RU2696812C1

RU2696812C1 - Combined vector receiver

Info

Publication number: RU2696812C1
Application number: RU2018147826A
Authority: RU
Inventors: Сергей Николаевич Ковалев
Priority date: 2018-12-29
Filing date: 2018-12-29
Publication date: 2019-08-06

Abstract

FIELD: hydro acoustics.

SUBSTANCE: invention relates to hydro acoustics, specifically to design of receivers for performing vector-scalar measurements of parameters of hydroacoustic ocean fields. Receiver comprises sealed housing with inertial mass located in centre, electronic system for generating signals proportional to acoustic pressure and three projections of oscillatory acceleration vector, and three measuring channels, each of which consists of two sensitive elements made on the basis of piezoceramics and installed towards each other along axes of orthogonal coordinate system. Housing is provided with blind holes made on outer side of housing opposite each sensitive element and equipped with sealed piston, the bottom of which rests on the bottom of the hole, on which the end of the sensitive element rests on the other side, the second end of which rests on the inertial mass.

EFFECT: high sensitivity of the receiver and improved shape of the directional characteristic.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к гидроакустике, а именно к комбинированным акустическим приемникам, широко применяющимся для проведения векторно-скалярных измерений параметров гидроакустических полей океана.The invention relates to hydroacoustics, namely to combined acoustic receivers, widely used for carrying out vector-scalar measurements of the parameters of hydroacoustic fields of the ocean.

Известен комбинированный акустический приемник, содержащий два приемника градиента давления, выполненные в виде полусфер из пьезокерамики, и приемник давления, выполненный из двух пьезокерамических дисков, помещенных в звукопрозрачный уретановый корпус (п. РФ №2403684 С1). Однако, приемник является двухканальным и не позволяет измерять третью проекцию вектора колебательной скорости на оси системы координат.Кроме этого, очень близкое расположение друг к другу приемников градиента давления в качестве измерителей колебательной скорости предъявляет очень жесткие требования к их идентичности и чувствительности, особенно на низких частотах.Known combined acoustic receiver containing two pressure gradient receivers made in the form of hemispheres made of piezoceramics, and a pressure receiver made of two piezoceramic disks placed in a soundproof urethane case (p. RF No. 2403684 C1). However, the receiver is a two-channel one and does not allow measuring the third projection of the vibrational velocity vector on the axis of the coordinate system. In addition, the very close proximity of pressure gradient receivers to each other as vibrational velocity meters poses very stringent requirements for their identity and sensitivity, especially at low frequencies .

Известен комбинированный гидроакустический приемник, корпус которого содержит груз, расположенный в центре, гидрофонный канал, три векторных канала, установленных центрально-симметрично между корпусом и грузом, электронный блок преобразования акустических колебаний, дистанционные системы электропитания и передачи информации, а также неконтактную магнитную систему стабилизации корпуса приемника, состоящую из жесткого каркаса, по периметру которого размещены датчики положения корпуса и соединенные с электронной системой регулирования тока электромагниты, напротив которых внутри корпуса установлены постоянные магниты (п. РФ №2577421 С1). Приемник отличается очень сложной конструкцией, а гидрофонный канал выполнен на отдельном чувствительном элементе, что дополнительно увеличивает сложность конструкции.A combined hydroacoustic receiver is known, the case of which contains a load located in the center, a hydrophone channel, three vector channels installed centrally symmetrically between the case and the load, an electronic unit for converting acoustic vibrations, remote power supply and information transmission systems, as well as a non-contact magnetic case stabilization system receiver, consisting of a rigid frame, along the perimeter of which are placed position sensors of the case and connected to an electronic control system current magnets, electromagnets opposite which permanent magnets are installed inside the housing (Clause RF No. 2577421 C1) The receiver has a very complex design, and the hydrophone channel is made on a separate sensitive element, which further increases the complexity of the design.

