RU2825562C1

RU2825562C1 - Combined hydroacoustic receiver

Info

Publication number: RU2825562C1
Application number: RU2024116478A
Authority: RU
Inventors: Сергей Николаевич Ковалев
Filing date: 2024-06-17
Publication date: 2024-08-27

Abstract

FIELD: measuring.

SUBSTANCE: invention relates to measurement equipment and hydrophysics and is intended for measuring parameters of hydroacoustic fields of the ocean. Combined hydroacoustic receiver consists of two units connected by cables. First, electronic unit, includes a three-channel amplifier with differential inputs and a summing single-channel amplifier with four inputs, a recording system and a power supply system. Second, receiving unit, is made in the form of a spherical structure containing a frame with four hydrophones placed on it. In the frame there is a hollow non-tight spherical housing with holes for water inflow, in the centre of which there is a tight cavity filled with air. Cavity is fixed in the housing by rods, coaxially to which on the housing surface six permanent magnets of cylindrical shape with axial magnetisation are fixed, which enter with a gap into holes of annular magnets with axial magnetisation, fixed on the frame, forming a housing stabilization system. Frame is made from a non-magnetic material with high density. Housing, sealed cavity and rods are made of non-magnetic material with low density. Acoustic oscillations receiving system includes three vector channels measuring oscillatory velocity vector components, formed by six electric coils orthogonally fixed on the frame, which are connected to differential inputs of a three-channel amplifier and a scalar pressure channel formed by hydrophones connected to a summing single-channel amplifier.

EFFECT: amplitude-frequency characteristic of the receiver, which does not depend on frequency in the operating frequency range, providing high sensitivity in the low-frequency region and absence of resonance in the high-frequency region of the operating frequency range.

4 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и гидрофизике и предназначено для измерения параметров гидроакустических полей океана, а именно скалярного давления и вектора колебательной скорости гидроакустического поля, и может быть использовано для решения прикладных и фундаментальных задач гидроакустики.The invention relates to measuring technology and hydrophysics and is intended for measuring the parameters of ocean hydroacoustic fields, namely the scalar pressure and the oscillatory velocity vector of the hydroacoustic field, and can be used to solve applied and fundamental problems of hydroacoustics.

Комбинированные гидроакустические приемники (КГП) известны и широко используются в гидроакустике. Приемники включают канал скалярного акустического давления (гидрофон) и три ортогональных канала для определения вектора колебательной скорости. Приемники снабжены системами электропитания и передачи информации. Кроме этого, приемник снабжают системой, удерживающей его в определенном положении, при этом имеются датчики положения, определяющие наклон осей векторных каналов к плоскости горизонта и ориентацию векторных каналов относительно магнитного меридиана. Фазовые центры скалярного и векторного каналов с целью уменьшения погрешности должны быть совмещены, или, хотя бы, расстояние между ними должно быть пренебрежимо малым по сравнению с длиной волны, соответствующей верхней частоте рабочего диапазона частот. КГП позволяют получать дополнительную информацию о гидроакустических полях за счёт того, что они определяют не только скалярное давление в поле акустической волны, но и вектор колебательной скорости. Такой подход, помимо определения направления прихода акустических колебаний в рабочем диапазоне частот, позволяет рассчитывать характеристики потока мощности, за счёт чего может быть получено преимущество при пеленговании шумов в изотропном поле шумов моря. Основными проблемами, ухудшающими характеристики приёмников, являются вибрационные помехи, возникающие по разным причинам и передающиеся на корпус приёмника за счёт механической связи между приёмником и элементами подвеса и наличии кабелей (кабеля) для подвода электропитания и/или вывода полезной информации. По этим же причинам, за счёт проникновения акустических колебаний на корпус приёмника опять же через элементы подвеса и подводящие кабели, происходит искажение характеристики направленности.Combined hydroacoustic receivers (CHR) are known and widely used in hydroacoustics. The receivers include a scalar acoustic pressure channel (hydrophone) and three orthogonal channels for determining the oscillatory velocity vector. The receivers are equipped with power supply and data transmission systems. In addition, the receiver is equipped with a system that holds it in a certain position, while there are position sensors that determine the inclination of the vector channel axes to the horizon plane and the orientation of the vector channels relative to the magnetic meridian. The phase centers of the scalar and vector channels should be combined in order to reduce the error, or at least the distance between them should be negligibly small compared to the wavelength corresponding to the upper frequency of the operating frequency range. CHR allow obtaining additional information about hydroacoustic fields due to the fact that they determine not only the scalar pressure in the acoustic wave field, but also the oscillatory velocity vector. This approach, in addition to determining the direction of arrival of acoustic oscillations in the operating frequency range, allows calculating the characteristics of the power flow, due to which an advantage can be obtained when taking bearings of noise in an isotropic field of sea noise. The main problems that worsen the characteristics of receivers are vibration interference that occurs for various reasons and is transmitted to the receiver body due to the mechanical connection between the receiver and the suspension elements and the presence of cables (cables) for supplying power and/or outputting useful information. For the same reasons, due to the penetration of acoustic oscillations to the receiver body again through the suspension elements and supply cables, the directional characteristic is distorted.

