RU178896U1

RU178896U1 - ACOUSTIC HYDROLOCATION DEVICE

Info

Publication number: RU178896U1
Application number: RU2017146764U
Authority: RU
Inventors: Вадим Юрьевич Волощенко; Сергей Павлович Тарасов; Антон Юрьевич Плешков; Александр Петрович Волощенко; Василий Алексеевич Воронин; Петр Петрович Пивнев
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "ГидроМаринн"
Priority date: 2017-12-28
Filing date: 2017-12-28
Publication date: 2018-04-23

Abstract

Полезная модель относится к гидроакустической технике и может быть использована при конструировании гидроакустических систем. Устройство для акустической гидролокации, содержащее акустическую антенну, состоящую из корпуса, внутренние поверхности которого покрыты звукоизолирующими экранами; основание с укрепленными на нем электроакустическими преобразователями, имеющими одну резонансную частоту, соединенными с коммутатором; внутренний объем корпуса заполнен звукопрозрачным герметизирующим компаундом, причем апертура антенны, состоящая из приемоизлучающих поверхностей электроакустических преобразователей, представляет собой выпуклый в направлении эхопоиска отсек цилиндрической поверхности радиусом кривизны R, у которого образующая l расположена в угломестной плоскости и по длине на порядок меньше, чем размер хорды, стягивающей крайние симметричные относительно акустической оси точки дуги длиной L, стрела прогиба h, рабочий сектор α, длина дуги L, хордасвязаны между собой соотношениями h=×tg(α/4)/2=R[1-cos(α/2)]; L=0,01745Rα;=2Rsin(α/2), электроакустические преобразователи через коммутатор соединены как с генераторным, так и приемными трактами. Техническим результатом полезной модели является повышение достоверности и точности регистрируемых данных за счет оптимизации пространственно-угловых характеристик зондирующего ультразвукового поля и высокой помехоустойчивости многоэлементной дуговой антенны в режиме приема. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.The utility model relates to sonar technology and can be used in the design of sonar systems. A device for acoustic sonar, comprising an acoustic antenna consisting of a body, the inner surfaces of which are covered with soundproof screens; a base with electro-acoustic transducers mounted on it, having one resonant frequency, connected to the switch; the internal volume of the body is filled with a translucent sealing compound, and the antenna aperture, consisting of transceiver surfaces of electroacoustic transducers, is a cylindrical surface convex in the direction of echo search with a radius of curvature R, whose generatrix l is located in the elevation plane and is an order of magnitude smaller than the size of the chord , contracting extreme points of an arc of length L symmetrical with respect to the acoustic axis, arrow of deflection h, working sector α, arc length L, chords are interconnected relations h = × tg (α / 4) / 2 = R [1-cos (α / 2)]; L = 0.01745Rα; = 2Rsin (α / 2), the electro-acoustic transducers are connected through the switch to both the generator and receiver paths. The technical result of the utility model is to increase the reliability and accuracy of the recorded data by optimizing the spatial and angular characteristics of the probing ultrasonic field and the high noise immunity of the multi-element arc antenna in the receiving mode. 1 s.p. f-ly, 3 ill.

Description

Полезная модель относится к гидроакустической технике и может быть использована при измерениях в гидроакустике.The utility model relates to sonar technology and can be used in measurements in sonar.

При решении широкого круга исследовательских и практических задач освоения Мирового океана заметную роль играют гидроакустические системы, построенные на принципах подводного звуковидения. Данные устройства позволяют получать двумерные гидролокационные изображения звукорассеивающих поверхностей и объектов как в соответствии со звукофокусирующим методом при использовании звукового объектива, так и с методом пространственно-временной обработки сигналов с фазированной антенной решетки.In solving a wide range of research and practical tasks of developing the oceans, a significant role is played by hydroacoustic systems built on the principles of underwater sound vision. These devices make it possible to obtain two-dimensional sonar images of sound-scattering surfaces and objects both in accordance with the sound-focusing method using a sound lens, and with the method of spatio-temporal processing of signals from a phased array antenna.

Из уровня техники известен акустический тракт системы получения ультразвукового изображения с переменным фокусным расстоянием [Фолдс Д.Л. Современное состояние проблемы ультразвуковых линз // Подводная акустика и обработка сигналов / Под ред. Л. Бьерне. - М.: Мир, 1985. - С. 236-250], состоящий из «подсвечивающего» электроакустического преобразователя и трех групп преломляющих элементов с диаметром 1 м. Система разработана для фокусировки лучей на расстояния от 10 м и до 150 м с помощью перемещения центрального двояковыпуклого элемента из полистирола диаметром 30 см вдоль акустической оси.The prior art acoustic path system for obtaining ultrasonic images with variable focal length [Folds DL The current state of the problem of ultrasonic lenses // Underwater acoustics and signal processing / Ed. L. Bjorn. - M .: Mir, 1985. - S. 236-250], consisting of a “illuminating” electro-acoustic transducer and three groups of refractive elements with a diameter of 1 m. The system is designed to focus the rays at distances from 10 m to 150 m by moving a central biconvex element made of polystyrene with a diameter of 30 cm along the acoustic axis.

К недостаткам описанной системы следует отнести значительность весогабаритных параметров на частотах выше 500 кГц, ухудшение качества изображения объектов, находящихся вне акустической оси, применение непрерывного режима излучения вследствие невысокой чувствительности метода, возникновение бликовой структуры изображения за счет интерференции сигналов, рассеянных различными частями объекта и другими объектами, находящимися в зоне обзора, невысокая производительность поиска.The disadvantages of the described system include the significance of weight and size parameters at frequencies above 500 kHz, the deterioration of the image quality of objects located outside the acoustic axis, the use of a continuous radiation mode due to the low sensitivity of the method, the appearance of a glare image structure due to interference of signals scattered by various parts of the object and other objects located in the field of view, low search performance.

