Гидрофон Советский патент 1980 года по МПК H04R1/44 

(54) ГИДРОФОН

I

.Изобретение относится к области гидроакустики, более конкретно - к электромеханическим приборам, преобразующим механические колебания водной среды в электрические сигналы, и может быть использовано в подвижных и стационарных устройствах и системах подводной акустики.

Известны гидрофоны, работающие с использованием пьезоэффекта - проверка технических параметров и калибровка которых осуществляется с помощью встроенных калибровочных устройств 1.

Данные гидрофоны выгодно отличаются от щироко распространенных типов пьезокерамических гидрофонов тем, что их метрологическое обслуживание экономично, просто и не требует демонтажа гидрофона для создания искусственных условий калибровки и градуировки, как это делается обычно для типовых пьезокерамических приемников.

В то же время указанные аналоги обладают существенными недостатками:

- определение чувствительности гидрофонов имеет больщую погрешность до 10-f 15 дб;

-калибровка гидрофонов прюизводится на узкой полосе частот, определяемой возможностями калибровочного . излучателя;

-градуировка гидрофонов осуществляется не во всем рабочем диапазоне частот приемников;

- динамический диапазон излз ателя калибровочного сигнала не обеспечивает высокого соотношения сигнал/шум, что снижает эффективность и точность метрологических операций

10 при их проведении в непосредственных условиях эксплуатации гидрофонов.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является гидрофон, содержащий пьезокерамический чувствительный эле15мент с металлизированной внутренней полостью, калибровочное устройство, сигнальные цепи, элементы герметизации и крепления 2.

При всей простоте гидрофона с встроенным микротелефонным калибратором, он обладает

20 рядом недостатков;