Наибольшее распространение получили КГП инерционного типа, которые содержат герметичный, как правило сферический корпус, внутри которого имеется инерционная масса, соединённая с корпусом посредством расположенных вдоль осей ортогональной системы координат пьезокерамических датчиков (п. РФ №2546968). При колебательном движении корпуса, находящегося в гидроакустическом поле, инерционная масса нагружает пьезокерамические датчики возникающими силами инерции, на датчиках возникают электрические напряжения, которые являются полезным сигналом, передаваемым потребителю. При этом КГП инерционного типа измеряют компоненты вектора колебательного ускорения, а для получения вектора колебательной скорости компоненты вектора колебательного ускорения необходимо интегрировать.The most widely used are inertial-type CGPs, which contain a sealed, usually spherical, housing, inside which there is an inertial mass connected to the housing by means of piezoceramic sensors located along the axes of the orthogonal coordinate system (p. RF No. 2546968). During the oscillatory motion of the housing located in the hydroacoustic field, the inertial mass loads the piezoceramic sensors with the resulting inertial forces, electrical voltages arise on the sensors, which are a useful signal transmitted to the consumer. In this case, inertial-type CGPs measure the components of the oscillatory acceleration vector, and to obtain the oscillatory velocity vector, the components of the oscillatory acceleration vector must be integrated.

Известны комбинированные приемники, в которых для уменьшения воздействия на приемник вибраций используют системы, удерживающие приемник в определенном положении с использованием эластичных нитей. Например, предлагается КГП, в котором используют двухзвенную подвесную систему, при которой комбинированный приемник устанавливается в звукопрозрачной рамке, которая в свою очередь присоединена к корпусу через натяжитель, к которому посредством ограничительной нити крепится и комбинированный приемник. Крепление осуществляют посредством лонжей, изготовленных из эластичной и ограничительной нитей, например из резиновых и кевларовых нитей (п. РФ № 106880).There are known combined receivers, in which systems are used to reduce the impact of vibrations on the receiver, holding the receiver in a certain position using elastic threads. For example, a KGP is proposed, in which a two-link suspension system is used, in which the combined receiver is installed in a sound-transparent frame, which in turn is attached to the body through a tensioner, to which the combined receiver is also attached by means of a limiting thread. The fastening is carried out by means of liners made of elastic and limiting threads, for example, rubber and Kevlar threads (paragraph of the Russian Federation No. 106880).

Необходимо отметить, что системы подвеса КГП, включающие эластичные и ограничительные нити, а также электрические кабели, служащие для подведения электропитания и соединения датчиков с системой передачи/накопления информации, ухудшают характеристики КГП, искажая характеристику направленности. Для исключения влияния элементов подвеса и соединительных кабелей предложен неконтактный подвес, состоящий из не менее четырех электромагнитов, установленных на стенках каркаса, напротив которых на внутренней поверхности приемника установлены постоянные магниты, при этом датчики положения и электромагниты соединены с электронной системой регулирования тока в электромагнитах таким образом, чтобы обеспечить постоянство положения приемника относительно датчиков положения, а каркас дополнительно оборудован системой электропитания для компонентов каркаса (п.РФ № 153134).It should be noted that the suspension systems of the CGP, including elastic and limiting threads, as well as electric cables used to supply power and connect the sensors with the data transmission/accumulation system, worsen the characteristics of the CGP, distorting the directional characteristic. In order to eliminate the influence of the suspension elements and connecting cables, a non-contact suspension is proposed, consisting of at least four electromagnets installed on the walls of the frame, opposite to which permanent magnets are installed on the inner surface of the receiver, while the position sensors and electromagnets are connected to an electronic system for regulating the current in the electromagnets in such a way as to ensure the constancy of the position of the receiver relative to the position sensors, and the frame is additionally equipped with a power supply system for the frame components (clause of the Russian Federation No. 153134).

Однако выполнение такого рода подвеса приводит к усложнению конструкции и удорожанию.However, this type of suspension leads to more complicated design and higher costs.

