Комбинированный акустический приемник

Изобретение относится к области акустики, а именно к конструированию пьезоэлектрических приемников для различных областей. Задачей изобретения является создание комбинированного акустического приемника, способного реализовать двунаправленную кардиоидную характеристику, работающего в широком диапазоне частот без искажения параметров и объединенного в единую конструкцию. Акустический приемник представляет шарообразное тело 1, выполненное из звукопрозрачной уретановой композиции 2, внутри которого в двух взаимно перпендикулярных плоскостях располагаются приемники градиента давления 3, состоящие каждый из дипольной пары полусфер 4. Приемник давления 5 состоит из двух цилиндрических чувствительных элементов 6 из пьезокерамики, с двух сторон герметично закрытых крышками 7 из капролона, одна из которых совмещена с полой выходной втулкой 8 для вывода проводов 9, залитых в этой втулке уретановой композицией. Чувствительные цилиндрические элементы 5 установлены симметрично относительно фазового центра, находящегося в центре шарообразного тела. Приемники градиента давления 3, состоящие из полусфер 4 из пьезокерамики, герметично закрыты резиновыми дисками 10, приклеенными по краю полусфер. 4 ил.

 

Изобретение относится к области акустики, а именно к конструированию пьезоэлектрических приемников для различных областей исследовательских работ, технического и военного применения, в частности для описания акустического поля, определения направления на источник акустического сигнала и создания направленных низкочастотных антенн малых размеров.

Приемники, обеспечивающие одновременное измерение скалярных (давление) и векторных (градиент давления) параметров поля, относятся к разряду комбинированных приемников.

Принимая во внимание, что приемник градиента давления, являясь диполем, на выходных сигнальных концах имеет характеристику направленности, описанную полиномом Лагранжа (в форме "восьмерки"), а характеристика приемника давления не зависит от угла направления на источник звука, т.е приемник давления является ненаправленным, при сложении или вычитании сигналов с приемника давления и градиента результирующая характеристика направленности будет представлять кардиоиду в одном из двух направлений ±180°. Такая характеристика направленности будет получена только в том случае, если векторный и скалярный приемники, т.е. приемник градиента давления и приемник давления, имеют один фазовый центр [1, стр.52, п.4].

Для обеспечения возможности приема и регистрации угла на источник звука, расположенный в угле, близком к ±180°, что определяется требованиями решения указанных выше задач, необходимо сформировать две ортогонально направленных кардиоиды в широком частотном спектре звукового диапазона при сохранении малых размеров антенны.

Известны комбинированные приемники, содержащие приемник давления и приемник градиента давления [1, стр.44].

Известно устройство [1, с.25], INAC-201 (Франция), который включает систему приемников давления в виде трех микрофонов, расположенных на одной линии на расстоянии Δ_x друг от друга. Эта система микрофонов одновременно с измерением звукового давления обеспечивает измерение градиента давления и производных величин.

Однако точка, в которой осуществляется измерение давления и градиента давления, т.е. фазовый центр, в такой конструкции является «мнимой», расположенной между микрофонами. Ее положение будет определяться характеристиками входящих в пары микрофонов. Поэтому требуется высокая идентичность амплитудно-фазочастотных характеристик микрофонов, что обычно трудно выполнимо. Это приводит к искажению характеристик направленности системы.

По количеству общих признаков наиболее близким аналогом изобретения является комбинированный акустический приемник по патенту РФ [2]. Комбинированный приемник-прототип содержит приемник градиента давления и приемник давления, имеющие единый фазовый центр. Приемник градиента давления выполнен в виде тонкого круглого биморфного изгибного чувствительного элемента, закрепленного по периферии в центральном поперечном сечении металлической втулки, а приемник давления представляет собой пьезокерамический цилиндрический элемент, надетый снаружи на металлическую втулку с зазором и герметично соединенный с ней по краям, так, что между внутренней поверхностью цилиндрического пьезокерамического чувствительного элемента и наружной поверхностью металлической втулки образуется воздушный экран.

В комбинированном приемнике-прототипе фазовые центры приемника градиента давления «физически» лежат в одной точке - в центре приемника градиента давления, совпадающем с центром приемника давления. Это обеспечивает формирование характеристики направленности типа кардиоиды на выходе комбинированного приемника без принятия специальных мер.

Однако он не может решить задачу, поставленную перед изобретением - создание высокоэффективного комбинированного приемника, имеющего кардиоидную характеристику направленности в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, поскольку в комбинированном приемнике-прототипе кардиоидная характеристика направленности может быть создана в одном или противоположном направлении (±180°).

Создать взаимно перпендикулярные оси векторных приемников с единым фазовым центром данная конструкция не позволяет, а кроме того, круглый биморфный изгибный чувствительный элемент, на основе которого построен приемник градиента давления, является узкополосным, т.к. с одной стороны его частотный диапазон ограничен диаметром чувствительного элемента, а с другой - диаметром и длиной цилиндрического элемента, определяющего набег фазы.

