RU2724296C1 - Molecular-electronic hydrophone with static pressure compensation - Google Patents

Molecular-electronic hydrophone with static pressure compensation Download PDF

Info

Publication number
RU2724296C1
RU2724296C1 RU2019140629A RU2019140629A RU2724296C1 RU 2724296 C1 RU2724296 C1 RU 2724296C1 RU 2019140629 A RU2019140629 A RU 2019140629A RU 2019140629 A RU2019140629 A RU 2019140629A RU 2724296 C1 RU2724296 C1 RU 2724296C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
hydrophone
molecular
chamber
chambers
static pressure
Prior art date
Application number
RU2019140629A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Вадим Михайлович Агафонов
Егор Владимирович Егоров
Дмитрий Леонидович Зайцев
Анна Сергеевна Шабалина
Максим Александрович Рыжков
Original Assignee
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" filed Critical федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)"
Priority to RU2019140629A priority Critical patent/RU2724296C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2724296C1 publication Critical patent/RU2724296C1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04RLOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R1/00Details of transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R1/44Special adaptations for subaqueous use, e.g. for hydrophone

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

FIELD: acoustic metrology.SUBSTANCE: molecular-electronic hydrophone with static pressure compensation contains a molecular-electronic converter rigidly fixed inside a sealed housing, filled with easily compressible liquid and divided into two chambers with a rigid wall with a capillary, such that each of the chambers communicates with one of the membranes of the molecular-electronic converter, wherein the outer chamber of the chambers is separated from the surrounding environment by the impermeable membrane, and the inner chamber is separated from the surrounding environment by the rigid casing of the housing. Chamber separated from the environment by a soft membrane has a much smaller volume than the other chamber. Compressible fluid used is polymethylsiloxane or polydimethyl siloxane fluids of different viscosity. Note here that negative feedback is introduced to stabilize hydrophone parameters.EFFECT: high accuracy of measurements at large depths due to compensation of external static pressure, which will allow the hydrophone to have the same response regardless of depth.4 cl, 6 dwg, 1 tbl

Description

Гидрофоны, приборы для приема/излучения, и регистрации акустических сигналов в жидкой среде, имеют широкую область применения. Эти приборы используются для научных исследований подводной биосферы, для навигации и локации судов, в качестве приемника сейсмических сигналов, в том числе при разведке полезных ископаемых на шельфах и переходных от суши к морю зонах, в рыбодобывающей отрасли и в других сферах. Гидрофоны могут применяться в составе плавающих и донных сейсмических кос, многокомпонентных измерительных комплексов, например, двойные датчики типа геофон/гидрофон, векторные акустические приемники или донные сейсмические станции. Помимо области и способа применения гидрофоны различаются по механизму преобразования акустического сигнала в электрический ток (пьезоэлектрические, волоконно-оптические, электро- и магнитострикционные, электро- и магнитодинамические и другие) типу исполнения (погружные, врезные) [1]. Использование гидрофонов в условиях морской среды предъявляет к приборам серьезные требования относительно герметичности и стойкости к высоким статическим давлениям. В отличие от мелководных гидрофонов, у которых глубина погружения не превышает нескольких десятков метров (соответствует диапазону гидростатических давлений от нуля до нескольких атмосфер), глубоководные гидрофоны должны работать на глубинах от десятков метров до сотен метров и даже нескольких километров (этому соответствует большой диапазон гидростатических давлений от единиц до нескольких десятков атмосфер). Поэтому глубоководные гидрофоны должны иметь характеристики, слабо зависящие от статического давления в широком диапазоне, или иметь механизм компенсации статического давления. Например, широкое применение глубоководные гидрофоны получили в области сейсморазведки на морском шельфе, где они используются в составе донных сейсмических кос и донных автономный сейсмических станций. При этом глубина погружения может составлять более 500 метров.Hydrophones, devices for receiving / emitting, and recording acoustic signals in a liquid medium have a wide range of applications. These devices are used for scientific research of the underwater biosphere, for navigation and location of ships, as a receiver of seismic signals, including in the exploration of mineral resources on shelves and transitions from land to sea zones, in the fishing industry and in other areas. Hydrophones can be used as part of floating and bottom seismic streamers, multicomponent measuring complexes, for example, dual sensors such as geophon / hydrophone, vector acoustic receivers or bottom seismic stations. In addition to the scope and method of application, hydrophones differ in the mechanism of converting an acoustic signal into an electric current (piezoelectric, fiber-optic, electro- and magnetostrictive, electro- and magnetodynamic and others) type of execution (submersible, mortise) [1]. The use of hydrophones in a marine environment imposes serious requirements on instruments for tightness and resistance to high static pressures. Unlike shallow-water hydrophones, in which the immersion depth does not exceed several tens of meters (corresponds to a range of hydrostatic pressures from zero to several atmospheres), deep-sea hydrophones should work at depths from tens of meters to hundreds of meters and even several kilometers (this corresponds to a large range of hydrostatic pressures from units to several tens of atmospheres). Therefore, deep-sea hydrophones should have characteristics that are weakly dependent on static pressure over a wide range, or have a mechanism for compensating static pressure. For example, deep-sea hydrophones are widely used in the field of seismic exploration on the sea shelf, where they are used as part of bottom seismic streamers and bottom autonomous seismic stations. At the same time, the depth of immersion can be more than 500 meters.