Известен инерционный векторный КГП, содержащий каркас с установленными на нем гидрофонами, неконтактную систему подвеса герметичного корпуса, в которую входят постоянные магниты и электромагниты; систему стабилизации корпуса, которая содержит датчики положения, измеряющие зазоры между каркасом и корпусом; систему регулировки тока в электромагнитах, обеспечивающую удержание корпуса внутри каркаса в определённом положении за счёт взаимодействия магнитных полей постоянных магнитов и электромагнитов. Внутри корпуса размещена инерционная масса, закреплённая с помощью чувствительных элементов в центре корпуса, образуя 3 векторных канала, измеряющих три компоненты вектора колебательного ускорения. В корпусе также установлен электронный блок, обеспечивающий дистанционную передачу электропитания и полученной информации потребителю (п. РФ №2577421).An inertial vector CGP is known, comprising a frame with hydrophones installed on it, a non-contact suspension system for a sealed case, which includes permanent magnets and electromagnets; a case stabilization system, which contains position sensors measuring gaps between the frame and the case; a current control system in electromagnets, ensuring that the case inside the frame is held in a certain position due to the interaction of magnetic fields of permanent magnets and electromagnets. An inertial mass is placed inside the case, fixed with the help of sensitive elements in the center of the case, forming 3 vector channels measuring three components of the oscillatory acceleration vector. An electronic unit is also installed in the case, ensuring remote transmission of power supply and received information to the consumer (paragraph of the Russian Federation No. 2577421).

Это устройство рассматривается как наиболее близкое к заявляемому и принято в качестве прототипа.This device is considered to be the closest to the claimed one and is accepted as a prototype.

Однако, следует отметить, что амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) векторных каналов приёмников инерционного типа имеет вид прямой линии с наклоном 6 дБ/октаву, т.е. с понижением частоты чувствительность таких приёмников понижается, что является одним из факторов, ограничивающих частотный диапазон снизу. Сверху частотный диапазон ограничивается размерами корпуса в связи с тем, что длина волны гидроакустических колебаний уменьшается и размеры корпуса приёмника становится соизмеримыми с длиной волны; кроме того, частотный диапазон сверху ограничивается собственным резонансом инерционной массы на датчиках векторных каналов. При этом необходимо учитывать, что среднюю плотность корпуса КГП необходимо выдерживать примерно равной плотности воды для того, чтобы обеспечивать низкую резонансную частоту подвеса, независимо от типа его устройства. Таким образом, для того, чтобы получить приемлемую чувствительность КГП на низких частотах, необходимо повышать величину инерционной массы; с учётом требований, предъявляемых к средней плотности корпуса КГП, что ведёт к пропорциональному увеличению объёма корпуса, и, как следствие, к увеличению его размеров, и в свою очередь, приводит к дополнительному ограничению частотного диапазона сверху; кроме этого, увеличение инерционной массы понижает частоту собственного резонанса инерционной массы на датчиках векторных каналов, что является дополнительным фактором, ограничивающим верхнюю рабочую частоту.However, it should be noted that the amplitude-frequency characteristic (AFC) of the vector channels of inertial receivers has the form of a straight line with a slope of 6 dB/octave, i.e. with decreasing frequency, the sensitivity of such receivers decreases, which is one of the factors limiting the frequency range from below. From above, the frequency range is limited by the dimensions of the housing due to the fact that the wavelength of hydroacoustic oscillations decreases and the dimensions of the receiver housing become commensurate with the wavelength; in addition, the frequency range is limited from above by the natural resonance of the inertial mass on the sensors of the vector channels. It is necessary to take into account that the average density of the KGP housing must be maintained approximately equal to the density of water in order to ensure a low resonant frequency of the suspension, regardless of the type of its device. Thus, in order to obtain acceptable sensitivity of the KGP at low frequencies, it is necessary to increase the value of the inertial mass; taking into account the requirements imposed on the average density of the KGP case, which leads to a proportional increase in the case volume, and, as a consequence, to an increase in its dimensions, and in turn, leads to an additional limitation of the frequency range from above; in addition, an increase in the inertial mass reduces the frequency of the natural resonance of the inertial mass on the vector channel sensors, which is an additional factor limiting the upper operating frequency.

