RU176673U1

RU176673U1 - ACOUSTIC SIGNAL FORMING DEVICE

Info

Publication number: RU176673U1
Application number: RU2017126563U
Authority: RU
Inventors: Борис Георгиевич Степанов; Иван Сергеевич Пестерев
Priority date: 2017-07-24
Filing date: 2017-07-24
Publication date: 2018-01-25

Abstract

Полезная модель относится к области акустического приборостроения, а именно к построению и возбуждению электроакустических преобразователей, способных формировать сложные или сравнительно короткие, перестраиваемые по частоте, акустические сигналы и может найти применение в качестве элементов антенн навигационных и рыбопоисковых станций, в системах звукоподводной связи. Устройство формирования акустических сигналов содержит преобразователь волноводного типа, внутренняя полость которого заполнена жидкостью и который образован набором N соосно расположенных идентичных пьезоактивных колец с пассивными гибкими прокладками между их торцами, акустический экран, расположенный на внешней поверхности преобразователя, а также N канальный программно управляемый цифровой блок формирования сигналов, выходы которого подключены через широкополосные усилители мощности к соответствующему по номеру пьезоактивному кольцу. При этом цифровой блок формирования сигналов состоит из программируемого управляющего микропроцессора, соединенного шинами передачи данных через интерфейсный модуль с программно-вычислительным устройством, а также с дешифратором-синхронизатором и оперативными запоминающими устройствами в каждом канале, к выходам которых подключены цифроаналоговые преобразователи и согласующие усилители. Технический результат заключается в возможности уменьшения искажения при излучении как сложных акустических сигналов, так и коротких акустических импульсов с возможностью перестройки их по частоте при сохранении собственной формы в диапазоне частот порядка 2 октав. 1 з.п. ф-лы, 11 ил.The utility model relates to the field of acoustic instrumentation, namely, to the construction and excitation of electro-acoustic transducers capable of generating complex or relatively short, tunable in frequency, acoustic signals and can be used as elements of antennas for navigation and fish-finding stations in sound underwater communication systems. The device for generating acoustic signals contains a waveguide-type transducer, the inner cavity of which is filled with liquid and which is formed by a set of N coaxially located identical piezoactive rings with passive flexible gaskets between their ends, an acoustic screen located on the outer surface of the transducer, and an N channel programmable digital forming unit signals, the outputs of which are connected via broadband power amplifiers to the corresponding piezo active number th ring. In this case, the digital signal generation unit consists of a programmable control microprocessor connected by data transmission buses through an interface module to a software-computing device, as well as to a decoder-synchronizer and random access memory in each channel, to the outputs of which digital-to-analog converters and matching amplifiers are connected. The technical result consists in the possibility of reducing distortion in the emission of both complex acoustic signals and short acoustic pulses with the possibility of tuning them in frequency while maintaining their own shape in the frequency range of about 2 octaves. 1 s.p. f-ly, 11 ill.

Description

Полезная модель относится к области акустического приборостроения, а именно к построению и возбуждению электроакустических преобразователей, способных формировать широкополосные амплитудно-частотные характеристики (АЧХ), а также - сложные или сравнительно короткие, перестраиваемые по частоте, акустические сигналы, и может найти применение в качестве элементов антенн навигационных и рыбопоисковых станций, в системах звукоподводной связи.The utility model relates to the field of acoustic instrumentation, namely, to the construction and excitation of electro-acoustic transducers capable of generating broadband amplitude-frequency characteristics (AFC), as well as complex or relatively short, frequency-tunable acoustic signals, and can be used as elements antennas of navigation and fishing stations, in systems of sound communication.

Вопросы расширения полосы пропускания и связанные с ними задачи излучения коротких акустических импульсов являются важными для акустического приборостроения. Основными методами расширения полосы пропускания преобразователей являются: использование согласующих фронтальных слоев (накладок), использование корректирующих пассивных или активных электрических цепей в схемах возбуждения преобразователя, использование различных мод колебаний в одном преобразователе и разночастотных преобразователей в антенне [Гидроакустическая энциклопедия под ред. В.И. Тимошенко, Изд. ТГРУ, 1999, Широкополосность преобразователей, с. 696-697]. Большинство этих методов применимо к разным колебательным системам преобразователей и в частности к цилиндрическим преобразователям, которые используются для решения различных задач в гидроакустике.The issues of bandwidth expansion and related problems of emission of short acoustic pulses are important for acoustic instrumentation. The main methods for expanding the bandwidth of the transducers are: the use of matching front layers (overlays), the use of corrective passive or active electrical circuits in the excitation circuits of the transducer, the use of various vibration modes in one transducer and multi-frequency transducers in the antenna [Hydroacoustic Encyclopedia ed. IN AND. Tymoshenko, ed. TGRU, 1999, Broadband Converters, p. 696-697]. Most of these methods are applicable to various oscillatory systems of transducers, and in particular to cylindrical transducers, which are used to solve various problems in sonar.

