RU2577421C1

RU2577421C1 - Combined hydroacoustic receiver

Info

Publication number: RU2577421C1
Application number: RU2014151036/28A
Authority: RU
Inventors: Сергей Николаевич Ковалев
Priority date: 2014-12-16
Filing date: 2014-12-16
Publication date: 2016-03-20

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: invention can be used to carry out vector-scalar measurements of parameters of ocean hydroacoustic fields. Combined hydroacoustic receiver comprises a body of the receiver with centrally arranged weight, hydrophone channel, three vector channel placed centrally and symmetrically between the case and load, electronic unit for conversion of acoustic vibrations, remote power supply system and transmitting information, as well as non-contact magnetic body stabilization system for receiver, consisting of a rigid frame along the perimeter arranging sensors of housing position and electromagnets connected with electronic system of current control opposite to which permanent magnets are installed inside the housing.

EFFECT: improved shape of beam pattern, lower threshold level, making it possible to expand resources of the receiver when detecting weak signals, possibility of operative control of suspension, wider frequency range of the receiver in low-frequency range.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и гидроакустике и может быть использовано для измерения акустических полей океана.The invention relates to measuring equipment and hydroacoustics and can be used to measure the acoustic fields of the ocean.

Комбинированные гидроакустические приемники (КГП) известны и широко используются в гидроакустике. Приемники включают канал акустического давления и три ортогональных канала для определения вектора колебательной скорости. Приемники снабжены системами электропитания и передачи информации. Кроме этого, приемник снабжают системой, удерживающей его в определенном положении. КГП позволяют получать дополнительную информацию о гидроакустических полях за счет того, что они определяют не только скалярное давление в поле акустической волны, но и вектор колебательной скорости. Такой подход, помимо определения направления прихода акустических колебаний в рабочем диапазоне частот, позволяет рассчитывать характеристики потока мощности, за счет чего может быть получено преимущество при пеленговании шумов в изотропном поле шумов моря. Основными проблемами, ухудшающими характеристики приемников, являются вибрационные помехи, возникающие по разным причинам и передающиеся на корпус приемника за счет механической связи между приемником и элементами подвеса и наличия кабелей (кабеля) для подвода электропитания и/или вывода полезной информации. По этим же причинам за счет проникновения акустических колебаний на корпус приемника опять же через элементы подвеса и подводящие кабели происходит искажение характеристики направленности. Кроме этого, возникают сложности обеспечения настолько низкой резонансной частоты упругого подвеса, чтобы она оказывалась за пределами рабочего диапазона. Следует отметить, что многие задачи гидроакустики требуют расширения рабочего диапазона, что осуществляют за счет снижения минимальной рабочей частоты, что связано как с условиями распространения звука в океане, так и с особенностями объектов, этот звук излучающих и являющихся предметом исследования.Combined sonar receivers (GGP) are known and widely used in sonar. The receivers include an acoustic pressure channel and three orthogonal channels for determining the vibrational velocity vector. The receivers are equipped with power supply and information transmission systems. In addition, the receiver is equipped with a system that holds it in a certain position. QGPs allow obtaining additional information about hydroacoustic fields due to the fact that they determine not only the scalar pressure in the acoustic wave field, but also the vibrational velocity vector. Such an approach, in addition to determining the direction of arrival of acoustic vibrations in the operating frequency range, allows one to calculate the characteristics of the power flux, due to which an advantage can be obtained when direction finding noise in an isotropic field of sea noise. The main problems that worsen the characteristics of the receivers are vibrational interference, arising for various reasons and transmitted to the receiver body due to the mechanical connection between the receiver and the suspension elements and the presence of cables (cable) for supplying power and / or outputting useful information. For the same reasons, due to the penetration of acoustic vibrations onto the receiver case, again, through the suspension elements and supply cables, the directivity distortion occurs. In addition, it becomes difficult to ensure that the resonant frequency of the elastic suspension is so low that it falls outside the operating range. It should be noted that many tasks of hydroacoustics require an extension of the operating range, which is achieved by reducing the minimum operating frequency, which is associated both with the conditions of sound propagation in the ocean, and with the features of objects that emit sound and are the subject of research.