Известен акустический тракт системы подводного звуковидения с рабочей частотой 30 кГц, установленной на батискафе «Архимед» [К. Клей, Г. Медвин Акустическая океанография: основы и применения - М.: изд-во «Мир», 1980. - с. 171-176] и подводных аппаратах «Циана» (Франция), «Олвин» (США) [программа разработки и применения специальных приборов и методов, предназначенных для исследования центральной части Срединно-Атлантического хребта FAMOUS - French-American Mid-Ocean Underwater Study, 1971-1974 гг., Дж. P. Хейцлер, У.Б. Брайен. Дно океана в пределах срединно-атлантического рифта // Наука об океане / Пер. с англ.; Под ред. О.И. Мамаева. - М.: Прогресс, 1981. - с. 104-136], содержащий многоэлементную интерференционную антенну, которая снабжена отражателем и соединена через коммутатор с выходом генераторного тракта и с входом приемного тракта. Способ обзора пространства и необходимая при этом форма и положение характеристики направленности определяют форму и размеры интерференционной антенны, которая выполнена в виде вытянутого цилиндра (длина 91 см). Интерференционная многоэлементная антенна цилиндрической формы, обеспечивающая прием и излучение акустических сигналов в водной среде с необходимой пространственной избирательностью, собрана из необходимого количества коротких цилиндрических электроакустических преобразователей, которые состоят из пьезоактивных элементов в виде склеенных между собой трапецеидальных призм. Электроакустические преобразователи распределены в секции в линейном направлении, образуя цилиндрическую боковую поверхность - рабочую апертуру, линии коммуникаций (провода), соединяющие электроакустические преобразователи между собой, и через вводы (выводы) электрических сигналов с радиотехническими устройствами в трактах излучения и приема. Интерференционная цилиндрическая антенна расположена горизонтально вдоль направления движения носителя внутри «желобообразного» экрана-отражателя на расстоянии 5 см (длина излучаемой ультразвуковой волны) от нижнего угла последнего. Уголковый отражатель был сконструирован для работы на глубине более 8000 м, состоит из трех плоских элементов-«зеркал»: горизонтального, вертикального и верхнего наклонного (30° от вертикали внутрь) с размерами 12×110 (см), 12×110 (см) и 8×110 (см) соответственно, что дополняет «реальную» цилиндрическую антенну тремя ее изображениями в отражающих плоскостях, причем, верхняя наклонная плоскость улучшает облучение дна на близких расстояниях. Акустическое зеркало отражает тем лучше, чем сильнее различаются импедансы материала отражателя и воды, в связи, с чем отражатель конструктивно состоит из слоя свинца на слое алюминия, скрепленных эпоксидной смолой, что обеспечивает заданный коэффициент отражения и прочность конструкции. Соотношение размеров антенны и длины волны λ, используемых в акустическом тракте системы ультразвуковых колебаний, выбирается из условия получения «ножевого» основного лепестка характеристики направленности - узкого (~ 1°) в азимутальной и широкого (~ 30°) в угломестной плоскостях соответственно, причем, максимум основного лепестка расположен примерно на 15° ниже азимутальной плоскости. При работе моночастотной системы подводного звуковидения с выхода генераторного тракта зондирующий сигнал через коммутатор поступает на интерференционную многоэлементную антенну, излучающую в среду лоцирования - воду акустический сигнал. Формирование основного лепестка характеристики направленности происходит в азимутальной плоскости естественным путем за счет интерференции ультразвуковых колебаний, в угломестной - за счет применения акустического экрана-отражателя, причем, он же обеспечивают и ориентацию основного лепестка в сторону дна. Акустический сигнал распространяется в водной среде, отражается от объектов, находящихся в воде, а также от дна, и принимается той же антенной. Электрический сигнал, соответствующий эхо-сигналам, поступает на вход приемного тракта, где выполняется его обработка по заданному алгоритму (усиление, частотная фильтрация, регулировка в блоках временной автоматической регулировки усиления (ВАРУ) и «Отсечка», детектирование и другие виды обработки).The known acoustic path of an underwater sound system with an operating frequency of 30 kHz installed on the bathyscaphe "Archimedes" [K. Clay, G. Medvin Acoustic Oceanography: Fundamentals and Applications - M.: Mir Publishing House, 1980. - p. 171-176] and underwater vehicles “Ziana” (France), “Alvin” (USA) [program for the development and application of special instruments and methods designed to study the central part of the Mid-Atlantic ridge FAMOUS - French-American Mid-Ocean Underwater Study, 1971-1974, J.P. Heitzler, W.B. Brian. The ocean floor within the mid-Atlantic rift // Ocean Science / Transl. from English; Ed. O.I. Mamaev. - M .: Progress, 1981. - p. 104-136], containing a multi-element interference antenna, which is equipped with a reflector and connected through a switch to the output of the generator path and to the input of the receive path. The way to view the space and the required shape and position of the directivity characteristics determine the shape and dimensions of the interference antenna, which is made in the form of an elongated cylinder (length 91 cm). A cylindrical interference multi-element antenna that provides the reception and emission of acoustic signals in an aqueous medium with the necessary spatial selectivity is assembled from the required number of short cylindrical electro-acoustic transducers, which consist of piezoelectric elements in the form of trapezoidal prisms glued together. Electro-acoustic transducers are distributed in sections in a linear direction, forming a cylindrical lateral surface - a working aperture, communication lines (wires) connecting the electro-acoustic transducers with each other, and through the inputs (outputs) of electrical signals with radio devices in the radiation and reception paths. The interference cylindrical antenna is located horizontally along the direction of movement of the carrier inside the "gutter-shaped" reflector screen at a distance of 5 cm (the length of the emitted ultrasonic wave) from the lower corner of the latter. The corner reflector was designed to work at a depth of more than 8000 m, consists of three flat elements - “mirrors”: horizontal, vertical and upper inclined (30 ° from the vertical inward) with dimensions of 12 × 110 (cm), 12 × 110 (cm) and 8 × 110 (cm), respectively, which complements the “real” cylindrical antenna with its three images in reflective planes, and the upper inclined plane improves bottom irradiation at close distances. An acoustic mirror reflects the better, the stronger the differences between the impedances of the material of the reflector and the water, in connection with which the reflector constructively consists of a layer of lead on a layer of aluminum, bonded with epoxy resin, which provides a given reflection coefficient and structural strength. The ratio of the antenna sizes and the wavelength λ used in the acoustic path of the system of ultrasonic vibrations is selected from the conditions for obtaining the “knife” main lobe of the directivity pattern - narrow (~ 1 °) in the azimuthal and wide (~ 30 °) in elevation planes, respectively, the maximum of the main lobe is located approximately 15 ° below the azimuthal plane. When operating a monofrequency underwater sound system from the output of the generator channel, the probing signal through the switch is fed to an interference multi-element antenna that emits an acoustic signal into the location medium - water. The formation of the main lobe of the directivity characteristic occurs in the azimuthal plane in a natural way due to interference of ultrasonic vibrations, in the elevated plane due to the use of an acoustic reflector screen, and it also provides the orientation of the main lobe towards the bottom. An acoustic signal propagates in the aquatic environment, is reflected from objects in the water, as well as from the bottom, and is received by the same antenna. The electrical signal corresponding to the echo signals is fed to the input of the receiving path, where it is processed according to a predetermined algorithm (amplification, frequency filtering, adjustment in the blocks of temporary automatic gain control (VARU) and “Cut-off”, detection and other types of processing).