Наиболее близким к заявляемому является цифровой комбинированный векторный приемник с синтезированными каналами, содержащий корпус с инерционной массой, расположенной в центре корпуса, электронную систему регистрации сигналов, пропорциональных акустическому давлению и трем проекциям вектора колебательного ускорения, и три измерительных канала, каждый из которых состоит из двух чувствительных элементов, выполненных на основе пьезокерамики и установленных навстречу друг другу, при этом чувствительные элементы одним концом фиксируют инерционную массу, а другим опираются на корпус (п.РФ №2509320 С1). Под воздействием акустического поля силы давления на корпус вызывают его деформации. Часть деформирующего усилия передается на чувствительные элементы, опирающиеся на корпус, и при этом на всех чувствительных элементах возникнет деформация одного знака. Колебательное движение корпуса вызывает возникновение сил инерции, нагружающих чувствительные элементы, и создает деформации разных знаков у чувствительных элементов, лежащих на одной оси по разные стороны инерционной массы. Возникающие при этих деформациях чувствительных элементов сигналы оцифровываются и затем с помощью известных математических преобразований получают сигналы, пропорциональные давлению акустического поля и проекциям вектора колебательного ускорения.Closest to the claimed one is a digital combined vector receiver with synthesized channels, comprising a body with an inertial mass located in the center of the body, an electronic system for recording signals proportional to acoustic pressure and three projections of the vibrational acceleration vector, and three measuring channels, each of which consists of two sensitive elements made on the basis of piezoceramics and installed towards each other, while the sensitive elements are fixed at one end inertial mass, while others rely on the housing (p.RF №2509320 C1). Under the influence of an acoustic field, pressure forces on the casing cause its deformation. Part of the deforming force is transmitted to the sensitive elements resting on the housing, and at the same time, deformation of one sign will occur on all sensitive elements. The vibrational motion of the body causes the inertia forces that load the sensitive elements, and creates deformations of different signs of the sensitive elements lying on the same axis on different sides of the inertial mass. The signals arising from these deformations of the sensitive elements are digitized and then, using well-known mathematical transformations, they receive signals proportional to the pressure of the acoustic field and the projections of the vibrational acceleration vector.

Однако, если корпус выполнен из материала с большим модулем упругости, деформации корпуса, вызывающие сигналы датчиков, пропорциональные акустическому давлению, будут малы, поэтому для корректной работы известного приемника предполагается использование материалов с малым модулем упругости. Но в таком случае снижается резонансная частота корпуса, что нежелательно для векторного приемника, так как резонанс корпуса даже близкий к рабочему диапазону частот приводит к нарушению формы характеристики направленности, которая из дипольной вырождается в круговую. Из-за этого приходится либо мириться с плохой формой характеристики направленности, либо специально ограничивать рабочий диапазон меньшими значениями верхней частоты. Данный эффект, в частности, проявляется в том, что для приемника с объявленной верхней рабочей частотой порядка 1 кГц, при резонансной частоте корпуса в диапазоне 15-20 кГц, коэффициент деления (отношение максимума характеристики направленности к минимуму характеристики направленности) существенно ухудшается с ростом частоты: на низких частотах (порядка 200-300 Гц) коэффициент деления может достигать -40 дБ, а на частотах порядка 900 Гц он составляет уже -(15-20) дБ.However, if the housing is made of a material with a large modulus of elasticity, the deformation of the housing causing sensor signals proportional to the acoustic pressure will be small, therefore, for the correct operation of the known receiver, it is assumed to use materials with a small modulus of elasticity. But in this case, the resonant frequency of the case decreases, which is undesirable for a vector receiver, since the resonance of the case even close to the working frequency range leads to a violation of the shape of the directivity characteristic, which from a dipole degenerates into a circular one. Because of this, one has to either put up with the poor form of the directivity characteristic, or specifically limit the working range to lower values of the upper frequency. This effect, in particular, is manifested in the fact that for a receiver with a declared upper operating frequency of the order of 1 kHz, with a resonant frequency of the case in the range of 15-20 kHz, the division ratio (the ratio of the maximum directivity to the minimum directivity) significantly worsens with increasing frequency : at low frequencies (of the order of 200-300 Hz), the division coefficient can reach -40 dB, and at frequencies of the order of 900 Hz it is already - (15-20) dB.