Известны комбинированные приемники, в которых для уменьшения воздействия на приемник вибраций используют системы, удерживающие приемник в определенном положении с использованием эластичных нитей. Например, предлагается КГП, в котором используют двузвенную подвесную систему, при которой комбинированный приемник устанавливается в звукопрозрачной рамке, которая в свою очередь присоединена к корпусу через натяжитель, к которому посредством ограничительной нити крепится и комбинированный приемник. Крепление осуществляют посредством лонжей, изготовленных из эластичной и ограничительной нитей, например, из резиновых и кевларовых нитей (п. РФ №106880).Combined receivers are known in which, to reduce the impact on the receiver of vibrations, systems are used that hold the receiver in a certain position using elastic threads. For example, a KGP is proposed in which a two-link suspension system is used, in which the combined receiver is mounted in a soundproof frame, which in turn is connected to the housing through a tensioner, to which the combined receiver is also attached by means of a restrictive thread. The fastening is carried out by means of lounges made of elastic and restrictive threads, for example, from rubber and Kevlar threads (Cl. RF No. 106880).

Для улучшения характеристик направленности приемника предлагается поместить корпус приемника в полупроницаемый для водной среды звукопрозрачный каркас, что приводит к снижению скорости обтекания приемника и повышению точности измерений, при этом за счет применения арретиров с эластичными опорами и системы эластичных нитей регулируемой длины, закрепляемых одним концом на корпусе приемника, а вторым концом на жестком каркасе, приемник оказывается защищенным от последствий воздействия больших ускорений, возникающих в процессе эксплуатации (п. РФ №128343).To improve the directional characteristics of the receiver, it is proposed to place the receiver body in a translucent soundproof frame for the aquatic environment, which reduces the speed of flow around the receiver and improves the measurement accuracy, due to the use of arresters with elastic supports and a system of elastic threads of adjustable length, fixed at one end to the case the receiver, and the second end on a rigid frame, the receiver is protected from the effects of large accelerations that occur during operation tation (p. RF №128343).

Упругие элементы систем подвеса гидроакустических приемников, соединяющие корпус приемника и защитное ограждение, имеют вполне определенную жесткость, которая определяет резонансную частоту такого подвеса. Возникают трудности, связанные с учетом влияния этого резонанса на характеристики чувствительности и направленности самого приемника, поэтому стремятся вывести частоту резонанса за пределы рабочего диапазона приемника. В то же время для ряда задач гидроакустики важно осуществлять прием в как можно более низкочастотной области (единицы герц). При этом, для снижения резонансной частоты подвеса приходится снижать жесткость упругих элементов, что, в свою очередь, приводит либо к уменьшению поперечного сечения упругих элементов, либо к увеличению их длины. Снижение поперечного сечения ведет к снижению прочности и имеет предел, определяемый надежностью упругого элемента, а увеличение длины ведет к увеличению габаритов приемного устройства, что всегда нежелательно. С другой стороны, в зависимости от гидрологических условий в точке размещения приемника (имеется в виду скорость обтекания при наличии течения) необходимо обеспечить жесткость подвеса, которая бы препятствовала перемещению приемника, вызывающему касание корпусом приемника элементов ограждения. С учетом этого обстоятельства разработчики вынуждены устанавливать подвес с жесткостью, которая в ряде случаев оказывается избыточно большой, например, если скорость обтекания по каким-либо причинам уменьшается.The elastic elements of the suspension systems of hydroacoustic receivers connecting the receiver body and the protective fence have a well-defined rigidity, which determines the resonant frequency of such a suspension. Difficulties arise in taking into account the influence of this resonance on the characteristics of the sensitivity and directivity of the receiver itself, therefore, they tend to bring the resonance frequency outside the operating range of the receiver. At the same time, for a number of tasks of hydroacoustics, it is important to carry out the reception in the lowest possible frequency region (units of hertz). At the same time, in order to reduce the resonance frequency of the suspension, it is necessary to reduce the stiffness of the elastic elements, which, in turn, leads either to a decrease in the cross section of the elastic elements, or to an increase in their length. A decrease in the cross section leads to a decrease in strength and has a limit determined by the reliability of the elastic element, and an increase in length leads to an increase in the dimensions of the receiving device, which is always undesirable. On the other hand, depending on the hydrological conditions at the location of the receiver (referring to the flow velocity in the presence of a current), it is necessary to provide a stiffness of the suspension, which would prevent the movement of the receiver, causing the receiver body to touch the fence elements. Given this circumstance, developers are forced to install a suspension with stiffness, which in some cases turns out to be excessively large, for example, if the flow velocity decreases for some reason.

