Результат интеллектуальной деятельности: ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к конструированию широкополосных гидроакустических преобразователей и антенн, и может найти применение при проведении океанологических исследований, в качестве антенн навигационных, рыбопоисковых и другого назначения гидроакустических станций, а также - для систем звукоподводной связи.

Для формирования сложных акустических сигналов, в том числе коротких (1-2 периода) импульсов, необходимо использование достаточно широкополосных гидроакустических антенн, обладающих, по возможности, равномерной амплитудно-частотной (АЧХ) и линейной фазочастотной (ФЧХ) характеристиками в диапазоне частот порядка 2 октав (122%) и более. Одним из перспективных направлений по обеспечению этих требований является использование в указанных антеннах преобразователей, построенных на базе пьезоактивных колец, которые по сравнению с другими пьезоактивными элементами (стержневого, пластинчатого, изгибного типа) обладают наименьшей собственной механической добротностью.

Известны широкополосные гидроакустические преобразователи и составленные из них антенны, в которых используются пьезоактивные кольца. Так в работе [1] с целью расширения полосы пропускания рассмотрена гидроакустическая антенна, состоящая из соосно расположенных на некотором расстоянии друг от друга идентичных, водозаполненных пьезоактивных колец. Недостатком предложенного решения является сравнительно небольшая полоса пропускания (порядка 1 октавы) и сложность управления характеристикой направленности (ХН).

Известен гидроакустический преобразователь [2], состоящий из соосного (коаксиального) набора нескольких разночастотных пьезоактивных колец, снабженных коническими отражателями. Путем перекрытия близко расположенных областей частот, формируемых каждым пьезоактивным кольцом, обеспечивается широкополосность АЧХ преобразователя. К недостаткам этих преобразователей относится ограниченность полосы пропускания (менее 2 октав), сложность компоновки их в гидроакустической антенне и сканирования ее ХН ввиду большого поперечного волнового размера преобразователей.

Известен также гидроакустический преобразователь [3], состоящий из соосно расположенных разночастотных пьезоактивных колец с радиусами симметрично увеличивающимися от центра преобразователя к его краям. Недостатком преобразователя является недостаточная широкополосность (менее 2 октав), отсутствие направленности в плоскости перпендикулярной оси преобразователя и сложность его использования в составе антенн. Во всех рассматриваемых решениях предполагается, что пьезоактивные кольца возбуждаются одним и тем же электрическим напряжением, т.е. синфазно.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является гидроакустический преобразователь и способ его возбуждения, описанные в [4]. Реализация этого решения обеспечивается тем, что гидроакустический преобразователь выполняется в виде N соосно расположенных идентичных пьезоактивных колец с внутренним радиусом а, разделенных между собой по торцам акустически гибкими прокладками и возбуждаемых через линии задержки и усилители. Внутренняя полость колец заполнена жидкой средой (водой), а внешняя поверхность преобразователя акустически изолируется. Коэффициенты усиления усилителей линейно нарастают от кольца к кольцу, а время задержки (сдвиг по фазе) между соседними пьезоактивными кольцами выбрано из соотношения τ=d/c₀, где d - расстояние между центрами соседних пьезоактивных колец, c₀ - скорость звука в жидкой среде (воде); при этом геометрию колец выбирают в соответствии с условием d/а≤0.82.

Недостатком такого широкополосного преобразователя является достаточно сильная зависимость полосы пропускания от числа N составляющих его пьезоактивных колец.

