Антенна гидроакустическая
- устройство, обеспечивающее пространственно-избирательное излучение и (или) прием гидроакустических сигналов в водной среде
, причем излучение или прием акустических колебаний в воде осуществляется при совместной работе антенны с передающим (в режиме излучения) или приемным (в режиме приема) трактом.
Различие природы электромагнитных и акустических волн определяют существенное отличие конструкций антенн гидроакустических от радиотехнических.
Антенна гидроакустическая состоит из гидроакустических преобразователей, осуществляющих взаимное преобразование акустической и электрической энергии для приема и (или) передачи гидроакустических сигналов в водной среде, звукоотражающих или звукопоглощающих экранов, линий электрических коммуникаций, соединяющих преобразователи с цепями формирования и управления характеристиками направленности, несущей конструкции и амортизаторов для виброизоляции от вибрации носителя антенны.
Пространственная избирательность антенн гидроакустических образуется вследствии интерференции и дифракции. По способу создания пространственной избирательности они подразделяются на интерференционные, фокусирующие, рупорные и параметрические
.
Интерференционные гидроакустические антенны обеспечивают пространственную избирательность за счет интерференции акустических колебаний, происходящих на разных гидроакустических преобразователях на поверхности антенны с учетом дифракции при размерах гидроакустических преобразователей соизмеримых или больше длины акустической волны в воде. Фокусирующие гидроакустические антенны имеют преобразователи, расположенные в фокальной области отражателя или линзы. В рупорных гидроакустических антеннах направленность обеспечивает с помощью отражательных поверхностей. В параметрических гидроакустических антеннах используется нелинейное взаимодействие волн в среде распространения, которая выполняет роль антенны.
По конфигурации интерференционные антенны подразделяется на линейные
, у которых одни из размеров больше длины волны в среде, а два других меньше длины волны (обрезок прямой, дуги, окружности или эллипса); поверхностные
, у которых два или три размера активных поверхностей больше длины волны (плоские, цилиндрические, сферические, конформные); объемные
, у которых преобразователи расположены в несколько слоев внутри некоторого объема.
По способу обработки принятых сигналов гидроакустические антенны разделяются на аддитивные
, сигналы с приемников которых подвергаются линейным операциям; мультипликативные
, сигналы с приемников которых подвергаются линейным и нелинейным операциям; самофокусирующие
, приемный тракт которых автоматически вводит распределения, обеспечивающее синфазное сложение сигналов в произвольной точке пространства; адаптивные
, в которых приемный или излучающий тракт в условиях изменяющейся помехосигнальной ситуации обеспечивает максимизацию некоторого заданного параметра.
Управление характеристикой направленности гидроакустических антенн интерференционного типа осуществляется введением амплитудно-фазовых распределений с помощью компенсаторов. В режиме приема одновременный обзор пространства ведется путем создания "веера" характеристик направленности. Управление положением главного максимума характеристики направленности можно осуществлять не только путем изменения фазового распределения, но и за счет поворота гидроакустической антенны или путем изменения положения компенсированного рабочего участка криволинейной поверхности антенны, например, цилиндрической, сферической и др.
По режиму тракта, в котором работают гидроакустические антенны, они подразделяются на шумопеленгаторные, гибкие протяженные буксируемые, гидролокационные, подводной связи, разведки, рыболокации, эхолокации и др
. Эти режимы работы накладывают существенный отпечаток на построение антенн и их параметры и, особенно, на рабочие диапазоны частот, которые простираются от долей герца до мегагерц.
Излучающие гидроакустические антенны характеризуются формой характеристики направленности, коэффициентом концентрации, развиваемым звуковым давлением, излучаемой мощностью, сопротивлением излучения, коэффициентом полезного действия, удельной акустической мощностью. Приемные гидроакустические антенны характеризуются характеристикой направленности, чувствительностью, коэффициентом усиления, помехоустойчивостью.
По месту установки и условиям эксплуатации гидроакустические антенны делятся на корабельные, стационарные, буксируемые, береговые, донные, вертолетных станций, радиогидроакустических буев, мин, торпед и др.