Наиболее близким к заявляемому является КГП, включающий корпус с системами приема акустических колебаний, электропитания и передачи информации, и систему стабилизации корпуса. Система приема акустических колебаний содержит установленный в центре корпуса груз, гидрофонный канал, три векторных канала, установленных центрально-симметрично между корпусом и грузом таким образом, что оси чувствительностей каждого из векторных каналов образуют декартову систему координат. Система стабилизации корпуса представляет собой соединенную с корпусом полую державку, внутри которой расположены кабели электропитания и линия связи для передачи информации (п. РФ №89794 U1).Closest to the claimed is KGP, comprising a housing with systems for receiving acoustic vibrations, power supply and information transfer, and a stabilization system for the housing. The acoustic oscillation receiving system comprises a load installed in the center of the body, a hydrophone channel, three vector channels installed centrally symmetrically between the body and the load so that the sensitivity axes of each of the vector channels form a Cartesian coordinate system. The housing stabilization system is a hollow holder connected to the housing, inside of which there are power cables and a communication line for transmitting information (Cl. RF No. 89794 U1).

Однако непосредственное крепление державки к корпусу приемника приводит к искажению движения корпуса приемника в поле акустической волны, кроме того, вибрации, возникающие на конструктивных элементах, с которыми механически связана державка, под воздействием течений в окружающей среде передаются посредством державки непосредственно на КГП, создавая помехи приему. Наличие имеющих определенную жесткость кабелей, с помощью которых приемник подключается к потребителю информации, также искажает работу упругого подвеса и является элементом, передающим звуковые колебания окружающей среды на корпус приемника независимо от его ориентации относительно фронта акустической волны, что искажает характеристику направленности.However, the direct attachment of the holder to the receiver case leads to a distortion of the movement of the receiver case in the field of the acoustic wave, in addition, vibrations occurring on the structural elements with which the holder is mechanically coupled, under the influence of currents in the environment, are transmitted through the holder directly to the QGP, creating interference with . The presence of cables having a certain stiffness, through which the receiver is connected to the consumer of information, also distorts the operation of the elastic suspension and is an element that transmits the sound vibrations of the environment to the receiver body regardless of its orientation relative to the front of the acoustic wave, which distorts the directivity.

Задача, решаемая изобретением, - улучшение рабочих характеристик комбинированного приемника за счет устранения искажений движения корпуса в поле акустической волны и снижения уровня вибрационных помех.The problem solved by the invention is to improve the performance of the combined receiver by eliminating the distortion of the movement of the body in the field of the acoustic wave and reduce the level of vibration interference.