Техническим результатом заявляемого изобретения является уменьшение

массогабаритных параметров заявляемого гидроакустического преобразователя волноводного типа и составленных из них гидроакустических антенн с сохранением в рабочем режиме одной и той же полосы пропускания за счет существенного сокращения по сравнению с прототипом числа пьезоактивных колец и необходимых для их возбуждения электронных устройств. Это позволит также уменьшить стоимость изготовления заявляемого устройства.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом широкополосном гидроакустическом преобразователе, также как и в прототипе, содержится набор N соосно расположенных идентичных пьезоактивных колец с акустически гибкими прокладками между их торцами, акустический экран, расположенный на внешней поверхности преобразователя, генератор сигналов, линия задержки, обеспечивающая увеличение времени задержки сигнала с ростом номера кольца и соединенная с каждым кольцом через промежуточные усилители и усилители мощности. В отличие от известного устройства в предлагаемом широкополосном гидроакустическом преобразователе генератор сигналов соединен с линией задержки, каждый из N выходов которой соединен с соответствующими N входами фильтров с регулируемыми в рабочей полосе частот преобразователя коэффициентами передачи, имеющими минимумы в области радиального резонанса пьезоактивного кольца и выше, причем с ростом номера кольца глубина этих минимумов последовательно уменьшается, а соответствующие им частоты увеличиваются.

Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что фильтры с регулируемыми в рабочей полосе частот преобразователя коэффициентами передачи выполнены в виде комбинированного двойного Т-образного фильтра.

Достигаемый технический результат: уменьшение массогабаритных параметров заявляемого широкополосного гидроакустического преобразователя при сохранении его рабочей полосы пропускания и эффективности излучения обеспечивается за счет введения в цепь возбуждения преобразователя фильтров с регулируемыми коэффициентами пропускания, формирующими необходимые частотные зависимости амплитуд электрических напряжений, подаваемых на пьезоактивные кольца, и, как следствие, поддержание в рабочей полосе частот преобразователя более равномерного распределения амплитуд колебательной скорости на излучающей поверхности всех колец, образующих его.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, представленными на Фиг.1-4. На Фиг.1 представлен предлагаемый широкополосный гидроакустический преобразователь. На Фиг.2 приведены нормированные частотные характеристики звукового давления широкополосного гидроакустического преобразователя при излучении им во фронтальном и тыльном направлениях, а также при условии постоянства амплитуд колебательных скоростей во всем диапазоне частот. На Фиг.3 приведены частотные зависимости амплитуд возбуждающих напряжений, необходимых для реализации условия постоянства амплитуд колебательных скоростей во всем диапазоне частот, а также для случая использования предлагаемых фильтров с регулируемым коэффициентом передачи. На Фиг.4 показаны нормированные частотные характеристики звукового давления для предлагаемого широкополосного гидроакустического преобразователя (кривые 1 и 1') и для прототипа (кривые 2 и 2') при прочих равных условиях.

Как видно из Фиг.1, заявленный широкополосный гидроакустический преобразователь представляет собой соосный набор N пьезоактивных колец 1, отделенных друг от друга акустически гибкими прокладками 2 и подключенных к генератору сигналов (ГС) 3 через линию задержки (ЛЗ) 4, выходы которой соединены с фильтрами (Ф) 5, имеющими регулируемые коэффициенты передачи, промежуточные усилители (ПУ) 6 и усилители мощности (УМ) 7. Внешняя поверхность преобразователя снабжена акустически мягким экраном 8, а внутренняя полость 9 заполняется жидкостью, контактирующей с внешней жидкой средой. Стрелками показано направление преимущественного излучения.