Для формирования сложных по структуре акустических сигналов, в том числе коротких (1-2 периода) импульсов, необходимо использование достаточно широкополосных гидроакустических преобразователей и антенн, обладающих, по возможности, равномерной амплитудно-частотной (АЧХ) и линейной фазочастотной (ФЧХ) характеристиками в диапазоне частот порядка 2 октав (122%) и более. Перспективным направлением в соответствии с этими требованиями является разработка для указанных антенн преобразователей, построенных на базе пьезоактивных колец, которые по сравнению с другими пьезоактивными элементами (стержневого, пластинчатого, изгибного типа) обладают наименьшей собственной механической добротностью.For the formation of complex acoustic signals in structure, including short (1-2 periods) pulses, it is necessary to use sufficiently wide-band hydroacoustic transducers and antennas with, if possible, uniform amplitude-frequency (AFC) and linear phase-frequency (PFC) characteristics in the range frequencies of the order of 2 octaves (122%) or more. A promising direction in accordance with these requirements is the development for these antennas of transducers built on the basis of piezoelectric rings, which, in comparison with other piezoelectric elements (rod, plate, bending type), have the lowest intrinsic mechanical quality factor.

Известны устройства для формирования акустических сигналов, в которых используются пьезоактивные кольца. Так, в работе [Патент 4439847 США, МКИ Н04R 17/00, Высокоэффективный широкополосный направленный преобразователь сонара // Massa, Frank, 1984] с целью расширения полосы пропускания используется гидроакустический преобразователь, состоящий из соосного (коаксиального) набора нескольких разночастотных пьезоактивных колец, снабженных коническими отражателями. За счет 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 характеристикой направленности (ХН) ввиду большого поперечного волнового размера преобразователей.Known devices for generating acoustic signals that use piezoactive rings. So, in the work [US Patent 4439847, MKI H04R 17/00, Highly efficient broadband directional sonar transducer // Massa, Frank, 1984], in order to expand the bandwidth, a sonar transducer is used, consisting of a coaxial (coaxial) set of several different frequency piezoelectric rings equipped with conical reflectors. Due to the overlap of closely spaced frequency regions formed by each piezoactive ring, the broadband frequency response of the converter is ensured. The disadvantages of these transducers include the limited bandwidth (less than 2 octaves), the complexity of their layout in a hydroacoustic antenna and scanning with its directivity (XI) due to the large transverse wave size of the transducers.

Известен гидроакустический преобразователь [Патент США №6722003, МКИ Н04R 17/00, Подводный широкополосный электроакустический преобразователь // Dunn Sheng-Dong, Yeh Chi-Zen, Jih Jeng-Yow, 2003], состоящий из соосно расположенных разночастотных пьезоактивных колец с радиусами, симметрично увеличивающимися от центра преобразователя к его краям. Согласно данным авторов, такое устройство преобразователя позволяет перекрыть диапазон частот 20…200 кГц, но с неравномерностью АЧХ в 15…20 дБ. Кроме того, у такого преобразователя отсутствует направленность в плоскости, перпендикулярной его оси, что вызывает сложность его использования в составе антенн.Known sonar transducer [US Patent No. 6722003, MKI H04R 17/00, Underwater broadband electro-acoustic transducer // Dunn Sheng-Dong, Yeh Chi-Zen, Jih Jeng-Yow, 2003], consisting of coaxially arranged different-frequency piezoactive rings with radii symmetrically increasing from the center of the transducer to its edges. According to the authors, such a converter device allows you to cover the frequency range of 20 ... 200 kHz, but with a frequency response of 15 ... 20 dB. In addition, such a converter does not have directivity in a plane perpendicular to its axis, which makes it difficult to use as part of antennas.

Во всех рассмотренных решениях предполагается, что пьезоактивные кольца возбуждаются одним и тем же электрическим напряжением, т.е. синфазно.In all the solutions considered, it is assumed that the piezoelectric rings are excited by the same electrical voltage, i.e. in phase.

Известно также устройство волноводного типа [Мальцев Ю.В., Прокопчик С.Е. Гидроакустические волноводные антенны и перспективы их применения в технических средствах исследования океана // Подводные исследования и робототехника, №2(10), 2010, с. 51-71.] в виде пьезостержня с жестко закрепленным на одном из его торцов сплошным пассивным стержнем, с внешней боковой поверхности которого происходит излучение (по типу антенны бегущей волны). Такие устройства обладают довольно высокой чувствительностью в режимах излучения и приема, однако ширина полосы пропускания невелика (20…40%), т.е. не превышает одной октавы.A waveguide type device is also known [Maltsev Yu.V., Prokopchik S.E. Hydroacoustic waveguide antennas and the prospects for their application in technical means of ocean research // Underwater research and robotics, No. 2 (10), 2010, p. 51-71.] In the form of a piezo-rod with a solid passive rod rigidly fixed on one of its ends, from which external radiation occurs (by the type of traveling wave antenna). Such devices have a fairly high sensitivity in the radiation and reception modes, but the bandwidth is small (20 ... 40%), i.e. does not exceed one octave.

