RU2426146C1

RU2426146C1 - Flexible elongated hydro acoustic digital antenna

Info

Publication number: RU2426146C1
Application number: RU2010122684/07A
Authority: RU
Inventors: Владимир Максимович Баронкин (RU); Владимир Максимович Баронкин; Алексей Викторович Гладилин (RU); Алексей Викторович Гладилин; Всеволод Анатольевич Пирогов (RU); Всеволод Анатольевич Пирогов
Original assignee: Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации
Priority date: 2010-06-04
Filing date: 2010-06-04
Publication date: 2011-08-10

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: proposed antenna comprises Kevlar cable, power cable and communication cable with polymer insulation, sensitive elements made up of pairs of identical piezo-elements of opposite polarity, and electronic units regularly spaced apart along antenna. Note here that every electronic unit is conned to supply cable and comprises differential amplifier, ADC and data preparation and transmission unit, all connected in series.

EFFECT: reduced hydrodynamic interferences and ease of use.

3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к гидроакустическим системам навигации подводных аппаратов, и может быть использовано при разработке гибких буксируемых антенн в системах шумопеленгования надводных кораблей и подводных лодок.The invention relates to the field of hydroacoustics, in particular to hydroacoustic navigation systems for underwater vehicles, and can be used in the development of flexible towed antennas in noise detection systems of surface ships and submarines.

Известно устройство гибкой протяженной гидроакустической антенны, содержащее наружную герметичную оболочку из поливинилхлорида, внутри которой расположен силовой элемент в виде якоря-фала с концевым телом, датчики курса и глубины, антенные модули в виде расположенных вдоль оси гидрофонов из пьезокерамики, соединенные с блоком фильтрации и усиления, блоки частотного или временного уплотнения и линию связи (Ю.А.Корякин и др. ФГУП «ЦНИИ» Морфизприбор», Корабельная гидроакустическая техника, Санкт-Петербург, изд-во «Наука», 2004 г., стр.191-193).A device is known for a flexible long hydroacoustic antenna containing an outer sealed sheath of polyvinyl chloride, inside of which there is a power element in the form of an anchor-halyard with an end body, heading and depth sensors, antenna modules in the form of piezoceramic hydrophones located along the axis, connected to the filtering and amplification unit , frequency or temporary compaction blocks and a communication line (Yu.A. Koryakin and others. FSUE “Central Research Institute" Morphizpribor ", Shipborne sonar equipment, St. Petersburg, Nauka publishing house, 2004, pp. 191-193) .

Недостатками известного устройства являются неудобства при операциях постановки и выборки антенны из-за большого диаметра и веса, нестойкость к ударным нагрузкам из-за хрупкости пьезокерамики, а также необходимость использования большого количества каналов передачи информации.The disadvantages of the known device are inconvenience in operations of setting up and sampling the antenna due to the large diameter and weight, instability to shock loads due to the fragility of piezoceramics, and the need to use a large number of communication channels.

Известно устройство гибкой протяженной гидроакустической антенны, в которой сокращено количество каналов передачи информации за счет того, что она содержит ряд объединенных в одном шланге линейных эквидистантных субантенн, в каждую из которых входят гидроакустические преобразователи, фазовые центры которых размещены на расстоянии, равном половине длины волны верхней частоты диапазона субантенны, предварительные усилители и линии передачи информации к бортовой аппаратуре, при этом каждый преобразователь, усилитель и линия передачи соединены последовательно, образуя приемный канал, а каждая субантенна поделена на определенное число эквидистантных групп с определенным числом приемных каналов в группе (патент РФ №1840453 А1, МПК G01S 7/52, 2006 г.).A device is known for a flexible long hydroacoustic antenna, in which the number of information transmission channels is reduced due to the fact that it contains a number of linear equidistant subantennas combined in one hose, each of which includes hydroacoustic transducers whose phase centers are located at a distance equal to half the wavelength of the upper subantenna range frequencies, pre-amplifiers and information transmission lines to on-board equipment, with each converter, amplifier and transmission line oedineny sequentially forming a receiving channel, and each subantenna divided into a certain number of equidistant groups with a certain number of reception channels in the group (RF Patent №1840453 A1, IPC G01S 7/52, 2006 YG).