Таким образом стоит проблема улучшения рабочих характеристик комбинированного векторного приемника, для чего заявитель предлагает частично отобрать у корпуса функцию передачи давления на чувствительные элементы, что позволит повысить чувствительность приемника и улучшить форму характеристики направленности.Thus, there is the problem of improving the performance of the combined vector receiver, for which the applicant proposes to partially remove the pressure transfer function from the housing to the sensitive elements, which will increase the sensitivity of the receiver and improve the shape of the directivity.

Для этого приемник, содержащий герметичный корпус с инерционной массой, расположенной в центре, электронную систему формирования сигналов, пропорциональных акустическому давлению и трем проекциям вектора колебательного ускорения, и три измерительных канала, каждый из которых состоит из двух чувствительных элементов, выполненных на основе пьезокерамики и установленных навстречу друг другу вдоль осей ортогональной системы координат, дополнительно снабжают глухими отверстиями, выполненными с внешней стороны корпуса напротив каждого чувствительного элемента и оборудованными уплотненным поршнем, при этом чувствительные элементы одним концом фиксируют инерционную массу, а другим опираются на дно отверстия, на которое с другой стороны опирается днище поршня.For this, a receiver containing a sealed housing with an inertial mass located in the center, an electronic signal generation system proportional to acoustic pressure and three projections of the vibrational acceleration vector, and three measuring channels, each of which consists of two sensitive elements made on the basis of piezoceramics and installed towards each other along the axes of the orthogonal coordinate system, additionally provide blind holes made on the outside of the housing opposite each Sensitivity element and equipped with piston seal, while the sensing elements are fixed at one end an inertial mass, and the other based on the bottom of the hole to which the other side of the piston head rests.

Заявляемая конструкция приемника за счет предложенной передачи сил внешнего давления на чувствительные элементы и уменьшения вредного влияния собственного резонанса корпуса приемника на характеристику направленности позволяет повысить чувствительность приемника и улучшить форму характеристики направленностиThe inventive design of the receiver due to the proposed transfer of external pressure to the sensitive elements and reduce the harmful effects of the own resonance of the receiver housing on the directivity characteristic allows you to increase the sensitivity of the receiver and improve the shape of the directivity

Силы внешнего давления вызывают деформацию корпуса, который, в свою очередь, деформирует чувствительные элементы. Чем меньше жесткость корпуса, тем больше деформация корпуса при воздействии давления и тем сильнее деформируются чувствительные элементы, проявляя, таким образом, хорошую чувствительность, но при этом снижается резонансная частота корпуса. Введение дополнительно в конструкцию приемника поршня для каждого чувствительного элемента позволяет избавится от необходимости иметь корпус малой жесткости и дает возможность использовать жесткий корпус с высокой резонансной частотой, а также обеспечивает хорошую передачу сил давления на чувствительные элементы, не теряя при этом чувствительность. Помимо этого, данное техническое решение позволяет использовать для корпусов более широкий спектр материалов и сделать корпус достаточно прочным для применения на большой глубине.External pressure forces cause deformation of the housing, which, in turn, deforms the sensitive elements. The lower the rigidity of the housing, the greater the deformation of the housing when exposed to pressure and the more sensitive the sensitive elements are deformed, thus exhibiting good sensitivity, but the resonant frequency of the housing decreases. The introduction of an additional piston receiver design for each sensitive element eliminates the need for a housing of low stiffness and makes it possible to use a rigid housing with a high resonant frequency, and also provides a good transfer of pressure forces to the sensitive elements without losing sensitivity. In addition, this technical solution allows the use of a wider range of materials for the hulls and makes the hull strong enough for use at great depths.

