Комбинированный гидроакустический приемник для гибкой протяженной буксируемой антенны
Владельцы патента RU 2501043:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук (ТОИ ДВО РАН) (RU)
Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в составе гибкой протяженной буксируемой антенны при проведении гидроакустических исследований, в частности для измерения гидроакустических шумов в морях и океанах. Заявлен комбинированный гидроакустический приемник, содержащий корпус, датчик звукового давления и датчики колебательного ускорения. Корпус приемника выполнен в виде гантели круглого сечения, которая может быть разъемной. В торцевых поверхностях большего диаметра расположены каналы для размещения датчиков колебательного ускорения, а снаружи вокруг корпуса между торцевыми поверхностями установлен датчик звукового давления, выполненный цилиндрическим. Каналы расположены параллельно друг другу перпендикулярно продольной оси корпуса или перпендикулярно друг другу, а датчики колебательного ускорения размещены в них так, что их центры масс находятся на продольной оси симметрии корпуса. Технический результат: повышение помехозащищенности приемника. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в составе гибкой протяженной буксируемой антенны при проведении гидроакустических исследований, в частности, для измерения гидроакустических шумов в морях и океанах.
Применение комбинированных приемников, состоящих из датчиков звукового давления и колебательной скорости (ускорения) в гибких протяженных буксируемых антеннах (ГПБА) позволяет обеспечить пространственную избирательность не только в продольной, но и поперечной плоскостях, что представляет интерес для устранения неоднозначности пеленгования, определения угломестного направления на источник принятого сигнала. (В.И. Коренбаум. Акустический журнал, т.41, 930-931, 1995; D′Spain et al., J. Acoust. Soc. Am. 120, 171-185 (2006); Benjamin et al., Roma, Italy 10-14 April 2007 Proceedings IEEE International Conference on Robotics and Automation, 4562-4569).
Вместе с тем задача построения эффективных ГПБА с комбинированными приемниками (КП) натыкается на ряд технических проблем, к числу основных из которых относится защита от воздействия помех обтекания. Это связано с тем, что датчики колебательной скорости сильно подвержены гидродинамическим и вибрационным воздействиям потока жидкости. Так, в статье (В.И. Коренбаум. Акустический журнал, т.41, 930-931, 1995) было показано, что уровень помех обтекания на выходе датчика колебательной скорости превышает уровень характерный для традиционно используемых датчиков звукового давления на 40-50 дБ в полосе частот ниже 300-500 Гц. Одним из путей решения этой проблемы является интенсиметрическая обработка откликов звукового давления и колебательной скорости, приводящая к подавлению помех обтекания.
Высокий уровень шумов обтекания и вызванных ими вибраций тела ГПБА в низкочастотной области заставляет применять специальные методы обработки получаемых данных для защиты комбинированных приемников от этих собственных помех. Известно, что механизм действия помех обтекания на комбинированные приемники, установленные в ГПБА, определяется не только непосредственной передачей турбулентных пульсаций давления на датчик колебательной скорости (ДКС) и воспринимающие элементы датчика звукового давления (ДЗД), что является собственно гидродинамическим воздействием, но и вибрационными поперечными колебаниями тела ГПБА (В.И. Коренбаум. Акустический журнал, т.41, 930-931, 1995). В соответствии с общефизическим пониманием турбулентные вихри могут быть разложены на движения крупного, среднего и мелкого масштабов. Для ГПБА цилиндрического сечения известно, что крупномасштабные турбулентности - кольцевые вихри - имеют, по крайней мере, в статистическом смысле, симметричный характер. Таким образом, с точки зрения одиночного акустического датчика, гидродинамические помехи могут быть в первом приближении представлены в виде эквивалентного протяженного цилиндрического источника, совершающего сложные колебания (цилиндрического мультиполя). Последние, в свою очередь, могут быть разложены на ортогональные в математическом смысле элементарные колебания пульсирующего и осциллирующего цилиндров. Данное разложение, вообще говоря, оказывается справедливым лишь потому, что за счет осреднения по активной поверхности ДЗД и жесткой поверхности корпуса ДКС инерционного типа составляющие колебаний цилиндрического мультиполя более высоких порядков эффективно подавляются. То есть, датчики колебаний нулевого порядка (ДЗД) и первого порядка (ДКС) выделяют в силу своей конструкции из всех мод разложения поля лишь нулевую (пульсирующую) и первую (осциллирующую), соответственно, что делает перспективным применение взаимнокорреляционной обработки, известной как «определение потока мощности» или интенсиметрическая обработка.