При таком построении широкополосного гидроакустического преобразователя и схемы его возбуждения удается поддерживать в более широком диапазоне частот (чем у прототипа), близкого к равномерному распределение амплитуды колебательной скорости ν_im на излучающей (внутренней) поверхности пьезоактивных колец (ν_im≈ν_m≈const), входящих в состав преобразователя. В том случае, когда во всем рассматриваемом диапазоне частот на излучающей поверхности пьезоактивных колец поддерживается одно и то же постоянное значение амплитуды колебательной скорости, с учетом действия только линии задержки (ν_i=ν_me^jωτ(i-1), где i=1; 2; …N, ω - круговая частота), в этом диапазоне частот теоретически реализуется близкая к постоянной АЧХ и линейная (определяется показателем степени ωτ(i-1)) ФЧХ излучения. Так на Фиг.2 кривые 1 и 2 соответствуют излучению во фронтальном направлении для N=10 и N=20, а кривые 1' и 2' - излучению в тыльном направлении. Параметры, принятые при расчете Q=3; η=0.8; d/a=0.6, где Q - механическая добротность кольца; η - акустомеханический КПД. Чем меньше отношение d/a, тем лучше кривые 1 и 2 приближаются к прямой, параллельной оси частот (волнового размера ka; k=ω/c₀). Для случая N=10 на Фиг.3 штриховыми линиями показаны требуемые для реализации условия ν_im=ν_m=const частотные зависимости амплитуд возбуждающих электрических напряжений. Здесь же сплошными линиями показаны частотные зависимости амплитуд электрических напряжений, реализуемых с помощью предлагаемых фильтров 5 с регулируемыми коэффициентами передачи, выполненных (как одна из возможных реализаций) в виде комбинированных двойных Т-образных фильтров [5], обеспечивающих как последовательный сдвиг минимума коэффициента передачи по частоте, так и уменьшение коэффициента затухания. Последнее обстоятельство приводит к последовательно нарастающему от кольца к кольцу значению амплитуды электрического напряжения. Для предлагаемого широкополосного гидроакустического преобразователя закон изменения электрического напряжения, подаваемого на каждое пьезоактивное кольцо с номером i, может быть записан следующим образом:

,

где i=1,2…N; K_i(ω) - коэффициент передачи i-го фильтра с учетом выбора его минимального значения на частоте ω_i; m₁(ω₁)=|K₁(ω₁)| - коэффициент затухания для первого кольца (i=1) широкополосного гидроакустического преобразователя, определенный на частоте ω₁; ω_i=ω₁+(i-1)Δω; ; ω₁ и ω_N - частоты, соответствующие минимальным значениям коэффициентов передачи фильтров для колец с номерами 1 и N; ω₁≈(0.9…1.1)ω_р; ω_р=2πf_p; f_p=c_k/2πа - резонансная частота пьезоактивного кольца. Скорость звука современных составов пьезокерамики c_k и воды c₀ отличаются почти в 2 раза (c_k/c₀≈1.8…2.3). Поэтому волновой размер пьезоактивного кольца (ka)_р также находится в этих пределах. С позиции большей полосы пропускания следует выбирать пьезокерамику с меньшим значением скорости звука c_k. Частота ω₀ определяется как частота, соответствующая минимальному значению коэффициента передачи фильтра для первого кольца широкополосного гидроакустического преобразователя. Введение некоторой девиации при выборе частоты ω₀ относительно частоты ω_p обусловлено осциллирующим характером частотных зависимостей амплитуд возбуждающих напряжений при выполнении условия ν_im=ν_m=const и необходимостью лучшей аппроксимации этих зависимостей с помощью фильтров 5. В частности, при использовании в качестве фильтров 5 комбинированных двойных Т-образных фильтров коэффициент их передачи может быть представлен в виде:

, где F_i=ω/ω_i; ; ; U_i(ω_i)=U₁(ω₀)+(i-1)ΔU; ; U₁(ω₀) и U_N(ω_N) - значения возбуждающих напряжений для 1 и N кольца широкополосного гидроакустического преобразователя соответственно на частотах ω₀=ω₁ и ω_N. При расчете звукового давления в качестве нормирующего множителя выбрана величина , где d_ik - пьезомодуль; - упругая податливость; а - радиус пьезоактивного кольца; η - КПД.