На сегодняшний день наиболее распространены пьезоэлектрические [1-4] и волоконно-оптические [5-6] гидрофоны. Существуют также гидрофоны с механизмом преобразования, основанном на принципе молекулярно-электронного переноса [7-8]. Датчики на основе этой технологии успешно зарекомендовали себя в сейсморазведке, навигации, мониторинге состояния сложных инженерных сооружений и зданий и некоторых других областях. Их отличительной особенностью является высокая чувствительность и низкий уровень собственных шумов в области низких частот (от долей до сотен Герц) характерных для сейсморазведки, а также низкое энергопотребление и низкая стоимость. Главным элементом датчиков на основе этой технологии является молекулярно-электронный преобразователь, принцип действия и устройство которого подробно описано в [9].Today, piezoelectric [1-4] and fiber optic [5-6] hydrophones are the most common. There are also hydrophones with a conversion mechanism based on the principle of molecular electron transfer [7–8]. Sensors based on this technology have successfully established themselves in seismic exploration, navigation, monitoring the status of complex engineering structures and buildings and some other areas. Their distinguishing feature is the high sensitivity and low level of intrinsic noise in the low frequency region (from fractions to hundreds of Hertz) characteristic of seismic exploration, as well as low power consumption and low cost. The main element of sensors based on this technology is a molecular-electronic converter, the principle of operation and device of which is described in detail in [9].

Молекулярно-электронный преобразователь представляет собой канал с жестким корпусом, заполненный раствором электролита, разделенный на две симметричные относительно поперечного сечения половины электродным узлом и закрытый с торцов непроницаемыми для жидкости упругими мембранами. Электродный узел состоит из четырех электродов, расположенных в порядке катод-анод-анод-катод, между которыми находятся диэлектрические пористые перегородки. При подаче постоянного напряжения на пары катод-анод в результате окислительно-восстановительных реакций на поверхностях электродов возникает стационарное распределение концентрации ионов электролита в пространстве между электродами. Симметричное расположение пар электродов дает в этом случае нулевой разностный катодный ток. При движении раствора электролита вдоль канала стационарное распределение нарушается и разностный катодный ток становится отличным от нуля. Межэлектродный ток линейно зависит от скорости движения раствора электролита.The molecular-electronic transducer is a channel with a rigid body, filled with an electrolyte solution, divided into two symmetrical relative to the cross section of the half electrode assembly and closed from the ends with liquid-tight elastic membranes. The electrode assembly consists of four electrodes arranged in the order cathode-anode-anode-cathode, between which there are dielectric porous partitions. When a constant voltage is applied to the cathode-anode pairs as a result of redox reactions on the surfaces of the electrodes, a stationary distribution of the concentration of electrolyte ions in the space between the electrodes occurs. The symmetric arrangement of the pairs of electrodes gives in this case a zero difference cathode current. When the electrolyte solution moves along the channel, the stationary distribution is violated and the difference cathode current becomes nonzero. The interelectrode current linearly depends on the speed of the electrolyte solution.

В молекулярно-электронных гидрофонах, описанных в патентах [7] и [8], одна из мембран преобразователя сообщается с окружающей средой, а другая с камерой, отделенной от окружающей среды жесткой оболочкой. В [7] камера заполнена воздухом и имеет небольшой объем порядка нескольких см3, а в [8] имеет объем порядка нескольких сотен см3 и заполнена легкосжимаемой жидкостью. Для обеспечения линейности отклика гидрофоны оснащены механизмом обратной связи, представляющим собой катушку, закрепленную на корпусе гидрофона и магнит, соединенный с мембраной молекулярно-электронного датчика. При этом выходной сигнал датчика управляет величиной тока в катушке, а специальные управляющие цепи корректируют ток в катушке таким образом, чтобы сила взаимодействия между катушкой с током и магнитом, жестко закрепленном на мембране, компенсировала действие внешнего давления на мембрану. Недостатком предложенных технических решений является существенная зависимость отклика от статического давления, поскольку статическое давление деформирует мембрану и изменяет взаимное расположение магнита и катушки. Как следствие, при увеличении статического давления изменяется сила взаимодействия между катушкой и магнитом и общая чувствительность гидрофона.In the molecular-electronic hydrophones described in patents [7] and [8], one of the transducer membranes communicates with the environment, and the other with a chamber separated from the environment by a rigid shell. In [7], the chamber is filled with air and has a small volume of the order of several cm 3 , and in [8] it has a volume of the order of several hundred cm 3 and is filled with an easily compressible liquid. To ensure a linear response, hydrophones are equipped with a feedback mechanism, which is a coil mounted on the hydrophone body and a magnet connected to the membrane of the molecular-electronic sensor. In this case, the sensor output signal controls the magnitude of the current in the coil, and special control circuits adjust the current in the coil so that the interaction force between the coil and the current and the magnet rigidly fixed to the membrane compensates for the effect of external pressure on the membrane. The disadvantage of the proposed technical solutions is a significant dependence of the response on static pressure, since static pressure deforms the membrane and changes the relative position of the magnet and the coil. As a result, with increasing static pressure, the strength of the interaction between the coil and magnet and the overall sensitivity of the hydrophone change.

Прототипом предлагаемого изобретения является глубоководный гидрофон, представленный в патенте [8], недостатком которого является отсутствие компенсации статического давления, что приводит к существенному изменению отклика датчика при погружении на большие глубины.The prototype of the invention is a deep-sea hydrophone, presented in the patent [8], the disadvantage of which is the lack of compensation of static pressure, which leads to a significant change in the response of the sensor when immersed at great depths.

Задачей изобретения является усовершенствование конструкции глубоководного гидрофона, которое обеспечивает компенсацию внешнего статического давления, что позволит гидрофону иметь одинаковый отклик вне зависимости от глубины.The objective of the invention is to improve the design of a deep-sea hydrophone, which provides compensation for external static pressure, which will allow the hydrophone to have the same response regardless of depth.

