RU2458359C1

RU2458359C1 - Hydroacoustic trailing antenna for geophysical work

Info

Publication number: RU2458359C1
Application number: RU2011127587/07A
Authority: RU
Inventors: Владимир Максимович Баронкин (RU); Владимир Максимович Баронкин; Алексей Викторович Гладилин (RU); Алексей Викторович Гладилин; Всеволод Анатольевич Пирогов (RU); Всеволод Анатольевич Пирогов
Priority date: 2011-07-06
Filing date: 2011-07-06
Publication date: 2012-08-10

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: antenna has piezoelectric receivers consisting of two identical sensitive piezoelectric elements, sealed housings in which there are electronic boards with differential amplifiers, whose inputs are connected antiphase to the sensitive piezoelectric elements and the outputs to analogue-to-digital converters, whose outputs are connected to a digital communication line, a power line and power cable made of elastic fibres; the sensitive elements are made from a piezoelectric film with an electroconductive electrode coating deposited on its surface and attached to it; the housing is in form of thin-walled cylinders made of plastic on whose inner surface there are two identical sensitive film-type piezoelectric elements made from an electrically polarised piezoelectric film. The films are attached to the inner surface of the cylinders by sides with opposite polarity of electric polarisation, and the ends of the cylindrical housings are closed by covers.

EFFECT: smaller antenna diameter with high immunity from electromagnetic interference and high water depth.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в морях, океанах, пресноводных водоемах в качестве геофизической косы для проведения исследований и обеспечения инженерно-геофизических работ на морском дне.The invention relates to the field of hydroacoustics and can be used in the seas, oceans, freshwater reservoirs as a geophysical spit for research and engineering-geophysical work on the seabed.

Известно устройство гидроакустической буксируемой 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, изд-во «Наука», Санкт-Петербург, 2004 г., стр.191-193).A device for a towed hydroacoustic antenna is known that contains 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 time multiplexing blocks and a communication line. (Yu.A. Koryakin et al. FSUE TsNII Morphizpribor, Shipborne sonar equipment, Nauka Publishing House, St. Petersburg, 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 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, and the need to use a large number of communication channels.

Известно устройство гидроакустической буксируемой 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 for a towed hydroacoustic antenna is known, 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 frequency subantennas, pre-amplifiers and information transmission lines to the on-board equipment, with each converter, amplifier and transmission line connected consecutively, forming a receiving channel, and each subantenna is divided into a certain number of equidistant groups with a certain number of receiving channels in the group (RF Patent No. 1840453 A1, IPC G01S 7/52, 2006).

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 гидроакустическая буксируемая антенна для геофизических работ, содержащая пьезоэлектрические приемники, состоящие из двух одинаковых чувствительных пьезоэлементов, герметичных корпусов с вмонтированными в них электронными платами с дифференциальными усилителями, к входам которых противофазно подключены чувствительные пьзоэлементы, а к выходу - аналого-цифровые преобразователи, выходы которых подключены к цифровой линии связи, линию питания и силовой трос из прочных эластичных нитей (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 towed hydroacoustic antenna for geophysical work, containing piezoelectric receivers, consisting of two identical sensitive piezoelectric elements, sealed enclosures with electronic boards mounted in them with differential amplifiers, to the inputs of which are in phase connected sensitive piezoelectric elements, and to the output are analog-to-digital converters, the outputs of which are connected to a digital inii communication, power line and the power cable from durable elastic threads (digital cable antenna. Proceedings of the Institute of Applied Physics RAS, Nizhny Novgorod, Publishing House of the Institute of Applied Physics RAS, 2002 str.50-57).

Недостатком этого устройства является высокая средняя плотность гидроакустического приемника, выполненного из пьезокерамики и, как следствие, отрицательная плавучесть, т.е. невозможность достижения на ее основе малого диаметра антенны из таких приемников, и небольшая глубоководность из-за недостаточной прочности пьезокерамики.The disadvantage of this device is the high average density of the sonar receiver made of piezoceramics and, as a result, negative buoyancy, i.e. the impossibility of achieving on its basis a small diameter of the antenna from such receivers, and a small depth of water due to the insufficient strength of piezoceramics.

Техническим результатом изобретения является снижение диаметра антенны при повышенной помехозащищенности от электромагнитных помех повышенной глубоководности.The technical result of the invention is to reduce the diameter of the antenna with increased noise immunity from electromagnetic interference of increased depth.