Во всех указанных решениях, даже при наличии сравнительно широкополосной АЧХ излучения в полосе пропускания преобразователя, его фазочастотная характеристика (ФЧХ) излучения не является линейной. Последнее обстоятельство ограничивает возможность формирования с помощью указанных решений сложных акустических сигналов и коротких импульсов.In all these solutions, even in the presence of a relatively broadband frequency response of the radiation in the passband of the converter, its phase-frequency characteristic (PFC) of the radiation is not linear. The latter circumstance limits the possibility of forming complex acoustic signals and short pulses using the indicated solutions.

Для излучения коротких импульсных сигналов, помимо общего требования к широкополосности АЧХ преобразователей, известны также методы, базирующиеся на возбуждении их электрическими импульсами специальной формы. Так в работах [Задириенко И.М., Кузьменко А.Г. Излучение коротких акустических импульсов стержневыми пьезокерамическими преобразователями при возбуждении электрическими сигналами сложной формы // Акуст. журн., 1984, т. 30, №3, с. 328-330 и Коновалов С.И., Кузьменко А.Г. О возможности сокращения длительности переходного процесса в акустическом преобразователе при помощи компенсирующего электрического импульса // Дефектоскопия, 2014; №7, с. 12-18.] рассматривалась возможность формирования коротких акустических импульсов с помощью определенной последовательности возбуждающих импульсов (полупериодов), компенсирующих импульсы, которые отражаются от тыльной границы преобразователя (пьезоэлемента), противоположной излучающей. Согласно результатам выполненных авторами расчетов могут быть получены акустические импульсы длительностью в один период, но только на резонансной частоте используемого пьезоэлемента. Кроме того, амплитуда этих импульсов в несколько раз меньше амплитуды при гармоническом возбуждении, поскольку в результате такой компенсации остаются только два первых полупериода колебаний переходного процесса, определяемого сравнительно небольшой полосой пропускания преобразователя.For the emission of short pulse signals, in addition to the general requirement for the broadband frequency response of converters, methods are also known that are based on the excitation of electric pulses of a special shape. So in the works [Zadirienko I.M., Kuzmenko A.G. Radiation of short acoustic pulses by piezoelectric ceramic rod transducers upon excitation by complex electric signals // Acoust. Zh., 1984, v. 30, No. 3, p. 328-330 and Konovalov S.I., Kuzmenko A.G. On the possibility of reducing the duration of the transient process in an acoustic transducer using a compensating electric pulse // Defectoscopy, 2014; No. 7, p. 12-18.] Considered the possibility of forming short acoustic pulses using a specific sequence of exciting pulses (half-cycles), compensating for the pulses that are reflected from the back of the transducer (piezoelectric element), the opposite radiating. According to the results of the calculations performed by the authors, acoustic pulses with a duration of one period can be obtained, but only at the resonant frequency of the piezoelectric element used. In addition, the amplitude of these pulses is several times smaller than the amplitude during harmonic excitation, since as a result of such compensation only the first two half-periods of the oscillations of the transient process, determined by the relatively small passband of the converter, remain.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является устройство формирования акустических сигналов, представленное в Патенте на полезную модель РФ №88887 «Устройство для формирования эхолокационных и коммуникационных сигналов» / Иванов, М.П., Степанов Б.Г., Публ. 20.11.2009, БИ №32, МKП Н04R 17/00. Реализация этого решения обеспечивается тем, что устройство содержит преобразователь волноводного типа в виде N соосно расположенных идентичных пьезоактивных колец с акустически гибкими прокладками между их торцами, акустический экран, расположенный на внешней поверхности устройства, а также - N -канальный блок формирования сигналов в виде генератора сигналов, соединенного со входом фильтра с регулируемым в рабочей полосе частот устройства коэффициентом передачи, минимальное значение которого находится в области радиального резонанса пьезоактивного кольца, а выход фильтра соединен с линией задержки, обеспечивающей увеличение времени задержки сигнала с ростом номера кольца и соединенную с каждым кольцом через промежуточные усилители с последовательно нарастающим от кольца к кольцу коэффициентом усиления и усилители мощности. В рабочем состоянии внутренняя полость пьезоактивных колец заполняется жидкой средой (водой), а внешняя их поверхность акустически изолируется экраном или газом, находящимся в герметическом корпусе устройства.The closest in technical essence to the proposed utility model is a device for generating acoustic signals, presented in the Patent for utility model of the Russian Federation No. 88887 "Device for the formation of echolocation and communication signals" / Ivanov, MP, Stepanov BG, Publ. 11/20/2009, BI No. 32, MKP N04R 17/00. The implementation of this solution is ensured by the fact that the device contains a waveguide type converter in the form of N coaxially arranged identical piezoactive rings with acoustically flexible gaskets between their ends, an acoustic screen located on the external surface of the device, and also an N-channel signal generation unit in the form of a signal generator connected to the input of the filter with a transmission coefficient adjustable in the operating frequency band of the device, the minimum value of which is in the region of radial resonance a piezoactive ring, and the filter output is connected to the delay line, providing an increase in signal delay time with increasing numbers ring and the ring connected to each through intermediate amplifiers sequentially increasing from the ring to the ring-gain power amplifiers. In working condition, the internal cavity of the piezoelectric rings is filled with a liquid medium (water), and their external surface is acoustically isolated by a screen or gas located in the sealed enclosure of the device.