Недостатками данного устройства являются невозможность генерации в водной среде полигармонического зондирующего сигнала за счет нелинейных эффектов, потери при отражении акустических сигналов, а также вероятность искажения результирующей характеристики направленности за счет возбуждения собственных резонансных колебаний металлических элементов акустического экрана-отражателя сложной конструкции.The disadvantages of this device are the inability to generate a polyharmonic sounding signal in the aquatic environment due to nonlinear effects, loss in reflection of acoustic signals, and the likelihood of distortion of the resulting directivity due to the excitation of intrinsic resonant vibrations of metal elements of an acoustic reflector screen of complex design.

Акустический тракт современных гидролокаторов бокового обзора (ГБО) состоит из расположенной в водной среде гидроакустической антенны, содержащей корпус, внутренние поверхности которого покрыты звукоизолирующими экранами; в корпусе расположено основание с укрепленными на нем электроакустическими преобразователями, соединенными через коммутатор с выходом генераторного тракта и с входом приемного тракта ГБО; внутренний объем корпуса заполнен звукопрозрачным герметизирующим компаундом. В большинстве антенн ГБО в качестве электроакустических преобразователей используют призматические пьезоэлементы, работающие, как правило, на одной из своих резонансных частот. Размеры пьезоэлементов определяются их резонансной частотой, а также параметрами характеристик направленности гидроакустической антенны в азимутальной и угломестной плоскостях. В низкочастотных ГБО могут использоваться электроакустические преобразователи сложной конструкции (стержневые, грибовидные и другие) (см. Корякин Ю.А., Смирнов С.А., Яковлев Г.В. Корабельная гидроакустическая техника: состояние и актуальные проблемы. - СПб.: Наука, с. 198-217). Например, рассмотрим акустический тракт гидролокатора типа SportScan, описание которого приведено на сайте http://www.fort21.ru. При работе гидролокатора с выхода генераторного тракта зондирующий сигнал через коммутатор поступает на двухчастотную интерференционную гидроакустическую антенну, излучающую в среду лоцирования - воду ультразвуковой сигнал с частотой 330 кГц или 800 кГц. Антенна имеет характерные для бокового обзора пространственные характеристики амплитуд звукового давления излучаемых ультразвуковых пучков, в частности, различную угловую ширину по уровню (- 3 дБ) основного лепестка характеристики направленности: - в азимутальной плоскости 1.8° (330 кГц), 0.7° (800 кГц), а в угломестной - 60° (330 кГц), 30° (800 кГц). Ультразвуковой сигнал той или иной частоты распространяется в водной среде, отражается от объектов, находящихся в воде, а также от дна, и принимается той же антенной. Электрический сигнал, соответствующий эхосигналам, поступает на вход приемного тракта, где выполняется его обработка по заданному алгоритму (усиление, частотная фильтрация, регулировка в блоках временной автоматической регулировки усиления (ВАРУ) и «Отсечка», детектирование и другие виды обработки). Следует отметить, что при увеличении глубины под судном (от 75 м до 140 м) при одинаковом заглублении антенны от поверхности (30 м) при одной и той же наклонной дальности (120 м) ширина полосы обзора уменьшается (от 111 м до 48 м), что снижает эксплуатационные возможности рассмотренного акустического тракта.The acoustic path of modern side-scan sonars (HBO) consists of a sonar antenna located in the aquatic environment, containing a body, the inner surfaces of which are covered with soundproof screens; in the case there is a base with electro-acoustic transducers mounted on it, connected through a switch with the output of the generator path and with the input of the receiver path of the HBO; the internal volume of the body is filled with a translucent sealing compound. Most HBO antennas use prismatic piezoelectric elements as electroacoustic transducers, operating, as a rule, at one of their resonant frequencies. The dimensions of the piezoelectric elements are determined by their resonant frequency, as well as the parameters of the directivity characteristics of the hydroacoustic antenna in the azimuthal and elevation planes. In low-frequency HBO, electroacoustic transducers of complex design (rod, mushroom, and others) can be used (see Koryakin Yu.A., Smirnov S.A., Yakovlev GV Shipborne sonar equipment: state and current problems. - St. Petersburg: Science , p. 198-217). For example, consider the acoustic path of a SportScan sonar, the description of which is given on the website http://www.fort21.ru. When the sonar is operating from the output of the generator path, the probing signal through the switch is fed to a two-frequency interference hydroacoustic antenna emitting an ultrasonic signal with a frequency of 330 kHz or 800 kHz into the location medium - water. The antenna has the spatial characteristics of the sound pressure amplitudes of the emitted ultrasonic beams that are characteristic of a side view, in particular, different angular widths in terms of the level (- 3 dB) of the main lobe of the directivity pattern: - in the azimuth plane 1.8 ° (330 kHz), 0.7 ° (800 kHz) and in elevation - 60 ° (330 kHz), 30 ° (800 kHz). An ultrasonic signal of one or another frequency propagates in the aquatic environment, is reflected from objects in the water, as well as from the bottom, and is received by the same antenna. The electric signal corresponding to the echo signals is fed to the input of the receiving path, where it is processed according to a predetermined algorithm (amplification, frequency filtering, adjustment in the blocks of temporary automatic gain control (VARU) and “Cut-off”, detection and other types of processing). It should be noted that with an increase in depth under the vessel (from 75 m to 140 m) with the same depth of the antenna from the surface (30 m) at the same inclined range (120 m), the width of the field of view decreases (from 111 m to 48 m) , which reduces the operational capabilities of the considered acoustic path.