Поставленная задача решается тем, что молекулярно-электронный гидрофон с компенсацией статического давления, в котором молекулярно-электронный преобразователь жестко закреплен внутри герметичного корпуса, заполненного легкосжимаемой жидкостью и разделенного на две камеры жесткой стенкой с капилляром, таким образом, что каждая из камер сообщается с одной из мембран молекулярно-электронного преобразователя, при этом внешняя камера из камер отделена от окружающей среды непроницаемой мембраной, а внутренняя камера отделена от окружающей среды жесткой оболочкой корпуса. При этом камера, отделенная от окружающей среды мягкой мембраной, имеет намного меньший объем, чем другая камера При этом в качестве легкосжимаемой жидкости используются полиметилсилоксановые или полидиметилсилоксановые жидкости различной вязкости. При этом для стабилизации параметров гидрофона введена отрицательная обратная связь.The problem is solved in that a molecular-electronic hydrophone with static pressure compensation, in which the molecular-electronic transducer is rigidly fixed inside a sealed enclosure filled with easily compressible liquid and divided into two chambers by a rigid wall with a capillary, so that each of the chambers communicates with one from the membranes of the molecular-electronic transducer, while the outer chamber from the chambers is separated from the environment by an impermeable membrane, and the inner chamber is separated from the environment by a rigid shell of the housing. Moreover, the chamber, separated from the environment by a soft membrane, has a much smaller volume than the other chamber. Moreover, polymethylsiloxane or polydimethylsiloxane liquids of various viscosities are used as easily compressible liquids. At the same time, negative feedback was introduced to stabilize the hydrophone parameters.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого изобретения, где одна из мембран 6 разделяет канал молекулярно-электронного преобразователя 3 внутреннюю камеру 1 объема под жесткой оболочкой 12, заполненную легко сжимаемой непроводящей электрический ток жидкостью. Другая мембрана разделяет канал и внешнюю камеру 2, заполненную той же легко сжимаемой жидкостью, что и внутренняя камера 1. Внешняя камера 2 сообщается с окружающей средой через непроницаемую мембрану 8. Камеры 1 и 2 разделены между собой жесткой стенкой 9, в которой имеется тонкий капилляр 7. Через капилляр 7 камеры 1 и 2 сообщаются между собой, благодаря этому жидкость может медленно перетекать из одной камеры в другую. Кроме того, на одной из мембран молекулярно-электронного преобразователя закреплен цилиндрический магнит 11, который может свободно перемещаться внутри катушки 10, неподвижной относительно корпуса молекулярно-электронного преобразователя. Магнит 11 и катушка 10 являются элементами электромагнитной силовой отрицательной обратной связи гидрофона. Обратная связь работает таким образом: при действии внешнего сигнала выходной электрический ток с электродного узла 4 подается на катушку 10 через преобразующую электронику, в результате чего внутри катушки 10 возникает магнитное поле, которое воздействует на магнит 11 и, как следствие на мембрану, с определенной силой, частично компенсирующей внешнее воздействие.In FIG. 1 is a diagram of the invention, where one of the membranes 6 divides the channel of the molecular-electronic transducer 3 of the inner volume chamber 1 under a rigid shell 12 filled with an easily compressible non-conductive electric current. Another membrane separates the channel and the outer chamber 2, filled with the same easily compressible liquid as the inner chamber 1. The outer chamber 2 communicates with the environment through an impermeable membrane 8. The chambers 1 and 2 are separated by a rigid wall 9, in which there is a thin capillary 7. Through the capillary 7, chambers 1 and 2 communicate with each other, due to this, the liquid can slowly flow from one chamber to another. In addition, a cylindrical magnet 11 is mounted on one of the membranes of the molecular-electronic converter, which can freely move inside the coil 10, which is stationary relative to the body of the molecular-electronic converter. The magnet 11 and the coil 10 are elements of the electromagnetic power negative feedback of the hydrophone. Feedback works in this way: under the action of an external signal, the output electric current from the electrode assembly 4 is supplied to the coil 10 through the conversion electronics, as a result of which a magnetic field appears inside the coil 10, which acts on the magnet 11 and, as a consequence, on the membrane, with a certain force partially compensating for the external impact.

Внешняя камера с внешней мембраной и капилляр выполняют функцию компенсации внешнего статического давления в окружающей среде. Капилляр позволяет жидкости перетекать из одной камеры в другую, а мягкая внешняя мембрана позволяет свободно менять объем внешней камеры. Поэтому сжатие жидкости при изменении внешнего статического давления будет происходить за счет изменения объема внешней камеры и деформации внешней мембраны, в то время как мембраны молекулярно-электронного преобразователя при выравнивании давлений между камерами смогут вернуться в положение равновесия за счет собственных сил упругости.An external chamber with an external membrane and a capillary perform the function of compensating the external static pressure in the environment. A capillary allows fluid to flow from one chamber to another, and a soft outer membrane allows you to freely change the volume of the outer chamber. Therefore, the compression of the liquid with a change in the external static pressure will occur due to a change in the volume of the external chamber and deformation of the external membrane, while the membranes of the molecular-electronic transducer, when the pressures are equalized between the chambers, can return to the equilibrium position due to their own elastic forces.

Опишем математически преобразование вариаций давления окружающей среды в движение раствора электролита и механизм компенсации статического давления окружающей среды.Let us describe mathematically the conversion of environmental pressure variations into the movement of an electrolyte solution and the mechanism for compensating the static environmental pressure.

Процесс преобразования вариаций давления в движение раствора электролита можно представить с помощью уравнения, описывающего объемный расход раствора электролита через сечение каналов электродного узла датчика. В этом уравнении пренебрежем инерционностью жидкости, так как она вносит свой вклад в объемный расход только при больших частотах за пределами требуемой для датчика диапазона, при этом из условия несжимаемости раствора электролита мембраны молекулярно-электронного преобразователя будут двигаться одинаково.The process of converting pressure variations into the movement of the electrolyte solution can be represented using the equation describing the volume flow of the electrolyte solution through the channel section of the sensor electrode assembly. In this equation, we neglect the inertia of the liquid, since it contributes to the volumetric flow rate only at high frequencies outside the range required for the sensor; moreover, from the condition of the incompressibility of the electrolyte solution, the membranes of the molecular-electron transducer will move identically.