Поставленная задача решается предлагаемой конструкцией КГП, включающего корпус с грузом, расположенным в центре корпуса, гидрофонный канал, три векторных канала, установленных центрально-симметрично между корпусом и грузом, электронный блок преобразования акустических колебаний, систему стабилизации корпуса, системы электропитания и передачи информации, при этом система стабилизации корпуса выполнена неконтактной и включает жесткий каркас, по периметру которого размещены датчики положения корпуса и соединенные с электронной системой регулирования тока электромагниты, напротив которых внутри корпуса установлены постоянные магниты, а системы электропитания и передачи информации выполнены дистанционными, при этом система электропитания состоит из передающей части, расположенной на каркасе в непосредственной близости от корпуса и включающей или колебательный контур, или катушку с магнитопроводом, и приемной части, включающей или настроенный на частоту колебательного контура передающей части колебательный контур, или катушку с магнитопроводом, отделенным от магнитопровода передающей части зазором, обеспечивающим возможность колебательного движения корпуса, а система передачи информации включает передающую часть, размещенную в корпусе и соединенную с электронным блоком преобразования акустических колебаний, и соответствующую ей приемную часть, установленную на каркасе и соединенную с блоком преобразования полученных сигналов, хранения и/или передачи информации.The problem is solved by the proposed design of the CGP, which includes a body with a load located in the center of the body, a hydrophone channel, three vector channels installed centrally symmetrically between the body and the load, an electronic unit for converting acoustic vibrations, a stabilization system for the body, power supply and information transmission, this stabilization system of the housing is non-contact and includes a rigid frame, along the perimeter of which are placed the position sensors of the housing and connected to the electronic system ohms of current regulation, electromagnets, opposite which permanent magnets are installed inside the case, and the power supply and information transmission systems are remote, the power supply system consists of a transmitting part located on the frame in the immediate vicinity of the case and including either an oscillating circuit or a coil with a magnetic circuit, and the receiving part, including or tuned to the frequency of the oscillatory circuit of the transmitting part of the oscillating circuit, or a coil with a magnetic circuit separated from the mag the transmission line of the transmitting part by a gap providing the possibility of oscillatory movement of the housing, and the information transmission system includes a transmitting part located in the housing and connected to the electronic unit for converting acoustic vibrations, and its corresponding receiving part, mounted on the frame and connected to the unit for converting received signals, storing and / or transmission of information.

Техническим результатом комбинированного гидроакустического приемника является улучшение формы характеристики направленности, снижение порогового уровня, позволяющее расширить возможности приемника при обнаружении слабых сигналов, возможность оперативного регулирования резонансной частоты подвеса, расширение частотного диапазона приемника в область низких частот.The technical result of the combined hydroacoustic receiver is to improve the shape of the directivity characteristics, lower the threshold level, which allows expanding the capabilities of the receiver when detecting weak signals, the possibility of operatively adjusting the resonant frequency of the suspension, and expanding the frequency range of the receiver to low frequencies.

На чертеже представлена схема предлагаемого приемника, где 1 - жесткий каркас; 2 - корпус; система приема акустических колебаний, где 3 - груз, 4 - чувствительные элементы, 5 - электронный блок преобразования акустических колебаний; система дистанционной передачи информации, где 6 - передающая часть, 7 - приемная часть, 8 - электронная система преобразования сигналов и хранения или передачи полученной информации; система дистанционной подачи электропитания для компонентов внутри корпуса состоит из двух частей и включает приемную часть, состоящую из катушки с конденсатором 9 и блока преобразования 10, и передающую часть, состоящую, в свою очередь, из катушки с конденсатором 11, генератора 12, связанного с источником энергии, например аккумулятором (не показан); система стабилизации положения корпуса состоит из датчиков положения 13, постоянных магнитов 14, размещенных внутри корпуса 2, электромагнитов 15, размещенных на наружном каркасе 1, и электронной системы 16, регулирующей протекающий в электромагнитах ток.The drawing shows a diagram of the proposed receiver, where 1 is a rigid frame; 2 - case; a system for receiving acoustic vibrations, where 3 is a load, 4 are sensitive elements, 5 is an electronic unit for converting acoustic vibrations; remote information transmission system, where 6 is the transmitting part, 7 is the receiving part, 8 is the electronic system for converting signals and storing or transmitting the received information; the remote power supply system for the components inside the housing consists of two parts and includes a receiving part consisting of a coil with a capacitor 9 and a conversion unit 10, and a transmitting part consisting, in turn, of a coil with a capacitor 11, a generator 12 connected to the source energy, such as a battery (not shown); the stabilization system of the housing consists of position sensors 13, permanent magnets 14 located inside the housing 2, electromagnets 15 located on the outer frame 1, and an electronic system 16 that regulates the current flowing in the electromagnets.

