Гидроакустическая станция подводной лодки
Изобретение относится к гидроакустике. Гидроакустическая станция подводной лодки содержит гидроакустическую антенну, состоящую из пьезоэлементов с электродами, соединенными с блоками преобразования и регистрации гидроакустических сигналов, согласно изобретению, электроды, обращенные во внешнюю среду, разделены на две изолированные части, одна из которых подключена к блокам преобразования и регистрации гидроакустических сигналов, а другая часть подключена к генератору сигналов. При этом площади изолированных частей внешних электродов не равны, а меньшая часть внешнего электрода подключена к генератору сигналов. Технический результат заключается в увеличении дальности обнаружения объектов за счет повышения чувствительности пьезоэлементов и обеспечения возможности регистрации квазистатических сигналов. 1 з.п. ф-лы. 1 ил. 
Изобретение относится к области гидроакустики, преимущественно к гидроакустическим станциям (ГАС) подводных лодок и может быть использовано в ГАС кораблей, судов, вертолетов, радио-гидроакустических буев, а также в стационарных и береговых ГАС и для научно-исследовательской гидроакустической аппаратуры.
Известна гидроакустическая станция, содержащая гидроакустическую антенну, состоящую из пьезоэлектрических элементов, на поверхности которых нанесены электроды, соединенные с блоками предварительного усиления, входящими в состав блока преобразования и регистрации гидроакустических сигналов, работа ГАС основана на преобразовании гидроакустических сигналов в режиме шумопеленгования (ШП) в электрический сигнал с помощью пьезоэлектрических элементов, эти ГАС имеют соотношение сигнал/шум на предельных дистанциях регистрации меньше единицы (см. А.А.Клещев, И.И.Клюкин. Основы гидроакустики. Л.: Судостроение, 1987, с.57).
Указанная станция принята за прототип.
Недостатком известной ГАС является неудовлетворительная дальность обнаружения объектов за счет недостаточной чувствительности пьезоэлементов и невозможности регистрации ими сигналов в квазистатическом диапазоне частот.
Целью настоящего изобретения является устранение указанных недостатков за счет повышения чувствительности пьезоэлектрических датчиков в квазистатическом диапазоне частот сигналов, что, в свою очередь, позволяет увеличить дальность обнаружения объектов без дополнительного увеличения массогабаритных размеров гидроакустической антенны.
Поставленная цель достигается тем, что электроды, обращенные во внешнюю (водную) среду, каждого пьезоэлектрического элемента гидроакустической антенны, разделены на две изолированные части, одна из которых подключена к генератору сигналов, а другая - к блокам преобразования и регистрации гидроакустических сигналов, причем площади изолированных частей электродов не равны между собой, а электрод с меньшей площадью подключен к генератору сигналов. Заявителю не известны ГАС, которые были бы оборудованы пьезоэлектрическими элементами предлагаемой конструкции, соединенные с генератором сигналов.
Сущность изобретения представлена на прилагаемом чертеже.
В блок-схеме гидроакустической станции подводной лодки генератор сигналов 1, соединен с электродом с меньшей площадью 2 каждого пьезоэлектрического элемента 3 (ПЭ) гидроакустической антенны, а каждый электрод с большей площадью 4 соединен с блоком предварительного усиления 5, входящими в состав блока преобразования и регистрации гидроакустических сигналов 6. Далее блоки 5, в свою очередь, соединены с блоком линии задержки 7, к которому присоединен основной усилитель 3 с индикатором 9.
ГАС подводной лодки работает следующим образом. Сигнал от генератора 1 поступает на электрод с меньшей площадью 2 и возбуждает пьезоэлектрические элементы 3 на резонансной частоте. При этом под действием обратного пьезоэффекта в керамике под электродами с меньшей площадью 2 образуются механические колебания, которые распространяются в оставшейся части ПЭ 3 и на участке под электродом 4 с большей площадью генерируют электрический сигнал.
Этот электрический сигнал, формируемый на электроде 4, также имеет указанную резонансную частоту. Учитывая высокую добротность существующих пьезоэлектрических элементов 3, можно получить при малых амплитудах сигнала от генератора 1 достаточные величины электрических сигналов на электроде 4. Сигнал на электроде 4 будет существовать без изменения по амплитуде до тех пор, пока не изменится давление под действием гидроакустического сигнала, пришедшего из внешней водной среды, на пьезоэлектрические элементы 3 на участке 4.