Широкополосный гидроакустический преобразователь работает следующим образом. Преобразователь погружают в жидкую среду (воду или в электроизолирующую жидкость - при работе в обтекателе), и его внутренняя полость 9 через открытые торцы заполняется окружающей жидкой средой. При этом акустические волны, излучаемые пьезоактивными кольцами 1, могут создаваться только во внутренней, заполненной жидкостью, полости преобразователя 9 и будут излучаться им через открытые торцы. Акустический экран 8 (пористые материалы, воздух или элегаз) устраняет излучение внешней боковой поверхности колец в жидкую среду, окружающую преобразователь. Необходимый для излучения электрический сигнал создается генератором сигналов 3 и подается на вход линии задержки 4, обеспечивающей последовательно нарастающий от кольца к кольцу временной сдвиг , где i=1,2…N; d - расстояние между центрами двух соседних колец; c₀ - скорость звука в жидкости, заполняющей внутреннюю полость преобразователя. С выходов линии задержки 4 электрические сигналы, сдвинутые относительно друг друга на время τ, поступают на входы N фильтров 5, частотно зависимые коэффициенты передачи которых имеют минимумы в области радиального резонанса пьезоактивного кольца и выше, причем с ростом номера кольца глубина этих минимумов последовательно уменьшается, а соответствующие им частоты - увеличиваются. Таким образом, каждый фильтр имеет свою частотную характеристику коэффициента пропускания с последовательно уменьшающимся (с ростом номера фильтра) коэффициентом затухания. При этом время задержки сигнала, поступающего на первое кольцо, обычно выбирается равным нулю, т.е. электрический сигнал, возбуждающий первое пьезоактивное кольцо, может непосредственно поступать на первый фильтр. С выходов фильтров скорректированные электрические сигналы поступают на пьезоактивные кольца 1 преобразователя через промежуточные усилители 6 и оконечные усилители мощности 7. Благодаря последовательному уменьшению коэффициента затухания фильтров происходит соответствующее увеличение амплитуды электрических сигналов, формируемых на выходе фильтров. Промежуточные усилители 6 служат для согласования слаботочных цепей формирования электрических сигналов возбуждения с более мощными оконечными цепями усилителей мощности 7 и обеспечивают предварительное усиление электрических сигналов. Усилители мощности 7 обеспечивают усиление по мощности электрических сигналов, подаваемых на пьезоактивные кольца 1, и согласование нагрузок электрических цепей и пьезоактивных колец. В итоге акустические волны, последовательно излученные пьезоактивными кольцами, интерферируя друг с другом, будут распространяться вдоль оси широкополосного гидроакустического преобразователя в двух противоположных направлениях. Во фронтальном направлении преимущественного излучения, соответствующем росту номера кольца, возбуждаемого с последовательно нарастающей временной задержкой и амплитудой, происходит последовательное усиление акустического поля благодаря синфазному сложению акустических волн, излученных каждым последующим пьезоактивным кольцом через время τ=d/с₀. В обратном (тыльном) направлении, ввиду некогерентности сложения акустических волн, происходит ослабление акустического поля, чем достигается ярко выраженная асимметрия (однонаправленность) излучения преобразователем волноводного типа. Благодаря усилению акустического поля во фронтальном направлении каждое последующее кольцо оказывается нагруженным на большее, по сравнению с предыдущим, активное сопротивление излучения (кольца работают как бы на более плотную среду). Это приводит к уменьшению акустической добротности колец и расширению рабочего диапазона частот всего широкополосного гидроакустического преобразователя.

Действие фильтров 5 приближает частотную зависимость амплитуды возбуждающего напряжения к той, которая позволяет реализовать условие ν_im=ν_m=const (особенно в области низких частот). Таким образом, формируемые фильтрами 5 частотные зависимости электрических сигналов, подаваемых на пьезоактивные кольца 1, способствуют выравниванию амплитуд колебательной скорости на излучающих поверхностях пьезоактивных колец вдоль широкополосного гидроакустического преобразователя. Область частот, в которой удается поддерживать примерное равенство амплитуд колебательной скорости колец (ν_im≈ν_m≈const), определяет рабочий диапазон частот преобразователя. Этот диапазон частот может достигать нескольких октав и становится тем шире, чем ближе закон изменения амплитуд электрических напряжений, возбуждающих пьезоактивные кольца 1, к закону, требуемому для достижения постоянства амплитуд колебательной скорости в заданном диапазоне частот.