Известные комбинированные приемники, применяемые в буксируемых сейсмоакустических антеннах (а.с. СССР №1827658, п. РФ №2061248) не позволяют эффективно решить эту задачу, поскольку не обеспечивают достаточной симметрии ДЗД, что приводит к остаточной корреляции откликов звукового давления и колебательной скорости и, следовательно, недостаточному подавления помех обтекания.
В качестве прототипа принято устройство комбинированного гидроакустического приемника для гибкой протяженной буксируемой антенны, которое содержит корпус в виде параллелепипеда, выполненный из синтактика. Во внутренних горизонтальных каналах корпуса размещены два синфазно включенных датчика колебательного ускорения. Снаружи широкой поверхности корпуса размещены 2 оппозитных изгибных (биморфных) преобразователя, образующих при синфазном включении ДЗД. Отклики датчиков колебательного ускорения подвергаются операции интегрирования и в результате формируется отклик (электрический канал) ДКС. Отклики ДКС и ДЗД подвергаются взаимноспектральной обработке, выделению вещественной части спектра и усреднению последней (интенсиметрическая обработка). В результате удается добиться значительного подавления помех обтекания при сохранении возможности разрешения шумящих объектов, находящихся с правого и левого борта гибкой протяженной буксируемой антенны по знаку вещественной части взаимного спектра (V.I. Korenbaum, A.A. Tagiltsev, J. Acoust. Soc. Am., v.131, №5, 3755-3762, 2012).
Недостатком прототипа является недостаточно эффективное подавление помех обтекания, связанное с асимметрией биморфных оппозитных преобразователей ДЗД, возникающей из-за технологического разброса их параметров, и по опыту составляющей не менее 10%. Следствием асимметрии является паразитная чувствительность ДЗД к осциллирующей компоненте помех обтекания. В результате возникает остаточная корреляция откликов датчиков комбинированного приемника, которая и снижает потенциально достижимое подавление помех обтекания.
Задача изобретения повышение помехозащищенности комбинированного гидроакустического приемника для гибкой протяженной буксируемой антенны от помех обтекания.
Технический результат - снижение чувствительности комбинированного приемника к помехам обтекания за счет снижения паразитной чувствительности ДЗД к осциллирующей компоненте помех обтекания за счет устранения асимметрии его конструкции.
Поставленная задача решается комбинированным гидроакустическим приемником для гибкой протяженной буксируемой антенны, состоящим из корпуса в виде гантели круглого сечения из материала с плотностью меньшей воды, датчика звукового давления, выполненного цилиндрическим и установленного вокруг корпуса между торцевыми поверхностями, снабженными каналами, в которых размещены датчики колебательного ускорения.
Каналы для размещения датчиков колебательного ускорения могут быть ориентированы параллельно друг другу либо перпендикулярно, при этом центры масс датчиков находятся на продольной оси симметрии корпуса. Такое расположение приводит к балансировке приемника для уменьшения воздействия поперечных вибраций - исчезает раскачивание, которое было неизбежно, если бы не было балансировки по массам.
Для упрощения конструкции и технологии изготовления корпус может быть выполнен либо в виде двух одинаковых половинок, торцевые поверхности меньшего диаметра которых жестко соединяют внутри цилиндрического датчика звукового давления либо одна из торцевых поверхностей большего диаметра может быть выполнена съемной.
Для обеспечения центрального крепления к конструктивным элементам гибкой протяженной буксируемой антенны, в каждом канале корпуса установлено два идентичных датчика колебательного ускорения, которые размещены на одинаковом удалении от продольной оси симметрии корпуса и электрически соединены друг с другом синфазно при их параллельной ориентации.