Недостатками этого устройства являются неудобства при операциях постановки и выборки антенны из-за большого диаметра и веса, нестойкость к ударным нагрузкам из-за хрупкости пьезокерамики.The disadvantages of this device are the inconvenience in the operations of setting and sampling the antenna due to the large diameter and weight, instability to shock loads due to the fragility of piezoceramics.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) к предлагаемому устройству является известная гибкая протяженная гидроакустическая цифровая антенна, содержащая силовой элемент типа кевларового троса, кабель питания и кабель линии связи с изоляцией из полимерного материала, чувствительные элементы в виде пар одинаковых пьезоэлементов с противоположной поляризацией и электронные блоки, расположенные с определенным интервалом вдоль антенны, причем каждый электронный блок подключен к кабелю питания и содержит размещенные на плате последовательно соединенные дифференциальный усилитель, аналого-цифровой преобразователь и блок подготовки и передачи информации, при этом входы дифференциальных усилителей соединены с соответствующими выходами чувствительных элементов, а выходы блоков подготовки и передачи информации соединены с линией связи, причем кабель питания и кабель линии связи выполнен в виде единого кабеля из двух витых пар проводников, кевларовый трос прикреплен к этому кабелю на скользящей посадке, чувствительные элементы выполнены в виде пьезокерамических цилиндров, платы электронных блоков размещены в металлических корпусах, на кабель надет армированный рукав, который склеен с ним с использованием термообжатия, места соединения проводов к жилам кабеля вместе с чувствительным элементом, корпусом электронного блока и концами рукава залиты эластичным полимерным компаундом, поверх которого размещена термоусадочная трубка (Цифровая кабельная антенна, Сборник трудов ИПФ РАН, Нижний Новгород, изд-во ИПФ РАН, 2002 г., стр.50-57).The closest in technical essence and the achieved result (prototype) to the proposed device is a well-known flexible long hydroacoustic digital antenna containing a power element such as a Kevlar cable, a power cable and a communication line cable with insulation made of polymer material, sensitive elements in the form of pairs of identical piezoelectric elements with the opposite polarization and electronic units located at a certain interval along the antenna, and each electronic unit is connected to a power cable and with holds a differential amplifier, an analog-to-digital converter, and a unit for preparing and transmitting information placed on a circuit board, while the inputs of the differential amplifiers are connected to the corresponding outputs of the sensitive elements, and the outputs of the units for preparing and transmitting information are connected to a communication line, with the power cable and line cable The connection is made in the form of a single cable of two twisted pairs of conductors, the Kevlar cable is attached to this cable on a sliding landing, the sensitive elements are filled in the form of piezoceramic cylinders, electronic block boards are placed in metal cases, a reinforced sleeve is put on the cable, which is glued with it using heat compression, the connection points of the wires to the cable conductors, together with the sensor element, the electronic block case and the ends of the sleeve, are filled with an elastic polymer compound, on top of which a heat shrink tube is placed (Digital cable antenna, Proceedings of the IAP RAS, Nizhny Novgorod, IAP RAS publishing house, 2002, pp. 50-57).

Недостатками этого устройства являются неудобства при операциях постановки и выборки антенны из-за большого диаметра и веса, наличия выступающих за пределы кабеля гидрофонов и крепления силового элемента снаружи кабеля, нестойкость к ударным нагрузкам из-за хрупкости пьезокерамики, а также повышенный уровень гидродинамических шумов из-за малого продольного размера чувствительных элементов.The disadvantages of this device are the inconvenience during antenna installation and sampling operations due to the large diameter and weight, the presence of hydrophones protruding beyond the cable and the fastening of the power element outside the cable, shock resistance due to the fragility of piezoceramics, and an increased level of hydrodynamic noise due to for the small longitudinal size of the sensitive elements.

Техническим результатом, достигаемым предложенным изобретением, является снижение уровня гидродинамических шумов, повышение стойкости к ударным нагрузкам, повышение удобства при операциях постановки и выборки антенны.The technical result achieved by the proposed invention is to reduce the level of hydrodynamic noise, increase resistance to shock loads, increase convenience during operations of setting and sampling the antenna.