В связи с тем, что чувствительные элементы векторных каналов расположены внутри герметичного корпуса, а сам корпус подвешен в магнитных полях внутри каркаса и не имеет с каркасом никакой механической связи, прототип пришлось оснастить сложными электронными системами, обеспечивающими передачу электроэнергии внутрь корпуса и передачу информации из корпуса на каркас, с целью дальнейшего использования. Известная система магнитного подвеса не обладает естественной устойчивостью, для чего пришлось применить следящую систему, обеспечивающую удержание корпуса в заданном положении относительно каркаса и оснащённую системой измерения зазоров между корпусом и каркасом и системой регулирования тока в электромагнитах. Такая следящая система также отличается сложностью. Кроме того, вышеперечисленные системы увеличивают энергопотребление, что нежелательно для автономных регистраторов.Due to the fact that the sensitive elements of the vector channels are located inside a sealed housing, and the housing itself is suspended in magnetic fields inside the frame and has no mechanical connection with the frame, the prototype had to be equipped with complex electronic systems that ensure the transmission of electricity inside the housing and the transmission of information from the housing to the frame for further use. The known magnetic suspension system does not have natural stability, for which it was necessary to use a tracking system that ensures the retention of the housing in a given position relative to the frame and is equipped with a system for measuring the gaps between the housing and the frame and a system for regulating the current in the electromagnets. Such a tracking system is also complex. In addition, the above systems increase energy consumption, which is undesirable for autonomous recorders.

Таким образом, стоит проблема улучшения частотных характеристик комбинированного приемника, упрощение конструкции и снижение стоимости, уменьшение габаритных размеров и массы конструкции, уменьшение энергопотребления.Thus, the problem is to improve the frequency characteristics of the combined receiver, simplify the design and reduce the cost, reduce the overall dimensions and weight of the structure, and reduce energy consumption.

Проблема решается предлагаемой конструкцией КГП, состоящей из двух блоков, соединённых посредством кабелей: электронного блока, включающего трёхканальный усилитель с дифференциальными входами для векторных каналов и суммирующий одноканальный усилитель с четырьмя входами для гидрофонного канала, систему регистрации и систему электропитания; и приемного блока, выполненного в виде шарообразной конструкции, содержащей каркас с размещенными на нём четырьмя гидрофонами, установленный в каркасе полый негерметичный сферический корпус с отверстиями для затекания воды, в центре которого размещена заполненная воздухом герметичная полость, закреплённая в корпусе посредством стержней, соосно которым на поверхности корпуса закреплены шесть постоянных магнитов цилиндрической формы с осевым намагничиванием, входящими с зазором в отверстия кольцевых магнитов с осевым намагничиванием, закреплённых на каркасе, образуя систему стабилизации корпуса, при этом каркас изготовлен из немагнитного материала с высокой плотностью, корпус, герметичная полость и стержни - из немагнитного материалов с низкой плотностью, а система приема акустических колебаний включает три векторных канала, измеряющих компоненты вектора колебательной скорости, образованных ортогонально закрепленными на каркасе шестью электрическими катушками, попарно соединенными с дифференциальными входами трёхканального усилителя электронного блока, и канала измерения скалярного давления, образованного гидрофонами, подключенными к четырем входам суммирующего одноканального усилителя (как вариант: к четырём входам одноканального усилителя-сумматора; или: к четырём входам суммирующего усилителя).The problem is solved by the proposed design of the KGP, consisting of two blocks connected by cables: an electronic block, including a three-channel amplifier with differential inputs for vector channels and a summing single-channel amplifier with four inputs for the hydrophone channel, a recording system and a power supply system.;and a receiving unit made in the form of a spherical structure containing a frame with four hydrophones placed on it, a hollow non-hermetic spherical body installed in the frame with holes for water flow, in the center of which a hermetic cavity filled with air is placed, fixed in the body by means of rods, coaxially to which six permanent magnets of a cylindrical shape with axial magnetization are fixed on the surface of the body, entering with a gap into the holes of the ring magnets with axial magnetization, fixed on the frame, forming a stabilization system of the body, wherein the frame is made of a non-magnetic material with a high density, the body, the hermetic cavity and the rods are made of non-magnetic materials with a low density, and the acoustic vibration receiving system includes three vector channels measuring the components of the vibration velocity vector,formed by six electric coils orthogonally fixed to the frame, connected in pairs to the differential inputs of the three-channel amplifier of the electronic unit, and a channel for measuring scalar pressure formed by hydrophones connected to four inputs of a summing single-channel amplifier (as an option: to four inputs of a single-channel amplifier-summer; or: to four inputs of a summing amplifier).

