39

Министерство аграрной политики Украины

Государственный комитет рыбного хозяйства Украины

Керченский государственный морской технологический университет

Кафедра «Судовождение»

Гидроакустические поисковые приборы

Курс лекций

для студентов

направления 6.070104

«Морской и речной транспорт»

специальности «Судовождение»

дневной и заочной форм обучения

Керчь, 2009

Автор: Малкин П.П., преподаватель кафедры «Судовождение» КГМТУ.

Рецензент: Кузьмин В.Д.., ст. преподаватель кафедры «Судовождения» КГМТУ, Даниленко Н.В., член комиссии по дипломированию Морского рыбного порта.

Конспект лекций рассмотрен и одобрен на заседании кафедры «Судовождение» КГМТУ,

протокол № 8 от 29.04.2009 г.

Конспект лекций рассмотрен и рекомендован к утверждению на заседании методической комиссии МФ КГМТУ,

протокол № 9 17.06.09 г.

Конспект лекций утвержден на заседании Методического совета КГМТУ,

протокол № 6 от 26.06.2009 г.

 Керченский государственный морской технологический университет

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Обобщенная структурная схема рыбопоискового эхолота	3
Принцип построения генераторов эхолота и основные технические данные	5
Транзисторные генераторы	7
Тиристорные генераторы	8
Гидроакустические антенны и их технические характеристики	9
Направленное действие преобразователей	15
Характеристики акустических антенн	16
Принцип построения усилителей гидроакустических поисковых приборов	18
Принципы построения устройств регистрации гидроакустических сигналов с движущимся пером	22
Принцип построения устройств регистрации с многоперьевой неподвижной системой записи	24
Принцип действия и структурная схема электронного индикатора с линейной системой развертки	26
Принцип действия и структурная схема электронного индикатора с радиально-круговой системой развертки	32
Сетевые зонды	33
Построение и принцип действия сетного зонда с кабельным каналом связи типа ИГЭК-У	34
Сетеной зонд типа Скол 1500	36
Список литературы	38

Обобщенная структурная схема

рыбопоискового эхолота

Принцип работы большинства рыбопоисковых приборов основан на использовании гидроакустического метода получения информации о наличии рыбных скоплений и об их характеристиках.

Термин “эхолот” имеет отношение к приборам, предназначенным для измерения глубины под килем судна гидроакустическим методом. В этих приборах используется способность грунта отражать энергию акустических колебаний. Поскольку такой способностью обладает не только грунт, но и другие подводные объекты, в том числе и рыбные скопления, то указанный термин применяется также и по отношению к рыбопоисковым приборам.

Рыбопоисковый эхолот излучает импульсы акустических колебаний, которые распространяются в воде с определенной скоростью (около 1 500 м/сек). Через некоторое время часть энергии излучаемых импульсов достигает исследуемого объекта. Промежуток времени Δ t₁, прошедший от момента излучения акустического импульса до момента его прихода к этому объекту, пропорционален расстоянию r до объекта:

Δ t₁ = ;

где с – скорость распространения акустических колебаний в воде.

Облучаемый объект отражает некоторую часть попавшей на него энергии, и акустические колебания начинают распространяться в обратном направлении. Снова преодолев расстояние r за время Δ t₂, часть отраженной энергии возвращается к судну, на котором расположен рыбопоисковый прибор. Таким образом, акустические импульсы, возвращающиеся к прибору, преодолевают удвоенное расстояние между судном и объектом ( 2r ). Промежуток времени, прошедший от момента излучения акустического импульса до момента его возвращения к прибору после отражения, равен:

t = Δ t₁ + Δ t₂ = ;

Если измерить промежуток времени t с достаточной точностью, то можно определить расстояние r между судном и отражающим объектом:

r = ;

Это выражение называется основной расчетной формулой эхолота.

Для реализации описанного принципа работы эхолот должен иметь в своем составе следующие основные узлы:

1. Акустическая система;

2. Коммутатор приема – передачи;

3. Импульсный генератор;

4. Приемо – усилительное устройство;

5. Устройства отображения информации;

Устройства отображения информации

Самописец Электронный Указатель Цифровой Звуковой

индикатор глубин индикатор индикатор

Импульсный генератор Приемо – усилительное устройство

Коммутатор приема – передачи

Акустическая антенна

Отражающий объект

Рис. 1. Обобщенная структурная схема эхолота

Акустическая система предназначена для излучения и приема ультразвуковых импульсов. В состав акустической системы могут быть включены две акустических антенны, одна из которых используется для излучения акустических колебаний, а другая – для приема отраженных сигналов. Однако, в большинстве случаев излучение и прием акустических колебаний осуществляется с помощью одной и той же приемо-излучающей акустической антенны.

Импульсный генератор служит для создания мощных импульсов электрических колебаний, которые затем преобразуются излучающей акустической антенной в акустические импульсы.

Приемо-усилительное устройство служит для усиления слабых эхосигналов до уровня, необходимого для нормальной работы регистрирующих устройств.

Коммутатор приема – передачи необходим в том случае, если излучение и прием акустических колебаний осуществляется одна и та же акустическая антенна. При излучении коммутатор подключает акустическую антенну к выходу импульсного генератора, а во время приема – ко входу приемо-усилительного устройства.

К устройствам отображения информации относятся:

• самописец;

• электронный индикатор;

• указатель глубин (стробоскопический индикатор;

• цифровой индикатор;

• звуковой индикатор.

Принцип построения генераторов эхолота

и основные технические данные

Назначение и классификация

Для получения мощных электрических импульсов ультразвуковой частоты, необходимых для обеспечения работы акустических антенн рыбопоисковых станций, используются импульсные генераторы.

В зависимости от применяемой элементной базы, существует несколько разновидностей импульсных генераторов:

1. ламповые;

2. транзисторные;

3. тиристорные;

4. комбинированные.

Тактико-технические параметры

К основным тактико-техническим параметрам импульсных генераторов относятся:

1. рабочая частота (от 20 кГц до 200 кГц);

2. длительность излучаемого импульса (от 0,1 мс до 10 мс);

3. импульсная излучаемая мощность (от 100 Вт до 30 кВт).

Ламповые генераторы

Ламповый генератор состоит из следующих основных узлов:

1. блок посылок;

2. задающий генератор;

3. усилитель мощности.

Блок посылок

Блок посылок обеспечивает выполнение следующих задач:

а) задержка запускающих импульсов генератора на время движения пера от момента замыкания контактов запуска до момента прихода к нулевому делению шкалы;

б) формирование модулирующего импульса, длительность которого определяется положением переключателя “Длительность импульса”.

Структурная схема блока посылок приведена на рис.2.

Запуск Запуск

от самописца от указателя глубин

От переключателя

“Диапазон глубины”

От переключателя

“Длительность

импульса”

К модулятору задающего генератора

Рис. 2. Структурная схема блока посылок

Задающий генератор

Задающий генератор предназначен для формирования радиоимпульсов с заданной рабочей частотой и заданной длительностью.

Структурная схема задающего генератора приведена на рис. 3.

От блока посылок

К усилителю мощности

Рис. 3. Структурная схема задающего генератора

Усилитель мощности

Усилитель мощности служит для создания в акустической антенне импульсов тока, обеспечивающих излучение акустических колебаний нужной мощности.

В состав усилителя мощности входят следующие основные узлы:

1. предварительный усилитель;

2. предоконечный усилитель;

3. двухтактный оконечный усилитель мощности.

Транзисторные генераторы

Транзисторный генератор служит для усиления мощности импульсов высокочастотных колебаний, формируемых задающим генератором.

Транзисторный генератор состоит из следующих основных узлов:

1. входное устройство;

2. модулятор;

3. предварительный усилитель;

4. предоконечный усилитель;

5. оконечный усилитель мощности;

6. согласующее устройство.

Структурная схема транзисторного генератора приведена на рис. 4.