Технический результат достигается за счет того, что гибкая протяженная гидроакустическая цифровая антенна, содержащая силовой элемент типа кевларового троса, кабель питания и кабель линии связи с изоляцией из полимерного материала, чувствительные элементы в виде пар одинаковых пьезоэлементов и электронные блоки, расположенные с определенным интервалом вдоль антенны, причем каждый электронный блок подключен к кабелю питания и содержит размещенные на плате последовательно соединенные дифференциальный усилитель, аналого-цифровой преобразователь и блок подготовки и передачи информации, при этом входы дифференциальных усилителей соединены с соответствующими выходами чувствительных элементов, а выходы блоков подготовки и передачи информации соединены с линией связи, снабжена размещенными вдоль оси отрезками кордовых элементов в виде двух круглых жил, силовой трос размещен в центре антенны, чувствительные элементы выполнены в виде пар отрезков двух кабелей из эластичного пьезоэлектрического материала с противоположной поляризацией, имеющих длину, равную длине отрезков кордовых элементов, кабель питания и кабель линии связи выполнены каждый из двух витых проводников, при этом кабель питания, кабель линии связи, кабели чувствительных элементов и жилы отрезков кордового элемента выполнены одинакового диаметра с силовым тросом, расположены вокруг него равномерно по окружности и закручены вокруг его оси, в промежутках между отрезками круглых жил кордовых элементов и отрезков пар кабелей из эластичного пьезоэлектрического материала расположены платы электронных блоков, а все элементы антенны помещены во внешнюю кабельную оболочку, заполненную герметизирующим электроизоляционным материалом, при этом платы электронных блоков выполнены закрученными вдоль продольной оси в соответствии с геометрией скрученных отрезков двух круглых жил кордовых элементов и отрезков пар кабелей из эластичного пьезоэлектрического материала, а в качестве герметизирующего электроизоляционного материала использована резиновая смесь на основе каучука.The technical result is achieved due to the fact that a flexible long hydroacoustic digital antenna containing a power element such as a Kevlar cable, a power cable and a communication cable with insulation made of polymer material, sensitive elements in the form of pairs of identical piezoelectric elements and electronic units located at a certain interval along the antenna moreover, each electronic unit is connected to the power cable and contains a differential amplifier, analog-to-digital pre-installed on the board, the browser and the information preparation and transmission unit, while the inputs of the differential amplifiers are connected to the corresponding outputs of the sensitive elements, and the outputs of the information preparation and transmission units are connected to the communication line, equipped with segments of cord elements placed along the axis in the form of two round cores, the power cable is located in the center antennas, sensitive elements are made in the form of pairs of segments of two cables of an elastic piezoelectric material with opposite polarization, having a length equal to the length of Each cord has two twisted conductors, the power cable, the communication cable, the cables of the sensing elements and the strands of the cord sections are made of the same diameter with a power cable, they are evenly spaced around it and twisted around on its axis, in the intervals between the segments of the round veins of the cord elements and the segments of the pairs of cables from the elastic piezoelectric material, the boards of the electronic blocks are located, and all the antenna elements into an outer cable sheath filled with a sealing electrical insulating material, while the circuit boards of the electronic components are twisted along the longitudinal axis in accordance with the geometry of the twisted sections of two round cores of the cord elements and pieces of pairs of cables made of elastic piezoelectric material, and a rubber mixture was used as the sealing electrical insulating material based on rubber.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 представлен вертикальный разрез отрезка антенны и виды ее справа и слева со снятой частью внешней кабельной оболочки, на фиг.2 для большей наглядности представлена упрощенная схема отрезка антенны, развернутой на плоскость. Гибкая протяженная гидроакустическая цифровая антенна содержит чувствительные элементы 1, выполненные в виде протяженных отрезков двух кабелей из эластичного пьезоэлектрического материала с противоположной поляризацией, расположенные с определенным интервалом вдоль антенны, кабель линии связи 2, кабель питания 3, выполненные каждый из двух витых проводников, отрезки кордовых элементов 4 в виде двух круглых жил, силовой элемент типа кевларового троса 5, внешнюю кабельную оболочку 6, в которую помещены все элементы антенны, платы 7, на которых размещены электронные блоки, включающие последовательно соединенные дифференциальный усилитель 8, аналого-цифровой преобразователь 9 и блок подготовки и передачи информации 10, при этом входы дифференциальных усилителей 8 подключены к соответствующим выходам двух протяженных отрезков кабелей из эластичного пьезоэлектрического материала 1 с противоположной поляризацией, а выходы блоков подготовки и передачи информации 10 подключены к входам кабеля линии связи 2, причем кабель линии связи 2, кабель питания 3, кабели чувствительных элементов 1 и жилы отрезков кордового элемента 4 выполнены одинакового диаметра с силовым тросом 5, расположены вокруг него равномерно по окружности и закручены вокруг его оси, а платы электронных блоков 7 расположены в промежутках вдоль оси антенны между отрезками кордовых элементов 4 и отрезков чувствительных элементов 1, при этом все элементы антенны помещены во внешнюю кабельную оболочку 6, заполненную герметизирующим электроизоляционным материалом, например резиновой смесью на основе каучука, а платы электронных блоков 7 выполнены закрученными вдоль продольной оси в соответствии с геометрией скрученных отрезков двух круглых жил кордовых элементов 4 и отрезков пар кабелей из эластичного пьезоэлектрического материала 1.The invention is illustrated by drawings. Figure 1 shows a vertical section of a segment of the antenna and views of it on the right and left with the removed part of the outer cable sheath, figure 2 for greater clarity presents a simplified diagram of a segment of the antenna, deployed on a plane. The flexible extended hydroacoustic digital antenna contains sensitive elements 1 made in the form of extended segments of two cables of elastic piezoelectric material with opposite polarization, located at a certain interval along the antenna, communication line cable 2, power cable 3, made of each of two twisted conductors, cord sections elements 4 in the form of two round cores, a power element such as a Kevlar cable 5, an outer cable sheath 6, in which all the elements of the antenna, the board 7, on which The electronic blocks are located, including a series-connected differential amplifier 8, an analog-to-digital converter 9, and an information preparation and transmission unit 10, while the inputs of the differential amplifiers 8 are connected to the corresponding outputs of two extended lengths of cable from an elastic piezoelectric material 1 with opposite polarization, and the outputs blocks of preparation and transmission of information 10 are connected to the inputs of the cable of the communication line 2, and the cable of the communication line 2, power cable 3, cables of sensitive elements entov 1 and the veins of the segments of the cord element 4 are made of the same diameter with the power cable 5, are arranged around it evenly around the circumference and twisted around its axis, and the circuit boards of the electronic units 7 are located at intervals along the antenna axis between the segments of the cord elements 4 and the segments of the sensitive elements 1, wherein all the antenna elements are placed in an outer cable sheath 6 filled with a sealing insulating material, for example rubber compound based on rubber, and the circuit boards of electronic units 7 are twisted along the longitudinal axis in accordance with the geometry of the twisted segments of the two round cores of the cord elements 4 and the lengths of the pairs of cables of elastic piezoelectric material 1.