Недостатком известного устройства является то, что, несмотря на достаточно широкополосную АЧХ излучения (порядка 3 октав), ввиду использования в цепи возбуждения пьезоактивных колец корректирующего фильтра, обладающего собственными АЧХ и ФЧХ коэффициента передачи, причем вид ФЧХ излучения этого устройства отличается от линейного закона, что неизбежно отражается на искажении излучаемых им сложных и коротких акустических сигналов. Структура формирования сигналов возбуждения известным устройством предполагает использование аналоговых блоков. При этом сигнал возбуждения, вырабатываемый генератором сигналов и сигналы, подаваемые на широкополосные усилители мощности, в целом структурно подобны.A disadvantage of the known device is that, despite the fairly broadband frequency response of the radiation (of the order of 3 octaves), due to the use of a correction filter in the excitation circuit of the piezoelectric rings having its own frequency response and phase response of the transmission coefficient, the shape of the phase response of this device is different from the linear law, which inevitably affects the distortion of complex and short acoustic signals emitted by him. The structure of the generation of excitation signals by a known device involves the use of analog blocks. In this case, the excitation signal generated by the signal generator and the signals supplied to the broadband power amplifiers are generally structurally similar.

Техническая задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, заключается в разработке такого устройства формирования акустических сигналов, которое позволяет обеспечить не только широкополосную АЧХ излучения (порядка 3 октав), но и возможность формирования заданных сложных акустических сигналов или коротких (например, 1-1.5 периодов колебаний) акустических импульсов с возможностью перестройки их по частоте и сохранением формы в рабочей полосе частот устройства.The technical problem solved by the proposed utility model is to develop such a device for generating acoustic signals that can provide not only broadband frequency response of radiation (of the order of 3 octaves), but also the ability to generate specified complex acoustic signals or short (for example, 1-1.5 periods of oscillation) acoustic pulses with the possibility of tuning them in frequency and preserving the shape in the working frequency band of the device.

Поставленная задача решается за счет того, что в предлагаемой полезной модели так же, как в известном решении, устройство формирования акустических сигналов содержит преобразователь волноводного типа, внутренняя полость которого заполнена жидкостью и который образован набором N соосно расположенных идентичных пьезоактивных колец с пассивными гибкими прокладками между их торцами, акустический экран, расположенный на внешней поверхности преобразователя, а также N-канальный блок формирования сигналов, выходы которого подключены через широкополосные усилители мощности к соответствующему по номеру пьезоактивному кольцу. Но, в отличие от известного решения, N-канальный блок формирования сигналов выполнен в виде программно-управляемого цифрового блока, обеспечивающего формирование сигналов возбуждения с учетом структурных параметров преобразователя, а также условия постоянства амплитуд колебаний пьезоактивных колец и обеспечения между сигналами возбуждения фазового сдвига Δϕ_i=ωτ_i, где ω - круговая частота, τ_i=d/с(i-1), i=1, 2,…N, с - скорость звука в жидкости, заполняющей внутреннюю полость преобразователя, d - расстояние между центрами пьезоактивных колец. Возбуждение с таким фазовым сдвигом обеспечивает режим бегущей волны во внутренней полости преобразователя волноводного типа, заполняемой жидкостью, например, окружающей преобразователь водой.The problem is solved due to the fact that in the proposed utility model, as well as in the known solution, the acoustic signal generating device comprises a waveguide type transducer, the internal cavity of which is filled with liquid and which is formed by a set of N coaxially arranged identical piezoelectric rings with passive flexible gaskets between them ends, an acoustic screen located on the outer surface of the transducer, as well as an N-channel signal conditioning unit, the outputs of which are connected through irokopolosnye power amplifiers to a corresponding number of piezo-active ring. But, unlike the known solution, the N-channel signal generation unit is made in the form of a program-controlled digital unit that provides the generation of excitation signals taking into account the structural parameters of the transducer, as well as the condition of constant oscillation amplitudes of the piezoelectric rings and providing phase shift Δϕ _i between the excitation signals = ωτ _i , where ω is the circular frequency, τ _i = d / s (i-1), i = 1, 2, ... N, s is the speed of sound in the fluid filling the internal cavity of the transducer, d is the distance between the centers of the piezoactive rings . Excitation with such a phase shift provides a traveling wave mode in the internal cavity of the waveguide-type transducer filled with liquid, for example, water surrounding the transducer.