От задающего генератора

Входное устройство

Предварительный усилитель

Предоконечный усилитель

М

Модулятор

одулирующий

импульс

Оконечный усилитель мощности

Согласующее устройство

К акустической антенне

Рис. 4. Структурная схема транзисторного усилителя мощности

Входное устройство служит для подавления электрических помех и уменьшения влияния коммутационных и переходных процессов.

Модулятор подает напряжение питания на предварительный усилитель только на время длительности излучаемого импульса.

Предварительный усилитель представляет собой усилитель мощности с согласующими трансформаторами на входе и выходе.

Предоконечный усилитель выполнен по двухтактной схеме с отрицательной обратной связью. Отрицательная обратная связь нужна для уменьшения выходного сопротивления предоконечного усилителя.

Оконечный усилитель мощности представляет собой двухтактный выходной каскад с трансформаторной связью. Для достижения необходимой выходной мощности каждое плечо усилителя содержит по четыре параллельно включенных транзистора.

Тиристорные генераторы

Тиристорные генераторы имеют ряд преимуществ перед ламповыми и транзисторными генераторами:

1. возможность получения больших мощностей при низких питающих напряжениях. Напряжение питания оконечного каскада тиристорного генератора составляет 200 – 600 в, в то время, как у лампового генератора напряжение питания составляет 4000 – 6000 в.

2. мощность, рассеиваемая в усилителе на тиристорах, в 3 раза меньше, чем в усилителе на лампах;

3. высокий КПД, достигаемый за счет применения ключевого режима работы тиристоров;

4. повышенная надежность, обеспечиваемая за счет снижения напряжения источника питания;

5. способность работать сразу после включения питания без предварительного прогрева;

6. простота устройства;

7. низкая стоимость эксплуатации.

Основой тиристорного генератора является четырехтактный инвертор. В каждое плечо инвертора включены следующие элементы:

1. тиристор (V1, V2, V3, V4);

2. конденсатор (С1, С2, С3, С4);

3. катушка индуктивности (L1, L2, L3, L4);

4. диод (V5, V6, V7, V8).

Принцип работы

Тиристор представляет собой управляемый вентиль. Включение тиристора осуществляется кратковременной подачей запускающего импульса на его управляющий электрод. Если тиристор включился, то он проводит электрический ток, независимо от величины напряжения на управляющем электроде. Это означает, что прекращение воздействия запускающего импульса в цепи управляющего электрода не приводит к прекращению протекания тока через тиристор. Ток будет протекать до тех пор, пока напряжение между анодом и катодом тиристора уменьшится до нуля.

Конденсатор и катушка индуктивности представляют собой последовательный колебательный контур, настроенный на рабочую частоту станции.

При включении соответствующего тиристора в колебательном контуре возникают синусоидальные колебания.

Запускающие импульсы подаются на управляющие электроды каждого из тиристоров в строго определенной последовательности. Сначала включается тиристор V1, в результате чего возникает колебательный процесс в контуре, состоящем из индуктивности L1 и емкости C3. Ток через тиристор протекает только в течение положительного полупериода колебательного процесса. По окончании положительного полупериода тиристор выключается. Однако, ток в контуре не прекращается, т. к. в начале отрицательного полупериода открывается диод V5, включенный параллеьно тиристору V1 в противоположной полярности. С этого момента ток контура начинает протекать через диод V5.

Как только прекращается протекание тока через тиристор V1, подается запускающий импульс на управляющий электрод тиристора V2, и начинается колебательный процесс в контуре, состоящем из индуктивности L2 и емкости C4.

После прекращения протекания тока через тиристор V2 очередной запускающий импульс включает тиристор V3, затем тиристор V4.

Каждое плечо инвертора формирует один полупериод синусоидального напряжения. Таким образом, за четыре такта работы инвертора формируется два полных периода синусоидального напряжения.

Передача энергии из инверторов в акустическую антенну осуществляется через выходной трансформатор Т1. Его обмотки включены таким образом, что токи, протекающие через тиристоры V1 и V3, образуют во вторичной обмотке положительные полупериоды синусоидального тока, а через тиристоры V2 и V4, – отрицательные.

Вторичная обмотка выходного трансформатора имеет несколько отводов, которые используются для согласования выходного сопротивления инвертора с входным сопротивлением акустической антенны.

Антипараллельные диоды V9 и V10 выполняют две функции:

1. препятствуют прохождению слабых эхосигналов, принятых акустической антенной, в выходные цепи инверторов (во избежание их нежелательного ослабления);

2. препятствуют проникновению в приемо-усилительное устройство электрических помех, возникающих в инверторах в промежутках между посылками.

Конденсаторы С9, С10 и С11 служат для компенсации индуктивной составляющей сопротивления акустической антенны и выходных цепей генератора.

Гидроакустические антенны

и их технические характеристики

Назначение гидроакустических антенн

Гидроакустические антенны предназначены для излучения или приема гидроакустических сигналов с помощью гидроакустических преобразователей и для обеспечения пространственной избирательности.

Гидроакустические преобразователи

Гидроакустический преобразователь представляет собой техническое устройство, которое преобразует электрические колебания в механические, или, наоборот, механические колебания в электрические.

Существуют два основных класса гидроакустических преобразователей:

1. магнитострикционные;

2. пьезоэлектрические.

Принцип действия магнитострикционных преобразователей

В магнитострикционных преобразователях используется явление магнитострикции. Явление магнитострикции заключается в том, что в некоторых ферромагнитных материалах под воздействием магнитного поля возникает деформация, характеризуемая изменением длины образца при расположении его вдоль магнитных силовых линий. Этот эффект называется прямым магнитострикционным эффектом.

Если при возрастании напряженности магнитного поля длина стержня увеличивается, то магнитострикцию называют положительной, а если длина стержня уменьшается, то магнитострикцию называют отрицательной.

График зависимости относительного удлинения различных ферромагнитных материалов от напряженности магнитного поля приведен на рис. 5.

Пермаллой

Кобальт

H

– Никель

Рис. 5. График зависимости относительной деформации от напряженности поля

Характер и степень деформации зависит от материала образца, способа его обработки, величины предварительного намагничивания и температуры. Из материалов, представленных на рис. 5, пермаллой обладает положительной магнитострикцией, никель – отрицательной, а кобальт имеет переменный знак магнитострикции, зависящий от напряженности магнитного поля.

Деформация любого образца ограничивается пределом, который называется магнитострикционным насыщением. Величина деформации насыщения и напряженность магнитного поля, при которой наступает насыщение, зависит от материала. Например, величина магитострикционного насыщения у никеля значительно больше, чем у кобальта, и насыщение никеля наступает при меньшей напряженности поля, чем насыщение кобальта.

Большое влияние на свойства магнитострикционных материалов оказывает термическая обработка. Отжиг любого материала приводит к повышению величины магнитострикции.

С повышением температуры магнитострикционный эффект ослабевает вплоть до полного исчезновения.

С молекулярно-кинетической точки зрения явление магнитострикции объясняется следующим образом:

Кристаллографические оси малых однородных кристаллов ферромагнитного материала имеют беспорядочную ориентацию в пространстве. Однако, отдельные кристаллы объединяются в так называемые домены. Магнитные моменты каждого домена имеют определенную ориентацию. Например, в никеле магнитные моменты доменов ориентируются в восьми направлениях – по четырем диагоналям куба. Эти направления называют направлениями легчайшего намагничивания. Если образец не намагничен, то магнитные моменты доменов ориентированы беспорядочно, и суммарный магнитный момент равен нулю.

Под воздействием внешнего магнитного поля происходит переориентация магнитных доменов. Они ориентируются в тех направлениях, которые совпадают с направлением внешнего поля. При этом происходит деформация кристаллической решетки, что приводит к изменению размеров образца.