Известен акустический тракт гидролокатора бокового обзора подводного буксируемого аппарата НГА-1 [Новиков Б.К., Тимошенко В.И Параметрические антенны в гидролокации. - Л.: Судостроение, 1989. - c. 215-218], принятый за прототип, включающий в себя расположенную в водной среде лоцирования многоэлементную интерференционную антенну, содержащую корпус, внутренние поверхности которого покрыты звукоизолирующими экранами; в корпусе расположено основание с укрепленными на нем электроакустическими преобразователями, соединенными через коммутатор с выходом генераторного тракта и с входом приемного тракта ГБО; внутренний объем корпуса заполнен звукопрозрачным герметизирующим компаундом. Интерференционная многоэлементная антенна с прямоугольной (700 мм × 28 мм, 1°×20°) плоской апертурой (20000 мм²), обеспечивающая прием и излучение акустических сигналов в водной среде с необходимой пространственной избирательностью, состоит из электроакустических преобразователей, поверхности которых образуют рабочую плоскую поверхность необходимого размера, линии электрической коммутации, соединяющие преобразователи как между собой, так и через вводы (выводы) электрических сигналов с радиотехническими устройствами в трактах излучения и приема, элементы экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции (см. Свердлин Г.М. Гидроакустические преобразователи и антенны. Л.: Судостроение, 1980, с 177). Электроакустические преобразователи выполнены в виде полу во л новых пьезокерамических стержней, которые эквидистантно распределены по ее плоской формируемой апертуре, но с зазорами, размер которых составляет около половины длины волны излучаемого сигнала. Электроды пьезоэлементов преобразователей электрически соединены проводами. Преобразователи крепятся с помощью клея к основе, являющейся их тыльным акустически мягким экраном, которая в свою очередь плотно входит в корпус. Снаружи на нижней части корпуса через фланец осуществлен герметичный и изолированный ввод (вывод) электрических коммуникаций с помощью кабеля, кабель соединен пайкой с проводами, и, соответственно, с электродами пьезоэлементов. Внутренний объем корпуса с установленной пенопластовой основой с приклеенными электроакустическими преобразователями полностью заполнен звукопрозрачным эластичным компаундом. Антенна в сборе через шумоизолирующую резину крепится болтами к корпусу подводного буксируемого аппарата таким образом, что она расположена горизонтально вдоль направления движения носителя, а ее акустическая ось наклонена вниз на 20° относительно горизонта при стабилизированном пространственном положении движущегося под водой аппарата.Known acoustic path of the side-scan sonar of an underwater towed vehicle NGA-1 [Novikov B.K., Timoshenko V.I. Parametric antennas in sonar. - L .: Shipbuilding, 1989. - c. 215-218], adopted as a prototype, including a multi-element interference antenna located in an aqueous location medium, comprising a housing, the inner surfaces of which are covered with soundproof shields; in the case there is a base with electro-acoustic transducers mounted on it, connected through a switch with the output of the generator path and with the input of the receiver path of the HBO; the internal volume of the body is filled with a translucent sealing compound. A multi-element interference antenna with a rectangular (700 mm × 28 mm, 1 ° × 20 °) flat aperture (20,000 mm ² ), which receives and emits acoustic signals in an aqueous medium with the necessary spatial selectivity, consists of electro-acoustic transducers, the surfaces of which form a working flat the surface of the required size, electrical switching lines connecting the converters both among themselves and through the inputs (outputs) of electrical signals with radio devices in the radiation paths and Receiving, screening elements, hydraulic, electrical and sound insulation (see. Sverdlin GM hydroacoustic transmitters and antennas. L .: Shipbuilding, 1980, 177). The electro-acoustic transducers are made in the form of a half-wave of new piezoceramic rods, which are equidistantly distributed over its flat formed aperture, but with gaps of about half the wavelength of the emitted signal. The electrodes of the piezoelectric transducers are electrically connected by wires. The transducers are attached with glue to the base, which is their rear acoustically soft screen, which in turn fits snugly into the body. Outside, on the lower part of the housing, a sealed and insulated input (output) of electrical communications via a cable is made through the flange, the cable is connected by soldering to the wires, and, accordingly, to the electrodes of the piezoelectric elements. The internal volume of the body with the installed foam base with glued electro-acoustic transducers is completely filled with a translucent elastic compound. The antenna assembly through the soundproof rubber is bolted to the body of the underwater towed vehicle in such a way that it is located horizontally along the direction of movement of the carrier, and its acoustic axis is tilted down 20 ° relative to the horizon when the spatial position of the vehicle moving under water is stabilized.