Литература
1. М.Д.Смарышев, Ю.Ю.Добровольский. Гидроакустические антенны. Справочник.- Л.: Судостроение 1984.
2. Л.В.Орлов, А.А.Шаров Расчет и проектирование антенн гидроакустических рыбопоисковых станций. -М.: Пищевая промышленность, 1984.
3. Р.Х.Бальян и др. Терминологический словарь-справочник. - Л.: Судостроение 1989.
4. М.Д.Смарышев. Гидроакустические антенны. В кн.: Ультразвук. Малая энциклопедия. -М.: Сов. энциклопедия. 1979.
Площадь поверхности мирового океана составляет около 71% поверхности Земли. Большая его часть до сих пор не изучена.
Необходимость исследования мирового океана в условиях все возрастающих потребностей человечества в дешевом топливе и необходимость контролировать гражданское судоходство обусловили появление гидроакустических сенсорных систем, способных вести разведку углеводородов на морском шельфе и идентифицировать и локализовать гражданские суда в водных акваториях.
Сегодня к таким системам предъявляются высокие требования, чтобы обеспечить оптимальные параметры, и использование оптических волноводов в качестве передающего и чувствительного элементов способны в значительной степени повысить эффективность работы подобных систем и снизить затраты на исследование мирового океана и контроль водных акваторий.
Основными факторами для замены традиционных гидроакустических сенсоров на пьезоэлектрических преобразователях являются меньшая стоимость, высокая надежность, меньшие массогабаритные параметры, простота изготовления распределенного сенсора и высокая чувствительность в области низких частот, отсутствие воздействия электромагнитных помех на чувствительную волоконную часть.
Разведка производится с помощью активного гидролокатора. Корабельный источник излучает широкополосное акустическое излучение. Участки дна с разной плотностью, как например нефтегазовое месторождение и обычный грунт, будут отражать акустическое излучение с разными спектральными составляющими. Забортная волоконно-оптическая антенна регистрирует эти сигналы. Бортовое оборудование обрабатывает данные, получаемые с антенны, и, исходя из временной задержки полезного сигнала, выдает направление на искомый объект.
Принцип работы акустооптического кабеля, чувствительным элементом которого является оптическое волокно, основан на эффекте изменения показателя преломления волокна, а следовательно и фазы оптического излучения под действием акустического поля. Вычисляя изменение фазы, можно получить информацию об акустическом воздействии.
Существует множество оптических схем и конструкций чувствительных элементов, но все они позволяют мультиплексировать большое число сенсоров на едином волокне, размещая в акустооптическом кабеле несколько волокон можно приумножить количество сенсоров в антенне, незначительно увеличив толщину акустооптического кабеля. Такой способ мультиплексирования большого числа сенсоров на данный момент может обеспечить только использование оптических волокон.
Работы по тематике данного проекта начались в 2011 году совместно с ЦНИИ "Концерн "Электроприбор" . В 2011-2013 г были проведены подготовительные работы, были отработаны основные концепции создании акустооптических кабелей, опробованы различные методы обработки сигналов. В 2014-2016 г. были разработаны и реализованы несколько макетов пассивных акустооптических кабелей и электронных блоков обработки сигналов.
Для определения динамического диапазона, чувствительности, уровня собственных шумов и других параметров был проведен ряд испытаний каждой антенны. Испытания включали в себя исследования антенны в заглушенной камере (акустооптический кабель расположен на штативах вокруг источника акустического поля) и на открытой воде (акустооптический кабель намотан на звукопрозрачную испытательную корзину, в центре которой помещен сферический источник акустического поля). Ниже представлены фотографии с проведенных испытаний.
Создание и исследование протяженных гидроакустических волоконно-оптических антенн - молодое направление науки в России, которое открывает большие перспективы в области гидроакустических измерений.
