АКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Советский патент 2015 года по МПК G01S7/52 

Предлагаемое изобретение относится к области измерения статических характеристик гидрофизических полей жидкости, в частности, к подводным приемникам колебательных смещений, обусловленных возникновением волновых колебаний в жидкой среде под воздействием на последнюю естественных и искусственных источников возмущения гидродинамического и гидроакустического происхождения и может быть использовано в системах гидролокации для обнаружения упомянутых источников излучения.

Известны устройства, основанные на преобразовании звуковых колебаний жидкости в колебания измерительной катушки относительно постоянного магнита /1, с. 309-315/. Эти устройства предназначены для измерения колебательной скорости жидкости и состоят из герметичной сферической оболочки, в которой размещены магнит, жестко связанный с оболочкой, и катушка, неподвижно удерживаемая за счет инерции внутренней массы, закрепленной внутри оболочки на подвешивающих пружинах.

Подобные устройства имеют искаженную паразитными колебаниями частотную характеристику, а наличие подвешивающих пружин обуславливает нижний предел рабочего диапазона частот и их применение ограничено измерением только горизонтальных компонент измеряемых величин.

Известно также устройство обнаружения гидролокационных сигналов - гидроакустический приемник колебательных смещений [2, c. 3].

Это устройство по своему назначению наиболее близко к предлагаемому, выбрано в качестве прототипа и состоит из взаимосвязанных измерительного блока и электронного блока.

Измерительный блок содержит также воспринимающий элемент, выполненный в виде диска и жестко связанный с чувствительным элементом, выполненным на основе магниторезисторов и жестко закрепленным на неподвижном экране или корпусе, и представляет собой датчик перемещения с несколькими этапами преобразования входной величины в электрический сигнал.

Устройство работает следующим образом.

Воспринимающий элемент перемещается под действием регистрируемой величины и передает перемещения с помощью держателя и истока на магниторезисторы, которые в свою очередь перемещаются в зазоре между постоянными магнитами. Поле этих магнитов должно иметь равномерный градиент напряженности, заданный и поддерживаемый с определенной точностью. Перемещение магниторезисторов в неоднородном магнитном поле вызывает изменение сопротивления последних, которое и регистрируют как выходной параметр.

Данное устройство предназначено для измерений колебательных смещений в жидкой среде. Однако измеренная величина должна вызывать перемещение порядка 1-2 мм. Но в упругих элементах при упомянутых перемещениях наблюдаются явления гистерезиса и упругого последействия, что приводит к снижению чувствительности и точности измерений. Кроме того, в реальной конструкции практически невозможно создать в поле постоянных магнитов равномерный задаваемый и поддерживаемый с необходимой точностью градиент напряженности магнитного поля, поскольку величины напряженности магнитного поля и магнитной проницаемости зависят от времени /старения/ и температуры, а создать неоднородное поле с большим градиентом /порядка 1 тл /мм/ на участке порядка 1-2 мм практически невозможно. Сто приводит к снижению чувствительности и точности измерений.

Описанные недостатки снижают класс точности измерений, приводят к снижению чувствительности и надежности измерений.

Целью предлагаемого изобретения является повышение чувствительности и точности измерений гидролокационных сигналов за счет снижения выходного сопротивления чувствительного элемента, обладающего, при этом, совершенными упругими характеристиками, и уменьшение этапов преобразования входной энергии измеряемого сигнала в выходные электрические сигналы.

Поставленная цель достигается за счет того, что в обнаружителе гидролокационных сигналов, содержащем корпус, в котором размещены взаимосвязанные измерительный блок с чувствительным и воспринимающим элементами и электронный блок, воспринимающий элемент измерительного блока выполнен в виде диска и механически связан с чувствительным элементом, жестко закрепленном в неподвижном корпусе, корпус выполнен в виде экрана, закрытого сетчатой потокозащитной оболочкой, в центре симметрии корпуса в экране выполнено отверстие, в котором установлен с минимальным зазором упомянутый воспринимающий элемент и зафиксирован в отверстии экрана с помощью упомянутого чувствительного элемента, который выполнен на основе полупроводникового кремниевого монокристалла и состоит из двух симметричных сдвоенных монокристаллических тензорезисторов с утолщениями по середине для механического крепления в центре симметрии воспринимающего элемента, который одновременно является и центром массы последнего, и по краям для создания на них омических контактов с малой плотностью тока и для крепления на кромке экрана, при этом монокристаллические тензорезисторы установлены взаимоперпендикулярно с противоположных сторон плоскости воспринимающего элемента параллельно последней с предварительным натяжением, обеспечивающим использование эффекта ″разложения сил на канате″, в нижней части корпуса перпендикулярно плоскости экрана жестко присоединена герметичная камера, составляющая единое целое с корпусом, в которой размещена плата электронного блока, электрически связанного с измерительным блоком, нижняя стенка камеры выполнена с прямоугольным фланцем для крепления устройства на посадочном месте.

