ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ВОЛНОВОДНОГО ТИПА

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к конструированию 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 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 решения по построению гидроакустических преобразователей и составленных из них антенн, 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 принцип его возбуждения, изложенные в [4]. Реализация этого решения обеспечивается тем, что гидроакустический преобразователь выполняется в виде N соосно расположенных идентичных пьезоактивных колец с внутренним радиусом а, разделенных межу 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 преобразователя волноводного типа 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 гидроакустическом преобразователе волноводного типа содержится набор N соосно расположенных идентичных пьезоактивных колец с акустически гибкими прокладками между их торцами, акустический экран, расположенный на внешней поверхности преобразователя, генератор сигналов, линию задержки, соединенную с каждым кольцом через промежуточные усилители с последовательно нарастающим от кольца к кольцу коэффициентом усиления и усилители мощности. В отличие от известного устройства в предлагаемом гидроакустическом преобразователе волноводного типа выход генератора сигналов соединен со входом фильтра с регулируемым в рабочей полосе частот преобразователя коэффициентом передачи, минимальное значение которого находится в области радиального резонанса пьезоактивного кольца, а выход фильтра соединен с линией задержки.

Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что фильтр с регулируемым в рабочей полосе частот преобразователя коэффициентом передачи выполнен в виде комбинированного двойного Т-образного фильтра.

Достигаемый технический результат: уменьшение массогабаритных параметров преобразователя волноводного типа при сохранении его рабочей полосы пропускания и эффективности излучения, обеспечивается за счет введения в цепь возбуждения преобразователя фильтра с регулируемым коэффициентом пропускания, формирующего совместно с промежуточными усилителями необходимые частотные зависимости амплитуд электрических напряжений, подаваемых на пьезоактивные кольца, и, как следствие, поддержания 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 гидроакустический преобразователь волноводного типа. На Фиг.2 приведены нормированные частотные характеристики звукового давления преобразователя волноводного типа при излучении во фронтальном и тыльном направлениях, а также при условии постоянства амплитуд колебательных скоростей на излучающей поверхности колец 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 предлагаемого фильтра с регулируемым коэффициентом передачи. На Фиг.4 показаны нормированные частотные характеристики звукового давления для предлагаемого гидроакустического преобразователя волноводного типа (кривые 1 и 1') и для прототипа (кривые 2 и 2') при прочих равных условиях.

Как показано на Фиг.1, заявленный гидроакустический преобразователь волноводного типа представляет собой соосный набор N идентичных пьезоактивных колец 1, отделенных друг от друга акустически гибкими прокладками 2 и подключенных к генератору сигналов (ГС) 3 через фильтр с регулируемым коэффициентом передачи (Ф) 4, линию задержки (ЛЗ) 5, промежуточные усилители (ПУ) 6 и усилители мощности (УМ) 7. Внешняя поверхность преобразователя снабжена акустически мягким экраном 8, а его внутренняя полость 9 заполняется жидкостью, контактирующей с внешней жидкой средой. Стрелками показано направление преимущественного излучения.

При таком построении преобразователя волноводного типа и схемы его возбуждения удается поддерживать в более широком диапазоне частот (чем у прототипа), близкого к равномерному распределение амплитуды колебательной скорости v_im на излучающей (внутренней) поверхности пьезоактивных колец (v_im≈v_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 (v_i=v_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/а=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/с₀). Для случая N=10 на Фиг.3 штриховыми линиями показаны требуемые для реализации условия v_im=v_m=const частотные зависимости амплитуд возбуждающих электрических напряжений. Здесь же сплошными линиями показаны частотные зависимости электрических напряжений, реализуемых с помощью предлагаемого фильтра с регулируемым коэффициентом передачи 4, выполненного (как одна из возможных реализаций) в виде комбинированного двойного Т-образного фильтра [5], и предварительных усилителей 6, обеспечивающих последовательно нарастающее от кольца к кольцу значение электрического напряжения. Для предлагаемого преобразователя волноводного типа закон изменения электрического напряжения, подаваемого на каждое пьезоактивное кольцо с номером i, может быть выражено следующим образом:

,

где K₁(ω) и K₁(ω₀) - коэффициенты передачи фильтра на текущей (ω) и заданной (ω₀) частотах; U₁(ω) и U_N(ω₀) - значения возбуждающих напряжений для 1 и N кольца преобразователя волноводного типа на частоте ω₀; ω₀≈(0.9…1.1)ω_р; ω_р=2πf_p; f_p=c_k/2π(а+Δ/2) - 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 (kа)_p также находится в этих пределах. С позиции большей полосы пропускания следует выбирать пьезокерамику с меньшим значением скорости звука. Частота ω₀ определяется как частота, соответствующая минимальному значению коэффициента передачи фильтра для первого кольца (i=1) преобразователя волноводного типа. Введение некоторой девиации относительно частоты ω₀ обусловлено осциллирующим характером частотных зависимостей амплитуд возбуждающих напряжений при выполнении условия v_im=v_m=const и необходимостью лучшей аппроксимации этих зависимостей с помощью фильтра 4. В частности, при использовании комбинированного двойного Т-образного фильтра коэффициент его передачи может быть представлен в виде

где F=ω/ω₀; параметр m=|К(ω₀)|. При расчете звукового давления в качестве нормирующего множителя выбрана величина

где d_ik - пьезомодуль; - упругая податливость; а - радиус пьезоактивного кольца; η - КПД.

Гидроакустический преобразователь волноводного типа 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 фильтра 4, имеющего частотно-зависимый коэффициент передачи, минимальное значение которого находится в области радиального резонанса пьезоактивных колец. С выхода фильтра скорректированный электрический сигнал поступает на линию задержки 5, обеспечивающую (как и в прототипе) последовательно нарастающий от кольца к кольцу временной сдвиг

где i=1, 2…N; d - расстояние между центрами двух соседних колец; с₀ - скорость звука в жидкости, заполняющей внутреннюю полость преобразователя волноводного типа. С линии задержки 5 сигналы поступают на пьезоактивные кольца 1 преобразователя через промежуточные усилители 6 и оконечные усилители мощности 7. 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 промежуточный усилитель. Промежуточные усилители 6 обеспечивают последовательно нарастающий от кольца к кольцу закон изменения электрического напряжения. 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 преобразователя волноводного типа 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/c₀. 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 преобразователя волноводного типа.

Действие фильтра 4 приближает частотную зависимость амплитуды возбуждающего напряжения к той, которая позволяет реализовать условие v_im=v_m=const. Таким образом, формируемая фильтром 4 частотная зависимость электрических сигналов, подаваемых на пьезоактивные кольца 1, и последовательное нарастание (например, по линейному закону) от кольца к кольцу амплитуды этих сигналов, создаваемых с помощью промежуточных усилителей 6, способствует выравниванию амплитуд колебательной скорости на излучающих поверхностях пьезоактивных колец вдоль преобразователя волноводного типа. Область частот, в которой удается поддерживать примерное равенство амплитуд колебательной скорости колец (v_im≈v_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 преобразователя волноводного типа (с параметрами Q=3; η=0.8; d/а=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 заявляемого гидроакустического преобразователя волноводного типа (с теми же значениями параметров Q; η; d/а) полоса пропускания для N=10 будет Δf/f=157% (~3.1 октавы), а для N=20 - Δf/f=170% (~3.7 октавы). На фиг.4 показано сопоставление результатов расчета для предлагаемого 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 преобразователях волноводного типа наблюдается нелинейный рост полосы пропускания, поскольку имеется ограничение ее в области значения kа≈3.83 в виде резкого минимума, обусловленного возникновением первой нормальной моды цилиндрического волновода.

Таким образом, предлагаемый преобразователь волноводного типа, 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 достигает технический результат изобретения.

Конструкция и принцип работы предлагаемого гидроакустического преобразователя позволяет путем параллельного набора 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 преобразователь волноводного типа 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 гидроакустический преобразователь волноводного типа имеет меньшие, по сравнению с прототипом, массогабаритные параметры при сохранении в устройстве рабочей полосы пропускания и эффективности излучения, уменьшении стоимости устройства и возможности использования его в качестве достаточно мощного широкополосного однонаправленного преобразователя, что существенно расширяет функциональные возможности и позволяет использовать изобретение в гидроакустических системах, способных эффективно излучать (принимать) сложные акустические сигналы, например ультракороткие импульсы, и дельфиноподобные сигналы.

Использованная литература

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

2. Патент США №4439847, МКИ H04R 17/00. Высокоэффективный широкополостный направленный преобразователь сонара. // Massa, Frank, 1984.

3. Заявка США №2003/0155843 A1, МКИ H04R 17/00. Подводный широкополосный электроакустический преобразователь. // Dunn Sheng-Dong, Yeh Chi-Zen, Jih Jeng-Yow, 2003.

4. Патент РФ №1723972, МКИ H04R 17/00. Гидроакустический преобразователь. // Дианов Д.Б., Малахов В.Б., Степанов Б.Г. и др., опубл. 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.