Технический результат достигается за счет того, что в гидроакустической буксируемой антенне для геофизических работ, содержащей пьезоэлектрические приемники, состоящие из двух одинаковых чувствительных пьезоэлементов, герметичных корпусов с вмонтированными в них электронными платами с дифференциальными усилителями, к входам которых противофазно подключены чувствительные пьзоэлементы, а к выходам аналого-цифровые преобразователи, выходы которых подключены к цифровой линии связи, линию питания и силовой трос из прочных эластичных нитей, чувствительные элементы выполнены из пьезоэлектрической пленки с нанесенным на ее поверхности и прочно сцепленным с ними электропроводящим покрытием - электродами, корпуса выполнены в виде тонкостенных цилиндров из прочного пластика, на внутреннюю поверхность которых наклеены соответственно два одинаковых чувствительных пленочных пьезоэлемента из электрически поляризованной пьезоэлектрической пленки, при этом направление вытяжки пленки направлено по окружности, причем пленки приклеены к внутренней поверхности цилиндров сторонами с противоположными знаками полюсов электрической поляризации, а торцы цилиндрических корпусов закрыты крышками.The technical result is achieved due to the fact that in a hydroacoustic towed antenna for geophysical work, containing piezoelectric receivers, consisting of two identical sensitive piezoelectric elements, sealed enclosures with electronic boards with differential amplifiers mounted in them, whose inputs are sensitively connected to the outputs of the piezoelectric sensors analog-to-digital converters, the outputs of which are connected to a digital communication line, a power line and a power cable made of durable elastic n Furthermore, the sensitive elements are made of a piezoelectric film with electrodes deposited on its surface and firmly adhered to them by electrodes, the housings are made in the form of thin-walled cylinders of durable plastic, on the inner surface of which two identical sensitive film piezoelectric elements are made of an electrically polarized piezoelectric film, while the direction of the film is directed around the circumference, and the films are glued to the inner surface of the cylinders ronami with opposite signs of the electric polarization of the poles and the ends of the cylindrical enclosure closed by covers.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлен продольный разрез отрезка антенны и приемников.The invention is illustrated by the drawing, which shows a longitudinal section of a segment of the antenna and receivers.

Гидроакустическая буксируемая антенна для геофизических работ содержит пьезоэлектрические приемники, состоящие из двух чувствительных пьезоэлементов 1 и 2, выполненных из электрически поляризованной пьезопленки, приклеенных к внутренней цилиндрической стороне выполненных из прочного полимерного материала, например капролона, корпусов 3 сторонами с разными полюсами поляризации, корпуса закрыты крышками 9, внутри корпусов 3 располагаются также платы 4 дифференциальных усилителей и платы 5 аналого-цифровых преобразователей, чувствительные пьезоэлементы 1 и 2 подключены к входам дифференциальных усилителей 4, выходы которых подключены ко входам аналого - цифровых преобразователей 5, а их выходы подключены через герметичные контакты 6 к жгуту линий связи и питания 7, силовой элемент 8 в виде троса из эластичных нитей типа «кевлар» пропущен по оси корпусов 3 через герметично закрепленную в крышках 9 корпусов 3 трубки 10 при этом в полости корпусов 11 остается достаточно заполненного воздухом пространства, что обеспечивает плавучесть, близкую к нейтральной самого пьезоэлектрического приемника в целом, сами корпуса снаружи покрыты герметизирующим слоем 12, например, из полиуретана, при этом все элементы антенны помещены во внешнюю кабельную оболочку 13, заполненную герметизирующим электроизоляционным вязким материалом 14, например резиновой смесью на основе каучука.The hydroacoustic towed antenna for geophysical surveys contains piezoelectric receivers consisting of two sensitive piezoelectric elements 1 and 2 made of electrically polarized piezoelectric films glued to the inner cylindrical side made of a durable polymer material, for example caprolon, buildings 3 sides with different polarization poles, the housing is closed with covers 9, inside the housings 3 there are also boards 4 of differential amplifiers and boards 5 of analog-to-digital converters, a sensor Piezoelectric elements 1 and 2 are connected to the inputs of differential amplifiers 4, the outputs of which are connected to the inputs of analog-to-digital converters 5, and their outputs are connected through sealed contacts 6 to a bundle of communication and power lines 7, a power element 8 in the form of a cable of elastic threads of type Kevlar ”is passed along the axis of the housings 3 through a tube 10 sealed in the covers 9 of the housings 3 of the tube 10, while in the cavity of the housings 11 there is enough space filled with air, which ensures buoyancy close to the neutral of the piezoelectric one of the receiver as a whole, are covered with shells themselves outside the sealing layer 12, e.g., polyurethane, all antenna elements are placed into the outer cable sheath 13, filled with an electrically insulating sealing viscous material 14, such as a rubber mixture based on rubber.