Такое построение устройства обеспечивает повышение чувствительности и точности измерений гидролокационных сигналов благодаря тому, что воспринимающий элемент закреплен и отцентрирован в отверстии экрана с помощью упругого чувствительного элемента, выполненного из двух упругих тензорезисторов на основе полупроводникового кремниевого монокристалла, обеспечивает устранение явлений гистерезиса и упругого последействия. Малое, порядка 100-500 Ом, внутреннее сопротивление тензорезисторов обеспечивает снижение собственных шумов, а сокращение этапов преобразования энергии входных сигналов в выходные электрические сигналы приводит к уменьшению потерь информации в измерительном блоке.

Данное техническое решение соответствует критериям ″существенные отличия″ и ″новизна″, так как перечисленные выше признаки в этой совокупности органически связаны, существенны, необходимы и достаточны для обеспечения поставленной задачи.

Все признаки в заявляемом устройстве известны порознь, но в той совокупности, в которой они заявлены в предложенном техническом решении, не встречаются ни в аналогах, ни в прототипе, ни в других источниках информации, доступных заявителю и авторам. При этом заявляемая совокупность признаков проявляет новое свойство, которое не обнаруживается ни в одном из известных объектов, а именно: измерять в широком диапазоне длин волн гидролокационных сигналов в области малых /пороговых/ значений во всем диапазоне рабочих глубин погружения с повышенной чувствительностью и точностью измерений.

Поэтому предложенное решение соответствует критериям ″существенные отличия″ и ″новизна″.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:

на фиг. 1 - обнаружитель гидролокационных сигналов, общий вид;

на фиг. 2 - измерительный блок, общий вид;

на фиг. 3 - электронный блок, схема электрическая;

на фиг. 4 - электронный блок, схема монтажная.

Обнаружитель гидролокационных сигналов /см. фиг. 1, 2/ состоит из корпуса 1, выполненного в виде экрана 2, закрытого сетчатой потокозащитной оболочкой 3 и герметичной камерой 4, жестко соединенной с корпусом 1 перпендикулярно плоскости экрана 2. В корпусе 1 размещены взаимосвязанные измерительный блок 5 с чувствительным 6 и воспринимающим 7 элементами и электронный блок 8.

Воспринимающий элемент 7 выполнен в виде плоского жесткого диска, например, из титана, и закреплен при помощи чувствительного элемента 6 в отверстии диаметром 10 мм, выполненном в центре симметрии экрана 2 с минимальным зазором порядка 0,1÷0,2 мм. Чувствительный элемент 6 состоит из двух симметричных сдвоенных полупроводниковых кремниевых монокристаллических тензорезисторов 6-1 и 6-2 с коэффициентом тензочувствительности К=/1÷1,2/·10 и выполненных в виде тонкой струны диаметром 12-30 мкм с утолщениями A и B по концам для создания на них омических контактов с малой плотностью тока и утолщением C в середине для механического крепления в центре симметрии, являющимся одновременно и центром массы воспринимающего элемента 7. Экран 2 предназначен для ослабления эффекта акустического короткого замыкания.

Сетчатая потокозащитная оболочка 3 обеспечивает значительное уменьшение генерируемого на поверхности экрана 2 псевдозвукового давления, спектральные составляющие которого могут достигать (особенно в области частот до 200 Гц) уровня 110 дБ (здесь децибелы приняты относительно 2·10 Н/м). Одновременно упомянутая оболочка 3 служит для предохранения измерительного блока 5 от случайных механических повреждений. Крепят оболочку 3 к буртикам 9, составляющим одно целое с экраном 2. Электронный блок 8 /см. фиг. 1, 3, 4/ состоит из схемы включения полупроводниковых монокристаллических тензорезисторов 6-1 и 6-2 /TR1 и TR2/, собранной на элементах C1, C2, R1, R2, R3 и R4 и дифференциального усилителя, построенного на микросхеме А1 типа 140 УД17, входы которой подсоединены к выходам TR1 и TR2, a выход служит выходом устройства и может быть подсоединен через низкочастотный фильтр напрямую регистрацию сигналов в диапазоне звуковых частот, а также на детектор для детектирования раздельно модулированных и немодулированных сигналов в диапазоне ультразвуковых частот.