Устройство работает следующим образом. При расположении антенны в воде на отрезки пар кабелей из эластичного пьезоэлектрического материала 1 падают акустические волны, создавая за счет пьезоэффекта электрические сигналы на их выходах. Эти сигналы усиливаются соответствующими дифференциальными усилителями 8, оцифровываются аналого-цифровыми преобразователями 9 и передаются через блоки подготовки и передачи информации 10 по линии связи 2 к бортовой аппаратуре обработки. Расположение троса 5 в центре и скручивание вокруг него кордовых элементов 4, пьезоэлектрических кабелей 1, кабеля питания 3 и кабеля линии связи 2 позволяют расположить платы 7 с электронными блоками в центральных частях антенны и обеспечить нанесение внешней кабельной оболочки 6 по кабельной технологии, предусматривающей нагрев резиновой смеси на основе каучука до температуры, при которой эта смесь переходит в жидкое состояние и заполняет все пространство внутри антенны. Это позволяет изготовить антенну без выступающих частей в виде единого кабеля и существенно снизить гидродинамические помехи. Кроме этого, при охлаждении резиновой смеси она превращается в вязкий липкий материал, что обеспечивает продольную герметизацию антенны и практически исключает электрические помехи за счет трибоэффекта - возникновения от трения больших электрических зарядов на изоляционных материалах и последующих разрядов. Достоинства антенны проявляются при ее эксплуатации также за счет использования чувствительных элементов 1, выполненных в виде протяженных пар отрезков двух кабелей из эластичного пьезоэлектрического материала, которые при движении воды относительно антенны или антенны относительно воды имеют за счет протяженности на порядок и более низкие гидродинамические шумы, т.к. радиус корреляции этих помех меньше длины отрезков чувствительных элементов и гидродинамические помехи усредняются. Электромагнитные помехи, создаваемые аналого-цифровыми преобразователями 9, линией связи 2 и кабелем питания 3, уничтожаются дифференциальными усилителями, поскольку они находятся в одной фазе, в то время как электрические сигналы, полученные за счет пьезоэффекта из акустических сигналов от чувствительных элементов 1, имеющих противоположную поляризацию, противофазны и в результате складываются. За счет эластичности пьезоэлектрического материала (пьезокомпозита - смеси пьезокерамического порошка и эластичного связующего материала или эластичного пьезоэлектрика, например поливинилиденфторида (ПВДФ)) антенна менее подвержена по сравнению с хрупкой пьезокерамикой угрозам разрушения при силовых воздействиях на нее, а также допускает существенно меньший радиус обратимого изгиба (до 0,3 м) и может наматываться на барабан меньшего радиуса. За счет меньшей плотности эластичных пьезоматериалов антенна легче и может иметь в несколько раз меньший диаметр, чем антенны на основе пьезокерамики, занимая при той же длине в несколько раз меньший объем. При использовании более легких и тонких антенн при буксировке требуется меньшая сила, а следовательно, достаточны маломерные суда для работы с такими антеннами, что составляет большую экономию средств на соответствующие дорогостоящие геофизические работы.The device operates as follows. When the antenna is located in the water, acoustic waves are incident on the lengths of the pairs of cables from the elastic piezoelectric material 1, creating electric signals at their outputs due to the piezoelectric effect. These signals are amplified by the corresponding differential amplifiers 8, digitized by analog-to-digital converters 9 and transmitted through the preparation and transmission of information 10 via communication line 2 to the on-board processing equipment. The location of the cable 5 in the center and twisting around it of the cord elements 4, piezoelectric cables 1, power cable 3 and cable of the communication line 2 allows you to place the board 7 with electronic blocks in the Central parts of the antenna and to ensure the application of the outer cable sheath 6 by cable technology, involving heating rubber a rubber-based mixture to a temperature at which this mixture goes into a liquid state and fills the entire space inside the antenna. This allows you to make the antenna without protruding parts in the form of a single cable and significantly reduce hydrodynamic interference. In addition, when the rubber compound is cooled, it turns into a viscous sticky material, which ensures longitudinal sealing of the antenna and virtually eliminates electrical interference due to the triboelectric effect - the occurrence of large electric charges on insulating materials and subsequent discharges from friction. The advantages of the antenna are also manifested during its operation due to the use of sensitive elements 1 made in the form of extended pairs of segments of two cables made of elastic piezoelectric material, which, when the water moves relative to the antenna or antenna relative to water, have due to their length an order of magnitude and lower hydrodynamic noise, t .to. the correlation radius of these interference is less than the length of the segments of the sensitive elements and the hydrodynamic interference is averaged. Electromagnetic interference caused by analog-to-digital converters 9, communication line 2 and power cable 3, is destroyed by differential amplifiers, since they are in the same phase, while electrical signals obtained due to the piezoelectric effect from acoustic signals from sensitive elements 1 having the opposite polarization, are out of phase and as a result add up. Due to the elasticity of the piezoelectric material (piezoelectric composite - a mixture of piezoelectric powder and an elastic binder or elastic piezoelectric, such as polyvinylidene fluoride (PVDF)), the antenna is less susceptible to destruction threats when it is subjected to brittle piezoelectric ceramics, and also allows a significantly smaller radius of reversible bending ( up to 0.3 m) and can be wound on a drum of a smaller radius. Due to the lower density of elastic piezoelectric materials, the antenna is lighter and can have several times smaller diameter than antennas based on piezoceramics, occupying several times less volume with the same length. When using lighter and thinner antennas when towing, less force is required, and therefore, small vessels are sufficient to work with such antennas, which is a big cost savings for the corresponding expensive geophysical work.