Наряду с прямым магнитострикционным эффектом существует и обратный магнитострикционный эффект, сущность которого заключается в изменении магнитного состояния образца под воздействием механического напряжения. При механическом воздействии на ферромагнитный материал кристаллическая решетка деформируется, в результате чего ориентировка магнитных моментов доменов по отношению к внешнему магнитному полю изменяется.

Магнитострикция является четным эффектом. Это означает, что при изменении полярности магнитного поля знак деформации не меняется. Таким образом, если через соленоид, внутри которого находится стержень, пропускать переменный электрический ток, то стержень будет совершать периодические колебания с частотой, равной удвоенной частоте возбуждающего электромагнитного поля. Указанный эффект можно устранить, если применить предварительное подмагничивание преобразователя. В преобразователях поисковых гидроакустических приборов подмагничивание осуществляется путем установки постоянных магнитов или введением специального источника постоянного тока.

Характеристика работы магнитострикционного преобразователя без подмагничивания приведена на рис. 6, а с подмагничиванием – на рис. 7.

ωt

–H +H

ωt

Рис. 6. Характеристика работы

магнитострикционного преобразователя без подмагничивания

ωt

–H +H

ωt

Рис. 7. Характеристика работы

магнитострикционного преобразователя с подмагничиванием

Для повышения эффективности преобразователей частота внешнего возбуждения должна быть равна частоте его собственных колебаний. Частота собственных упругих колебаний стержня зависит от его длины и материала, из которого он изготовлен.

Собственная частота стержня определяется по формуле:

f = ;

где n – номер гармоники (обычно n = 1);

l – длина стержня, см;

E – модуль упругости материала, н/м ² ;

ρ – плотность, кг/м ³ .

Конструкции магнитострикционных преобразователей

Любой магнитострикционный преобразователь представляет собой сердечник из магнитострикционного материала, на котором расположена обмотка из гибкого медного провода с водостойкой изоляцией. Сердечник набирается из тонких штампованных пластин. После штамповки пластины отжигаются. Слой окиси, образующийся на поверхности пластин при отжиге, является хорошим изолятором. Изоляция между пластинами препятствует появлению вихревых токов в сердечнике, и таким образом уменьшает потери энергии на нагрев сердечника.

В поисковых приборах наибольшее распространение получили стержневые магнитострикционные преобразователи. Пластины, из которых набирается стержневые преобразователи, имеют прямоугольную форму с прорезями. Пластины набираются в пакет, представляющий собой замкнутый магнитопровод, на стержнях которого уложена обмотка. Для установки постоянных магнитов, с помощью которых осуществляется постоянное подмагничивание преобразователя, в сердечнике предусматриваются продольные пазы. Конструкция стержневого магнитострикционного преобразователя приведена на рис. 8.

Рис. 8. Стержневой магнитострикционный преобразователь

Излучение и прием акустических колебаний осуществляется торцевыми поверхностями пакета. На одну из торцевых поверхностей обычно наклеивается экран из пористой резины. В таком случае излучение и прием акустических колебаний осуществляется второй торцевой поверхностью, контактирующей с водой. Для того, чтобы развязать колебательную систему от корпуса антенны, между пакетом и корпусом прокладываются резиновые манжеты. Корпус антенны герметически закрывается крышкой, через которую с помощью сальников выводятся провода обмотки.

Иногда в гидроакустических приборах применяются цилиндрические магнитострикционные преобразователи с тороидальной обмоткой. Пакет цилиндрического преобразователя также набирается из тонких отожженных колец с отверстиями. Провод обмотки проходит сквозь отверстия и внутреннюю полость пакета. Переменный ток в обмотке создает магнитное поле, силовые линии которого располагаются по окружности с центром на оси кольца. В результате этого, в кольце возникают усилия, направленные по касательным к силовым линиям и вызывающие радиальные колебания кольца. Для того, чтобы направить колебания в заданном направлении, пакет устанавливается в центре отражателя, имеющего форму конуса с углом раствора 45º.

Устройство кольцевого магнитострикционного преобразователя и способ его установки приведены на рис. 9.

Рис. 9. Кольцевой магнитострикционный преобразователь с отражателем

Технические характеристики магнитострикционных преобразователей

Магнитострикционные преобразователи широко применяются в гидроакустической рыбопоисковой аппаратуре благодаря их простоте и надежности. Эти преобразователи имеют высокую механическую прочность и не подвергаются коррозии в морской воде. При изготовлении преобразователей легко обеспечивается необходимая изоляция обмоток, т. к. для их работы не требуется применение высоких напряжений.

К недостаткам магнитострикционных преобразователей относятся следующие:

1. невозможность использования высоких рабочих частот: верхний предел излучаемых частот ограничен частотой 60 кГц;

2. сравнительно невысокий КПД (20% – 30 %);

3. низкая чувствительность в режиме приема;

4. зависимость собственной частоты от температуры.

Принцип действия пьезоэлектрических преобразователей

Работа пьезоэлектрических преобразователей основана на использовании прямого и обратного пьезоэлектрического эффекта.

Прямой пьезоэлектрический эффект заключается в том, что под действием механических сил, приложенных к кристаллам некоторых веществ, на поверхностях этих кристаллов появляются электрические заряды, величина которых пропорциональна степени деформации.

Если кристалл поместить между двумя электродами, подключенными к источнику переменного напряжения, то он будет претерпевать деформацию, величина и знак которой зависит от напряженности электрического поля и его полярности. Появление механической деформации под действием электрического поля называется обратным пьезоэлектрическим эффектом.

Пьезоэлектрическим эффектом обладают многие вещества, как из числа существующих в природе, так и полученных искусственным путем. Из природных материалов наиболее ярко выраженным пьезоэлектрическим эффектом обладают кристаллы кварца (SiO₂).

Для изготовления антенн гидроакустических приборов наиболее часто применяется титанат бария (BaTiO₃). Этот материал представляет собой пьезокерамику, получаемую путем обжига смеси порошков двуокиси титана и углекислого бария при температуре 1400º.

Затем образцы шлифуются, и на них наносятся электроды путем вжигания серебра в рабочие грани керамики. После этого керамику поляризуют.

В неполяризованной керамике отдельные хаотически расположенные кристаллики имеют области (домены) с различным направлением электрических моментов. Под воздействием сильного электрического поля (напряженностью 15 – 20 кВ/см²) происходит переориентация электрических моментов отдельных доменов кристалликов и появляется результирующая поляризация образца. Эта поляризация сохраняется после снятия внешнего электрического поля.

Кроме титаната бария, для изготовления акустических антенн применяется цирконат–титанат свинца, а также синтетические кристаллы сегнетовой соли (NaKC₄H₄O₆ · 4H₂O) и дигидрофосфата аммония (NH₄H₂PO₄).

Форма естественного кристалла кварца приведена на рис. 10. Ось z–z, проходящая через вершины кристалла, называется его оптической осью.

z z

y

x x

y

z z

Рис. 10. Кристалл кварца

Кроме оптической оси, у кристаллов существуют электрические и механические оси.

Если вырезать из кристалла кварца восьмигранную пластину перпендикулярно его оптической оси, то ось x–x, перпендикулярная оси через z–z и проходящая через взаимно противоположные вертикальные ребра кристалла, называется электрической осью. Ось y–y, перпендикулярная оси z–z и двум противоположным боковым граням кристалла, называется механической осью. Полученная таким образом восьмигранная пластина имеет три электрических и три механических оси.

Если теперь из полученной восьмигранной пластины вырезать прямоугольную пластинку таким образом, чтобы ее грани были перпендикулярны трем указанным осям, а наибольшая грань была перпендикулярна оси x–x, то такая пластинка будет обладать пьезоэлектрическим эффектом. Эта пластинка называется пластинкой X-cреза или среза Кюри.

При воздействии механической силой F_x, на грани, перпендикулярные оси x–x, возникает прямой продольный пьезоэффект (направление давления совпадает с электрической осью). В таком случае между этими гранями появляется напряжение:

U = ;

где l, b, h – длина, ширина и толщина пластины;

ε – диэлектрическая проницаемость материала;

d_x – коэффициент пропорциональности, который называется

пьезоэлектрическим модулем.