От выбора места установки антенн эхолотов зависит уровень шумов, сопрово-ждающих полезный сигнал, коэффициент полезного действия антенны, максималь-ная глубина, которую практически можно измерить в существующих условиях пла-вания, а порой и сама возможность проведения измерений.
Основными источниками гидроакустических помех, воздействующих на антен-ны, являются судовые машины и механизмы, гребные винты, турбулентный погра-ничный слой, а также другие гидроакустические системы, одновременно работаю-щие на судне. Каждый из источников помех создает шумы определенного спектра, которые попадают на антенну, распространяясь непосредственно по корпусу судна, в воде вдоль корпуса судна, отражаясь от объектов рассеяния в морской среде или от дна. Особое влияние на работу антенн оказывают пузырьки воздуха, рассеянные в слое воды, омывающей антенну. Неоднократно было замечено на практике, что при движении судна в балласте, когда в его придонной области имело место интен-сивное образование пузырьков, эхолот переставал измерять даже относительно не-большие глубины. При снижении скорости перемещения судна или его остановке работа эхолота восстанавливалась. Это явление можно объяснить тем, что пузырьки воздуха с одной стороны интенсивно рассеивают и поглощают энергию, с другой – изменяют физические свойства среды, непосредственно соприкасающейся с антен-нами, снижая ее эквивалентную жесткость, что, в свою очередь, влияет на настройку системы антенна – среда, снижая эффективность преобразования электрического сигнала в механический и обратно.
С целью уменьшения влияния возмущающих факторов на работу эхолота антен-ны следует устанавливать в местах, удовлетворяющих следующим требованиям :
изменение гидродинамического давления в месте установки антенны при изме-нении скорости судна должно быть минимальным;
место установки антенны должно располагаться как можно дальше от машинного отделения, гребных винтов, подруливающих устройств, а также от помещений, в которых расположены сильно шумящие машины и механизмы;
в районе размещения антенн (на расстоянии до 3-5 м) не должно быть водоза-борных и отливных устройств, так как это может вызвать резкое увеличение пропусков или полное пропадание показаний эхолотов, особенно работающих на низкой частоте;
в непосредственной близости от антенны, в особенности в направлении к носу судна, не должно быть выступающих судовых конструкций и выстреливающих устройств, которые могут мешать работе эхолота;
на пути излучения и приема сигнала, в пределах 60° от вертикали, не должно быть частей, которые могут создавать отражение акустических колебаний;
место установки антенны должно быть максимально удалено от других гидро-акустических систем, имеющихся на судне;
рекомендуется обеспечивать удобный доступ к антенне для ее осмотра, проведе-ния профилактических работ и замены.
После определения возможных мест установки антенн эхолота с учетом выше-перечисленных требований необходимо на основании предварительной оценки уровня шумов в местах предполагаемого расположения антенн выбрать место с наименьшим уровнем акустического шума.
При выборе места размещения антенны эхолота необходимо учитывать на-правление вращения судового винта. Так, при использовании винта правого шага в левую часть кормовых обводов судна ударяет возмущенный им поток воды. Вследствие этого возникает вибрация обшивки, распространяющаяся главным образом в левой части днища судна. Эта вибрация корпуса судна вызывает до-полнительные акустические помехи. В связи с этим при гребном винте право-го шага антенну эхолота рекомендуется устанавливать по правому борту, а при гребном винте левого шага - по левому борту.
Результаты замеров уровней шумов в различных точках корпуса свидетельству-ют о том, что наименьший уровень шумов, как правило, наблюдается в носовой час-ти судна . Поэтому антенну эхолота рекомендуется устанавливать возмож-но ближе к носу судна (в области положительного давления) с учетом недо-пустимости ее оголения при качке. Антенну рекомендуется устанавливать возможно ближе к диаметральной плоскости судна.
Уменьшить влияние помех можно с помощью установки специальных экранов.
Монтаж остальных приборов комплекта эхолота осуществляется в соответствии с требованиями технической документации на изделие и с учетом удобства работы с прибором.