Техническим результатом предложенной конструкции КГП является амплитудно-частотная характеристика приемника, не зависящая от частоты в рабочем диапазоне частот, обеспечивающая высокую чувствительность в низкочастотной области и отсутствие резонанса в области верхних частот рабочего диапазона частот, что позволяет расширить рабочий диапазон частот; уменьшение габаритных размеров (что также способствует расширению частотного диапазона) и массы приёмника; упрощение конструкции и снижение энергопотребления за счёт отсутствия электронной системы позиционирования соколеблющегося корпуса, дистанционных систем передачи данных и электроэнергии, а также малые погрешности формы характеристик направленности каналов за счёт отсутствия контакта соколеблющегося корпуса с несущим каркасом и снижение стоимости.The technical result of the proposed design The amplitude-frequency characteristic of the receiver is independent of the frequency in the operating frequency range, providing high sensitivity in the low-frequency region and the absence of resonance in the upper frequency region of the operating frequency range, which allows to expand the operating frequency range; reduction of the overall dimensions (which also contributes to the expansion of the frequency range) and the weight of the receiver; simplification of the design and reduction of energy consumption due to the absence of an electronic positioning system for the oscillating body, remote data and electricity transmission systems, as well as small errors in the shape of the channel directivity characteristics due to the absence of contact between the oscillating body and the supporting frame and a reduction in cost.

На фиг. приведена схема заявляемого приемника, где:The figure shows a diagram of the claimed receiver, where:

1 - негерметичный сферический корпус с отверстиями; 2 - герметичная полость; 3 - стержень; 4 - постоянный магнит цилиндрической формы; 5 - постоянный магнит кольцевой формы; 6 - каркас; 7 - электрическая катушка; 8 - трёхканальный усилитель сигналов с дифференциальными входами (на Фиг.1 показаны два векторных канала X и Y, лежащих в плоскости чертежа; канал Z на Фиг. не показан; показаны лишь входы канала Z усилителя); 9 - гидрофон; 10 - четырёхвходовый суммирующий усилитель; 11 - электронный блок.1 - non-hermetic spherical body with holes; 2 - hermetic cavity; 3 - rod; 4 - cylindrical permanent magnet; 5 - ring-shaped permanent magnet; 6 - frame; 7 - electric coil; 8 - three-channel signal amplifier with differential inputs (Fig. 1 shows two vector channels X and Y lying in the plane of the drawing; channel Z is not shown in Fig.; only the inputs of channel Z of the amplifier are shown); 9 - hydrophone; 10 - four-input summing amplifier; 11 - electronic unit.

Описание работы устройства.Description of the device operation.

Заявляемый КГП, измеряющий скалярное акустическое давление (P) и компоненты вектора колебательной скорости (X, Y, Z) гидроакустического поля предназначен для работы, например, в составе донной станции. При этом корпус 1 выполнен из материала с низкой плотностью и удерживается в подвешенном состоянии в каркасе 6, изготовленного из материала с высокой плотностью, который может быть выполнен, например, в виде двух колец, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях с элементами крепления, соединённых между собой посредством шести бесконтактных магнитных подвесов, каждый из которых состоит из пар магнитов 4 и 5, что позволяет возможность совершать корпусу колебания под воздействием акустической волны (соколеблется с окружающей средой), амплитуда которых, при средней плотности корпуса 1, равной плотности воды, равна амплитуде колебаний частиц жидкости в поле акустической волны [Векторно-фазовые методы в акустике / В.А. Гордиенко, В.И. Ильичев, Л.Н. Захаров. - М.: Наука, 1989, -223с]. При этом магниты 4, закреплённые на корпусе 1, перемещаются относительно электрических катушек, являющихся датчиками колебательной скорости и закреплённых на каркасе 6, вызывают на концах обмоток электрических катушек 7 переменные напряжения. При этом напряжения на электрических катушках 7, расположенных вдоль одной оси, находятся в противофазе и поступают на дифференциальный вход одного из каналов трёхканального усилителя 8 и складываются. Таким образом, на выходе каждого канала усилителя 8 получают сигналы, пропорциональные проекциям вектора колебательной скорости на оси системы координат, вдоль которых размещены цилиндрические магниты 4, закреплённые на корпусе 1, и катушки 7, закреплённые на каркасе 6. Следует отметить, что, так как сигналы катушек поступают на дифференциальные входы усилителя 8, синфазные сигналы, возникающие на катушках 7 при перемещениях корпуса 1 перпендикулярно данной оси подавляются, за счёт чего диаграмма направленности приёмника вдоль каждой оси имеет дипольную форму.The claimed CGP measuring the scalar acoustic pressure (P) and the components of the oscillatory velocity vector (X, Y, Z) of the hydroacoustic field is intended for operation, for example, as part of a bottom station. In this case, the hull 1 is made of a low-density material and is held suspended in a frame 6 made of a high-density material, which can be made, for example, in the form of two rings located in mutually perpendicular planes with fastening elements connected to each other by means of six contactless magnetic suspensions, each of which consists of pairs of magnets 4 and 5, which allows the hull to oscillate under the influence of an acoustic wave (vibrates with the environment), the amplitude of which, with an average density of the hull 1 equal to the density of water, is equal to the amplitude of oscillations of liquid particles in the field of the acoustic wave [Vector-phase methods in acoustics / V.A. Gordienko, V.I. Ilyichev, L.N. Zakharov. - M.: Nauka, 1989, -223 p]. In this case, magnets 4, fixed on the housing 1, move relative to the electric coils, which are sensors of oscillatory speed and fixed on the frame 6, causing alternating voltages at the ends of the windings of the electric coils 7. In this case, the voltages on the electric coils 7, located along one axis, are in antiphase and are fed to the differential input of one of the channels of the three-channel amplifier 8 and are added together. Thus, at the output of each channel of amplifier 8, signals are received that are proportional to the projections of the oscillatory velocity vector on the axes of the coordinate system along which cylindrical magnets 4, fixed to housing 1, and coils 7, fixed to frame 6, are placed. It should be noted that, since the signals from the coils are fed to the differential inputs of amplifier 8, the common-mode signals that arise on coils 7 when housing 1 is moved perpendicular to a given axis are suppressed, due to which the receiver's directivity pattern along each axis has a dipole shape.