Если приложить механическую силу F_y к граням, перпендикулярным оси y–y, то возникает прямой поперечный пьезоэффект (направление внешнего усилия перпендикулярно к оси x–x). В этом случае появляется напряжение противоположной полярности:

U = – ;

Для получения обратного пьезоэффекта эту же пластинку Х-среза необходимо поместить в электрическое поле так, чтобы ось х– х совпадала с направлением силовых линий поля. При этом пластинка деформируется как в направлении оси х– х, так и в направлении оси y–y. Под воздействием обратного продольного пьезоэффекта толщина пластины h увеличится на величину:

Δ h = d_x · U ;

Одновременно под воздействием обратного поперечного пьезоэффекта длина пластины l уменьшится на величину:

Δ l = – d_x U .

В любом случае частота механических колебаний равна частоте электрических колебаний.

Направленное действие преобразователей

Направленностью называется свойство преобразователя распределять в пространстве излучаемую акустическую энергию. Направленное излучение плоского излучателя создается следующим образом:

Если рассмотреть две точки А и В, расположенные симметрично относительно центра излучающей поверхности, то они, как и все остальные точки, расположенные на излучающей поверхности, колеблются синхронно и синфазно.

В удаленную точку приема С, расположенную на оси, перпендикулярной излучающей поверхности, акустические лучи, исходящие из точек А и В, приходят в одинаковой фазе, т. к. они проходят одинаковое расстояние АС = ВС (разность хода лучей равна нулю). Поэтому амплитуды колебаний, приходящих в точку С от точек А и В, складываются (результирующая амплитуда акустического давления максимальна).

При отклонении точки приема на угол “α” в любую сторону от нормали к излучающей поверхности (например, в точку D), расстояние AD не равно расстоянию BD. В этом случае лучи от точек А и В приходят в точку D с некоторой разностью хода. Фазы принимаемых колебаний неодинаковы и зависят от разности хода лучей. Поэтому результирующая амплитуда колебаний в точке D будет меньше, чем в точке С.

С увеличением угла отклонения от нормали разность хода колебаний, исходящих от точек А и В, будет увеличиваться, и при некотором угле α₀ достигнет половины длины волны λ/2. Тогда колебания будут приходить в точку приема в противофазе, и интенсивность суммарных колебаний будет равна нулю.

Таким образом, основная энергия акустических колебаний излучается в направлении нормали к излучающей поверхности в пределах конуса с раствором 2α₀. Если длина и ширина излучающей поверхности неодинаковы, то сечение конуса направленности будет представлять не окружность, а эллипс.

При отклонении от нормали на угол, больший, чем α₀, сдвиг колебаний по фазе продолжает увеличиваться, и когда разность хода лучей достигнет величины λ, колебания вновь совпадут по фазе и возникнет второй (боковой) максимум.

Направленное излучение возможно только в том случае, если ширина излучающей поверхности будет больше, чем длина волны λ. Поэтому для получения требуемого угла направленности при приемлемых размерах излучающей поверхности необходимо использовать колебания с длиной волны 5 – 7,5 см, т. е. с рабочей частотой 20 – 30 кГц.

Выбор угла направленности производится с таким расчетом, чтобы при бортовой и килевой качке отражающие объекты не выходили из зоны облучения.

Диаграмма направленности приемной антенны имеет почти такую же форму, как и диаграмма направленности излучающей антенны.

Характеристики акустических антенн

Характеристика направленности

Направление, в котором интенсивность акустического поля, создаваемого направленной антенной, имеет максимальную величину, называется акустической осью антенны.

Для оценки направленного действия акустических преобразователей используется понятие “характеристики направленности”. Характеристика направленности преобразователя выражает зависимость физической величины акустического поля (например, амплитуды колебаний, акустического давления, интенсивности и т. п.) от угла между акустической осью преобразователя и направлением на заданную точку (при одинаковом расстоянии от центра преобразователя). Характеристика направленности может быть выражена аналитически или графически.

Графическое представление характеристики направленности называется диаграммой направленности. Диаграмма направленности может быть построена как в полярной, так и в прямоугольной системе координат.

Фактор направленности

Фактором направленности G называется величина, равная отношению результирующей амплитуды акустического давления в направлении, отличном от акустической оси преобразователя, к амплитуде акустического давления в направлении оси. Таким образом, фактор направленности на акустической оси преобразователя равен единице (G = 1).

Угол раствора основного максимума

Угол , в пределах которого фактор направленности изменяется от максимума до первого нулевого значения (или до первого минимального значения), называется половинным углом раствора основного максимума. Зона диаграммы направленности, расположенная симметрично относительно акустической оси преобразователя в пределах углов от – до + , называется основным лепестком, а угол θ, ограничивающий эту зону, называется углом раствора, или шириной основного лепестка на уровне нулевого излучения.

Остальные зоны, находящиеся за пределами угла θ и имеющие свои максимумы, называются боковыми или побочными лепестками.

Острота главного максимума

Острота главного максимума выражается углом α, в пределах которого фактор направленности G уменьшается от 1 до заданной величины. Обычно остроту главного максимума определяют для G = 0,7. В этом случае угол 2α называют углом направленности на уровне 0,7.

Коэффициент осевой концентрации

Коэффициент осевой концентрации γ показывает, во сколько раз интенсивность акустического поля, создаваемого направленным излучателем в осевом направлении, превышает интенсивность, создаваемую на этом же расстоянии ненаправленным излучателем той же мощности.

Для плоской антенны коэффициент осевой концентрации определяется по следующей формуле:

γ = ;

где S – площадь излучающей поверхности;

λ – длина волны.

Эта же величина, выраженная в децибелах, называется индексом направленности DI :

DI = 10 lg γ.

Принцип построения усилителей

гидроакустических поисковых приборов

Назначение

Основной задачей приемо-усилительного тракта любой рыбопоисковой станции является усиление электрических сигналов, снимаемых с выхода акустической антенны, до уровня, обеспечивающего нормальную работу регистрирующих устройств.

Основные характеристики и режимы работы усилителей

Коэффициент усиления

Уровень напряжения на выходе акустической антенны обычно изменяется в больших пределах (от нескольких микровольт до нескольких милливольт), в зависимости от расстояния до обнаруживаемого объекта, излучаемой мощности, характеристики направленности акустической антенны, условий распространения акустических колебаний и т. п. Поэтому в аппаратуре применяется ручная регулировка усиления. Для облегчения анализа, оценки и сравнения полученных эхограмм, в современной аппаратуре применяется ступенчатая регулировка коэффициента усиления.

Уровень напряжения, необходимого для обеспечения нормальной работы регистрирующих устройств, составляет от единиц вольт до 150 – 200 в, в зависимости от типа и назначения устройства.

Таким образом, приемо-усилительный тракт должен быть способным обеспечивать усиление напряжения в 10⁴ – 10⁸ раз (80 – 160 дб). Для получения такого большого коэффициента усиления в большинстве рыбопоисковых приборов применяются усилители с преобразованием частоты. Особенностью схемы этого усилителя является то, что усилитель состоит из двух частей, каждая из которых работает на своей рабочей частоте. Такая схема обеспечивает устойчивое усиление эхосигналов, несмотря на большой коэффициент усиления.

Полоса пропускания

Применяя усилитель с преобразованием частоты, можно добиться еще большего усиления приемного тракта, однако, максимальное усиление ограничивается уровнем помех, действующих на входе усилителя. Вместе с полезным сигналом усиливаются помехи и шумы, действующие на входе приемника, поэтому дальнейшее повышение коэффициента усиления имеет смысл только в том случае, если соотношение “сигнал/шум” на входе приемника превышает определенный минимум, необходимый для различения сигналов на фоне помех.