Изобретение относится к области конструирования гидроакустической аппаратуры, в частности резонансных излучающих гидроакустических антенн, работающих в диапазоне верхних звуковых и ультразвуковых частот. Технический результат от использования изобретения заключается в улучшении направленных свойств антенны, улучшении ее частотных характеристик и обеспечении возможности расширения полосы частот. Для этого в гидроакустической антенне, содержащей стержневые пьезоэлектрические преобразователи, герметично размещенные в общем корпусе, жесткую оболочку на фронтальной поверхности антенны, с которой соединены стержневые преобразователи, электроизоляционный заполнитель и единый тыльный металлический экран, жесткая оболочка выполнена в виде передней части корпуса, имеет цилиндрические отверстия, в которых размещены стержневые преобразователи, каждый из которых содержит переднюю и тыльную накладки цилиндрической формы, при этом каждая накладка по кольцевому контуру через механическую развязку герметично соединена с внутренней поверхностью соответствующего цилиндрического отверстия, а электроизоляционный заполнитель размещен между жесткой оболочкой с тыльными накладками и металлическим экраном. Для расширения рабочей полости антенны у передних накладок преобразователей цилиндрические отверстия образуют цилиндрические полости, которые могут быть заполнены жидкостью или согласующими элементами в виде одного или нескольких согласующих слоев. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Гидроакустическая антенна, содержащая стержневые пьезоэлектрические преобразователи, герметично размещенные в общем корпусе, жесткую оболочку на фронтальной поверхности антенны, с которой соединены стержневые пьезоэлектрические преобразователи, электроизоляционный заполнитель и единый тыльный металлический экран, отличающаяся тем, что жесткая оболочка выполнена в виде передней части корпуса, имеет цилиндрические отверстия, в которых размещены стержневые пьезоэлектрические преобразователи, каждый из которых содержит переднюю и тыльную накладки цилиндрической формы, при этом каждая накладка по кольцевому контуру через механическую развязку герметично соединена с внутренней поверхностью соответствующего цилиндрического отверстия, а электроизоляционный заполнитель размещен между жесткой оболочкой с тыльными накладками стержневых пьезоэлектрических преобразователей и металлическим экраном. 2. Гидроакустическая антенна по п.1, отличающаяся тем, что у передних накладок стержневых пьезоэлектрических преобразователей цилиндрические отверстия образуют цилиндрические полости. 3. Гидроакустическая антенна по п.2, отличающаяся тем, что цилиндрические полости у передних накладок стержневых пьезоэлектрических преобразователей заполнены жидкостью. 4. Гидроакустическая антенна по п.2, отличающаяся тем, что в цилиндрических полостях у передних накладок стержневых пьезоэлектрических преобразователей размещены согласующие элементы в виде одного или нескольких упругих слоев. 5. Гидроакустическая антенна по п.1, отличающаяся тем, что металлический экран выполнен в виде тыльной части корпуса. 6. Гидроакустическая антенна по п.1, отличающаяся тем, что свободные торцевые поверхности тыльных накладок стержневых пьезоэлектрических преобразователей установлены заподлицо с внутренней поверхностью жесткой оболочки, при этом слой заполнителя имеет постоянную волновую толщину.- Tutorial
Привет, глубокоуважаемые!
Значит кто-то из вас недорабатывает! (С) Полковник одного ведомстваЭтот краткий туториал призван устранить мою давнишнюю недоработку - давно нужно было рассказать любителям, как сделать самый простой и дешевый гидрофон и передающую гидроакустическую антенну, если при прочтении этих слов в душе у вас что-то всколыхнулось - просим под кат!
В одной из предыдущих мы рассказывали как можно просто передавать «видео» звуком через воду, мы привели даже исходный текст и я подробно описал как и почему это работает, но не снабдил людей самым главным для проверки - инструкцией, как самому быстро без регистрации и смс сделать простейшие антенны чтобы звук в воду излучить и чтобы звук из воды принять.