Связь обнаружителя гидролокационных сигналов с блоком регистрации, индикации и управления осуществляется с помощью герметичной, водонепроницаемой приборной вилки 10, например, типа 2РМГД24Б10Ш5Е2, которая электрически связана с электронным блоком 8 и укреплена на корпусе камеры 4.

Сборку обнаружителя гидролокационных сигналов осуществляют следующим образом /см. фиг. 1, 2/. Утолщения A и B полупроводниковых монокристаллических тензорезисторов 6-1 и 6-2 крепят с помощью водоустойчивого эпоксидного клея, например, типа ″Спрут″ взаимоперпендикулярно на кромке отверстия в экране 2 предварительно поместив между ними воспринимающий элемент 7. После этого средние - C части тензорезисторов 6-1 и 6-2 перемещают в противоположные стороны от плоскости воспринимающего элемента 7 перпендикулярно последнему и крепят с помощью водоустойчивого эпоксидного клея, например, типа ″Спрут″ на соответствующие контактные площадки 11, чем обеспечивают предварительное натяжение тензорезисторов 6-1 и 6-2 при котором рабочее перемещение отцентрированного с помощью тензорезисторов 6-1 и 6-2 в отверстии экрана 2 воспринимающего элемента 7 приводит при малых усилиях к большим изменениям сопротивлений тензорезисторов 6-1 и 6-2. Зоны омических контактов A и B защищены клеем, а электрические выводы тензорезисторов 6-1 и 6-2 покрывают, например, кремнийорганическим лаком. Полость 12, в которой расположен измерительный блок 5 с чувствительным 6 и воспринимающим 7 элементами заливают низкомодульным /например, марки КЛТ/ или полиуретановым составом, который одновременно служит для гидроизоляции элементов 6-1 и 6-2 измерительного блока 5 и для предотвращения локальных нарушений ламинарности потока жидкости, обтекающей экран 2. Электронный блок 8 устанавливают с помощью розетки 13 /например, типа МРН 14-1/ на однотипной с розеткой 13 вилке 14, укрепленной на кронштейне 15 в полости камеры 4, а свободную грань его фиксируют на кронштейне 16. Затем, соединив по электрическим цепям измерительный блок 5 с электронным блоком 8, а последний с вилкой 10, полость камеры 4 герметизируют с помощью крышки 17 и уплотнительной прокладки 18. Все места герметичных соединений и контактов дополнительно герметизируют герметиком, например, типа УТ-32 ТУ 38.1051386-80. Затем к специальным буртикам 9, составляющим единое целое с экраном 2 жестко крепят сетчатую потокозащитную оболочку 3.

Параллельно со сборкой и соединением по электрическим цепям элементов и блоков обнаружителя гидролокационных сигналов осуществляют их настройку. Проверяют работоспособность элементов, блоков и устройства в целом.

Устройство работает следующим образом /см. фиг. 1, 2, 3/.

Действие акустического сигнала или группового перемещения частиц жидкости вызывают плоско-параллельное перемещение воспринимающего элемента 7, которое вызывает попеременное сжатие-растяжение тензорезисторов 6-1 и 6-2.

Это приводит к изменению внутреннего сопротивления последних и в конечном счете к изменению электрического сигнала на их выводах A и B. Конструкция чувствительного элемента 6 приводит к тому, что при рабочем перемещении воспринимающего элемента 7 сопротивления тензорезисторов 6-1 и 6-2 имеют равные по величине, но противоположные по знаку приращения. Это приводит к удвоению сигнала измерительного блока 5 и к термокомпенсации в нем. Наличие предварительного прогиба тензорезисторов 6-1 и 6-2 позволило использовать эффект ″разложение силы на канате″, что привело к дополнительному повышению коэффициента умножения усилия, развиваемого воспринимающим элементом 7, который определяется соотношением площадей воспринимающего элемента 7 и поперечного сечения тензорезисторов 6-1 и 6-2. При реальном соотношении этих площадей величина упомянутого коэффициента может достигать значений 10⁸÷10¹⁰. Дополнительно он может быть увеличен за счет различных трансформаторов силы или перемещения /например, рычажных или разложения силы на канате/. В этом случае возможно увеличение усилия на один-два порядка. Это позволило повысить чувствительность устройства и довести ее до 10÷15 мВ/Па. Выполнение тензорезисторов 6-1 и 6-2 с утолщениями A и B на концах привело к снижению сопротивления растекания в областях омических контактов и выносит последние из области с относительно высокой плотностью поля; что в свою очередь снижает шумы контактов, а утолщения C повышают качество механического соединения тензорезисторов 6-1 и 6-2 с воспринимающим элементом 7. Выходное напряжение измерительного блока 5 подают на дифференциальный усилитель, выполненный на операционном усилителе А1. Напряжение с выхода А1 подают для дальнейшего использования, например, на блок регистрации, индикации и управления. Границы частотного диапазона заявляемого обнаружителя гидролокационных сигналов ограничении снизу практически не имеют при работе в режиме ″датчика давления″. При работе в режиме ″приемника градиента давления″ нижняя граница частоты обуславливается условиями акустического короткого замыкания, которые определяются геометрическими размерами экрана 2:

$$f_{н.}=V_{зж}/2L$$ ,

где V_зж - скорость звука в жидкой среде;

L - сторона квадратного экрана 2.

Верхняя граничная частота определяется частотой основного механического резонанса тензорезисторов 6-1 и 6-2 /при эффективном демпфировании жидкостью основным резонансом всей подвижной системы измерительного блока 5 можно пренебречь/:

$$f_{в}=V_{зт}/2l$$

где V_з.т. - скорость звука в материале тензорезистора:

l - его длина.

При V_з.ж.=1,5 км/с и V_з.т.=7 км/с и геометрических размерах L=0,1 м, l=5·10^-3 м; f_в=1,4·10⁶ Гц, а f_н при работе в режиме ″приемника градиента давления″ равна 1,5·10⁴ Гц.

Предлагаемый обнаружитель гидролокационных сигналов обладает следующими основными параметрами:

масса, не более, г 100 напряжение питания, В 12 чувствительность, не ниже, мВ/Па 10÷15 энергопотребление, не более, Вт 0,3 диапазон рабочих частот, Гц   - в режиме ″приемника   градиента давления″ 1,5·10⁴-1,4·10⁶ - в режиме ″датчик давления″   не выше 1,4·10⁶ долговечность, ориентировочно, ч 4000

Таким образом, предлагаемый обнаружитель гидролокационных сигналов отличается от всех существующих устройств обнаружения гидролокационных сигналов, повышенными чувствительностью и точностью измерений, предназначен для использования в системах подводной гидролокации для обнаружения различных источников излучения в широком диапазоне длин волн и может использоваться как в одноканальных, так и в многоканальных системах.

Заявляемый обнаружитель гидролокационных сигналов технологичен в изготовлении, в нем использованы элементы и узлы, серийно выпускаемые промышленностью. Изготовление составных элементов, например, измерительного блока, корпуса с сетчаткой потокозащитной оболочкой, платы электронного блока не представляет технических трудностей.

Источники информации

1. Боббер Р.Дж. Гидроакустические измерения. М., 1974 г.

2. ЦНИИ «Румб» Сб. рефератов изобретений по тематике отрасли, сер. III, «Гидроакустические приборы и устройства, их установка и эксплуатация», вып. 3, 1982 г.

Изобретение относится к области подводных приемников и может быть использовано в системах гидролокации для обнаружения источников излучения. Достигаемый технический результат - повышение чувствительности. Указанный результат достигается за счет того, что акустический преобразователь содержит корпус с размещенным в нем герметичным электронным блоком и механически связанными между собой чувствительным и воспринимающим элементами, причем воспринимающий элемент выполнен в виде диска, а чувствительный элемент жестко закреплен в корпусе, при этом чувствительный элемент выполнен в виде двух симметричных сдвоенных монокристаллических тензорезисторов, причем тензорезисторы установлены взаимно перпендикулярно с противоположных сторон плоскости воспринимающего элемента параллельно последней с предварительным натяжением. 4 ил.

Акустический преобразователь, содержащий корпус с размещенными в нем герметичным электронным блоком и механически связанными между собой чувствительным и воспринимающим элементами, причем воспринимающий элемент выполнен в виде диска, а чувствительный элемент жестко закреплен в корпусе, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и повышения точности преобразования акустических сигналов, чувствительный элемент выполнен в виде двух симметричных сдвоенных монокристаллических тензорезисторов, при этом тензорезисторы установлены взаимно перпендикулярно с противоположных сторон плоскости воспринимающего элемента параллельно последней с предварительным натяжением.