Полезный сигнал имеет ограниченный частотный спектр, расположенный вблизи частоты, излучаемой передающим трактом. Шумовые помехи обычно распределяются в широком диапазоне частот.

Это дает возможность уменьшить уровень шумов путем применения акустических антенн и усилителей с узкой полосой пропускания, соответствующей частотному спектру полезного сигнала. При этом ширина полосы пропускания приемного тракта Δ f должна выбираться в зависимости от длительности излучаемого импульса τ_и :

Δ f = ;

Учитывая, что в рыбопоисковых гидроакустических станциях длительность излучаемых импульсов, как правило, выбирается оператором и может изменяться в широких пределах, то ширина полосы пропускания приемного тракта тоже должна изменяться в соответствии с выбранной длительностью импульса. В большинстве случаев ширина полосы пропускания изменяется автоматически при переключении длительности излучаемого импульса.

Временнáя автоматическая регулировка усиления (ВАРУ)

Все современные гидроакустические станции имеют в своем составе электронное устройство, позволяющее автоматически изменять коэффициент усиления приемного тракта в зависимости от расстояния до регистрируемого объекта. Это устройство получило название устройства временной автоматической регулировки усиления (ВАРУ).

При отсутствии устройства ВАРУ обнаружение промысловых объектов, расположенных вблизи судна, затруднено из-за маскирующего действия реверберационных помех. Непосредственно после излучения каждого зондирующего импульса интенсивность реверберации очень велика, затем быстро убывает. При этом может оказаться, что эхосигналы даже от крупных скоплений рыбы, расположенных вблизи судна, не будут зарегистрированы на самописце. Например, при интенсивности реверберации, превышающей предел насыщения бумаги самописца, более сильный сигнал от крупной цели выделить невозможно. Кроме того, при отсутствии устройства ВАРУ сигналы, отраженные от одинаковых целей, но расположенных на разных расстояниях от судна, на выходе приемного тракта имеют неодинаковую амплитуду: чем больше расстояние до цели, тем меньше амплитуда сигнала на выходе приемного тракта.

При наличии устройства ВАРУ коэффициент усиления приемного тракта скачком уменьшается в момент излучения зондирующего импульса, а затем плавно увеличивается по определенному закону. Требуемый закон изменения коэффициента усиления во времени зависит от характера отражающего объекта.

При локации точечных объектов (отдельных рыб или очень разреженных рыбных скоплений) одинаковые цели, расположенные на разных расстояниях от судна, будут создавать одинаковые отметки на самописце в том случае, если коэффициент усиления приемного тракта будет изменяться по следующему закону:

К = 40 lg R + 2 δ R,

где R – расстояние до отражающего объекта,

δ – коэффициент затухания звука в воде.

Действие схемы ВАРУ, обеспечивающей данный закон изменения коэффициента усиления, компенсирует потери акустической энергии на расширение фронта волны и затухание звука при его распространении до цели и обратно.

Однако, при локации дна или плотных скоплений рыбы указанный закон изменения ВАРУ уже не будет обеспечивать одинаковую регистрацию равнозначных, но разноудаленных объектов. В этом случае требуется изменение коэффициента усиления приемного тракта по следующему закону:

К = 20 lg R + 2 δ R.

Этот закон обеспечивает линейную пропорциональность между интенсивностью эхосигналов и плотностью рыбных скоплений независимо от расстояния.

В современных гидроакустических станциях имеется возможность выбирать требуемый закон ВАРУ по желанию оператора.

Устройства отсечки грунта

Для повышения эффективности поиска придонной рыбы применяются устройства отсечки грунта типа "Белая линия", ”Динамическая линия”, "Серая линия" и “Контурная линия”.

Работа этих устройств основана на использовании различия между интенсивностью сигналов, отраженных от грунта и от рыбы. Это различие обусловлено тем, что у грунта коэффициент отражения значительно выше, чем у одиночных рыб и разреженных рыбных скоплений. Схемы устройств отсечки грунта имеют регулируемую избирательность по амплитуде эхосигналов и работают по следующему принципу: Если амплитуда эхосигнала не превышает заданного уровня, то это означает, что принимаемый сигнал получен путем отражения от рыбы. Эта рыба регистрируется на самописце без ослабления. В случае, если амплитуда эхо-сигнала превышает заданный уровень, то это означает, что принимаемый сигнал получен путем отражения от грунта. В этот момент коэффициент усиления приемного тракта резко уменьшается на некоторый промежуток времени, и в течение указанного промежутка времени на эхограмме наблюдается нерегистрируемый участок дистанции в виде белой или серой линии.

Устройство “Белая линия”

Если принимается эхосигнала от грунта, то его амплитуда превышает заданный уровень, и приемный тракт полностью запирается. При этом на эхограмме регистрируется только передняя часть эхосигнала от грунта в виде узкой черной линии. Затем следует более широкая белая полоса, соответствующая запертому состоянию приемного тракта. После отпирания приемного тракта запись грунта продолжается. Таким образом, пропуски между началом и продолжением записи грунта создают область белой линии на бумаге самописца. Регулированием порога запирания приемного тракта можно менять ширину белой полосы. Существенным недостатком устройства "Белая линия" является снижение эффективности его применения при значительном волнении моря, когда судно имеет большие вертикальные перемещения. В этом случае расстояние от излучающей поверхности до дна моря все время меняется, и на эхограмме появляются разрывы в записи контура дна, т. е. тонкая черная линия начала записи дна превращается в совокупность точек, размытую по глубине.

Устройство “Динамическая линия”

Устройство "Динамическая линия" используется для получения дополни­тельной информации о характере грунта. Принцип работы этого устройства заключается в том, что после приема эхосигнала от грунта усилитель изменяет режим работы. По ширине записи белой полосы после записи сигнала от кромки дна (дина­мической линии) можно судить о плотности грунта: чем больше плотность грунта, тем шире динамическая линия.

Устройство “Серая линия”

Устройство "Серая линия" отличается от устройства "Белая линия" тем, что при приеме переднего фронта донного эхосигнала приемный тракт полностью не запирается, а лишь уменьшается его коэффициент усиления. В связи с этим на ленте самописца уже не регистрируется черной линией профиль морского дна, за которым следует белое пространство, а непосредственно от верхней кромки дна отображается затененная серая полоса. За серой полосой (когда приемный тракт полностью открывается) регистрируется черным цветом оставшаяся часть грунта. При этом любые потемнения над серой полосой расценивается как отметки эхосигналов от рыбы, и их значительно легче обнаружить, чем при работе устройства "Белая линия".

Устройство “Контурная линия”

Принцип работы этого режима также основан на разнице амплитуд сигналов, отраженных от рыбы и грунта. В этом случае эхосигнал от грунта регистрируется в виде тонкой контурной линии без продолжения записи дна. Затем приемный тракт запирается и находится в таком состоянии до начала следующего цикла зондирования. Использование этого режима не позволяет получать информацию о характере грунта, но уменьшает выделение угольной пыли, загрязняющей узлы самописца.

Автоматическое изменение контрастности (Режим “АИК”)

При обычном режиме записи на электрочувствительной бумаге очень трудно определить различие между скоплениями рыбы средней и большой плотности, т. к. после определенного уровня интенсивности сигнала степень потемнения бумаги больше не увеличивается. В таком случае как средние, так и плотные косяки регистрируются на бумаге одинаково. Устройство автоматического изменения контрастности позволяет искусственно уменьшать степень потемнения бумаги, если амплитуда эхосигнала превышает установленный уровень. При этом эхосигналы, интенсивность которых больше порога насыщения бумаги, отображаются с уменьшением потемнения, т. е. сильные эхосигналы регистрируются более светлыми, чем средние. Таким образом можно легко выделить ядро рыбного скопления, которое регистрируется в виде светлого пятна на темном фоне.