Техническим результатом изобретения является создание в едином конструктиве высокоэффективного комбинированного акустического приемника, имеющего характеристику направленности в виде двух кардиоид, оси которых взаимно перпендикулярны в широком диапазоне частот, при сохранении чувствительности и при отсутствии искажений направленных свойств.

Для достижения указанного технического результата в комбинированный акустический приемник, включающий приемник давления, содержащий цилиндрический чувствительный элемент из пьезокерамики, и приемник градиента давления, имеющие общий фазовый центр, введены новые признаки, а именно: в него введен второй приемник градиента давления, при этом каждый приемник градиента давления состоит из двух идентичных полусфер из пьезокерамики, каждая из которых получена для идентичности делением пьезокерамической сферы, электрически соединенных встречно по поляризации, герметизированных по плоскости сечения, обращенных выпуклыми поверхностями к периферии комбинированного акустического приемника и расположенных симметрично относительно фазового центра на расстоянии а=d, где d - диаметр полусферы, так, что оси, соединяющие центры полусфер одного приемника градиента давления, взаимно перпендикулярны, а в приемник давления введен второй цилиндрический чувствительный элемент из пьезокерамики, расположенный симметрично относительно фазового центра, при этом цилиндрические чувствительные элементы электрически соединены согласно по поляризации, выполнены герметичными, и их центры расположены на оси, проходящей через фазовый центр и перпендикулярной осевой плоскости приемников градиента давления на расстоянии h≥d друг от друга, причем приемники градиента давления и приемник давления объединены в единую конструкцию заливкой звукопрозрачной уретановой композицией.

В предлагаемой конструкции геометрическая симметрия расположения элементов приемника градиента давления и давления обеспечивает единый фазовый центр. Использование сфер из пьезокерамики с достаточно высокой чувствительностью, высокая степень идентичности полученных из них полусфер и относительно малые величины d - все это обеспечивает высокую стабильность, надежность и широкополосность комбинированного акустического приемника, а расположение образованными полусферами из пьезокерамики приемников градиента давления во взаимно перпендикулярных плоскостях обеспечивает получение двух кардиоидных характеристик направленности в этих плоскостях.

Кроме того, выполнение приемников градиента давления из полусфер позволяет расположить полусферы на минимально возможном расстоянии а=d друг от друга, что при малых диаметрах полусфер позволяет сформировать дипольные характеристики направленности приемников градиента давления в широком диапазоне частот, вплоть до а≤с_зв/4f_в [1, стр.57], где с_зв - скорость звук в среде, f_в - верхняя частота диапазона, в области верхних частот звукового спектра и до частот в нижней области звукового спектра, определяемых степенью идентичности полусфер [1, стр.60].

Выполнение приемника давления из двух цилиндрических чувствительных элементов, расположенных с двух сторон от плоскости расположения приемников градиента давления на расстоянии h≥d между ними не приводит к затенению пространства формирования приемниками градиента давления их дипольных характеристик. Все это в совокупности обеспечивает отсутствие искажений ортогональных кардиоидных характеристик комбинированного акустического приемника.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1, 2, 3, 4, где на фиг.1а схематически изображен заявленный комбинированный акустический приемник, на фиг.1b - схема электрического соединения цилиндрических чувствительных элементов в приемнике давления, на фиг.1с - схема электрического соединения полусфер из пьезокерамики в приемнике градиента давления, на фиг.2а, 2b изображены диаграммы направленности приемников градиента давления и приемника давления комбинированного акустического приемника, на фиг.3 изображена характеристика направленности, полученная в результате сложения сигналов градиентных приемников и приемника давления комбинированного акустического приемника - две ортогональные кардиоидных характеристик направленности, на фиг.4а, 4b представлены частотные характеристики чувствительности приемников градиента давления и приемника давления.

Предлагаемый комбинированный акустический приемник (фиг.1) представляет шарообразное тело 1, выполненное из звукопрозрачной уретановой композиции 2, внутри которого в двух взаимно перпендикулярных плоскостях располагаются приемники градиента давления 3, состоящие каждый из дипольной пары полусфер 4. Приемник давления 5 состоит из двух цилиндрических чувствительных элементов 6 из пьезокерамики, с двух сторон герметично закрытых крышками 7 из капролона, одна из которых совмещена с полой выходной втулкой 8 для вывода проводов 9, залитых в этой втулке уретановой композицией. Чувствительные цилиндрические элементы 5 установлены симметрично относительно фазового центра, находящегося в центре шарообразного тела. Приемники градиента давления 3, состоящие из полусфер 4 из пьезокерамики, герметично закрыты резиновыми дисками 10, приклеенными по краю полусфер. Благодаря использованию при построении приемника градиента давления полусфер расстояние а может быть сокращено до минимума, обеспечив тем самым возможность расширения частотного диапазона в сторону верхних частот, а за счет идентичности электроакустических параметров обеих его полусфер, полученных делением одной пьезокерамической сферы и в сторону нижних частот звукового диапазона.