Для пояснения сущности заявляемого решения на Фиг.1 показан в разрезе вид сверху на комбинированный гидроакустический приемник для гибкой протяженной буксируемой антенны, где 1, 2 - торцевые части корпуса, 3 - пьезокерамический цилиндрический датчик звукового давления, 4 - упругие прокладки, 5 - каналы, перпендикулярные продольной оси корпуса, 6 - датчики колебательного ускорения.
На Фиг.2 показан в разрезе вид сверху на комбинированный гидроакустический приемник для гибкой протяженной буксируемой антенны, в котором каналы развернуты друг относительно друга на 90°.
На Фиг.3. Показан в разрезе вид сверху на комбинированный гидроакустический приемник для гибкой протяженной буксируемой антенны, в котором через центральное отверстие 7, в каждом канале 5 установлено по два идентичных датчика 6 колебательного ускорения, которые размещены на одинаковом удалении от продольной оси симметрии корпуса.
На Фиг.4а показан спектр помех обтекания на выходах каналов комбинированного приемника с симметричным ДЗД на основе биморфных изгибных пьезопреобразователей: A - уровень помех ДЗД, B - уровень помех после интенсиметрической обработки откликов ДЗД и ДКС, C - уровень помех ДКС.
На Фиг.4б показан спектр помех обтекания на выходах каналов комбинированного приемника с односторонним (асимметричным) ДЗД на основе биморфных изгибных пьезопреобразователей: A - уровень помех ДЗД, B - уровень помех после интенсиметрической обработки откликов ДЗД и ДКС, C - уровень помех ДКС.
Предлагаемое техническое решение за счет использования единого цилиндрического ДЗД позволяет устранить асимметрию в поперечной плоскости и, следовательно, снизить, по крайней мере, на порядок, паразитную чувствительность датчика звукового давления к осциллирующей компоненте помех обтекания. В результате ослабевает остаточная корреляция откликов датчиков и становится достижимой более высокая помехозащищенность комбинированного приемника от помех обтекания.
Одним из дополнительных преимуществ заявляемого решения является возможность упрощения конструкции и технологии изготовления устройства комбинированного приемника в случае изготовления гантелеобразного корпуса из двух идентичных половинок со встроенными датчиками колебательного ускорения. В этом случае устройство комбинированного приемника состоит всего из 3 основных узлов (цилиндрический датчик звукового давления, две Т-образных половинки корпуса с встроенными датчиками колебательного ускорения) и при сборке в КП может изменяться только угол их разворота относительно продольной оси: 0° или 90°.
В качестве примера осуществления изобретения рассмотрим изготовленный макет комбинированного приемника. Корпус выполнен из пенопласта. Цилиндрический пьезокерамический преобразователь 3 установлен на упругих прокладках 4 вокруг корпуса из пенопласта. Два датчика колебательного ускорения 6 установлены в каналах прямоугольного сечения 5. В качестве датчиков колебательного ускорения в разработанную конструкцию установлены промышленно выпускаемые высокочувствительные акселерометры ICP® модель 333B52 (чувствительность 100 мВ/мс2). В качестве цилиндрического ДЗД использован стандартный пьезокерамический преобразователь, с внешним диаметром 28 мм. Габаритные размеры комбинированного приемника макета 60×40 мм.