Принципы построения устройств

регистрации гидроакустических сигналов

с движущимся пером

Общие сведения

Информация, получаемая с помощью гидроакустической аппаратуры, должна отображаться в достаточно наглядном и удобном виде. Устройства отображения гидроакустической информации подразделяются на два основных типа:

1. индикаторные устройства;

2. регистрирующие устройства.

К индикаторным устройствам относятся устройства, позволяющие обнаруживать эхосигнал во время его существования или наблюдать его лишь в течение короткого промежутка времени, например, за счет послесвечения электронно-лучевой трубки.

Регистрирующие устройства предназначены для последовательной записи эхосигналов и длительного сохранения эхограмм.

Основным типом регистрирующих устройств, применяемых в рыбопоисковой аппаратуре, являются самопишущие регистраторы, или самописцы. Самописцы имеют следующие преимущества перед другими средствами воспроизведения информации:

1. способность накопления и длительного хранения информации;

2. наглядность получаемых данных;

3. простота конструкции;

4. высокие эксплуатационные характеристики;

5. возможность автоматического получения большого количества данных без дополнительной обработки;

Типы регистрационных бумаг

Для отображения информации в самописцах рыбопоисковых станций применяются два вида регистрационной бумаги:

1. электрохимическая бумага (ЭХБ);

2. электротермическая бумага (ЭТБ).

Электрохимическая бумага

Электрохимическая бумага используется во влажном состоянии. Бумага пропитана раствором иодистого калия и крахмала. Прохождение тока через бумагу вызывает разложение электролита. При разложении электролита выделяется иод, который, взаимодействуя с крахмалом, окрашивает бумагу в темнофиолетовый цвет. Электрохимическая бумага имеет довольно высокую чувствительность (порог чувствительности ЭХБ составляет 1 – 2 вольта).

Однако, электрохимическая бумага имеет существенные недостатки:

1. необходимость постоянного поддержания бумаги во влажном состоянии;

2. расплывание отметок на бумаге;

3. постепенное снижение контрастности записи (вплоть до полного исчезновения), особенно при хранении в контакте со светом и воздухом;

Электротермическая бумага

При электротермическом методе записи применяется сухая трехслойная бумага. Нижний слой металлизирован порошком алюминия, обеспечивающего электрический контакт бумаги с корпусом самописца. Средний слой представляет собой бумажную массу, пропитанную угольным порошком. Сверху наносится смесь бумаги, серы и цинка.

Прохождение тока через бумагу вызывает выгорание верхнего слоя, в результате чего обнажается черная угольная основа среднего слоя.

Чувствительность электротермической бумаги значительно ниже, чем электрохимической. Минимальное напряжение записи составляет 40 – 70 вольт.

Основными достоинствами ЭТБ являются:

• обеспечение сохранности записи независимо от времени хранения эхограмм;

• незначительное расплывание отметок;

• отсутствие специальных требований к хранению запаса бумаги.

К недостаткам ЭТБ относятся:

• выделение проводящей угольной пыли при работе самописца;

• необходимость подачи высокого уровня сигнала (до 200 – 250 вольт).

Для предотвращения загрязнения регистрирующего устройства угольной пылью в современных гидроакустических станциях применяются отсасывающие устройства.

Самописцы с линейной механической разверткой

В настоящее время наибольшее распространение в рыбопоисковой аппаратуре получили самописцы с линейной механической разверткой. Самописец состоит из двух основных узлов:

1. механизм записи;

2. лентопротяжное устройство.

Основным рабочим узлом механизма записи является бесконечный ремень. На бесконечном ремне закреплено одно или несколько перьев, каждое из которых имеет в своем составе пишущий и токосъемный электроды. Бесконечный ремень вращается на двух шкивах со скоростью, соответствующей требуемому диапазону развертки. Токосъемный электрод скользит по токосъемной шине, а пишущий электрод соприкасается с бумагой. Запись, как правило, производится на электротермической бумаге.

Механизм записи приводится в действие исполнительным электродвигателем. Чтобы обеспечить необходимую точность определения дистанции, в самописце должно быть предусмотрено устройство стабилизации скорости вращения электродвигателя.

В гидроакустических станциях старых разработок применялись электродвигатели постоянного тока с автоматическими центробежными регуляторами оборотов (АЦР), в которых скорость вращения стабилизировалась механическим или электрическим способом. Однако, АЦР имели низкую надежность и недостаточную эффективность работы.

В станциях более поздних разработок ("Прибой-101", "Сарган"), стали применять синхронные электродвигатели переменного тока, для питания которых предусматриваются специальные электронные генераторы, обеспечивающие высокую стабильность частоты.

Изменение диапазонов записи чаще всего осуществляется с помощью механических редукторов со ступенчатым изменением передаточного отношения. В некоторых станциях, например, "Сарган", для привода бесконечного ремня используются многоскоростные электродвигатели. В этих случаях конструкция редуктора значительно упрощается.

Запуск импульсного генератора осуществляется с помощью специальных контактов, которые периодически замыкаются при вращении бесконечного ремня. Для этой цели к ремню прикрепляется кулачки, магниты или другие детали, вызывающие замыкание контактов. Иногда замыкание контактов осуществляется непосредственно перьями самописца ("Прибой-101", "Сарган"). В этом случае необходимо устройство, задерживающее запуск импульсного генератора на время движения пера от момента замыкания контактов до момента прихода пера к нулевой отметке шкалы самописца. Для получения укрупненного масштаба записи эхосигналов используются устройства, обеспечивающие упреждения посылки по отношению к началу записи.

Лентопротяжное устройство, как правило, приводится в действие тем же электродвигателем, что и механизм записи, через дополнительный редуктор. В некоторых самописцах для протяжки бумаги предусматривается отдельный электродвигатель.

Запись меток времени осуществляется с помощью специально предусмотренных контактов или микропереключателей. Их замыкание производится кулачками, приводимыми в действие от лентопротяжного устройства через понижающий редуктор.

Принцип построения устройств регистрации

с многоперьевой неподвижной системой записи

Более современными регистрирующими устройствами в рыбопоисковой аппаратуре являются многоперьевые самописцы – регистраторы без движущихся перьев с многочисленными неподвижными пишущими электродами (с гребенкой фиксированных перьев без кинематических систем перемещения пишущих электродов). Механизм записи этих устройств состоит из неподвижной планки, на которой крепятся изолированные друг от друга тонкие записывающие металлические электроды с постоянным расстоянием один от другого. Информация записывается только на электрохимической бумаге с более низким порогом чувствительности. Перемеще­ние бумаги осуществляется малогабаритным бесшумным электродвигателем.

Как и в обычных самопишущих регистраторах, при поступлении сигнала на любое перо гребенки в точке соприкосновения пера с бумагой появляется отметка эхо-сигнала. Дискретность записи в таких устройствах зависит от линейной плотности расположения пишущих электродов и может быть снижена уменьшением толщины перьев и сокращением расстояния между ними. Достигнутая в настоящее время плотность составляет 2,5... 3 пера на 1 мм бумаги, что практически соответствует обычной записи движущимся пером на электрохимической бумаге.

Типовая структурная схема многоперьевого самописца приведена на рис. 11.

Рис. 11. Структурная схема многоперьевого самописца

В состав самописца входят:

• генератор счетных импульсов;

• схема совпадений на два входа;

• счетчик импульсов;

• дешифратор;

• выходные каскады;

• многоперьевая линейка.

Генератор тактовых импульсов и счетчик импульсов служат для формирования развертывающего напряжения и обеспечивают с помощью дешифратора поочередную последовательную подачу потенциалов на один из входов каждого выходного каскада, сое­диненного с соответствующим пером записывающей гребенки.

Генератор тактовых импульсов, частота которого обычно стабилизируется, генерирует импульсы со стабильной частотой повторения f ₀ , которые через схему И подаются на вход двоичного счетчика импульсов прямого счета. Емкость счетчика не должна быть меньше числа записывающих перьев. При поступлении на вход счетчика от 1 до n импульсов на его выходах формируются определенные комбинации высоких и низких потенциалов.