Недостатками данного устройства являются ухудшение энергетических характеристик обзора за счет потери некоторой доли мощности эхосигнала в результате поступательного перемещения основного лепестка антенны за время от момента излучения зондирующего сигнала до момента приема эхосигнала; ограничение энергетического потенциала акустического тракта величиной площади плоской апертуры антенны; наличие протяженной минимальной дальности (мертвой зоны) гидролокатора бокового обзора, что снижает вероятность уверенного обнаружения малых объектов; отсутствие возможности выделения полезного эхосигнала донной реверберации.The disadvantages of this device are the deterioration of the energy characteristics of the review due to the loss of a certain fraction of the power of the echo signal as a result of the translational movement of the main lobe of the antenna during the time from the moment of emission of the probe signal to the moment of receiving the echo signal; limiting the energy potential of the acoustic path to the size of the flat aperture of the antenna; the presence of an extended minimum range (dead zone) of the side-scan sonar, which reduces the likelihood of confident detection of small objects; the inability to highlight a useful bottom reverb echo.

Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: расположенная в водной среде гидроакустическая антенна, содержащая корпус, внутренние поверхности которого покрыты звукоизолирующими экранами; в корпусе расположено основание с укрепленными на нем электроакустическими преобразователями, соединенными через коммутатор с выходом генераторного тракта и с входом приемного тракта ГБО; внутренний объем корпуса заполнен звукопрозрачным герметизирующим компаундом.Signs that coincide with the claimed object: located in the aquatic environment hydroacoustic antenna containing a housing, the inner surfaces of which are covered with soundproof screens; in the case there is a base with electro-acoustic transducers mounted on it, connected through a switch with the output of the generator path and with the input of the receiver path of the HBO; the internal volume of the body is filled with a translucent sealing compound.

Основной задачей заявляемой полезной модели является создание устройства для акустической гидролокации, обеспечивающего получение гидролокационных изображений с различной степенью детализации при осуществлении обследования водного объема акватории за счет возможности осуществления выбора как необходимой угловой разрешающей способности в угломестной и азимутальных плоскостях, так и частоты регистрируемого ультразвукового эхосигнала в каждом цикле «излучение-прием».The main objective of the claimed utility model is the creation of a device for acoustic sonar, providing sonar images with varying degrees of detail when examining the water volume of the water area due to the possibility of choosing both the necessary angular resolution in elevated and azimuthal planes, and the frequency of the recorded ultrasonic echo signal in each radiation-reception cycle.

Техническим результатом полезной модели является повышение достоверности и точности регистрируемых данных за счет оптимизации пространственно-угловых характеристик зондирующего ультразвукового поля и высокой помехоустойчивости многоэлементной дуговой антенны в режиме приема.The technical result of the utility model is to increase the reliability and accuracy of the recorded data by optimizing the spatial and angular characteristics of the probing ultrasonic field and the high noise immunity of the multi-element arc antenna in the receiving mode.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для акустической гидролокации, содержащем многоэлементную антенну, состоящую из корпуса, внутренние поверхности которого покрыты звукоизолирующими экранами, и основания с укрепленными на нем электроакустическими преобразователями, имеющими одну резонансную частоту, и соединенными с коммутатором, а внутренний объем корпуса заполнен звукопрозрачным герметизирующим компаундом, апертура антенны, состоящая из приемоизлучающих поверхностей электроакустических преобразователей, выполнена в виде выпуклого в направлении эхопоиска отсека цилиндрической поверхности радиусом кривизны R, у которого образующая l расположена в угломестной плоскости и по длине на порядок меньше, чем размер хорды а, стягивающей крайние симметричные относительно акустической оси точки дуги длиной L, а стрела прогиба h, рабочий сектор α, длина дуги L, хорда а, связаны между собой соотношениями h=a×tg(α/4)/2=R[1-cos(α/2)]; L=0,01745Rα; a=2Rsin(α/2), при этом электроакустические преобразователи выполнены с возможностью соединения с генераторным и приемным трактами.The technical result is achieved in that in an acoustic sonar device containing a multi-element antenna, consisting of a housing, the inner surfaces of which are covered with soundproof shields, and bases with electro-acoustic transducers mounted on it having one resonant frequency, and connected to the switch, and the internal volume of the housing filled with a soundproof sealing compound, the aperture of the antenna, consisting of transceiver surfaces of electro-acoustic transducers, Execute a convex towards ehopoiska compartment cylindrical surface of curvature radius R, whose generatrix l located in the elevation plane and along the length of an order of magnitude smaller than the size of the chord and subtending extreme symmetric about the acoustic axis of the arc length L, while deflection h, working sector α, arc length L, chord a , are interconnected by the relations h = a × tg (α / 4) / 2 = R [1-cos (α / 2)]; L = 0.01745Rα; a = 2Rsin (α / 2), while the electro-acoustic transducers are made with the possibility of connection with the generator and receiving paths.

Полезная модель поясняется чертежами, где:The utility model is illustrated by drawings, where:

на фиг. 1 схематично изображено расположение устройства для акустической гидролокации.in FIG. 1 schematically shows the location of the device for acoustic sonar.

на фиг. 2 схематично показана конструкция многоэлементной дуговой антенны;in FIG. 2 schematically shows the construction of a multi-element arc antenna;

на фиг. 3 схематически представлены особенности обзора морского дна с помощью устройства для акустической гидролокации.in FIG. 3 schematically presents the features of the seabed review using an acoustic sonar device.

Устройство для акустической гидролокации (фиг. 1) состоит из расположенной в водной среде 5 многоэлементной дуговой антенны 6, соединенной через коммутатор 7 с выходом генераторного тракта 8 и с входом приемного тракта 9 гидролокатора бокового обзора. Многоэлементная дуговая антенна 6 (фиг. 2) содержит корпус 4, внутренние поверхности которого покрыты звукоизолирующими экранами 2; в корпусе расположено основание с укрепленными на нем электроакустическими преобразователями 1; внутренний объем корпуса заполнен звукопрозрачным герметизирующим компаундом 3, причем, апертура антенны 6, состоящая из приемоизлучающих поверхностей электроакустических преобразователей 1, выполнена в виде выпуклого в направлении эхопоиска отсека цилиндрической поверхности радиусом кривизны R, у которого образующая l расположена в угломестной плоскости и по длине на порядок меньше, чем размер хорды a, стягивающей крайние симметричные относительно акустической оси точки дуги длиной L.The device for acoustic sonar (Fig. 1) consists of a multi-element arc antenna 6 located in the aquatic environment 5, connected through a switch 7 to the output of the generator path 8 and to the input of the receive path 9 of the side-scan sonar. Multi-element arc antenna 6 (Fig. 2) contains a housing 4, the inner surfaces of which are covered with soundproof shields 2; in the housing there is a base with electro-acoustic transducers 1 mounted on it; the internal volume of the housing is filled with a translucent sealing compound 3, moreover, the aperture of the antenna 6, consisting of the receiving-emitting surfaces of the electro-acoustic transducers 1, is made in the form of a cylindrical surface convex in the direction of the echo search by a radius of curvature R, for which the generatrix l is located in the elevation plane and is an order of magnitude length smaller than the size of the chord a , contracting extreme points of an arc of length L, which are symmetrical with respect to the acoustic axis.