Достигаемый технический результат заключается в уменьшении искажения требуемых сложных акустических сигналов и коротких, перестраиваемых по частоте, акустических импульсов. Причем этот результат обеспечивается выполнением N -канального блока формирования сигналов в виде программно-управляемого цифрового блока, который формирует сигналы возбуждения с учетом структурных параметров преобразователя волноводного типа, а также условия постоянства амплитуд колебаний пьезоактивных колец и характера их возбуждения, обеспечивающего режим бегущей волны во внутренней водозаполненной полости преобразователя.The technical result achieved is to reduce the distortion of the required complex acoustic signals and short, tunable in frequency, acoustic pulses. Moreover, this result is ensured by the implementation of the N-channel block of signal generation in the form of a program-controlled digital block that generates excitation signals taking into account the structural parameters of the waveguide-type transducer, as well as the condition of constant oscillation amplitudes of the piezoactive rings and the nature of their excitation, which ensures the traveling wave mode in the internal water filled cavity of the transducer.

Совокупность признаков, сформулированных в п. 2 формулы полезной модели, характеризует устройство, в котором программно-управляемый цифровой блок формирования сигналов состоит из программируемого управляющего микропроцессора, соединенного шинами передачи данных через интерфейсный модуль с программно-вычислительным устройством, а также с дешифратором-синхронизатором и оперативными запоминающими устройствами в каждом канале, к выходам которых подключены цифроаналоговые преобразователи и согласующие усилители.The combination of features formulated in clause 2 of the utility model formula characterizes a device in which a program-controlled digital signal generation unit consists of a programmable control microprocessor connected by data buses through an interface module to a software-computing device, as well as to a synchronization decoder and operational memory devices in each channel, the outputs of which are connected to digital-analog converters and matching amplifiers.

Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежами, представленными на фиг. 1-8.The essence of the proposed utility model is illustrated by the drawings shown in FIG. 1-8.

На фиг. 1 показан пример выполнения устройства формирования акустических сигналов. На фиг. 2а-4а показан вид электрических импульсов u₁(t), u₂(t), …u_N(t), подаваемых на пьезоактивные кольца преобразователя волноводного типа для получения требуемого однопериодного акустического импульса на разных частотах его формирования; на фиг. 2б-4б показан вид акустических импульсов s_ак(t), которые формируются и излучаются на этих частотах с помощью предлагаемой полезной модели; на фиг. 5 показан акустический импульс сформированный устройством, принятым за прототип, при возбуждении его однопериодным импульсом на частоте, соответствующей фиг. 3. На фиг. 6-8 показаны соответственно эхолокационный сигнал дельфина и этот же сигнал, сформированный с помощью предлагаемой полезной модели и устройством, принятым за прототип.In FIG. 1 shows an example implementation of a device for generating acoustic signals. In FIG. 2a-4a show a view of electric pulses u ₁ (t), u ₂ (t), ... u _N (t) applied to the piezoelectric rings of the waveguide type transducer to obtain the desired one-period acoustic pulse at different frequencies of its formation; in FIG. 2b-4b shows a view of the acoustic pulses s _ak (t), which are formed and emitted at these frequencies using the proposed utility model; in FIG. 5 shows an acoustic impulse generated by a device adopted as a prototype when excited by a single-period impulse at a frequency corresponding to FIG. 3. In FIG. 6-8 respectively show the echolocation signal of a dolphin and the same signal generated using the proposed utility model and the device adopted as a prototype.

Рассмотрим пример выполнения предлагаемой полезной модели. Устройство формирования акустических сигналов содержит преобразователь волноводного типа, образованный соосным набором N пьезоактивных колец 1, отделенных друг от друга гибкими прокладками 2, а также N-канальный программно-управляемый цифровой блок формирования сигналов (ЦБФС) 3, который состоит из программно-вычислительного устройства (ПВУ) 4, соединенного посредством интерфейсного модуля (ИМ) 5 с программируемым управляющим микропроцессором (ПУМП) 6, который через дешифратор-синхронизатор (ДШ/С) 7 и адресную шину 8 осуществляет поканальную адресацию данных, которые, в свою очередь, подаются по шине данных 9 на оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) 10, выходы которых соединены с цифроаналоговыми преобразователями (ЦАП) 11, которые через идентичные согласующие усилители (СУ) 12 и широкополосные усилители мощности (ШУМ) 13 подключены к соответствующим по номеру пьезоактивным кольцам 1. Внешняя цилиндрическая поверхность преобразователя снабжена акустически мягким экраном 14 или контактирует с газом (воздухом), заполняющим корпус устройства, а внутренняя - образует полость 15, которая заполняется жидкостью, контактирующей с внешней жидкой средой. Стрелками показано направление преимущественного излучения.Consider an example of the implementation of the proposed utility model. The device for generating acoustic signals contains a waveguide-type converter formed by a coaxial set of N piezoelectric rings 1, separated from each other by flexible gaskets 2, as well as an N-channel program-controlled digital signal conditioning unit (CBSF) 3, which consists of a software-computing device ( PVU) 4, connected via an interface module (IM) 5 with a programmable control microprocessor (PUMP) 6, which through a decoder-synchronizer (DSH / S) 7 and address bus 8 provides channel-by-channel addressing the data, which, in turn, is fed via data bus 9 to random access memory (RAM) 10, the outputs of which are connected to digital-to-analog converters (DAC) 11, which through identical matching amplifiers (SU) 12 and wideband power amplifiers (SHUM ) 13 are connected to the corresponding piezo-active rings 1. The outer cylindrical surface of the transducer is equipped with an acoustically soft screen 14 or is in contact with the gas (air) filling the device’s body, and the inner one forms a cavity 15 Torah is filled with liquid in contact with the external liquid medium. The arrows indicate the direction of the predominant radiation.