Figure 00000001
Figure 00000001

Figure 00000002
Figure 00000002

Figure 00000003
Figure 00000003

где Q - объемный расход раствора электролита через сечение канала молекулярно-электронного преобразователя, s - площадь мембран молекулярно-электронного преобразователя, pout - давление во внешней камере,

Figure 00000004
- давление раствора электролита в половине канала, которая сообщается с внешней камерой, р0 - статическое давление в окружающей среде, p(t) - воздействие, поданное на внешнюю мембрану, pin - давление во внутренней камере,
Figure 00000005
- давление раствора электролита в половине канала, которая сообщается с внутренней камерой, Δpin - изменение давления во внутренней камере при подаче возмущения, х - смещение мембран молекулярно-электронного преобразователя, Rh - коэффициент гидродинамического сопротивления канала молекулярно-электронного преобразователя.where Q is the volumetric flow rate of the electrolyte solution through the channel cross section of the molecular electronic transducer, s is the membrane area of the molecular electronic transducer, p out is the pressure in the external chamber,
Figure 00000004
is the pressure of the electrolyte solution in half of the channel that communicates with the external chamber, p 0 is the static pressure in the environment, p (t) is the effect applied to the external membrane, p in is the pressure in the internal chamber,
Figure 00000005
is the pressure of the electrolyte solution in half of the channel that communicates with the inner chamber, Δp in is the change in pressure in the inner chamber when a disturbance is applied, x is the displacement of the membranes of the molecular-electronic transducer, R h is the hydrodynamic resistance coefficient of the channel of the molecular-electronic transducer.

Мембрану, посредством котрой внешняя камера сообщается с окружающей средой будем считать мягкой и предположим, что давление во внешней камере совпадает с давлением в окружающей среде.The membrane, through which the external chamber communicates with the environment, will be considered soft and assume that the pressure in the external chamber coincides with the pressure in the environment.

Так как жидкость в камерах сжимаемая, то, считая относительное изменение давления во внутренней камере малым, можем записать выражение для плотности жидкости во внутренней камере в виде:Since the fluid in the chambers is compressible, then, considering the relative change in pressure in the inner chamber to be small, we can write the expression for the density of the fluid in the inner chamber in the form:

Figure 00000006
Figure 00000006

где ρ0, ρ - плотности жидкости во внутренней камере в отсутствии воздействия и при поданном воздействии, соответственно, βT - изотермический коэффициент сжимаемости жидкости в камерах.where ρ 0 , ρ are the densities of the fluid in the inner chamber in the absence of exposure and when applied, respectively, β T is the isothermal coefficient of compressibility of the fluid in the chambers.

Выразим Δpin из (4):Express Δp in from (4):

Figure 00000007
Figure 00000007

где m - массы жидкости во внутренней камере, V = V0 - sx - объем внутренней камеры.where m is the mass of fluid in the inner chamber, V = V 0 - sx is the volume of the inner chamber.

Здесь и далее индекс 0 у параметров внутренней камеры соответствует состоянию в отсутствии внешнего возмущения.Hereinafter, index 0 for the parameters of the internal chamber corresponds to the state in the absence of external disturbance.

Считая относительное изменение массы жидкости во внутренней камере малым, получим:Assuming the relative change in the mass of liquid in the inner chamber to be small, we obtain:

Figure 00000008
Figure 00000008

где Δm - масса жидкости, поступившей во внутреннюю камеру через капилляр.where Δm is the mass of fluid entering the inner chamber through the capillary.

Подставим (6) в (5) и отбросив слагаемые 2-го и более высокого порядка малости:We substitute (6) into (5) and discard the terms of the 2nd and higher order of smallness:

Figure 00000009
Figure 00000009

Если воздействовать на внешнюю мембрану гармоническим сигналом p(t) = pωeiωt,If you act on the outer membrane with a harmonic signal p (t) = p ω e iωt ,

то разность давлений между концами канала молекулярно-электронного преобразователя равна:then the pressure difference between the ends of the channel of the molecular-electronic transducer is equal to:

Figure 00000010
Figure 00000010

После подстановки (8) в (1), получаем:After substituting (8) in (1), we obtain:

Figure 00000011
Figure 00000011

Теперь запишем массовый расход жидкости через капилляр:Now we write the mass flow rate of the liquid through the capillary:

Figure 00000012
Figure 00000012

где q(t) - объемный расход жидкости через капилляр. Из закона Пуазейля:where q (t) is the volumetric flow rate of the fluid through the capillary. From Poiseuille's Law:

Figure 00000013
Figure 00000013

где

Figure 00000014
- коэффициент гидродинамического сопротивления капилляра, r - радиус капилляра,
Figure 00000015
- длина капилляра, μ0 - динамическая вязкость сжимаемой жидкости, заполняющей внешнюю и внутреннюю камеры.Where
Figure 00000014
is the coefficient of hydrodynamic resistance of the capillary, r is the radius of the capillary,
Figure 00000015
is the length of the capillary, μ 0 is the dynamic viscosity of the compressible fluid filling the external and internal chambers.