Предложенное устройство функционирует следующим образом:The proposed device operates as follows:

Из генераторного тракта 8 через коммутатор 7 поступает переменное электрическое напряжение, частота колебаний которого совпадает с резонансной частотой полуволновых электроакустических преобразователей 1, причем, в силу пьезоэффекта они будут изменять свои размеры с частотой, равной частоте приложенного напряжения, т.е. будут совершать колебания. Эти колебания через герметизирующий звукопрозрачный компаунд 3 передаются в водную среду 5 и распространяются в виде сгущений и разряжений, т.е. ультразвуковых волн одинаковой интенсивности во всех направлениях, что создает в окружающем пространстве ультразвуковое поле. При синфазном электрическом возбуждении всех полуволновых электроакустических преобразователей 1, составляющих апертуру многоэлементной дуговой антенны 6, ее характеристика направленности в водной среде 5 будет обусловлена интерференцией колебаний в каждой точке ее объема, проявляющейся в перераспределении звуковой энергии в виде чередующихся минимумов и максимумов амплитуды результирующего колебания. При эхолокации антенна 6 преобразует подаваемые на нее импульсы электрической энергии и излучает импульсы ультразвуковых колебаний необходимой длительности. Водная среда 5 обладает нелинейностью своих упругих свойств, что приводит к появлению нелинейного эффекта самовоздействия при распространении импульса интенсивной ультразвуковой волны (см. Мюир Т. Дж. Нелинейная акустика и ее роль в геофизике морских осадков // Акустика морских осадков / Пер. с англ.; Под ред. Ю.Ю. Житковского. - М.: Мир, 1977. - с. 227-273). Самовоздействие можно рассматривать как результат воздействия нелинейного изменения упругих свойств среды на характеристики мощного импульсного зондирующего сигнала накачки с частотой ƒ в области распространения, в результате чего формируются в водной среде 6 акустические сигналы кратных частот: - высшие гармонические составляющие с частотами 2ƒ, 3ƒ, … iƒ, … nƒ, где n=2, 3, …, i, … - порядковый номер гармоники. Нелинейный эффект в акустическом поле, формируемом многоэлементной дуговой антенной 6, позволяют разделить в пространстве процессы преобразования электрической энергии в акустическую (электроакустические преобразователи 1) и формирования направленного излучения (участок водной среды 5, в котором взаимодействуют частотные составляющие спектра мощного импульса накачки, соответствующие его тональному заполнению). В объеме «бестелесной» антенны распределены нелинейные источники указанных выше акустических сигналов, в результате чего при небольших поперечных размерах многоэлементной дуговой антенны 6 генерируются высокочастотные акустические сигналы в пределах небольших телесных углов при практически полком отсутствии бокового поля. Полигармонический зондирующий сигнал, содержащий спектральные составляющие с частотами ƒ, 2ƒ, 3ƒ, …, nƒ, где n=1, 2, 3, … - порядковый номер гармоники, после распространения в водной среде 5 достигает границы раздела и отражается от нее, причем, все отраженные составляющие полигармонического сигнала несут определенную амплитудную, фазовую и частотную информацию об облучаемой границе раздела, позволяя на каждой указанной выше частоте судить об отражательной способности и удалении от антенны 6. Таким образом, некоторая часть энергии импульса распространяется в обратном направлении и достигает, пройдя через герметизирующий звукопрозрачный компаунд 3, электродов - рабочих поверхностей полуволновых электроакустических преобразователей 1, находящихся в режиме приема. Переменное ультразвуковое поле эхосигнала, воздействуя на электроды, передается пьезоэлектрическому материалу полуволновых электроакустических преобразователей 1, в результате чего на них вырабатывается переменное импульсное электрическое напряжение, поступающее через герметичный ввод по кабелю в приемный тракт 9 локатора. Подчеркнем отличительные свойства устройства для акутической гидролокации. Так, отраженный полигармонический сигнал достигает многоэлементной дуговой антенны 6, находящейся в режиме приема, которая вырабатывает электрические сигналы, соответствующие указанным выше спектральным компонентам с частотами ƒ, 2ƒ, 3ƒ, …, iƒ, … nƒ. Уровни каждого из электрических сигналов определяются амплитудными характеристиками направленности R_p.ƒ(ϕ,θ), R_p.2ƒ(ϕ,θ), R_p.3ƒ(ϕ,θ), …, R_p.rƒ(ϕ,θ), а также чувствительностями Y_ƒ, Y_2ƒ, Y_3ƒ, …, Y_iƒ в режиме приема многоэлементной дуговой антенны 6 для каждой из рассеянных границей раздела акустических волн с указанными выше частотами колебаний, где ϕ, θ - углы прихода рассеянных волн в азимутальной и угломестной плоскостях, отсчитываемые от нормали к апертуре антенны.From the generator path 8, an alternating voltage is supplied through the switch 7, the oscillation frequency of which coincides with the resonant frequency of the half-wave electro-acoustic transducers 1, and, due to the piezoelectric effect, they will change their sizes with a frequency equal to the frequency of the applied voltage, i.e. will oscillate. These vibrations are transmitted through the sealing sound-transparent compound 3 to the aqueous medium 5 and propagate in the form of condensations and discharges, i.e. ultrasonic waves of the same intensity in all directions, which creates an ultrasonic field in the surrounding space. With in-phase electrical excitation of all half-wave electro-acoustic transducers 1, comprising the aperture of a multi-element arc antenna 6, its directivity in the aqueous medium 5 will be due to interference of vibrations at each point of its volume, manifested in the redistribution of sound energy in the form of alternating minima and maxima of the amplitude of the resulting oscillation. When echolocation, the antenna 6 converts the supplied pulses of electric energy and emits pulses of ultrasonic vibrations of the required duration. Aquatic environment 5 has a nonlinearity of its elastic properties, which leads to the appearance of a nonlinear effect of self-action during the propagation of an intense ultrasonic wave pulse (see Muir T. J. Non-linear acoustics and its role in the geophysics of marine sediments // Acoustics of marine sediments / Transl. From English. ; Under the editorship of Yu.Yu. Zhitkovsky. - M.: Mir, 1977 .-- pp. 227-273). Self-action can be considered as the result of the influence of a nonlinear change in the elastic properties of the medium on the characteristics of a powerful pulsed probe pump signal with a frequency ƒ in the propagation region, resulting in the formation of 6 acoustic signals of multiple frequencies in the aqueous medium: - higher harmonic components with frequencies 2ƒ, 3ƒ, ... iƒ , ... nƒ, where n = 2, 3, ..., i, ... is the serial number of the harmonic. The nonlinear effect in the acoustic field generated by the multi-element arc antenna 6 allows us to separate in space the processes of converting electric energy into acoustic (electro-acoustic transducers 1) and the formation of directional radiation (section of the aqueous medium 5, in which the frequency components of the spectrum of the powerful pump pulse corresponding to its tonal filling in). Non-linear sources of the above acoustic signals are distributed in the volume of the “incorporeal” antenna, as a result of which, at small transverse dimensions of the multi-element arc antenna 6, high-frequency acoustic signals are generated within small solid angles with practically no lateral field. A polyharmonic probe signal containing spectral components with frequencies ƒ, 2ƒ, 3ƒ, ..., nƒ, where n = 1, 2, 3, ... is the serial number of the harmonic, after propagation in the aqueous medium 5 reaches the interface and is reflected from it, and, all reflected components of the polyharmonic signal carry certain amplitude, phase and frequency information about the irradiated interface, allowing at each frequency indicated above to judge the reflectivity and the distance from the antenna 6. Thus, some part of the pulse energy is spreads in the opposite direction and reaches, after passing through a sealing sound-transparent compound 3, of electrodes - the working surfaces of half-wave electro-acoustic transducers 1, which are in the receiving mode. The alternating ultrasonic field of the echo signal, acting on the electrodes, is transmitted to the piezoelectric material of the half-wave electro-acoustic transducers 1, as a result of which an alternating pulsed electric voltage is generated through the cable through the sealed input to the receiving path 9 of the locator. We emphasize the distinctive properties of the device for acoustic sonar. So, the reflected polyharmonic signal reaches the multi-element arc antenna 6, which is in the receiving mode, which produces electrical signals corresponding to the above spectral components with frequencies ƒ, 2ƒ, 3ƒ, ..., iƒ, ... nƒ. The levels of each of the electrical signals are determined by the amplitude directivity characteristics R _p.ƒ (ϕ, θ), R _p.2ƒ (ϕ, θ), R _p.3ƒ (ϕ, θ), ..., R _p.rƒ (ϕ, θ) as well as the sensitivities Y _ƒ , Y _2ƒ , Y _3ƒ , ..., Y _iƒ in the reception mode of a multi-element arc antenna 6 for each of the acoustic waves scattered by the interface with the above-mentioned oscillation frequencies, where ϕ, θ are the angles of arrival of the scattered waves in the azimuthal and elevation planes counted from the normal to the antenna aperture.