Claims

1. A flexible long hydroacoustic digital antenna containing a power element such as a Kevlar cable, a power cable and a communication line cable with insulation made of polymer material, sensitive elements in the form of pairs of identical piezoelectric elements with opposite polarization and electronic units located at a certain interval along the antenna, each the electronic unit is connected to the power cable and contains the differential amplifier, analog-to-digital converter and preparation and transmission of information, while the inputs of differential amplifiers are connected to the corresponding outputs of the sensitive elements, and the outputs of the training and transmission of information blocks are connected to a communication line, characterized in that it is provided with segments of cord elements placed along the axis in the form of two round cores, a power cable is placed in the center of the antenna, the sensitive elements are made in the form of pairs of segments of two cables of an elastic piezoelectric material with opposite polarization, having a length equal to not pieces of cord elements, the power cable and the communication line cable are each of two twisted conductors, while the power cable, the communication line cable, the cables of the sensing element and the strands of the cord sections are made of the same diameter with a power cable, are arranged uniformly around it and twisted around it around its axis, in the intervals between the segments of the cord elements and the segments of the pairs of cables made of elastic piezoelectric material, electronic circuit boards are located, and all antenna elements are placed in an outer cable sheath filled with an electrically insulating potting material.

2. The flexible extended hydroacoustic digital antenna according to claim 1, characterized in that the circuit boards of the electronic units are twisted along the longitudinal axis in accordance with the geometry of the twisted sections of two round cores of the cord elements and the lengths of the pairs of cables from an elastic piezoelectric material.

3. The flexible long hydroacoustic digital antenna according to claim 1, characterized in that a rubber mixture based on rubber is used as a sealing electrical insulating material.