После подстановки (11) в (10) с учетом (8) получим:After substituting (11) into (10), taking into account (8), we obtain:

Figure 00000016
Figure 00000016

Представим х(t) и Δm(t) в виде гармонических сигналов:We represent x (t) and Δm (t) in the form of harmonic signals:

Figure 00000017
Figure 00000017

Подставив (13) в (12), а затем продифференцировав по времени получим:Substituting (13) into (12), and then differentiating with respect to time, we obtain:

Figure 00000018
Figure 00000018

Выразим отсюда Δmω/m0:We express from here Δm ω / m 0 :

Figure 00000019
Figure 00000019

Следовательно:Hence:

Figure 00000020
Figure 00000020

где Qω = sXω iω - амплитуда колебаний объемного расхода раствора электролита через сечение каналов электродного узла датчика, при этом Q = Qωeiωt.where Q ω = sX ω iω is the amplitude of the oscillations in the volumetric flow rate of the electrolyte solution through the channel cross section of the sensor electrode assembly, with Q = Q ω e iωt .

Подставляя (16) в (9), получаем:Substituting (16) in (9), we obtain:

Figure 00000021
Figure 00000021

Из (17) получаем передаточную функцию механической системы гидрофона:From (17) we obtain the transfer function of the mechanical system of the hydrophone:

Figure 00000022
Figure 00000022

Как видно из (18) в выражение для передаточной функции механической системы не входят параметры, зависящие от статического давления окружающей среды, следовательно отклик механической системы также не зависит от статического давления окружающей среды.As can be seen from (18), the expression for the transfer function of a mechanical system does not include parameters that depend on the static pressure of the environment; therefore, the response of the mechanical system also does not depend on the static pressure of the environment.

Выражение для модуля передаточной функции механической системы гидрофона имеет вид:The expression for the transfer function module of the hydrophone mechanical system has the form:

Figure 00000023
Figure 00000023

Нижняя частота пропускания механической системы гидрофона при этом равна:The lower transmission frequency of the mechanical hydrophone system is equal to:

Figure 00000024
Figure 00000024

Как видно из (20) при Rh < rh нижняя частота пропускания практически не зависит от коэффициента гидродинамического сопротивления капилляра и определяется коэффициентом гидродинамического сопротивления канала молекулярно-электронного преобразователя.As can be seen from (20), for R h <r h, the lower transmission frequency is practically independent of the coefficient of hydrodynamic resistance of the capillary and is determined by the coefficient of hydrodynamic resistance of the channel of the molecular-electronic converter.

Кроме того, нижняя частота пропускания обратно пропорциональна объему внутренней камеры V0. Таким образом для уменьшения этого параметра и улучшения отклика гидрофона нужно сделать объем внутренней камеры большим, а так как объем внешней камеры не влияет на отклик гидрофона, то его можно сделать существенно меньшим, чем объем внутренней камеры, чтобы уменьшить габариты гидрофона.In addition, the lower transmission frequency is inversely proportional to the volume of the internal chamber V 0 . Thus, to reduce this parameter and improve the response of the hydrophone, it is necessary to make the volume of the inner chamber large, and since the volume of the outer chamber does not affect the response of the hydrophone, it can be made significantly smaller than the volume of the inner chamber to reduce the dimensions of the hydrophone.

Покажем теперь, что мембраны остаются недеформированными после изменения величины внешнего статического давления. Для этого подадим на внешнюю мембрану постоянный сигнал p(t) = Δp, где Δр - величина, на которую изменяется внешнее статическое давление. В данном рассмотрении учтем действие силы упругости на мембраны молекулярно-электронного преобразователя. С учетом этого выражение (9) и продифференцированное по времени выражение (12) примут, соответственно, вид:We show now that the membranes remain undeformed after changing the value of the external static pressure. To do this, apply a constant signal p (t) = Δp to the external membrane, where Δр is the value by which the external static pressure changes. In this consideration, we take into account the action of the elastic force on the membranes of the molecular-electronic transducer. With this in mind, expression (9) and time-differentiated expression (12) will take, respectively, the form:

Figure 00000025
Figure 00000025

Figure 00000026
Figure 00000026

Сделав в (21) и (22) замену

Figure 00000027
, получим систему линейных дифференциальных уравнений:Having made the change in (21) and (22)
Figure 00000027
, we obtain a system of linear differential equations:

Figure 00000028
Figure 00000028

Общее решение (23) имеет вид:The general solution (23) has the form:

Figure 00000029
Figure 00000029

где C1, 2 - константы, определяемые начальными условиями,

Figure 00000030
- собственные векторы матрицы системы (23), λ1, 2 - собственные числа матрицы системы (23), причем λ1, 2 < 0, так как
Figure 00000031
where C 1, 2 are constants determined by the initial conditions,
Figure 00000030
are the eigenvectors of the matrix of system (23), λ 1, 2 are the eigenvalues of the matrix of system (23), and λ 1, 2 <0, since
Figure 00000031

Как видно из (24) x → 0 при t → ∞, то есть при изменении внешнего статического давления мембраны молекулярно-электронного преобразователя под действием сил упругости будут возвращаться в исходное положение. В результате в рассматриваемом гидрофоне будет осуществляться компенсация статического давления.As can be seen from (24), x → 0 as t → ∞, i.e., when the external static pressure changes, the membranes of the molecular-electron transducer under the action of elastic forces will return to their original position. As a result, static pressure will be compensated in the hydrophone under consideration.

Таким образом, технический эффект предлагаемого решения состоит в том, что благодаря наличию капилляра осуществляется компенсация статического давления и мембраны молекулярно-электронного преобразователя возвращаются в исходное положение при изменении статического давления. Последнее позволяет сохранять взаимное положение катушки и магнита, прикрепленного к одной из мембран, неизменным при различных статических давлениях. В результате отклик гидрофона с отрицательной обратной связью остается неизменным. Кроме того, капилляр практически не влияет на отклик в пределах полосы пропускания гидрофона.Thus, the technical effect of the proposed solution is that due to the presence of a capillary, static pressure is compensated and the membranes of the molecular-electronic transducer return to their original position when the static pressure changes. The latter allows you to maintain the relative position of the coil and magnet attached to one of the membranes, unchanged at various static pressures. As a result, the response of the negative feedback hydrophone remains unchanged. In addition, the capillary practically does not affect the response within the passband of the hydrophone.