Цилиндрические чувствительные элементы электрически соединены параллельно и согласно по поляризации (фиг.1а), полусферы из пьезокерамики соединены последовательно и встречно по поляризации (фиг.1b). Параллельное соединение чувствительных элементов в приемнике давления и последовательное соединение полусфер приемника градиента давления выбрано для данных конкретных элементов, поскольку при этом достигается упрощение алгоритма обработки сигналов.

При сборке комбинированного акустического приемника сначала изготавливают вспомогательные детали из звукопрозрачной уретановой композиции, которые позволяют точно установить все его компоненты в форме, а затем производят окончательную заливку формы.

Заявленный комбинированный акустический приемник работает следующим образом. При действии на него волны акустического давления цилиндрические чувствительные элементы из пьезокерамики приемника давления, внутренняя полость которых заэкранирована воздухом, совершают радиальные колебания, в результате чего на электродах появляется электрическое напряжение, пропорциональное величине акустического давления на каждом из чувствительных элементов скалярного акустического приемника, а на выходе приемников давления средняя величина давления, которую можно считать давлением в фазовом центре.

На акустические входы приемников градиента давления действуют давления, разница между которыми определяется набегом фазы на расстоянии а между акустическими центрами полусфер. При встречном включении полусфер одного приемника градиента давления образуется диполь (см. фиг.1с).

Приемник давления в заданном диапазоне частот является ненаправленным (фиг.2b), а приемники градиента давления имеют характеристики направленности, описываемые полиномом Лагранжа (в форме «восьмерки») и расположенные во взаимно перпендикулярных направлениях (фиг.2а).Частотная характеристика приемника градиента давления, снятая в единицах давления, представляет собой монотонно нарастающую функцию с крутизной нарастания 6 децибел на октаву (фиг.4а), чувствительность приемника давления не зависит от частоты (фиг.4b).

На фиг.2, 3 и 4 приведены расчетные диаграммы направленности приемника градиента давления, приемника давления и комбинированного приемника, а также частотные характеристики чувствительности приемника градиента давления и приемника давления. Эксперимент показал очень хорошее совпадение характеристик, снятых до и после объединения приемников в комбинированный акустический приемник, что позволяет говорить об отсутствии значимого влияния приемника давления и приемников градиента давления друг на друга.

Конструкция комбинированного приемника технологична, имеет обтекаемую форму, симметричное построение обеспечивает единство фазовых центров, благодаря использованию в приемниках градиента давления полусфер, полученных из одной сферы, позволяет сократить расстояние между акустическими центрами полусфер и сохранить идентичными электроакустические параметры полусфер, что очень важно, поскольку электрический сигнал на них, пропорциональный градиенту давления, получается вычитанием электрических сигналов, вырабатываемых полусферами под действием акустического давления. В конечном итоге это позволяет расширить диапазон рабочих частот, сохранить присущие каждому приемнику характеристики направленности и чувствительности и сформировать из них двунаправленную кардиоидную характеристику.

Взаимное влияние параметров приемника давления и приемников градиента давления друг на друга не обнаружено. Все это позволяет считать заявленный технический результат изобретения достигнутым.

Источники информации

1. СКРЕБНЕВ Г.К. Комбинированные гидроакустические приемники. СПб.: Связь, 1997, с.182-184.

2. ПАТЕНТ РФ №2245604 от 11.09.2002 по кл. H04R 17/00.

Комбинированный акустический приемник, включающий приемник давления, содержащий цилиндрический чувствительный элемент из пьезокерамики, и приемник градиента давления, имеющие общий фазовый центр, отличающийся тем, что в него введен второй приемник градиента давления, при этом каждый приемник градиента давления состоит из двух идентичных полусфер из пьезокерамики, каждая из которых получена для идентичности делением пьезокерамической сферы, электрически соединенных встречно по поляризации, герметизированных по плоскости сечения, обращенных выпуклыми поверхностями к периферии комбинированного акустического приемника и расположенных симметрично относительно фазового центра на расстоянии a=d, где d диаметр полусферы, так, что оси соединяющие центры полусфер одного приемника градиента давления взаимно перпендикулярны, а в приемник давления введен второй цилиндрический чувствительный элемент из пьезокерамики, расположенный симметрично относительно фазового центра, при этом цилиндрические чувствительные элементы электрически соединены согласно по поляризации, выполнены герметичными, и их центры расположены на оси, перпендикулярной осевой плоскости приемников градиента давления и проходящей через фазовый центр на расстоянии h≥d друг от друга, причем приемники градиента давления и приемник давления объединены в единую конструкцию заливкой звукопрозрачной уретановой композицией.