Если в обычной жизни для излучения звука мы используем динамики (такие, как например у вас в ноутбуке или автомобиле) а для записи звука - микрофон, то спешу вас обрадовать: под водой и воспроизведение (мы говорим “излучение”) и запись звука (преобразование) выполняются зачастую одним и тем же устройством, которое и называется гидроакустической антенной.
В подавляющем большинстве случаев гидроакустическая антенна представляет собой один или несколько пьезоэлементов: пластин, дисков, колец, сфер, полусфер и т.п.
Пьезоэлементы обладают т.н. пьезоэффектом: если подавать на элемент переменный электрический сигнал, то элемент начинает колебаться, а если элемент колебать, ну например, акустической волной, то на нем начинает вырабатываться переменный электрический сигнал.
То есть, пьезоэлемент преобразует электрический сигнал в акустические волны (механические колебания) и наоборот - акустические волны в электрический сигнал.
Как говорится: теория без практики мертва! Давайте не будем терять времени и сделаем пару гидроакустических антенн.
Материалы, которые нам понадобятся:
- пара пьезопищалок Ф35мм (мы купили 10 штук за 100 рублей на Алиэксперссе)
- 10-ти метровый отрезок кабеля RG-174
- два коннектора Jack 3.5 мм стерео
- медная/латунная/нержавеющая пластина шириной 50х100 мм толщиной 1-2 мм
- эпоксидный клей
- силиконовый герметик (безуксусный)
- припой и флюс
- спирт для обезжиривания и протирки IP-пакетов
- два любых резистора с номиналами ~100 Ом и другой 470 - 1000 кОм (мы взяли MF25 0.25 Вт)
- два диода 1N4934
- дрель и сверла Ф3 и 2.5 мм (чтобы сверлить медную пластику)
- ножовка по металлу или дремель (чтобы пилить медную пластину)
- наждачная бумага 200-600 грит (чтобы зачистить медную пластину)
- нож, кусачки (для зачистки проводов)
- паяльник или паяльная станция
- стоматологическая лопатка для разравнивания герметика
Для того, чтобы неподключенная антенна не накапливала заряд ей в параллель ставится резистор номиналом 0.5 - 1 МОм (R1).
В приемной антенне, для ограничения максимального напряжения можно собрать простейший пороговый ограничитель из диодов D1, D2 и резистора 100 Ом (R2). В качестве диодов можно взять 1N4934, а резисторы R1, R2 мы взяли MF25 номиналом 470 кОм. Обратите внимание, если планируется подключать приемную антенну в микрофонный вход (а не в линейный), то дополнительно потребуется конденсатор C1 номиналом 0.1… 1 uF, иначе питание, подаваемое звуковой картой на электретный микрофон окажется коротко замкнуто через диод D1.
Нехитрая схема подключения пьезы
Сами пьезоэлементы нужно приклеить на металлические пластины при помощи эпоксидки. Это, во-первых, понизит резонансную частоту пьезоэлемента (добавили неподрессоренную массу), а во-вторых, будучи приклеенной одной стороной к жесткой металлической пластине пьезоэлемент не сможет сжиматься и растягиваться и ему придется изгибаться.
Размечаем металлическую пластину по размеру пьезоэлемента
Мы выпилили две квадратные пластины 50 х 50 мм и просверлили отверстия под кабель (диаметром 3 мм) и два отверстия для крепления кабеля при помощи тонкой нейлоновой нити, получилось вот так:
Почти собранная антенна =)
Мы от купленного 10-ти метрового куска кабеля отрезали два куска по 3 метра, остальное оставили про запас.
Кабель заводим в отверстие, центральную его жилу припаиваем к металлизации пьезоэлемента, а экран - к его металлической подложке. В параллель, как договаривались, припаиваем резистор номиналом 470 кОм.
Другой конец кабеля зачищаем и собираем разъем:
Центральную жилу запаиваем в центральный контакт (самый кончик разъема), средний оставляем нетронутым, а корпус разъема припаиваем к оплетке кабеля. Я всегда забываю надеть корпус разъема на кабель и мне приходится все перепаивать по два раза - не повторяйте моей ошибки)
После пайки очень важно отмыть флюс - особенно на пьезоэлементе. Если этого не сделать, то со временем он разъест пайку.