Величина скалярного давления определяется с помощью четырёх гидрофонов 9, закреплённых на каркасе 6; сигналы гидрофонов поступают на входы суммирующего усилителя 10, за счёт чего происходит выделение синфазной составляющей и подавляются противофазные. За счёт применения такой схемы достигается совпадения фазового центра группы гидрофонов с геометрическим центром корпуса 1.The magnitude of the scalar pressure is determined using four hydrophones 9, fixed on the frame 6; the hydrophone signals are fed to the inputs of the summing amplifier 10, due to which the in-phase component is isolated and the antiphase ones are suppressed. Due to the use of such a scheme, the phase center of the hydrophone group coincides with the geometric center of the housing 1.

Сигналы усилителей 8 и 10 поступают в систему регистрации (на Фиг. не показан), включенную в состав электронного блока 11, наряду с блоком питания (на Фиг. не показан), обеспечивающим работу электронных устройств приёмника. Усилители 8,10 и электронный блок 11 размещаются в герметичном контейнере, закреплённом, например, на донной станции, на небольшом расстоянии от места закрепления каркаса 6 приемника. В качестве системы регистрации может быть применён, например, микропроцессор с встроенным АЦП и системой записи на SD карту; в качестве блока питания может быть установлена, например, аккумуляторная батарея. Необходимо отметить, что закреплённая с помощью стержней 3 внутри корпуса 1 герметичная полость 2 служит для приведения средней плотности корпуса 1 к плотности воды. При этом вода, заполняющая полый корпус 1 через отверстия, значительно увеличивает присоединённую массу корпуса 1, за счёт чего понижается резонансная частота подвеса, зависящая от соотношения величины магнитных сил и присоединённой массы корпуса 1. В конечном итоге, для данного предложения, в зависимости от точности выдерживания параметров магнитных полей магнитов 4 и 5, размеров каркаса 6, размеров и средней плотности корпуса 1 может быть достигнута любая, наперёд заданная, частота резонанса. Практически же, частота резонанса (определяющая, в том числе, и величину сил, удерживающих корпус 1 внутри каркаса 6) должна назначаться с учётом скорости течений, существующих в месте размещения КГП.The signals from the amplifiers 8 and 10 are fed to the recording system (not shown in the Fig.), included in the electronic unit 11, along with the power supply unit (not shown in the Fig.), which ensures the operation of the electronic devices of the receiver. The amplifiers 8, 10 and the electronic unit 11 are placed in a sealed container, fixed, for example, on the bottom station, at a small distance from the place where the frame 6 of the receiver is fixed. For example, a microprocessor with a built-in ADC and a recording system on an SD card can be used as the recording system; for example, a battery can be installed as the power supply unit. It should be noted that the sealed cavity 2 fixed with the help of rods 3 inside the housing 1 serves to bring the average density of the housing 1 to the density of water. In this case, the water filling the hollow body 1 through the holes significantly increases the attached mass of the body 1, due to which the resonant frequency of the suspension, depending on the ratio of the magnitude of the magnetic forces and the attached mass of the body 1, is reduced. Ultimately, for this proposal, depending on the accuracy of maintaining the parameters of the magnetic fields of magnets 4 and 5, the dimensions of the frame 6, the dimensions and average density of the body 1, any predetermined resonance frequency can be achieved. In practice, the resonance frequency (which determines, among other things, the magnitude of the forces holding the body 1 inside the frame 6) should be assigned taking into account the speed of the currents existing at the location of the KGP.