На фиг. приведена схема заявляемого устройства, где 1 - корпус с отверстиями, 2 - поршень; 3 - чувствительный элемент, 4 - уплотнительное кольцо поршня; 5 - инерционная масса; 6 - дно отверстия.In FIG. shows a diagram of the inventive device, where 1 is a housing with holes, 2 is a piston; 3 - a sensitive element, 4 - a sealing ring of the piston; 5 - inertial mass; 6 - bottom of the hole.

При этом конструктивно дно отверстия может быть выполнено съемным и изготовленным из иного материала, чем корпус, и закреплено в корпусе любым должным образом, например на винтах или с помощью клея, с выдерживанием размеров, необходимых для фиксации чувствительных элементов, опирающихся на инерционную массу.In this case, structurally, the bottom of the hole can be made removable and made of a material other than the body, and fixed in the body in any proper way, for example, with screws or with glue, with maintaining the dimensions necessary for fixing the sensitive elements based on the inertial mass.

Работает устройство следующим образом. Когда приемник находится в акустическом поле, его корпус (1) соколеблется с водной средой, при этом на инерционной массе (5) возникают силы инерции, которые воспринимаются чувствительными элементами (3). Дно (6) отверстия, являясь одновременно частью корпуса, за счет малой толщины обладает небольшой жесткостью для передачи на чувствительные элементы (3) силы акустического давления, воздействующей на поршни (2) с внешней стороны. Толщину дна отверстия подбирают с учетом эксплуатационных требований по заданным частотному диапазону, чувствительности и рабочей глубине погружения.The device operates as follows. When the receiver is in an acoustic field, its body (1) oscillates with the aqueous medium, while inertial masses (5) generate inertia forces, which are perceived by sensitive elements (3). The bottom (6) of the hole, being at the same time a part of the body, due to its small thickness, has little rigidity for transmitting acoustic pressure forces acting on the pistons (2) from the outside to the sensing elements (3). The thickness of the bottom of the hole is selected taking into account operational requirements for a given frequency range, sensitivity and working depth of immersion.

Таким образом, на всех шести чувствительных элементах присутствуют сигналы, пропорциональные акустическому давлению, и на каждых двух чувствительных элементах, расположенных вдоль одной оси координат, присутствуют сигналы, пропорциональные проекции вектора колебательного ускорения на соответствующую ось. Для выделения из полученных сигналов сигнала, пропорционального давлению, суммируют сигналы со всех шести чувствительных элементов. А для выделения сигналов, пропорциональных компонентам колебательного ускорения, попарно вычитают один из другого сигналы чувствительных элементов, расположенных вдоль одной оси, при этом противофазные сигналы проекции вектора колебательного ускорения суммируются, а синфазные сигналы, пропорциональные давлению взаимно вычитаются.Thus, on all six sensing elements there are signals proportional to acoustic pressure, and on every two sensing elements located along one coordinate axis, there are signals proportional to the projection of the vibrational acceleration vector on the corresponding axis. To isolate a signal proportional to pressure from the received signals, the signals from all six sensing elements are summed. And in order to isolate signals proportional to the components of vibrational acceleration, the signals of sensitive elements located along one axis are subtracted in pairs from one another, while the antiphase signals of the projection of the vibrational acceleration vector are summed, and in-phase signals proportional to pressure are mutually subtracted.