При воздействии акустической волны на корпус приемника он начинает соколебаться с частицами среды. Для обеспечения возможности осуществлять колебательное движение вместе с окружающей средой корпус 2 снабжен неконтактной системой стабилизации положения корпуса и дистанционными системами энергоснабжения и передачи/хранения информации. Для этого в корпусе 2 установлены постоянные магниты 14, напротив которых на каркасе 1 размещены управляемые электронной системой 16 электромагниты 15, и датчики положения 13, которые вырабатывают сигналы, пропорциональные положению корпуса 2 относительно датчиков 13. Они могут быть реализованы, например, акустическими датчиками расстояния или датчиками Холла, которые вырабатывают сигналы в зависимости от силы магнитного поля, возникающего из-за наличия в корпусе постоянных магнитов и меняющегося при изменении положения корпуса относительно датчиков. Электронная система 16 управляет протекающим по электромагнитам током таким образом, чтобы сигналы от всех датчиков положения 13 были одинаковы, такой алгоритм обеспечивает стабилизацию положения корпуса в определенной точке пространства внутри каркаса. Изменяя характеристики электронной системы 16, можно изменить жесткость подвеса, а значит и резонансную частоту подвеса, которая может быть дополнительно снижена при наличии благоприятных условий окружающей среды (например, отсутствие течений) и оперативно увеличена при ухудшении внешних условий (например, возрастание скорости обтекания). Такой подход позволяет при установке величины жесткости ориентироваться не на самые худшие из возможных в эксплуатации условий, а адаптировать приемник к условиям, имеющим место в настоящий момент времени, что позволит, в некоторых случаях, понизить резонансную частоту и расширить частотный диапазон работы приемника.When an acoustic wave acts on the receiver case, it begins to cobble together with particles of the medium. To ensure the possibility of oscillatory motion together with the environment, the housing 2 is equipped with a non-contact stabilization system for the position of the housing and remote systems for energy supply and transmission / storage of information. For this purpose, permanent magnets 14 are installed in the housing 2, opposite which electromagnets 15 controlled by the electronic system 16 are placed on the frame 1, and position sensors 13 that generate signals proportional to the position of the housing 2 relative to the sensors 13. They can be implemented, for example, by acoustic distance sensors or Hall sensors that generate signals depending on the strength of the magnetic field that occurs due to the presence of permanent magnets in the case and changes when the position of the case changes sensors. The electronic system 16 controls the current flowing through the electromagnets so that the signals from all position sensors 13 are the same, such an algorithm stabilizes the position of the housing at a certain point in the space inside the frame. By changing the characteristics of the electronic system 16, it is possible to change the stiffness of the suspension, and hence the resonant frequency of the suspension, which can be further reduced in the presence of favorable environmental conditions (for example, the absence of currents) and quickly increased if environmental conditions deteriorate (for example, an increase in the flow velocity). This approach allows, when setting the stiffness value, to focus not on the worst operating conditions, but to adapt the receiver to the conditions that currently exist at a given time, which will, in some cases, reduce the resonant frequency and expand the frequency range of the receiver.

Акустические колебания среды, преобразованные в электронном блоке 5, поступают в передающую часть 6 дистанционной системы передачи информации, расположенной в корпусе 2, и затем в размещенную на каркасе 1 приемную часть 7, соединенную с электронной системой 8, обеспечивающей преобразование сигналов и их последующее хранение. Система дистанционной передачи информации может быть реализована любыми приемлемыми способами, например, передающая часть дистанционной системы передачи информации может представлять собой либо светоизлучающее устройство (светодиод), свет которого тем или иным способом модулирован принятыми акустическими колебаниями, либо излучающее в радиодиапазоне устройство, излучение которого также модулировано принятыми акустическими колебаниями, либо устройство, генерирующее магнитное поле (катушку), модулированное принятыми акустическими колебаниями, а приемная часть может представлять собой, соответственно, либо светоприемное устройство (фотодиод), либо радиоприемное устройство, либо устройство, чувствительное к переменному магнитному полю (катушку). Количество датчиков положения и электромагнитов, как правило, составляет не менее четырех.Acoustic vibrations of the medium, converted in the electronic unit 5, enter the transmitting part 6 of the remote information transmission system located in the housing 2, and then to the receiving part 7 located on the frame 1, connected to the electronic system 8, which provides signal conversion and their subsequent storage. The remote information transmission system can be implemented by any suitable means, for example, the transmitting part of the remote information transmission system can be either a light-emitting device (LED), the light of which is modulated in one way or another by received acoustic vibrations, or a device emitting in the radio range, the radiation of which is also modulated received acoustic vibrations, or a device generating a magnetic field (coil) modulated by the received acoustic oscillations, and the receiving part can be, respectively, either a light receiving device (photodiode), or a radio receiving device, or a device sensitive to an alternating magnetic field (coil). The number of position sensors and electromagnets, as a rule, is at least four.