Использование в устройстве для акустической гидролокации апертуры антенны 6 в виде выпуклого в направлении эхопоиска отсека цилиндрической поверхности радиусом кривизны R, у которого образующая l расположена в угломестной плоскости (фиг. 3) дает возможность изменения угловой ширины основного лепестка характеристики направленности в азимутальной плоскости, т.е. разрешающей способности метода бокового обзора за счет приема эхосигналов на кратных частотах ƒ, 2ƒ, 3ƒ, … nƒ, где n=1, 2, 3, … - порядковый номер гармоники.The use in the device for acoustic sonar aperture of antenna 6 in the form of a cylindrical surface convex in the direction of echo search of a radius of curvature R, for which the generatrix l is located in the elevation plane (Fig. 3), makes it possible to change the angular width of the main lobe of the directivity in the azimuthal plane, t. e. resolution of the side-scan method by receiving echo signals at multiple frequencies ƒ, 2ƒ, 3ƒ, ... nƒ, where n = 1, 2, 3, ... is the harmonic sequence number.

Эффективность направленного действия многоэлементной дуговой антенны 6 в режиме приема эхосигналов в полосе частот, соответствующей указанному выше диапазону дискретных отраженных компонент сформировавшегося излучения, даже в предположении их некогерентности будет повышена, так как суммарная интенсивность есть результат энергетического суммирования интенсивностей отдельных спектральных составляющих. Если в пределах полосы пропускания приемного тракта дискретный спектр частотных составляющих является равномерным, то общая характеристика направленности по интенсивности

представляет собой среднее арифметическое их характеристик направленности

для многоэлементной дуговой антенны 6 на отдельных частотных составляющих (см. Евтютов А.П., Митько В.Б. Инженерные расчеты в гидроакустике. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Судостроение, 1988. - 288 с.)The efficiency of the directional action of a multi-element arc antenna 6 in the mode of receiving echo signals in the frequency band corresponding to the above range of discrete reflected components of the formed radiation, even assuming their incoherence, will be increased, since the total intensity is the result of energy summation of the intensities of individual spectral components. If within the passband of the receiving path the discrete spectrum of frequency components is uniform, then the general directional characteristic in intensity

represents the arithmetic mean of their directivity

for a multi-element arc antenna 6 on separate frequency components (see Evtutov A.P., Mitko V.B. Engineering calculations in hydroacoustics. - 2nd ed., revised and additional - L .: Sudostroenie, 1988. - 288 from.)