Итак, мы подготовили две антенны (на одной из них стоит пороговый ограничитель). Теперь самое время замешивать эпоксидку и одевать латексные перчатки.
Перед приклейкой пьезоэлементов к медным пластинам и то и другое стоит тщательно обезжирить спиртом (этиловым или изопропиловым) или ацетоном. Ни к коем случае не используйте для этих целей что-либо другое - бензин или керосин - эти вещества оставляют жирные следы, ухудшающие адгезию.
Стоит напомнить, что все работы со спиртами, ацетоном и эпоксидкой нужно проводить в хорошо провертриваемом пощещении, защищать руки и глаза. Не пренебрегайте правилами техники безопасности!
Наносим эпоксидку
Пропитываем нейлоновую нить, крепящую кабель к пластине.
Продолжаем наносить эпоксидку
Для приклейки пьезоэлемента к пластине достаточно совсем немного эпоксидного клея. Не перебарщиваем - эпоксидка не должна попасть на верхнюю часть, иначе при полимеризации она может разрушить тонкий слой пьезокерамики, плюс ко всему эпоксидка портится в воде.
В итоге должно получиться примерно так:
Пьезоэлементы приклеены, оставляем все до полной полимеризации
Обычно эпоксидные клеи полностью полимеризуются за 24 часа. Мы например, так и сделали - оставили наши антенны до следующего дня.
….ждем 24 часа
Придя в лабораторию утром мы первым делом подключили первую антенну (без порогового ограничителя) в разъем наушников ноутбука. Если включить музыку и поднести нашу антенну к уху то можно убедится, что как минимум слышимый диапазон частот она воспроизводит совсем неплохо - есть даже намек на басы - так повлияла медная подложка.
Понятно дело, что в таком виде это уже акустическая передающая антенна, но еще все же не гидроакустическая. Чтобы исправить это недоразумение антенну нужно повторно обезжирить и покрыть тонким слоем герметика.
Важное замечание: не применяйте ацетатсодержащий санитарный герметик, содержащаяся в нем уксусная кислота разъест пайку, кабель и металлизацию пьезоэлемента.
Мы рекомендуем жидкую резину от KimTek, предназначенную для лодок и катеров. Если у кого уже есть в наличии вместо герметика можно воспользоваться отличными полиуретановыми компаундами от фирмы Smooth-On или 3M - так гораздо более технологично и модно.
Cиликоновый герметик на основе MS-полимера отлично подходит для наших целей
Для удобства мы сначала заполняем герметиком медицинский одноразовый шприц, и уже из него наносим герметик на пьезоэлемент и паяные соединения:
Начинаем наносить герметик, стараемся чтобы не было воздушных пузырей
После нанесения герметика разравниваем его стоматологической лопаткой или кому чем удобно (можно даже пальцем). В итоге у нас получилось так:
Эстетическое совершенство =)
Не стоит делать слой герметика слишком толстым - антенна потеряет чувствительность. Достаточно слоя толщиной 1 мм. Тщательно защищаем герметиком места пайки, резисторы и диоды.
Можно покрыть герметиком и обратную сторону пластины - на одной антенне мы так и сделали, а на другой не стали.
Если перенести резисторы и диоды ближе к кабелю, то пьезоэлемент намазывать герметиком будет гораздо удобнее и слой получится ровнее.
После завершения скульпторской работы опять оставляем антенны на 24 часа.
Давайте посчитаем чего нам стоили эти две антенны:
2 Пьезопищалки Ф35 мм - 20 руб10 метров кабеля RG-174 - 300 руб
2 Коннектора Jack 3.5 mm - 70 руб
медная пластина 100х50х1 мм - 120 руб
Итого: 510 рублей
Правда, если брать в расчет стоимость эпоксидного клея, обезжиривателя и особенно силиконового герметика, 500 мл которого стоят 900 руб итоговые затраты оказываются немного больше.