Рассмотрим пример работы устройства формирования акустических сигналов. По заданным структурным параметрам преобразователя волноводного типа, условиям его работы, заданному одинаковому и постоянному значению амплитуды колебаний всех пьезоактивных колец и заданному характеру их возбуждения, обеспечивающему режим бегущей волны во внутренней водозаполненной полости преобразователя, а также заданному виду импульса, который требуется излучить, программно-вычислительным устройством (ПВУ) 4 с помощью преобразования Фурье формируются для каждого из N пьезоактивных колец сигналы возбуждения u₁(t), u₂(t), … u_N(t) в виде N массивов временных отсчетов, которые подаются через интерфейсный модуль (ИМ) 5 на программируемый управляющий микропроцессор (ПУМП) 6. Управляющий микропроцессор 6 подает принятые массивы временных отсчетов сигналов возбуждения по шине данных 9 на соответствующие по номеру N оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) 10. При этом дешифратор-синхронизатор (ДШ/С) 7 осуществляет через адресную шину 8 поканальную адресацию данных. С выходов оперативных запоминающих устройств 10 массивы временных отсчетов синхронно, с заданным периодом следования, подаются на входы N цифроаналоговых преобразователей (ЦАП) 11, с выходов которых сформированные электрические сигналы возбуждения u₁(t), u₂(t), … u_N(t) поступают на пьезоактивные кольца 1 устройства через идентичные согласующие усилители (СУ) 12 и широкополосные усилители мощности (ШУМ) 13. Согласующие усилители 12 служат для согласования слаботочных цепей формирования электрических сигналов возбуждения с более мощными оконечными цепями усилителей мощности 13 и обеспечивают предварительное усиление электрических сигналов. Широкополосные усилители мощности 13 обеспечивают усиление по мощности электрических сигналов, подаваемых на пьезоактивные кольца 1, и согласование нагрузок электрических цепей и пьезоактивных колец.Consider the example of the operation of the device for generating acoustic signals. According to the given structural parameters of the waveguide-type transducer, the conditions of its operation, the given identical and constant value of the oscillation amplitude of all piezoelectric rings and the given nature of their excitation, which ensures the traveling wave mode in the internal water-filled cavity of the transducer, as well as the given type of pulse to be emitted, program computing device (SSP) 4 by the Fourier transform are generated for each of the N piezoactive rings excitation signals u ₁ (t), u ₂ (t), ... u _N (t) into a de N arrays of time samples, which are fed through the interface module (MI) 5 to the programmable control microprocessor (PUMP) 6. The control microprocessor 6 supplies the received arrays of time samples of the excitation signals via the data bus 9 to the corresponding random access memory (RAM) 10 . At the same time, the decoder-synchronizer (DS / C) 7 carries out channel address data addressing through the address bus 8. From the outputs of random access memory 10, arrays of time samples synchronously, with a given repetition period, are fed to the inputs of N digital-to-analog converters (DACs) 11, from the outputs of which generated electrical excitation signals u ₁ (t), u ₂ (t), ... u _N ( t) enter the piezoelectric rings 1 of the device through identical matching amplifiers (SU) 12 and wideband power amplifiers (SHUM) 13. Matching amplifiers 12 are used to match low-current circuits for generating electrical excitation signals with more powerful terminals mi circuits of power amplifiers 13 and provide preliminary amplification of electrical signals. Broadband power amplifiers 13 provide power amplification of the electrical signals supplied to the piezoelectric rings 1, and matching loads of electrical circuits and piezoactive rings.

Принцип работы устройства формирования акустических сигналов заключается в том, что формирование сигналов возбуждения u₁(t), u₂(t), … u_N(t) базируется: на заданных структурных параметрах преобразователя волноводного типа (значения d/a, l/a, c_ки т.д., где a, l, и c_к - радиус, высота, и скорость звука пьезоактивных колец) и условиях его работы, на заданном характере возбуждения пьезоактивных колец, обеспечивающем режим бегущей волны (фазовый сдвиг Δϕ_i=ωτ_i) во внутренней водозаполненной полости преобразователя, и условии постоянства амплитуд колебаний пьезоактивных колец, а также - виде акустического сигнала s_ак(t), который требуется излучить. При этом задание фазового сдвига в виде Δϕ_i=ωτ_i в итоге определяет линейность ФЧХ излучения устройства (преобразователя волноводного типа), а условие постоянства амплитуд колебаний пьезоактивных колец в определенной мере определяет равномерность его АЧХ излучения (звукового давления). Все это служит базой для неискаженной передачи формы акустического импульса s_ак(t), излучаемого предлагаемым устройством. Такой подход предполагает использование решения задачи синтеза, когда по заданным одинаковым и не зависящим от частоты амплитудам колебательной скорости на излучающей внутренней поверхности пьезоактивных колец, а также - фазовому сдвигу между ними Δϕ_i=ωτ_i, линейно изменяющемуся с частотой, определяются частотные зависимости амплитуд и фаз возбуждающих пьезоактивные кольца электрических напряжений U₁(ω), U₂(ω), …U_N(ω), которые в общем случае являются комплексными величинами. Непосредственно сигналы возбуждения u₁(t), u₂(t), …u_N(t) определяются с использованием преобразования Фурье по формуле