Работу перечисленных устройств, размещенных в корпусе, обеспечивает система дистанционного электропитания, основанная на принципе передачи электромагнитной энергии в пространстве, и может быть реализована любым из двух способов, или путем передачи энергии электромагнитной волны между двумя близко расположенными колебательными контурами, образуемыми катушкой и конденсатором и настроенными на одинаковую резонансную частоту, или путем передачи энергии за счет магнитного поля, передающегося через зазор между магнитопроводами передающей и приемной частями системы дистанционного электропитания.The operation of the listed devices located in the housing is ensured by a remote power supply system based on the principle of transfer of electromagnetic energy in space, and can be implemented in any of two ways, or by transferring electromagnetic wave energy between two closely spaced oscillatory circuits formed by a coil and capacitor and configured at the same resonant frequency, or by transmitting energy through a magnetic field transmitted through the gap between the magnetic circuits, I transmit and her reception of the remote power supply system.

Техническое выполнение системы приема акустических колебаний является стандартным и может быть выполнено различными путями, например, используя трехосный акселерометр, с чувствительными элементами на основе пьезокерамики, или трехосный датчик скорости с чувствительными элементами в виде катушек с током, колеблющихся в магнитом поле.The technical implementation of a system for receiving acoustic vibrations is standard and can be performed in various ways, for example, using a triaxial accelerometer with sensors based on piezoceramics, or a triaxial velocity sensor with sensors in the form of coils with current oscillating in a magnetic field.

Таким образом, предлагаемая конструкция комбинированного гидроакустического приемника, в которой корпус приемника помещен в жесткий каркас с дистанционными системами передачи информации и подачи электропитания и неконтактной системой подвеса, позволяет устранить передачу вибраций каркаса и кабельных линий на корпус и искажение движения корпуса приемника в поле акустической волны, за счет чего улучшается форма характеристики направленности, и появляется возможность управления резонансной частотой подвеса приемника, за счет чего можно расширить рабочий частотный диапазон.Thus, the proposed design of a combined hydroacoustic receiver, in which the receiver case is placed in a rigid frame with remote information transmission and power supply systems and a non-contact suspension system, eliminates the transmission of frame vibrations and cable lines to the case and distortion of the movement of the receiver case in the acoustic wave field, due to which the shape of the directivity characteristic improves, and it becomes possible to control the resonant frequency of the receiver suspension, due to which It is necessary to expand the operating frequency range.

Claims

1. A combined hydroacoustic receiver, comprising a case with a load located in the center of the case, a hydrophone channel, three vector channels installed centrally symmetrically between the case and the load, an electronic unit for converting acoustic vibrations, a body stabilization system equipped with power and information transmission systems, characterized the fact that the stabilization system of the housing is non-contact and includes a rigid frame, along the perimeter of which are placed position sensors of the housing and connected to the electric the current regulation system, electromagnets, opposite which permanent magnets are installed inside the housing, and the power supply and information transmission systems are remote, the information transmission system includes a transmitting part located in the housing and connected to the electronic unit for converting acoustic vibrations, and the corresponding receiving part, installed on the frame and connected to the block for converting received signals, storing and / or transmitting information placed on the frame, and systems The power supply consists of a transmitting part located on the frame in the immediate vicinity of the housing and including either an oscillating circuit or a coil with a magnetic circuit, and a receiving part including, respectively, tuned to the frequency of the oscillating circuit of the transmitting part, an oscillating circuit or a coil with a magnetic circuit separated from the magnetic circuit of the transmitting part by a gap, which provides the possibility of oscillatory movement of the housing.

2. The combined hydroacoustic receiver according to claim 1, characterized in that Hall sensors are installed as position sensors of the receiver body.