Для подвеса корпуса 1 в каркасе 6 применены магниты 4 и 5 с осевой намагниченностью, при этом на каждой оси размещено по две пары магнитов, ориентация полюсов которых приведена на Фиг. Как показано в [https://imlab.narod.ru/M_Fields/PM_Bearings/PM_Bearings.htm], согласно теореме Ирншоу, такая система магнитного подвеса обладает радиальной (в направлении перпендикулярном оси) устойчивостью, и не обладает осевой устойчивостью. Однако, в связи с наличием трёх подвесов, расположенных вдоль трёх взаимно перпендикулярных осей, образующих единую механическую систему, объединяемую корпусом 1, корпус 1 оказывается устойчивым и удерживается силами магнитных полей без соприкосновения с каркасом 6. Размеры магнитов, зазоры между магнитами определяются экспериментально исходя из необходимой (заданной, желаемой) резонансной частоты магнитного подвеса на низких частотах.To suspend the housing 1 in the frame 6, magnets 4 and 5 with axial magnetization are used, with two pairs of magnets placed on each axis, the orientation of the poles of which is shown in Fig. 1. As shown in [https://imlab.narod.ru/M_Fields/PM_Bearings/PM_Bearings.htm], according to the Earnshaw theorem, such a magnetic suspension system has radial (in the direction perpendicular to the axis) stability, and does not have axial stability. However, due to the presence of three suspensions located along three mutually perpendicular axes that form a single mechanical system united by the housing 1, the housing 1 turns out to be stable and is held by magnetic fields without contact with the frame 6. The dimensions of the magnets, the gaps between the magnets are determined experimentally based on the required (specified, desired) resonant frequency of the magnetic suspension at low frequencies.

Корпус 1, герметичная полость 2 и стержни 3 должны быть изготовлены из немагнитных материалов с низкой плотностью, например, пластика ABS. Каркас 6 должен быть изготовлен из немагнитного материала с высокой плотностью, например из нержавеющей стали. Указанное условие по соотношению плотностей материалов каркаса 6 и корпуса 1 необходимо выдерживать для уменьшения амплитуды паразитных колебаний каркаса 6, расположенного в гидроакустическом поле, из-за наличия которых может снижается величина амплитуды колебаний магнитов 4 относительно электрических катушек 7. В связи с тем, что средняя плотность корпуса 1 примерно равняется плотности воды, силы, которые должны быть созданы магнитами подвеса 4 и 5 могут быть небольшими, соответственно сами магниты, особенно с учетом наличия серийно выпускаемых магнитов из редкоземельных сплавов, обладающих большими силами магнитного взаимодействия, могут иметь очень небольшие размеры, согласно оценкам вполне достаточно в качестве цилиндрических магнитов использовать магниты диаметром 3-4 мм и длиной 5-6 мм; при этом диаметр корпуса 1 может составлять 50 мм, что конструктивно приемлемо и в несколько раз меньше диаметра корпусов известных конструкций КГП инерционного типа. При этом достаточен объём герметичной полости 2 порядка 2-3 см³. Чувствительность КГП по колебательной скорости, а заявляемый КГП вырабатывает сигналы, пропорциональные колебательной скорости и не требует интеграторов в каналах (в отличие от КГП инерционного типа), зависит от напряжённости магнитного поля, создаваемой магнитами 4, количества витков электрических катушек 7 и зазорами между катушкой 7 и магнитами 4 и может колебаться в широких пределах. Следует отметить, однако, что с точки зрения согласования датчиков с цепями усилителя вид импеданса электрических катушек более выгоден по сравнению с пьезоэлектрическими датчиками КГП инерционного типа, которые требуют высоких входных сопротивлений при условии необходимости регистрации низких частот (единицы герц), что обусловливает высокий уровень собственных шумов входных каскадов усилителя.The housing 1, the sealed cavity 2 and the rods 3 should be made of low-density non-magnetic materials, such as ABS plastic. The frame 6 should be made of a high-density non-magnetic material, such as stainless steel. The specified condition for the ratio of the densities of the materials of the frame 6 and the housing 1 must be maintained in order to reduce the amplitude of parasitic oscillations of the frame 6 located in the hydroacoustic field, due to the presence of which the amplitude of oscillations of the magnets 4 relative to the electric coils 7 can decrease. Due to the fact that the average density of the housing 1 is approximately equal to the density of water, the forces that must be created by the suspension magnets 4 and 5 can be small, respectively, the magnets themselves, especially taking into account the presence of serially produced magnets made of rare-earth alloys with high magnetic interaction forces, can have very small dimensions, according to estimates, it is quite sufficient to use magnets with a diameter of 3-4 mm and a length of 5-6 mm as cylindrical magnets; in this case, the diameter of the housing 1 can be 50 mm, which is structurally acceptable and several times smaller than the diameter of the housings of known designs of inertial-type CGP. In this case, the volume of the sealed cavity 2 of the order of 2-3 cm ³ is sufficient. The sensitivity of the CGP to the oscillatory velocity, and the claimed CGP generates signals proportional to the oscillatory velocity and does not require integrators in the channels (unlike the inertial-type CGP), depends on the magnetic field strength created by the magnets 4, the number of turns of the electric coils 7 and the gaps between the coil 7 and the magnets 4 and can fluctuate within wide limits. It should be noted, however, that from the point of view of matching the sensors with the amplifier circuits, the type of impedance of the electric coils is more advantageous compared to the piezoelectric sensors of the inertial type KGP, which require high input resistances under the condition of the need to record low frequencies (units of hertz), which causes a high level of intrinsic noise in the input stages of the amplifier.