- спектральная характеристика заданного сигнала, который должен быть излучен предлагаемым устройством; ω_В - верхний предел интегрирования, определяющий полноту спектральных составляющих в спектральной характеристике Ф(ω), например, по

Акустический импульс, который в этом случае формируется предлагаемым устройством при излучении в направлении, показанным стрелками на фиг. 1, будет:

где p_ф(ω) - частотная характеристика звукового давления предлагаемого устройства.The principle of operation of the device for generating acoustic signals is that the formation of excitation signals u ₁ (t), u ₂ (t), ... u _N (t) is based on: given structural parameters of the waveguide type transducer (values d / a, l / a , c _k , etc., where a, l, and c _k are the radius, height, and speed of sound of the piezoelectric rings) and the conditions of its operation, on the given character of the excitation of the piezoelectric rings, which ensures the traveling wave mode (phase shift Δϕ _i = ωτ _i ) in the internal water-filled cavity of the transducer, and the condition of constant amplitude piezoelectric rings, and also - the form of an acoustic signal s _ak (t), which is required to be emitted. In this case, setting the phase shift in the form Δϕ _i = ωτ _i ultimately determines the linearity of the phase response of the device (waveguide type transducer), and the condition of constant oscillation amplitudes of the piezoelectric rings to a certain extent determines the uniformity of its frequency response (sound pressure). All this serves as the basis for undistorted transmission of the acoustic pulse shape s _ak (t) emitted by the proposed device. Such an approach involves the use of a solution to the synthesis problem when, for given identical and frequency-independent amplitudes of the vibrational velocity on the radiating inner surface of the piezoelectric rings, as well as the phase shift between them Δϕ _i = ωτ _i linearly varying with frequency, the frequency dependences of the amplitudes and phases of the exciting piezoelectric rings of electrical voltages U ₁ (ω), U ₂ (ω), ... U _N (ω), which in the general case are complex quantities. The excitation signals u ₁ (t), u ₂ (t), ... u _N (t) are directly determined using the Fourier transform according to the formula

- spectral characteristic of a given signal, which should be emitted by the proposed device; ω _B is the upper limit of integration, which determines the completeness of the spectral components in the spectral characteristic Φ (ω), for example, by

The acoustic impulse, which in this case is generated by the proposed device when emitted in the direction shown by the arrows in FIG. 1 will be:

where p _f (ω) is the frequency response of the sound pressure of the proposed device.

Указанные обстоятельства обеспечивают работу предлагаемого устройства как передаточного звена, позволяющего формировать и излучать сложные акустические сигналы, в том числе - перестраиваемые по частоте короткие акустические импульсы. Таким образом, структурно-логическое соединение блоков 4-12 определяет программно-управляемый N -канальный генератор специальных сигналов u₁(t), u₂(t),… u_N(t). Структура (вид) этих сигналов возбуждения определяется с учетом параметров преобразователя волноводного типа и требованиям к характеру возбуждения его пьезоактивных колец в соответствии с решением задачи синтеза. В результате этого решения получаются необходимые соотношения между амплитудами сигналов возбуждения и сдвигом их по времени между собой.These circumstances ensure the operation of the proposed device as a transmission link that allows you to generate and emit complex acoustic signals, including frequency-tunable short acoustic pulses. Thus, the structural-logical connection of blocks 4-12 defines a program-controlled N-channel generator of special signals u ₁ (t), u ₂ (t), ... u _N (t). The structure (type) of these excitation signals is determined taking into account the parameters of the waveguide-type transducer and the requirements for the nature of the excitation of its piezoelectric rings in accordance with the solution of the synthesis problem. As a result of this solution, the necessary relations are obtained between the amplitudes of the excitation signals and their time shift between themselves.