Для доказательства достижения заявляемого технического результата были проведены эксперименты по оценке уровня подавления помех обтекания с прототипом устройства (V.I. Korenbaum, A.A. Tagiltsev, J. Acoust. Soc. Am., v.131, №5, 3755-3762, 2012), в котором ДЗД выполнены в виде оппозитных трехслойных биморфных преобразователей (пьезопластина - бронзовая подложка - пьезопластина). Результаты показаны на Фиг.4а. Из них следует возможность подавления помех обтекания за счет интенсиметрической обработки откликов ДЗД и ДКС. В частности, в районе частоты 40 Гц уровень помех снижается до -105 дБ, что примерно на 3 дБ ниже, чем уровень помех ДЗД и примерно на 7 дБ ниже, чем уровень помех ДКС. Однако у одного из комбинированных приемников макета антенны ДЗД оказался выполненным с технологическим браком - был допущен дефект склеивания пьезопластин с бронзовой подложкой токопроводящим клеем. В результате один из двух оппозитных биморфных преобразователей этого ДЗД остался полностью неработоспособным, а у второго работала только одна из пьезопластин. Это было обнаружено по примерно 4 кратному падению чувствительности данного ДЗД путем калибровки антенны в поле плоской звуковой волны. Таким образом, перед нами оказался пример полностью асимметричного (одностороннего) ДЗД, обладающего повышенной чувствительностью к осциллирующей компоненте помех обтекания. Уровень помех комбинированного приемника, в составе которого находился этот ДЗД, показан на Фиг.4б. Хорошо видно, что по сравнению с Фиг.4а в этом случае на частоте около 40 Гц уровень помех канала ДЗД возрастает примерно на 12 дБ и становится даже выше, чем уровень помех канала ДКС. Это отражается на повышении уровня помех после интенсиметрической обработки откликов ДЗД и ДКС до примерно -97 дБ. Таким образом, подавление помех при интенсиметрической обработке ухудшается примерно на 8 дБ. Результирующий проигрыш по помехоустойчивости на самом деле еще больше, т.к. чувствительность данного ДЗД и, следовательно, тракта интенсиметрической обработки к полезному сигналу ухудшилась в 4 раза. Этот эффект вызван увеличением остаточной корреляции откликов ДЗД и ДКС.
Итак, чем больше асимметрия ДЗД, а значит и его паразитная виброчувствительность к осциллирующей компоненте помех обтекания, тем хуже подавление помех обтекания при интесиметрической обработке откликов ДЗД и ДКС. И наоборот, чем меньше асимметрия ДЗД, а значит и паразитная виброчувствительность к осциллирующей компоненте помех обтекания, тем лучше подавление помех обтекания при интесиметрической обработке откликов ДЗД и ДКС. Даже исправный вариант ДЗД прототипа за счет технологического разброса биморфных пьезопреобразователей (несмотря на их предварительный отбор по емкости и частотам резонанса-антирезонанса) обладает асимметрий не менее 10%, что и формирует остаточную вибрационную чувствительность ДЗД и остаточную корреляцию откликов ДЗД и ДКС. Именно это препятствует достижению более высокого подавления помех обтекания при интенсиметрической обработке в прототипе. Наименьшей асимметрией в поперечной плоскости обладает предлагаемый в данном решении цилиндрический ДЗД, который позволяет снизить, по крайней мере, на порядок паразитную чувствительность ДЗД прототипа к осциллирующей компоненте помех обтекания. В результате резко ослабевает остаточная корреляция откликов датчиков и становится достижимой более высокая помехозащищенность комбинированного приемника от помех обтекания при интенсиметрической обработке откликов ДЗД и ДКС.
1. Комбинированный гидроакустический приемник для гибкой протяженной буксируемой антенны, состоящий из корпуса, выполненного из материала с плотностью меньшей воды, датчика звукового давления, расположенного снаружи корпуса, и датчиков колебательного ускорения, установленных в каналах внутри корпуса, отличающийся тем, что корпус приемника выполнен в виде гантели круглого сечения, при этом датчик звукового давления выполнен цилиндрическим и установлен вокруг корпуса между торцевыми поверхностями, в которых расположены каналы для размещения датчиков колебательного ускорения.
2. Комбинированный гидроакустический приемник по п.1, отличающийся тем, что одна из торцевых поверхностей корпуса выполнена съемной.
3. Комбинированный гидроакустический приемник по п.1, отличающийся тем, что корпус состоит из двух одинаковых половинок, торцевые поверхности меньшего диаметра которых жестко соединены.
4. Комбинированный гидроакустический приемник по п.1, отличающийся тем, что в каждом канале установлено два идентичных датчика колебательного ускорения, которые размещены на одинаковом удалении от продольной оси симметрии корпуса.
5. Комбинированный гидроакустический приемник по п.1, отличающийся тем, что каналы расположены параллельно друг другу перпендикулярно продольной оси корпуса, а датчики колебательного ускорения размещены так, что их центры масс находятся на продольной оси симметрии корпуса, и электрически соединены друг с другом синфазно.
6. Комбинированный гидроакустический приемник по п.1, отличающийся тем, что каналы ориентированы перпендикулярно друг другу, а датчики колебательного ускорения размещены так, что их центры масс находятся на продольной оси симметрии корпуса.