Пример реализации изобретения.An example implementation of the invention.

Проведем расчеты согласно формулам (19) и (20) для параметров системы, представленных в Таблица 1. Полученная частотная зависимость приведена на фиг. 2.We carry out calculations according to formulas (19) and (20) for the system parameters presented in Table 1. The obtained frequency dependence is shown in FIG. 2.

Figure 00000032
Figure 00000032

Figure 00000033
Figure 00000033

В данном примере реализации нижняя частота пропускания равна ƒниж = 9,9 Гц.In this example implementation, the lower transmission frequency is ƒ lower = 9.9 Hz.

Для практической реализации (Фиг. 3, Фиг 4, Фиг. 5) найденного технического решения было изготовлено основание 13 из нержавеющей стали, имеющее внутренний объем и три исходящих из этого объема отверстия. Три из них выходят на боковую поверхность цилиндра и предназначены для доступа воды в центральную полость при погружении гидрофона. Четвертое отверстие служит для передачи давления к чувствительному элементу. Это отверстие закрыто внешней резиновой мембраной гидрофона 8. Мембрана герметично прижимается к корпусу алюминиевым фланцем 9, стенки которого образуют перегородку, разделяющую внутренний и внешний изготовлено углубление 7, образующее при сборке капилляр, соединяющий внешний и внутренний объемы гидрофона. На фланец устанавливается молекулярно-электронный преобразователь в корпусе 3 с мембранами 6, на одной из которых закреплен магнит 11, взаимодействующий с катушкой 10. Затем на основании закрепляется цилиндрический нержавеющий корпус, который закрывается наружной крышкой, со специальными отверстиями для заполнения внутреннего объема легкосжимаемой жидкостью. В качестве такой жидкости использовалась полиметилсилоксановая жидкость ПМС-5.For practical implementation (Fig. 3, Fig 4, Fig. 5) of the technical solution found, a stainless steel base 13 was made having an internal volume and three openings emanating from this volume. Three of them go to the side surface of the cylinder and are designed for access of water to the central cavity when the hydrophone is immersed. The fourth hole serves to transmit pressure to the sensing element. This hole is closed by the external rubber membrane of the hydrophone 8. The membrane is hermetically pressed against the body by an aluminum flange 9, the walls of which form a partition separating the inner and outer cavities 7, which forms an capillary during assembly that connects the outer and inner volumes of the hydrophone. A molecular-electronic transducer is installed on the flange in the housing 3 with membranes 6, on one of which a magnet 11 is mounted, which interacts with the coil 10. Then, a cylindrical stainless housing is fixed on the base, which is closed by an outer cover, with special holes to fill the internal volume with an easily compressible liquid. PMS-5 polymethylsiloxane liquid was used as such a liquid.

На Фиг. 6. показаны амплитудно-частотные характеристики гидрофона, измеренные при разных статических давлениях от 1 до 3 атмосфер. Видно, что характеристики полностью совпадают в основной части частотного диапазона. Разброс данных в высокочастотной области обусловлен погрешностями измерений.In FIG. 6. shows the amplitude-frequency characteristics of the hydrophone, measured at different static pressures from 1 to 3 atmospheres. It can be seen that the characteristics completely coincide in the main part of the frequency range. The scatter of data in the high-frequency region is due to measurement errors.

Графические материалы и краткое описание графических материалов, поясняющих суть изобретения:Graphic materials and a brief description of graphic materials explaining the essence of the invention:

Фиг. 1 - Схема гидрофона с электромагнитной обратной связью с компенсацией внешнего статического давления. 1 - внутренняя камера под жесткой цилиндрической оболочкой 12, заполненная сжимаемой жидкостью, 2 - внешняя камера, сообщающаяся с окружающей средой через мягкую внешнюю мембрану 8, 3 - молекулярно-электронный преобразователь (4 - электродный узел, 5 - раствор электролита, 6 - упругие мембраны), 7 - капилляр, 9 -жесткие стенки, разделяющие внутреннюю и внешнюю камеры, 10 - катушка, 11 - постоянный магнит.FIG. 1 - Diagram of a hydrophone with electromagnetic feedback with compensation of external static pressure. 1 - inner chamber under a rigid cylindrical shell 12 filled with compressible fluid, 2 - outer chamber communicating with the environment through a soft outer membrane 8, 3 - molecular-electronic transducer (4 - electrode assembly, 5 - electrolyte solution, 6 - elastic membranes ), 7 - capillary, 9 - rigid walls separating the inner and outer chambers, 10 - coil, 11 - permanent magnet.

Фиг. 2 - Расчетная частотная зависимость модуля передаточной функции механической системы гидрофона.FIG. 2 - The calculated frequency dependence of the transfer function module of the mechanical system of the hydrophone.

Фиг. 3 - Основание гидрофона с внешней мембраной и фланцем. Также показан процесс заполнения внешней камеры объема с капилляром легкосжимаемой жидкостью.FIG. 3 - The base of the hydrophone with an external membrane and flange. The process of filling an external chamber of a volume with a capillary with an easily compressible liquid is also shown.

Фиг. 4 - Основание гидрофона с установленным молекулярно-электронным преобразователем.FIG. 4 - The base of the hydrophone with the installed molecular-electronic transducer.

Фиг. 5 - Гидрофон в сборе, установленный на стенде для измерения АЧХ при различных гидростатических давлениях.FIG. 5 - Hydrophone assembly mounted on a stand for measuring frequency response at various hydrostatic pressures.