-низкой точностью самокатшбровки и определения чувствительности гидрофона вследствие больщой (до 12 дб) неравномерности частотНОЙ характеристики микротелефонного излучателя, особенно на крайних частотах полосы излучаемого звукового сигнала; -неравномерностью диаграммы направленности излучения калибровочного сигнала из-за особенностей конструктивного исполнейия микротелефона;- ограниченным частотным диапазоном кали бровочного сигнала, имеющим приемлемую для заданной точности калибровки неравномерность частотной характеристики; -низкий динамический диапазон калиброночного сигнала, обусловленный возможностям конструкции микротелефонного излучателя и условием обеспечения излучения калибровочного сигнала с заданной неравномерностью час тотной характеристики; -нестабильность во времени электроакусти ческих параметров микротелефонного излучателя калибровочного сигнала, их суи ественна зависимость от колебаний температуры, влажности, вибраций и физико-химических свойств материалов, из которых изготовлен микротеле фон; -невозможность градуировки гидрофона в его рабочем диапазоне частот с помощью микротелефонного излучателя калибровочного сигнала по причинам, указагшым в пп. 1,2,3. Целью настоящего изобретения является повышение точности определения чувтсвительности во всем его диапазоне рабочих частот гидр фона. Это достигается тем, что устройство снабже но злектростаттеским возбудителем, разме- . щенным во внутренней полости пьезоэлемента и выполненным в виде металлического электр да, установленного с зазором по отношению к внутрегшей поверхности пьезоэлемента, не превышающим 0,015 своего радиуса, и соединенного с источником ПОСТОЯ1ШОГО высокого напряжения и генератором переменного низкого напряжения рабочих частот гидрофона. Изобретение поясняется чертежом. Предлагаемый гидрофон содержит пьезокерамический чувствите.пып,ш элемент 1 с внутренней полостью 2, сигнального электрода 3, соединенного с корпусом гидрофона 4, калибровочного дополнительного электрода 5, элементов крепления и герметизации 6, источника питания калибровочного электрода по стоянным током 7 и источника питания калибровочного электрода переменным током 8. При калибровке и градуировке гидрофона с помощью встроенного электростатического возбудителя калибровочного сигнала на дополнительный электрод подается одновременно переменное напряжение необходимой частоты и постоянное напряжение Е. 4 Мгновенное напряжение U|, приложенное к электроду равно сумме напряжений U| Е UpT sin cot. Между дополнительным электродом и металлизированной внутренней поверхностью чувствительного пьезокерамического элемента возникает равномерно распределенная электростатическая сила притяжения. На статическую часть этой силы пьезокерамика гидрофона не реагирует, а на переменную часть - вырабатывается напряжение реакции, соответствующее реакции пьезокерамики на переменное акустическое давление водной среды. При Е Urn ( 30-50) рабочая формула для калибровки и градуировки гидрофона имеет вид: Рэкв. ,85.10-Мн/м, где РЗКВ. - эквивалентное акустическому электростатическое давление на поверхности пьезокерамики; Е - напряжение от источника постоянного тока, в вольтах; UITI - амплитуда переменного напряжения от генератора, в вольтах; d - зазор между калибровочным электродом и внутренней поверхностью пьезокерамики; 8,85 10 ф/м - диэлектрическая проницаемость воздуха в зазоре. Как видно из рабочей формулы, эффективное значение давления на поверхности пьезокерамики не зависит от частоты напряжения возбуждения, что позволяет использовать для градуировки гидрофона весь его рабочий диапазон частот. Чувствительность гидрофона на конкретной частоте определяется Вых -гилроф аналитически по формулеУ выха идроф. напряжение реакции пьезокерамики гидрофона на калибровочное воздействие, либо то же напряжение, но прошедшее усиление акустического тракта и поданное на оконечное регистрирующее устройство (вольтметр с градуировкой шкалы в единицах давления, дб); РЭКВ. расчетное значение электростатического давления эквивалентного акустическому давлению водной среды определенной величинь и частоты. При выполнении условия постоянства величины зазора между электродами во внутренней полости чувствительного элемента, погрешность самокалибровки и градуировки гидрофона во всем диапазоне его рабочих частот будет в 3 раза ниже, чем у прототипа, и составит не более ± 2 дб. 5 Предложенная конструкция, гидрофона выго но отличается по своим возможностям: -расширяется частотный диапазон самокалибршки гидрофона, становится возможной его градуировка без привлечения дополнитель ных средств и устройств; - появляется возможность оперативно осуществлять метрологическое обслуживание гидр фона с лучшими показателями точности определения чувтсвительности, с повышенным отношением сигнал/шум, что обуславливает реализацию данного предложения в системах, установленных в местах с повышенной шумностью среды; -появляется возможность использовать предложен1п 1Й гидрофон в условиях большого гидростатическото давления, так как высокая эффективность гидрофона на большой глубине достигается созданием во внутренней полости электростатического противодавления с помошью дополнительного электрода и источника постоягшого напряжения; -улучшаются показатели безотказности и долговечности калибровочного устройства, встроенного в гидрофон, так как оно уже не содержит ненадежных радиоэлементов. Предлагаемый гидрофон может быть исполь зован, например, в акустических трактах глубоководных стационарных или подвижных измерительных систем, в аппаратуре морской сейсморазведки. Использование его позволит получить положительный эффект при техническом обслуживании аппаратуры за счет оперативности, простоты и достаточной точности результатов калибровки и градуировки гидрофона непосредстве шо в условиях эксплуатации без демонтажа, привлечения образцовых и других средств обьпшото обеспечения метрологического обслуживания. Формула изобретения Гидрофон, содержащий пьезокерамический чувствительный элемент с металлизированной внутренней полостью, калибровочное устройство, сигнальные цепи, элементы герметизации и . крепления, отличающийся тем, что, с целью повышения тошости определения его чувствительности в рабочем диапазоне частот, устройство снабжено электростатическим возбудителем, размеше1шым во внутренней полости пьезокерамического чувствительного элемента и выполненным в виде металлического электрода, установленного с зазором по отношению к . внутренней поверхности пьезокерамического чувствительного элемента, не превышающим 0,015 своего радиуса, и соедине1шога с введенными источником постоянного высокого напряжения и генератор(м переменного низкого напряжения рабочих частот гидрофона. Источники информащй, принятые во внимание при экспертизе 1.Патент США № 3118125, кл. 340-8, публик. 1964. 2.Авторское свидетельство СССР № 193325, л. Н 04 R 1/44, 1966 (прототип).