С целью защиты от коррозии магниты 4 и 5 могут быть покрыты защитными покрытиями, например, окрашены водонепроницаемой краской, а катушки 7 должны быть залиты водонепроницаемым компаундом. Электронный блок 11 с усилителями 8, 10 должен быть помещён в герметичный контейнер (на Фиг. не показан), а кабели, идущие от гидрофонов 9 и катушек 7, вводятся в герметичный контейнер через гермовводы (на Фиг. не показаны). Для изготовления усилителей 8 и 10 могут быть применены серийно выпускаемые операционные усилители.For protection against corrosion, magnets 4 and 5 can be covered with protective coatings, for example, painted with waterproof paint, and coils 7 should be filled with waterproof compound. Electronic unit 11 with amplifiers 8, 10 should be placed in a sealed container (not shown in Fig.), and cables coming from hydrophones 9 and coils 7 are introduced into the sealed container through sealed entries (not shown in Fig.). Commercially available operational amplifiers can be used to manufacture amplifiers 8 and 10.

Таким образом, за счет предложенной конструкции приемника достигается улучшение характеристик комбинированного приемника за счет увеличения чувствительности в области низких частот, расширение рабочего частотного диапазона за счёт понижения нижней рабочей частоты из-за снижения резонансной частоты подвеса и повышения верхней рабочей частоты из-за уменьшения габаритных размеров корпуса и принципиальное отсутствия резонанса в области высоких частот рабочего диапазона, а также упрощение конструкции устройства, снижение его стоимости, уменьшение габаритных размеров и массы конструкции, уменьшение энергопотребления.Thus, due to the proposed design of the receiver, the characteristics of the combined receiver are improved by increasing the sensitivity in the low-frequency region, expanding the operating frequency range by lowering the lower operating frequency due to a decrease in the resonant frequency of the suspension and increasing the upper operating frequency due to a decrease in the overall dimensions of the housing and the fundamental absence of resonance in the high-frequency region of the operating range, as well as simplifying the design of the device, reducing its cost, reducing the overall dimensions and weight of the structure, and reducing energy consumption.

Claims

1. A combined hydroacoustic receiver consisting of two units connected by cables: an electronic unit including a three-channel amplifier with differential inputs and a summing single-channel amplifier with four inputs, a recording system and a power supply system, and a receiving unit made in the form of a spherical structure containing a frame with four hydrophones placed on it, a hollow non-hermetic spherical body installed in the frame with holes for water flow, in the center of which there is a sealed cavity filled with air, secured in the body by means of rods, coaxially to which six permanent cylindrical magnets with axial magnetization are secured on the surface of the body, entering with a gap into the holes of the ring magnets with axial magnetization secured to the frame, forming a body stabilization system, wherein the frame is made of a non-magnetic material with a high density, and the body, the sealed cavity and the rods are made of a non-magnetic material with a low density, the acoustic vibration receiving system includes three vector channels, measuring the components of the oscillatory velocity vector , formed by six electric coils orthogonally fixed to the frame, connected to the differential inputs of a three-channel amplifier and a scalar pressure channel formed by hydrophones connected to a summing single-channel amplifier.

2. A combined hydroacoustic receiver according to paragraph 1, characterized in that the frame is two rings connected to each other and located in mutually perpendicular planes.

3. A combined hydroacoustic receiver according to paragraph 1, characterized in that plastic is used as a non-magnetic material with a low density.

4. A combined hydroacoustic receiver according to paragraph 1, characterized in that stainless steel is used as a non-magnetic material with high density.