Счетчик имеет соответственно выходы 1, 2, 3 . . . m, соединенные с определенными входами схем совпадения, которые представляют собой комбинированные диодные матричные дешифраторы. Последние имеют количество выходов, соответствующее числу перьев. Входы дешифраторов соединены с выходами счетчика таким образом, что при поступлении на вход счетчика от 1 до п импульсов с дешифратора последовательно снимаются управляющие сигналы и подаются на один из входов каждого выходного каскада от 1 до п. Вторые входы выходных каскадов, представляющих собой также импульсные схемы совпадения на два входа, соединены параллельно. При поступлении на общий вход напря­жения сигнала измеряемого параметра откроется лишь тот выходной каскад, на который в этот момент поступил управляющий сигнал с дешифратора.

Поскольку каждый выходной каскад соединен лишь с одним из перьев гребенки, то напряжение сигнала с открытого выходного каскада поступит на подключенное к нему перо и на бумаге появится отметка.

Прохождение импульсов на вход счетчика может произойти только после поступления специального синхроимпульса на вход триггера, который в исходном состоянии препятствует их прохождению через схему совпадения на счетчик. По окончании полного цикла работы счетчика триггер возвращается в исходное состояние и запирает схему И. Схема И прекращает дальнейшее прохождение импульсов от генератора тактовых импульсов к счетчику до прихода следующего синхроимпульса.

Благодаря таким особенностям работы схема в каждом такте изме­рения обеспечивает регистрацию всех поступивших за заданный промежуток времени входных импульсов и осуществляет тем самым измерение временных интервалов от запускающего импульса до соответствующих рабочих импульсов.

В отличие от самописцев с механической разверткой, где скорость движения пера ограничена механико-кинематической схемой и получить записи крупного масштаба невозможно, в рассмотренном самописце масштаб записи определяется лишь временем просчитывания импульсов счетчиком или длительностью развертывающего напряжения. Это время зависит от частоты На бумаге самописца может быть зафиксиро­ван сигнал длительностью 1 мкс. Таким образом, если самописец имеет 300 перьев и эталонный генератор работает на частоте 1 МГц, то диапазон записи эхосигналов на всей ширине бумаги самописца может составить 22,5 см. Минимальный диапазон записи в самописцах с движущимся пером составляет примерно 8... 10 м. Точность определения дистанции зависит, в основном, от стабильности частоты генератора и может быть очень высокой.

Если записывающие электроды разделить на несколько самостоятельных групп, то на одной бумажной ленте можно записывать одновременно входные сигналы в различных масштабах, т. е. иметь, например, один обзорный диапазон с мел­ким масштабом и просматривать отдельные участки этого диапазона в крупном масштабе для более детального анализа записываемых сигналов.

Основными преимуществами многоперьевых самописцев с неподвижными перьями являются:

• высокая точность записи, опреде­ляемая стабильностью частоты генератора;

• простота переключения диапазонов;

• возможность изменения масштаба записи по ширине бумаги, что в значительной степени облегчает анализ и расшифровку эхограмм;

• большая надежность и бесшумность работы, обеспечиваемая отсутствием механико-кинематических схем;

• возможность регистрации нескольких параметров одновременно.

Многоперьевые самописцы имеют, однако, и недостатки. При использовании влажной электрохимической бумаги перья приходится изготовлять из сплавов благородных металлов (платина, иридий и др.). Может применяться и сухая электротермическая бумага, но при этом возникают трудности, связанные с необходи­мостью обеспечения хорошей изоляции между электродами при более высоких питающих напряжениях, требуемых для записи сигналов на ЭТБ. Кроме того, усложняется схема выходных каскадов, так как от них требуется выработка высоковольтных импульсных напряжений. Наличие большого количества перьев при­водит к неравномерности их износа, что усложняет изготовление такой гребенки при записи на электротермической бумаге. Неравномерный износ перьев, кроме того, вызывает дискретность записи сигналов на бумаге. При использовании ЭТБ угольная пыль забивает зазоры между перьями и запись становится невозможной.

Принцип действия и структурная схема электронного индикатора

с линейной системой развертки

В индикаторах с линейной системой развертки (развертка типа "А") наблюдается прямолинейное перемещение электронного луча от одного края экрана электронно-лучевой трубки к другому с постоянной скоростью. По достижении конца экрана луч быстро перемещается обратно к исходной точке, причем на время обратного хода луча на модулятор трубки подается отрицательное запирающее напряжение, в результате чего обратный ход становится невидимым для наблюдателя. В большинстве случаев развертка начинается в момент излучения зондирующего импульса, а в моменты прихода эхосигналов происходит симметричное отклонение луча в направлении, перпендикулярном направлению развертки. Для того, чтобы скомпенсировать уменьшение яркости луча при его отклонении от оси развертки, в моменты прихода эхосигналов на модулятор трубки подается положительное напряжение, увеличивающее яркость свечения электронного луча.

Структурная схема индикатора с линейной системой развертки, применяемого в рыбопоисковой гидроакустической станции "Прибой-101", приведена на рис. 12.

Блок ФР

Блок БС

Блок УПТ УПТ

Узел ЭЛТ

Время-

задающие

цепи

блока ФЗ

задающие

Время-

задающие

цепи

блока ФР

задающие

Регулятор

"Амплитуда

Y"

Регулятор

"Смещение

Y"

Субблок СТ

Переключатель "Диапазон"

Блок

УС-25

Регулятор

"Усиление"

Отклонение луча

Эхосигналы

Импульсы подсветки

Импульсы гашения обратного хода развертки

и теневой метки

Блок ФЗ

Регулятор

"Яркость"

Рис. 12. Структурная схема электронного индикатора с линейной разверткой

В состав схемы индикатора с линейной разверткой входят следующие узлы:

• блок ФЗ – формирователь запуска;

• блок ФР – формирователь развертки;

• блок БС – блок согласования;

• блок УПТ – усилитель постоянного тока;

• блок СТ – стабилизатор тока;

• узел ЭЛТ – узел электронно-лучевой трубки с высоковольтным блоком;

• времязадающие цепи блока ФЗ и блока ФР;

• регуляторы "Усиление", "Яркость", "Амплитуда Y", "Смещение Y", переключатель диапазонов электронного индикатора.

Блок ФЗ

Блок ФЗ представляет собой устройство для формирования синхронизирующих импульсов, которые управляют работой станции при выключенном самописце. Если самописец включен, то управление работой станции производится от самописца, а запускающие импульсы, формируемые в блоке ФЗ, не используются.

Назначение блока ФЗ:

1. запуск генератора зондирующих импульсов;

2. запуск развертки электронного индикатора;

3. запуск схемы ВАРУ;

4. запуск устройства задержки, используемого в режиме "Лупа";

5. гашение луча ЭЛТ на время действия теневой метки.

Основой блока ФЗ является фантастронный генератор, работающий в автоколебательном режиме. Частота повторения синхронизирующих импульсов определяется выбранным диапазоном дальности. По сравнению с другими типами автоколебательных устройств фантастронные генераторы отличаются высокой стабильностью параметров выходного напряжения.

Фантастронный генератор выполнен на миниатюрных лампах поз. 9 и 14. Напряжение на аноде лампы поз. 9 периодически изменяется по пилообразному закону с частотой, определяемой параметрами времязадающих элементов, подключаемых в соответствии с выбранным диапазоном дальности.

Времязадающие элементы фантастронного генератора расположены в блоке управления и индикации (БУИ) и подключаются к нему с помощью переключателя диапазонов (поз. 2 в блоке БУИ).