Указанные положения иллюстрируются результатами расчетов, показанных на фиг. 2-5. На фиг. 2а-4а показан вид нормированных к максимальному значению электрических импульсов u₁(t), u₂(t), … u_N(t), подаваемых на соответствующие по номеру пьезоактивные кольца преобразователя волноводного типа (N=10; l/а=0.6; d/а=0.66), для получения требуемого однопериодного акустического импульса s_ак(t) на разных частотах его формирования: а) ω=0.5ω₀; б) ω=ω₀; в) ω=2ω₀, где ω - текущая частота; ω₀=с_к/а - резонансная частота пьезоактивного кольца; t - текущее время; T₀=2π/ω₀ - время периода колебаний на частоте ω₀. Номера кривых соответствуют следующим номерам пьезоактивных колец: 1 - i=1; 2 - i=4; 3 - i=7; 4 - i=N=10. На фиг. 2б-4б показан вид нормированных акустических импульсов s_ак(t), которые формируются и излучаются на указанных частотах с помощью предлагаемой полезной модели. Небольшие осцилляции после однопериодного импульса, особенно когда ω≥2ω₀, обусловлены влиянием области частот, в которой дополнительно возникает нормальная волна первого порядка. На фиг. 5 показан нормированный акустический импульс, сформированный устройством, принятым за прототип, при возбуждении его однопериодным импульсом на частоте ω=ω₀. Сопоставление результатов, приведенных на фиг. 3б и фиг. 5, показывает, что акустический импульс, излученный предлагаемым устройством, имеет существенно меньше искажений. На фиг. 6 показан эхолокационный сигнал дельфина, содержащий в своей структуре, дополнительно к однопериодному сигналу, два последовательных полупериодных колебания одной полярности, которые сложны для воспроизведения. На фиг. 7 и 8 показан этот же сигнал, сформированный соответственно с помощью предлагаемой полезной модели и устройством, принятым за прототип. В обоих случаях основной спектр сигнала дельфина охватывался АЧХ излучения рассматриваемых устройств.These positions are illustrated by the calculation results shown in FIG. 2-5. In FIG. 2a-4a show a view of electric pulses normalized to the maximum value u ₁ (t), u ₂ (t), ... u _N (t) supplied to the piezoelectric rings of the waveguide type transducer corresponding to the number (N = 10; l / a = 0.6 ; d / a = 0.66), to obtain the required one-period acoustic pulse s _ak (t) at different frequencies of its formation: a) ω = 0.5ω ₀ ; b) ω = ω ₀ ; c) ω = 2ω ₀ , where ω is the current frequency; ω ₀ = s _c / a is the resonant frequency of the piezoelectric ring; t is the current time; T ₀ = 2π / ω ₀ is the time of the oscillation period at the frequency ω ₀ . The numbers of the curves correspond to the following numbers of the piezoactive rings: 1 - i = 1; 2 - i = 4; 3 - i = 7; 4 - i = N = 10. In FIG. 2b-4b shows a view of normalized acoustic pulses s _ak (t), which are formed and emitted at the indicated frequencies using the proposed utility model. Small oscillations after a single-period pulse, especially when ω≥2ω ₀ , are due to the influence of the frequency region in which a normal first-order wave additionally arises. In FIG. 5 shows a normalized acoustic impulse generated by a device adopted as a prototype when excited by a single-period impulse at a frequency ω = ω ₀ . A comparison of the results shown in FIG. 3b and FIG. 5 shows that the acoustic pulse emitted by the proposed device has significantly less distortion. In FIG. 6 shows an echolocation signal of a dolphin, containing in its structure, in addition to a single-period signal, two consecutive half-period oscillations of the same polarity, which are difficult to reproduce. In FIG. 7 and 8 show the same signal generated respectively using the proposed utility model and the device adopted as a prototype. In both cases, the main spectrum of the dolphin signal was covered by the frequency response of the considered devices.

Приведенное описание предлагаемого устройства формирования акустических сигналов доказывает достижение технического результата - уменьшение искажения при излучении как сложных акустических сигналов, так и коротких акустических импульсов с возможностью перестройки их по частоте при сохранении собственной формы в достаточно широком диапазоне частот (в приведенном примере 2 октавы).The above description of the proposed device for generating acoustic signals proves the achievement of the technical result — reducing distortion in the emission of both complex acoustic signals and short acoustic pulses with the possibility of tuning them in frequency while maintaining their own shape in a fairly wide frequency range (in the example given, 2 octaves).

Claims

1. An acoustic signal generating device comprising a waveguide-type transducer, the inner cavity of which is filled with liquid and which is formed by a set of N coaxially located identical piezoactive rings with passive flexible gaskets between their ends, an acoustic screen located on the outer surface of the transducer, and also an N-channel block signal generation, the outputs of which are connected through broadband power amplifiers to the corresponding piezo-active ring number, characterized in that the N-channel block of signal generation is made in the form of a program-controlled digital block that provides the generation of excitation signals taking into account the structural parameters of the transducer, as well as the condition of constant oscillation amplitudes of the piezoelectric rings and providing phase shift signals Δϕ _i = ωτ _{i between} , where ω is circular frequency, τ _i = d / c (i-1), i = 1, 2, ... N, s is the speed of sound in the fluid filling the internal cavity of the transducer, d is the distance between the centers of the piezoelectric rings.

2. A device for generating acoustic signals according to claim 1, characterized in that the program-controlled digital signal-generating unit consists of a programmable control microprocessor connected by data transmission buses through an interface module to a software-computing device, as well as to a synchronization decoder and operational storage devices in each channel, the outputs of which are connected to digital-analog converters and matching amplifiers.