Реализовать электронную систему алгоритма расчета формирования сигналов можно различными способами, например, как описано в прототипе, где электронная система формирования сигналов, пропорциональных давлению в акустической волне и компонентам вектора колебательного ускорения, выполнена с использованием микропроцессорного устройства: каждый чувствительный элемент подключен к входу своего АЦП, выходные коды которого подаются в микропроцессорное устройство; или, например, подавая сигналы всех чувствительных элементов на аналоговый сумматор («Р»), где противофазные сигналы, пропорциональные проекциям вектора колебательного ускорения, будут взаимно вычитаться, а синфазные сигналы, вызванные давлением акустического поля будут суммироваться, образуя на выходе сумматора («Р») сигнал, пропорциональный акустическому давлению. Для получения сигналов, пропорциональных проекциям колебательного ускорения попарно суммируют сигналы чувствительных элементов, принадлежащих одной оси с помощью трех других сумматоров, например, «Vx», «Vy», «Vz», причем один из сигналов в парах инвертирован, и тогда на выходах сумматоров «V» получают сигналы, пропорциональные проекциям вектора колебательного ускорения, при этом сигналы, пропорциональные давлению будут взаимно вычитаться.The electronic system of the algorithm for calculating the formation of signals can be implemented in various ways, for example, as described in the prototype, where the electronic system for generating signals proportional to the pressure in the acoustic wave and the components of the vibrational acceleration vector is made using a microprocessor device: each sensitive element is connected to the input of its own ADC, whose output codes are supplied to the microprocessor device; or, for example, by supplying the signals of all sensitive elements to an analog adder ("P"), where the out-of-phase signals proportional to the projections of the vibrational acceleration vector will be mutually subtracted, and the common-mode signals caused by the pressure of the acoustic field will be summed, forming the output of the adder ("P ») Signal proportional to acoustic pressure. To obtain signals proportional to the projections of vibrational acceleration, the signals of sensitive elements belonging to one axis are summed up in pairs using three other adders, for example, “Vx”, “Vy”, “Vz”, one of the signals in pairs being inverted, and then at the outputs of the adders “V” receives signals proportional to the projections of the vibrational acceleration vector, while signals proportional to pressure will be mutually subtracted.

Заявляемый приемник может быть изготовлен с использованием стандартных конструкторских приемов и элементов. Например, корпус и поршни могут быть изготовлены из пластмассы, подходящей по физико-химическим характеристикам, например, поликарбоната, или из металлического сплава, при этом толщина стенки корпуса выбирается конструктором исходя из заданной резонансной частоты приемника, что может привести к достаточно жесткому корпусу, но так как передача акустического давления на чувствительные элементы осуществляется через поршни, высокая жесткость не повлияет на характеристики чувствительности и уменьшит вредное влияние собственного резонанса корпуса приемника на характеристику направленности за счет того, что жесткость корпуса и, соответственно, частота его собственного резонанса, может быть повышена без ущерба для передачи сил внешнего давления на чувствительные элементы за счет предлагаемой конструкции. Помимо этого, данное техническое решение позволяет сделать корпус достаточно прочным для применения на большой глубине.The inventive receiver can be manufactured using standard design techniques and elements. For example, the housing and pistons can be made of plastic suitable for physicochemical characteristics, for example, polycarbonate, or of a metal alloy, while the wall thickness of the housing is chosen by the designer based on the given resonant frequency of the receiver, which can lead to a rather rigid housing, but since the transmission of acoustic pressure to the sensing elements is carried out through the pistons, high rigidity will not affect the sensitivity characteristics and will reduce the harmful effect of intrinsic resonance a receiver housing for directional characteristic due to the fact that the rigidity of the case and, accordingly, the resonance frequency of its own, can be increased without detriment to the transmission of forces of external pressure on the sensitive elements due to the proposed structure. In addition, this technical solution allows you to make the case strong enough for use at great depths.

Claims

1. A combined vector receiver containing a sealed housing with an inertial mass located in the center, an electronic signal generation system proportional to the acoustic pressure and three projections of the vibrational acceleration vector, and three measuring channels, each of which consists of two sensitive elements made on the basis of piezoceramics and installed towards each other along the axes of the orthogonal coordinate system and resting at one end on the inertial mass, characterized in that the receiver It is additionally equipped with blind holes made on the outside of the housing opposite each sensor element and equipped with a sealed piston, the bottom of which rests on the bottom of the hole, on which the other end of the sensor element rests on the other side.

2. The combined vector receiver according to claim 1, characterized in that the bottom of the hole is removable.