Фиг. 6 - АЧХ гидрофона при разных давлениях (синяя линия - 1 атм, бордовая - 2 атм, красная - 3 атм), снятая по внешнему сигналу относительно референсного гидрофона ZetLab ВС-311 с чувствительностью 0,477 мВ/Па.FIG. 6 - frequency response of the hydrophone at different pressures (blue line - 1 atm, burgundy - 2 atm, red - 3 atm), taken by an external signal relative to the reference ZetLab BC-311 hydrophone with a sensitivity of 0.477 mV / Pa.

Источники информацииSources of information

1. С.Н. Sherman and J.L. Butler // Transducers and arrays for underwater sound. Springer, 20071. S.N. Sherman and J.L. Butler // Transducers and arrays for underwater sound. Springer, 2007

2. Патент КНР 1044867052. Patent of the People's Republic of China 104486705

3. Патент КНР 2013486613. Patent of the People's Republic of China 201348661

4. Патент РФ на полезную модель 1684684. RF patent for utility model 168468

5. Патент РФ на полезную модель 582165. RF patent for utility model 58216

6. Патент США 80945196. US patent 8094519

7. Патент РФ 26785037. RF patent 2678503

8. Патент РФ 26960608. RF patent 2696060

9. Криштоп В.Г., Агафонов В.М., Бугаев А.С. // Электрохимия. 2012. Т. 48. №7. С. 8209. Krishtop V.G., Agafonov V.M., Bugaev A.S. // Electrochemistry. 2012.V. 48. No. 7. S. 820

10. Zaitsev, D.L., Avdyukhina, S.Y., Ryzhkov, M.A., Evseev, I., Egorov, E.V., and Agafonov, V.M.: Frequency response and self-noise of the MET hydrophone, J. Sens. Sens. Syst, 7, 443-452, https://doi.org/10.5194/jsss-7-443-2018, 201810. Zaitsev, D.L., Avdyukhina, S.Y., Ryzhkov, M.A., Evseev, I., Egorov, E.V., and Agafonov, V.M .: Frequency response and self-noise of the MET hydrophone, J. Sens. Sens. Syst, 7, 443-452, https://doi.org/10.5194/jsss-7-443-2018, 2018

11. Ivan V. Egorov, Anna S. Shabalina, and Vadim M. Agafonov Design and Self-Noise of MET Closed-Loop Seismic Accelerometers IEEE SENSORS JOURNAL, VOL. 17, NO. 7, APRIL 1, 201711. Ivan V. Egorov, Anna S. Shabalina, and Vadim M. Agafonov Design and Self-Noise of MET Closed-Loop Seismic Accelerometers IEEE SENSORS JOURNAL, VOL. 17, NO. 7, APRIL 1, 2017

12. V.M. Agafonov, I.V. Egorov, and A.S. Shabalina, "Operating principles and specifications of small-size molecular electronic seismic sensor with negative feedback," Seismic Instrum., vol. 49, no. 1, pp. 5-19, 2013.12. V.M. Agafonov, I.V. Egorov, and A.S. Shabalina, "Operating principles and specifications of small-size molecular electronic seismic sensor with negative feedback," Seismic Instrum., Vol. 49, no. 1, pp. 5-19, 2013.

Claims (4)

1. Молекулярно-электронный гидрофон с компенсацией статического давления, характеризующийся тем, что молекулярно-электронный преобразователь жестко закреплен внутри герметичного корпуса, заполненного легкосжимаемой жидкостью и разделенного на две камеры жесткой стенкой с капилляром, таким образом, что каждая из камер сообщается с одной из мембран молекулярно-электронного преобразователя, при этом внешняя камера из камер отделена от окружающей среды непроницаемой мембраной, а внутренняя камера отделена от окружающей среды жесткой оболочкой корпуса.1. Molecular-electronic hydrophone with static pressure compensation, characterized in that the molecular-electronic transducer is rigidly fixed inside a sealed enclosure filled with an easily compressible liquid and divided into two chambers by a rigid wall with a capillary, so that each of the chambers communicates with one of the membranes molecular-electronic Converter, while the outer chamber of the chambers is separated from the environment by an impermeable membrane, and the inner chamber is separated from the environment by a rigid shell of the housing. 2. Гидрофон по п. 1, характеризующийся тем, что камера, отделенная от окружающей среды мягкой мембраной, имеет намного меньший объем, чем другая камера.2. The hydrophone according to claim 1, characterized in that the chamber, separated from the environment by a soft membrane, has a much smaller volume than the other chamber. 3. Гидрофон по п. 1, характеризующийся тем, что в качестве легкосжимаемой жидкости используются полиметилсилоксановые или полидиметилсилоксановые жидкости различной вязкости.3. The hydrophone according to claim 1, characterized in that polymethylsiloxane or polydimethylsiloxane liquids of various viscosities are used as easily compressible liquids. 4. Гидрофон по п. 1, характеризующийся тем, что для стабилизации параметров гидрофона введена отрицательная обратная связь.4. The hydrophone according to claim 1, characterized in that a negative feedback is introduced to stabilize the hydrophone parameters.
RU2019140629A 2019-12-10 2019-12-10 Molecular-electronic hydrophone with static pressure compensation RU2724296C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019140629A RU2724296C1 (en) 2019-12-10 2019-12-10 Molecular-electronic hydrophone with static pressure compensation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019140629A RU2724296C1 (en) 2019-12-10 2019-12-10 Molecular-electronic hydrophone with static pressure compensation

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2724296C1 true RU2724296C1 (en) 2020-06-22

Family

ID=71135820

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019140629A RU2724296C1 (en) 2019-12-10 2019-12-10 Molecular-electronic hydrophone with static pressure compensation