где R_p⋅i(ϕ,θ) - характеристика направленности по давлению на i-той частоте дискретной составляющей спектра, n - общее число дискретных частотных составляющих спектра эхосигнала. Физически это можно рассматривать как увеличение времени облучения цели

, где ϕ_0,7(nƒ) - угловая ширина по уровню 0,7 основного лепестка характеристики направленности антенны на частоте nƒ в азимутальной плоскости, r - наклонная дальность, υ - скорость прямолинейного, равномерного и поступательного движения носителя по линии курса без учета имеющихся в реальных условиях угловых колебаний приемоизлучающей антенны (рысканье, крен и дифферент).where R _p⋅i (ϕ, θ) is the pressure directivity characteristic at the ith frequency of the discrete component of the spectrum, n is the total number of discrete frequency components of the spectrum of the echo signal. Physically, this can be considered as an increase in the target exposure time.

, where ϕ _{0.7 (nƒ)} is the angular width at the level of 0.7 of the main lobe of the directivity characteristics of the antenna at a frequency nƒ in the azimuthal plane, r is the slant range, υ is the speed of the rectilinear, uniform and translational movement of the carrier along the course line without taking into account the available in real conditions of angular oscillations of the receiving-emitting antenna (yaw, roll and trim).

Рассмотрим динамику изменения помехоустойчивости χ многоэлементной дуговой антенны 6 в режиме приема, характеризующей ее способность в силу пространственной избирательности выделять информативный сигнал с частотой ƒ, 2ƒ, 3ƒ, …, iƒ, … nƒ используемой спектральной компоненты полигармонического эхосигнала от взволнованной границы раздела «вода-воздух» на фоне помех. Помехоустойчивость χ определяется отношением как мощностей P_c, P_n сигнала и помех на выходе антенны 6, так и интенсивностей сигнала и помехи I_c, I_n, измеренных в месте нахождения антенны 6 при условии ее отсутствия, а также ее коэффициентом осевой концентрации K₀ для направления ϕ,θ=0°, которое в нашем случае совпадает с акустической осью антенны 6

. Известно эмпирическое соотношение (см. В.А. Зарайский, А.М. Тюрин Теория гидролокации Л., 1975, 604 с.), позволяющее осуществить приближенный расчет коэффициента концентрации

, где, как следует из приведенных выше данных величина знаменателя уменьшается с ростом частоты ƒ, 2ƒ, 3ƒ, …, iƒ, … nƒ используемой спектральной составляющей, т.е. увеличивается как коэффициент концентрации K₀, так и помехоустойчивость χ.Let us consider the dynamics of noise immunity χ of a multi-element arc antenna 6 in the reception mode, which characterizes its ability to select an informative signal with the frequency ƒ, 2ƒ, 3ƒ, ..., iƒ, ... nƒ of the used spectral component of the polyharmonic echo signal from the excited water-air interface due to spatial selectivity "On the background of interference. The noise immunity χ is determined by the ratio of both the signal powers P _c , P _n and the interference at the output of the antenna 6, and the signal and interference intensities I _c , I _n measured at the location of the antenna 6 if it is absent, as well as its axial concentration coefficient K ₀ for the direction ϕ, θ = 0 °, which in our case coincides with the acoustic axis of the antenna 6

. The empirical relation is known (see V.A. Zaraisky, A.M. Tyurin, The theory of sonar L., 1975, 604 pp.), Which allows an approximate calculation of the concentration coefficient

, where, as follows from the above data, the denominator decreases with increasing frequency ƒ, 2ƒ, 3ƒ, ..., iƒ, ... nƒ of the used spectral component, i.e. both the concentration coefficient K ₀ and the noise immunity χ increase.

Таким образом, заявляемая полезная модель расширяет эксплуатационные возможности устройства для акустической гидролокации, обеспечивая получение достоверной информации о параметрах облучаемых объектов в значительном диапазоне изменения их величин за счет оптимизации пространственно-угловых характеристик зондирующего ультразвукового поля, в частности, регулировки как угловой ширины основного лепестка характеристики направленности в азимутальной плоскости, так и величины помехоустойчивости многоэлементной дуговой антенны в режиме приема, что увеличивает точность и достоверность регистрируемых данных.Thus, the claimed utility model extends the operational capabilities of the device for acoustic sonar, providing reliable information about the parameters of the irradiated objects in a significant range of changes in their values by optimizing the spatial and angular characteristics of the probe ultrasonic field, in particular, adjusting the angular width of the main lobe of the directivity in the azimuthal plane, and the noise immunity of a multi-element arc antenna in IU reception, which increases the accuracy and reliability of the recorded data.

Claims

1. A device for acoustic sonar, containing a multi-element antenna, consisting of a housing, the inner surfaces of which are covered with soundproof shields, and bases with electro-acoustic transducers mounted on it, having one resonant frequency and connected to the switch, and the internal volume of the housing is filled with a translucent sealing compound, different the fact that the antenna aperture, consisting of transceiving surfaces of electro-acoustic transducers, is made in the form of a convex th towards ehopoiska cylindrical surface of curvature radius of the compartment R, which generator l is located in the elevation plane and along the length of an order of magnitude smaller than the size of the chord a, subtending extreme symmetric about the acoustic axis points of the arc length L, while deflection h, working sector α , the length of the arc L, the chord a are interconnected by the relations h = a × tg (α / 4) / 2 = R [1-cos (α / 2)]; L = 0.01745Rα; a = 2Rsin (α / 2).

2. The device for acoustic sonar under item 1, characterized in that the electro-acoustic transducers are made with the possibility of connection through the switch with the generator and receiver paths.