В этом случае амплитуда сигнала, снимаемого с электрода 4, уменьшается пропорционально давлению гидроакустического сигнала из внешней водной среды. Изменение сигнала на участке 4 происходит по двум независимым причинам. Увеличение давления гидроакустического сигнала из внешней водной среды на пьезоэлектрический элемент приводит к уменьшению амплитуды механических колебаний пьезоэлектрического элемента 3 из-за его возбужденного состояния. Кроме того, увеличение давления гидроакустических сигналов из внешней водной среды приводит к уменьшению частоты колебаний кристалла пьезоэлектрического элемента 3. Эта составляющая не является основной, но тем не менее ее вклад в формирование сигнала под действием давления гидроакустического сигнала из внешней водной среды суммируется с основным вкладом из-за изменения амплитуды механических колебаний на участке 4.
Для увеличения составляющей сигнала от изменения частоты колебаний кристалла пьезоэлектрического элемента 3 необходимо выбирать режим на склоне резонансной характеристики каждого пьезоэлектрического элемента 3 из-за более высокой чувствительности к изменению напряжения сигнала при изменении резонансной частоты колебаний пьезоэлектрического элемента 3.
Таким образом, в результате появления давления гидроакустического сигнала из внешней водной среды на участке 4 с большей площадью электрода 3 электрический сигнал уменьшается, и это уменьшение сигнала осуществляется с большим градиентом (с учетом добротности пьезоэлектрического элемента), чем при традиционном его включении. В результате давления гидроакустического сигнала из внешней водной среды сигнал на электроде 4 изменяется до тех пор, пока действует это давление. Если давление остановилось на заданном уровне, то сигнал на электроде 4 существует бесконечно долго. При этом стекание электрического заряда не происходит, так как пьезоэлектрический элемент 3 работает в режиме прямого и обратного пьезоэффекта, т.е. предложенная конструкция электродов 2, 4 пьезоэлектрических элементов 3 позволяет работать в режиме статических и квазистатических давлений, не исключая более высоких частот, вплоть до резонансных. Выход электрического сигнала с пьезоэлектрического элемента 3 поступает через блок 5 блока преобразования и регистрации сигналов 6, в котором резонансная частота колебаний пьезоэлектрического элемента 3 детектируется и выделяется огибающая сигнала, пропорциональна 1 величине давления гидроакустического сигнала из внешней водной среды.
Схема обработки акустического сигнала в блоке преобразования и регистрации сигналов 6 существенно не изменится. Кроме введения в блоке преобразования и регистрации сигналов 6 дополнительного блока детектирования (на блок-схеме не представлен).
Учитывая добротность существующих пьезоэлектрических элементов 3 и их режим работы (прямой и обратный пьезоэффект), имеется возможность расширить диапазон регистрируемых частот в сторону квазистатики и повысить чувствительность к изменению давления от гидроакустического сигнала из внешней водной среды примерно в 1,5 раза, что составляет (по минимальным оценкам) превышение на 10-15% дальности обнаружения известных ГАС.
Оценивая размеры меньшего электрода 2 и большего электрода 4, следует отметить, что их соотношение по площадям является оптимальным в диапазоне 10.
Например, приняв размеры одного пьезоэлектрического элемента 3 акустической антенны, равными 100 мм × 200 мм, участок с большим электродом 4 выбирают площадью, равной 30 мм × 100 мм. Это позволит увеличить площадь контакта с водной средой и даст возможность повысить величину электрического сигнала, снимаемого с электрода 4. Таким образом, предложенное изобретение по сравнению с известным техническим решением ГАС подводной лодки позволяет без существенного изменения конструкции и массогабаритных характеристик ГАС повысить на 10-15% дальность обнаружения объектов в режиме шумопеленгования.
Формула изобретения
1. Гидроакустическая станция подводной лодки, содержащая гидроакустическую антенну, состоящую из пьезоэлементов с электродами, соединенными с блоками преобразования и регистрации гидроакустических сигналов, отличающаяся тем, что, с целью увеличения дальности обнаружения объектов за счет повышения чувствительности пьезоэлементов и обеспечения возможности регистрации квазистатических сигналов, электроды, обращенные во внешнюю среду, разделены на две изолированные части, одна из которых подключена к блокам преобразования и регистрации гидроакустических сигналов, а другая часть подключена к генератору сигналов.
2. Гидроакустическая станция подводной лодки по п.1, отличающаяся тем, что площади изолированных частей внешних электродов не равны, а меньшая часть внешнего электрода подключена к генератору сигналов.
РИСУНКИ