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2724296C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117213610A (en) * 2023-09-06 2023-12-12 哈尔滨工程大学 Static pressure resistant optical fiber hydrophone sensitive membrane structure with stable sensitivity

Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU200465A1 (en) * Севастопольский Приборостроительный Институт SENSOR OF DYNAMIC MICROPLACEMENTS
US2995714A (en) * 1955-07-13 1961-08-08 Kenneth W Hannah Electrolytic oscillator
US3018466A (en) * 1955-10-21 1962-01-23 Harris Transducer Corp Compensated hydrophone
US3050665A (en) * 1955-07-13 1962-08-21 Ray M Hurd Electrolytic product cell
US3065365A (en) * 1955-11-30 1962-11-20 Ray M Hurd Electro-osmosis driver unit combined with electrolytic detector for taking derivatives
US3296466A (en) * 1955-06-28 1967-01-03 Ray M Hurd Combination electro-osmosis cell and electrolytic detecting cell
US3307084A (en) * 1964-02-25 1967-02-28 Union Carbide Corp Corridor assembly for an electrochemical device
US3489995A (en) * 1967-05-16 1970-01-13 Inst Francais Du Petrole Pressure transducer
SU932410A1 (en) * 1979-05-17 1982-05-30 Предприятие П/Я А-1813 Mechanical motion parameter converter
RU2650839C1 (en) * 2016-12-15 2018-04-17 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (государственный университет)" Low-frequency vector acoustic receiver
RU2678503C1 (en) * 2017-12-27 2019-01-29 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (государственный университет)" Molecular electronic hydrophone
CN106908834B (en) * 2017-02-20 2019-07-05 中国科学院电子学研究所 Electrochemistry microseism wave detector
RU2696060C1 (en) * 2018-12-26 2019-07-30 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" Deep water hydrophone
RU2698527C1 (en) * 2018-12-26 2019-08-28 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" Molecular-electronic hydrophone with feedback based on magnetohydrodynamic effect

Patent Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU200465A1 (en) * Севастопольский Приборостроительный Институт SENSOR OF DYNAMIC MICROPLACEMENTS
US3296466A (en) * 1955-06-28 1967-01-03 Ray M Hurd Combination electro-osmosis cell and electrolytic detecting cell
US2995714A (en) * 1955-07-13 1961-08-08 Kenneth W Hannah Electrolytic oscillator
US3050665A (en) * 1955-07-13 1962-08-21 Ray M Hurd Electrolytic product cell
US3018466A (en) * 1955-10-21 1962-01-23 Harris Transducer Corp Compensated hydrophone
US3065365A (en) * 1955-11-30 1962-11-20 Ray M Hurd Electro-osmosis driver unit combined with electrolytic detector for taking derivatives
US3307084A (en) * 1964-02-25 1967-02-28 Union Carbide Corp Corridor assembly for an electrochemical device
US3489995A (en) * 1967-05-16 1970-01-13 Inst Francais Du Petrole Pressure transducer
SU932410A1 (en) * 1979-05-17 1982-05-30 Предприятие П/Я А-1813 Mechanical motion parameter converter
RU2650839C1 (en) * 2016-12-15 2018-04-17 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (государственный университет)" Low-frequency vector acoustic receiver
CN106908834B (en) * 2017-02-20 2019-07-05 中国科学院电子学研究所 Electrochemistry microseism wave detector
RU2678503C1 (en) * 2017-12-27 2019-01-29 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (государственный университет)" Molecular electronic hydrophone
RU2696060C1 (en) * 2018-12-26 2019-07-30 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" Deep water hydrophone
RU2698527C1 (en) * 2018-12-26 2019-08-28 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" Molecular-electronic hydrophone with feedback based on magnetohydrodynamic effect

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117213610A (en) * 2023-09-06 2023-12-12 哈尔滨工程大学 Static pressure resistant optical fiber hydrophone sensitive membrane structure with stable sensitivity

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Cox et al. A deep-sea differential pressure gauge
US2615940A (en) Electrokinetic transducing method and apparatus
US3237451A (en) Volumetric measurement system
RU2650839C1 (en) Low-frequency vector acoustic receiver
RU2724296C1 (en) Molecular-electronic hydrophone with static pressure compensation
CA1090606A (en) Vibrating diaphragm fluid pressure sensor device
EA009298B1 (en) Vibration sensor
RU2678503C1 (en) Molecular electronic hydrophone
US3455157A (en) Density measuring device
US5675556A (en) Hydrophone structure and method
RU2696060C1 (en) Deep water hydrophone
CN116950031A (en) Compensation type sounding probe and marine static sounding equipment using same
CN115855232B (en) Swimming bladder bionic amphibious optical fiber marine acoustic sensor
US3216260A (en) Fluid pressure detection
RU2651607C1 (en) Magnetic hydrodynamic cell for feedback signal formation and calibration of molecular electronic sensors of angular and linear movements
Egorov et al. Low frequency hydrophone for marine seismic exploration systems
RU2698527C1 (en) Molecular-electronic hydrophone with feedback based on magnetohydrodynamic effect
RU2724964C1 (en) Digital recording module for underwater research
EP0607458A4 (en)
SU928287A1 (en) Device for calibrating well-logging instruments
RU1841084C (en) Hydrophysical transducer
SU551586A1 (en) A device for recording pressure pulses
SU1383453A1 (en) Device for testing molecular-electronic seismic converting elements
RU2724303C1 (en) Method of providing temperature stability of parameters of a molecular-electronic converter in high frequency range
SU317934A1 (en) DEVICE FOR MEASURING THE PRESSURE OF THE OIL AND UNION OATEHTKO&#39;-FLXiilOliBIBLIOTEKAfih: &#39;p&#39;

Legal Events

Date Code Title Description
PC41 Official registration of the transfer of exclusive right

Effective date: 20210115