Пример конкретного выполнения заявленного устройства на основе численного моделирования

Согласно полученным результатам расчетов при выполнении широкополосного гидроакустического преобразователя (с параметрами Q=3; η=0.8; d/a=0.6) в соответствии с прототипом полоса пропускания для N=10 составляет Δf/f=94% (~1.5 октавы), для N=20-Δf/f=130% (~2.2 октавы), для N=40-Δf/f=153% (~2.9 октавы). При выполнении предлагаемого широкополосного гидроакустического преобразователя (с теми же значениями параметров Q; η; d/a) полоса пропускания для N=10 будет Δf/f=155% (~3 октавы), а для N=20-Δf/f=170% (~3.7 октавы). На Фиг.4 показано сопоставление результатов расчета для предлагаемого широкополосного гидроакустического преобразователя (N=10) и прототипа (N=20). Кривые 1 и 2 соответствуют излучению во фронтальном направлении, а кривые 1' и 2' - в тыльном. Полоса пропускания определяется по уровню - 3 дБ (0.7 от максимального значения). В рассматриваемых широкополосных гидроакустических преобразователях наблюдается нелинейный рост полосы пропускания, поскольку имеется ограничение ее в области значения ka≈3.83 в виде резкого минимума, обусловленного возникновением первой нормальной моды цилиндрического волновода.

Таким образом, предлагаемый широкополосный гидроакустический преобразователь, по сравнению с прототипом, позволяет существенно (не менее, чем в 2 раза) уменьшить количество пьезоактивных колец и необходимых для их возбуждения электронных цепей при обеспечении одной и той же полосы пропускания и за счет этого - уменьшить массогабаритные параметры преобразователя, что и определяет технический результат изобретения.

Конструкция и принцип работы предлагаемого широкополосного гидроакустического преобразователя позволяет путем параллельного набора этих преобразователей осуществить сравнительно простую их компоновку в антенне, обеспечивающей требуемую характеристику направленности. В этом случае излучающая апертура антенны будет определяться системой выходных отверстий преобразователей при их излучении во фронтальном направлении. При условии достаточной нагруженности предлагаемый широкополосный акустический преобразователь обеспечивает линейность фазочастотной характеристики и удельную мощность излучения во всем рабочем диапазоне частот не меньшую, чем предельно возможная для случая синфазного возбуждения пьезоактивных колец, излучающих внешней боковой поверхностью и экранированных изнутри [6].

Таким образом, предлагаемый широкополосный гидроакустический преобразователь имеет меньшие (по сравнению с прототипом) массогабаритные параметры при сохранении его рабочей полосы пропускания и эффективности излучения, является достаточно мощным широкополосным однонаправленным преобразователем, что позволит использовать его в гидроакустических системах, способных эффективно излучать (принимать) сложные акустические сигналы, например ультракороткие импульсы и дельфиноподобные сигналы.

Литература

1. Mc Mahon G.W. Performance of open ferroelectric ceramic cylinders in underwater transducers / J. Acoust. Soc. Amer., 1964, v.36, №3, p.528-533.

2. Патент 4439847 США, МКИ H04R 17/00. Высокоэффективный широкополосный направленный преобразователь сонара // Massa, Frank, 1984.

3. Заявка 2003/0155843 А1 США, МКИ H04R 17/00. Подводный широкополосный электроакустический преобразователь // Dunn Sheng-Dong, Yeh Chi-Zen, Jih Jeng-Yow, 2003.

4. Патент 1723972 РФ, МКИ H04R 17/00. Гидроакустический преобразователь // Дианов Д.Б., Малахов В.Б., Степанов Б.Г. и др., публ. 1994 (прототип).

5. Горошков Б.И. Радиоэлектронные устройства // М., Радио и связь, 1994, с.164-165.

6. Степанов Б.Г. Широкополосный преобразователь волноводного типа // Известия СПб ГЭТУ «ЛЭТИ», 2008, вып.8, с.39-50.