затекании воды в гидрофон. Выбор величины коэффициента преобразования УПТН прямо пропорционален величине динамического импеданса чувствительного элемента, позволяет получить равномерную характеристику в рабочем диапазоне частот гидрофона.

Использование: электроакустика. Сущность изобретения: гидрофон содержит помещенный в герметичную оболочку чувствительный пьезокерамический элемент с электродами, подключенными к выходу усилителя-преобразователя тока в напряжение, входной импеданс которого Z_вх≪ Z_o , где Z_o - импеданс электрических потерь. Выход усилителя-преобразователя тока в напряжение электрически связан с кабелем. 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. ГИДРОФОН, содержащий помещенный в герметичную оболочку чувствительный пьезокерамический элемент с электродами, подключенными к входу активного четырехполюсника, выход которого электрически связан с кабелем, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона рабочих частот, увеличения чувствительности и повышения надежности, активный четырехполюсник выполнен в виде усилителя-преобразователя тока в напряжение, входной импеданс которого
Z_вх <<<< Z_o ,
где Z₀ - импеданс электрических потерь. 2. Гидрофон по п. 1, отличающийся тем, что, с целью повышения равномерности частотной характеристики, величина импеданса преобразования усилителя-преобразователя тока в напряжение выбрана прямо пропорциональной величине динамического импеданса чувствительного пьезокерамического элемента и обратно пропорциональной коэффициенту дифракции гидрофона.