Устройство работает следующим образом. При расположении антенны в воде на поверхности цилиндрических приемников падают акустические волны, создавая за счет пьезоэффекта в чувствительных пьезоэлементах 1 и 2, выполненных из электрически поляризованной пьезопленки, приклеенных к внутренней цилиндрической поверхности корпусов 3 сторонами с разными полюсами поляризации электрический сигнал, пропорциональный деформации цилиндрического корпуса и, соответственно, приклеенной к нему пьезопленки. При этом сигналы с каждого из двух пьезопленочных чувствительных элементов 1 и 2 противофазны и, следовательно, в дифференциальных усилителях 4, регистрирующих разность сигналов, складываются, т.к. имеют противоположные знаки, сигналы же электромагнитных помех, попадающие на входы дифференциальных усилителей 4 синфазны (одинаковы по знаку) и они вычитаются. С выходов дифференциальных усилителей 4 сигналы подаются на входы аналогово-цифровых преобразователей 5, оцифровываются и передаются в цифровом виде по линии связи к бортовой аппаратуре обработки. Силовой элемент 8 (трос из сверхпрочных нитей, например, кевлара) расположен по оси антенны, жгуты линии связи и питания 7 (витые пары) протянуты между приемниками и подключены через герметичные контакты 6 к соответствующим проводящим дорожкам плат дифференциальных усилителей 4 и аналого-цифровых преобразователей 5. Цилиндрические участки между приемниками заполнены вязкой и липкой резиновой смесью на основе каучука, которая держит форму, сохраняя один и тот же диаметр по всей длине антенны перед нанесением методом экструзии эластичной оболочки, например, из эластолана. Это позволяет изготовить антенну малого диаметра без выступающих частей. За счет меньшей плотности эластичных пьезоматериалов антенна легче и может иметь при сохранении нейтральной плавучести в несколько раз меньший диаметр, чем антенны на основе пьезокерамики, занимая при той же длине в несколько раз меньший объем. Использование пьезопленки, наклеиваемой на внутреннюю поверхность цилиндрического корпуса из прочного легкого полимерного материала, например капролона, позволяет достигать большей глубоководности не только при сохранении чувствительности, но и за счет трансформации механических напряжений увеличения ее в отношении радиуса к толщине цилиндра при близких модулях Юнга материалов пьезопленки и корпуса. 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 water, acoustic waves are incident on the surface of the cylindrical receivers, creating due to the piezoelectric effect in sensitive piezoelectric elements 1 and 2, made of electrically polarized piezoelectric film, glued to the inner cylindrical surface of the housings with 3 sides with different polarization poles, an electrical signal proportional to the deformation of the cylindrical body and , respectively, piezoelectric film glued to it. In this case, the signals from each of the two piezoelectric sensitive elements 1 and 2 are out of phase and, therefore, are added to the differential amplifiers 4 recording the difference of the signals, because have opposite signs, the signals of electromagnetic interference falling on the inputs of differential amplifiers 4 are in phase (identical in sign) and they are subtracted. From the outputs of differential amplifiers 4, the signals are fed to the inputs of analog-to-digital converters 5, digitized and transmitted digitally via a communication line to the on-board processing equipment. The power element 8 (a cable of heavy-duty threads, for example, Kevlar) is located along the axis of the antenna, the communication and power harnesses 7 (twisted pairs) are stretched between the receivers and connected through sealed contacts 6 to the corresponding conductive tracks of the boards of differential amplifiers 4 and analog-to-digital converters 5. The cylindrical sections between the receivers are filled with a viscous and sticky rubber mixture based on rubber, which holds the shape, keeping the same diameter along the entire length of the antenna before applying an elastic extrusion method span of, for example, from elastolana. This allows you to make a small diameter antenna without protruding parts. Due to the lower density of elastic piezoelectric materials, the antenna is lighter and can, while maintaining neutral buoyancy, be several times smaller in diameter than antennas based on piezoceramics, occupying several times less volume at the same length. The use of a piezoelectric film glued to the inner surface of a cylindrical body made of a durable lightweight polymeric material, such as caprolon, allows one to achieve greater depth of water not only while maintaining sensitivity, but also due to the transformation of mechanical stresses increasing it in relation to the radius to the thickness of the cylinder with close Young moduli of the materials of the piezoelectric film and corps. 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

Hydroacoustic towed antenna for geophysical work, containing piezoelectric receivers, consisting of two identical sensitive piezoelectric elements, sealed enclosures with electronic boards with differential amplifiers mounted in them, whose inputs are sensitively connected to piezoelectric elements, and the analog-to-digital converters are connected to the outputs thereof, the outputs are digital communication line, power line and power cable made of durable elastic threads, characterized in that the sensitive elements in are made of a piezoelectric film with an electroconductive coating deposited on its surface and firmly adhered to them by electrodes, the housings are made in the form of thin-walled cylinders of durable plastic, on the inner surface of which two identical sensitive film piezoelectric elements are glued from an electrically polarized piezoelectric film, with the drawing direction the films are directed in a circle, and the films are glued to the inner surface of the cylinders with sides with opposite signs E of the electric polarization of the poles and the ends of the cylindrical enclosure closed by covers.