Полярность выходного пилообразного напряжения, вырабатываемого фантастронным генератором, – отрицательная, т. е. выходное напряжение линейно уменьшается от максимального значения до минимального, а затем скачком увеличивается до максимального значения. В рассматриваемой схеме предусмотрена стабилизация амплитуды генерируемых импульсов путем привязки значений начального и конечного напряжений выходного пилообразного импульса к фиксированным уровням. Делитель напряжения, состоящий из резисторов поз. 4 и 7, и диод поз 5 осуществляют привязку начального (максимального) уровня пилообразного напряжения на аноде лампы к уровню, определяемому параметрами элементов этого делителя. Для привязки конечного (минимального) уровня пилообразного напряжения используется делитель напряжения, состоящий из резисторов поз. 2 и 3, и диод поз. 6.

Запуск генератора зондирующих импульсов производится с помощью прямоугольных импульсов положительной полярности, снимаемых с экранирующей сетки лампы поз.9.

Эти импульсы поступают на вход дифференцирующей цепи, состоящей из конденсатора поз. 27 и резистора поз. 28. С выхода дифференцирующей цепи короткие отрицательные импульсы, соответствующие по времени заднему фронту входного прямоугольного импульса, подаются на базу транзистора поз. 25, который в исходном состоянии закрыт положительным напряжением +2,4 в, поступающим на вход блока ФЗ от источника питания. При подаче дифференцированных импульсов отрицательной полярности транзистор открывается, и на его коллекторе формируются положительные импульсы, используемые для запуска импульсного генератора.

Пилообразные импульсы отрицательной полярности, снимаемые с катода лампы поз. 14, подаются в блок ФР (конт. 1b разъема поз. 1) для запуска развертки электронного индикатора.

В блоке ФЗ конструктивно расположен ждущий мультивибратор поз.16, используемый для формирования теневой метки. Теневая метка представляет собой короткий участок развертки, на котором отсутствует отображение эхосигналов ввиду того, что в этот момент трубка преднамеренно запирается. Теневая метка используется для фиксации начала участка развертки, который оператор может просмотреть в режиме "Лупа" (режим отображения информации в укрупненном масштабе – 20 м или 80 м на весь экран). На вход ждущего мультивибратора поз. 16 подаются запускающие импульсы из блока БЗ (блок задержки), а его выходные импульсы отрицательной полярности используются для запирания трубки на время действия теневой метки.

Блок ФР

Блок ФР представляет собой генератор напряжения развертки. Основу блока ФР составляет также фантастрон, схема которого подобна схеме фантастрона, применяемого в блоке ФЗ. Однако, фантастрон блока ФР работает не в автоколебательном режиме, а в ждущем. Отрицательные пилообразные импульсы запуска развертки электронного индикатора, снимаемые с катода лампы поз 14 блока ФЗ, поступают в блок ФР на вход дифференцирующей цепи, состоящей из конденсатора поз. 2 и резистора поз. 5. В момент окончания пилообразного импульса на выходе дифференцирующей цепи формируется короткий импульс положительной полярности. Указанный импульс подается на базу транзистора поз. 4. Режим работы транзистора выбран таким образом, что в исходном состоянии ток коллектора незначителен, поэтому напряжение на коллекторе практически равно напряжению питания + 10 в. Положительный импульс, подаваемый на базу транзистора с выхода дифференцирующей цепи, вызывает кратковременное увеличение коллекторного тока транзистора. Увеличившийся ток создает падение напряжения на резисторе поз. 3, который является сопротивлением нагрузки транзисторного каскада, поэтому на коллекторе транзистора поз. 4 формируется короткий отрицательный импульс. Этот импульс используется для запуска фантастронного генератора, собранного на лампах поз. 16 и 25. Режим работы фантастрона устанавливается с помощью потенциометра поз. 20 "Режим" таким образом, что в исходном состоянии лампа поз. 16 заперта отрицательным напряжением – 27 в, подаваемым от источника питания. При этом положительное напряжение на аноде лампы максимально. Отрицательный импульс, снимаемый с коллектора транзистора поз. 4, через разделительный конденсатор поз. 10 и диод поз. 12 подается на анод лампы поз. 16, нарушая установленный режим работы лампы. С этого момента начинается процесс формирования пилообразного напряжения, т. е . напряжение на аноде лампы начинает уменьшаться по линейному закону. Стабилизация амплитуды пилообразного напряжения производится так же, как и в блоке ФЗ.

Для привязки верхнего уровня используются резисторы поз. 9, 11 и диод поз. 12. Привязка нижнего уровня осуществляется с помощью резистора поз. 6, стабилитрона поз 8 и диода поз. 13.

Скорость изменения напряжения, а следовательно, и длительность формируемых пилообразных импульсов определяется параметрами времязадающих элементов, также расположенных в блоке управления и индикации (блок БУИ) и подключаемых с помощью переключателя диапазонов развертки электронного индикатора.

Пилообразное напряжение развертки снимается с выхода катодного повторителя, собранного на лампе поз. 25. Для уменьшения амплитуды напряжения развертки до необходимой величины используется делитель напряжения, состоящий из резисторов поз. 26 и 27, включенных в цепь катода лампы поз. 25.

С выхода этого делителя напряжение развертки поступает на вход фиксатора уровня, состоящего из диода поз. 30 и резисторов поз. 28, 29, 31.

Фиксатор уровня необходим для устранения начального скачка (Δ U_вых) выходного напряжения фантастронного генератора. Этот скачок появляется в момент запуска фантастрона (рис. 13).

Δ U_вых

Рис. 13. Выходное напряжение фантастронного генератора

Принцип работы фиксатора уровня заключается в том, что в исходном состоянии выходное напряжение фиксатора должно определяться не напряжением на его входе, а выходным напряжением делителя, состоящего из резисторов поз. 29 и 31. Выходное напряжение делителя устанавливается переменным резистором поз. 31 "Уровень" таким образом, чтобы в исходном состоянии напряжение на выходе фиксатора было меньше, чем напряжение на его входе, на величину скачка Δ U_вых .

С выхода фиксатора уровня пилообразное напряжение развертки подается на вход блока БС.

Для того, чтобы в исходном режиме (до подачи очередного запускающего импульса) исключить свечение неподвижного электронного луча ЭЛТ в точке экрана, соответствующей началу развертки, предусмотрено запирание ЭЛТ при отсутствии пилообразного напряжения развертки. Для указанной цели используется напряжение, снимаемое с антидинатронной сетки лампы поз. 16. В исходном режиме напряжение на этой сетке отрицательно, а при формировании пилообразного напряжения здесь появляется положительный импульс. Напряжение, снимаемое с антидинатронной сетки, через диод поз. 14 подается на вход усилителя постоянного тока, собранного на транзисторах поз. 34, 35, 38 и 43. Напряжение с выхода усилителя постоянного тока (коллектор транзистора поз. 43) поступает на модулятор электронно-лучевой трубки. В исходном состоянии отрицательное напряжение на входе усилителя постоянного тока обеспечивает открытое состояние транзисторов поз. 34, 35, 38 и закрытое состояние транзистора поз. 43. Благодаря этому, в исходном состоянии напряжение на коллекторе транзистора поз. 43 равно напряжению источника питания – 27 вольт, поэтому ЭЛТ заперта.

Как только начинается формирование пилообразного напряжения на выходе фантастронного генератора, напряжение на входе усилителя постоянного тока скачком увеличивается, транзисторы поз. 34, 35, 38 закрываются, а транзистор поз. 43 открывается. При этом напряжение на коллекторе транзистора поз. 43 становится равным нулю, и трубка открывается.

Этот же усилитель постоянного тока используется для кратковременного гашения луча ЭЛТ на время действия "теневой метки". С этой целью с выхода блока ФЗ (конт. 17 разъема поз. 1) на вход усилителя постоянного тока (база транзистора поз. 34) подается прямоугольный импульс отрицательной полярности.

Блок БС

Блок БС (блок согласования) предназначен для согласования блока ФР с блоком УПТ. Блок БС обеспечивает выполнение следующих функций:

1. компенсация постоянной составляющей пилообразного напряжения, подаваемого на его вход с выхода блока ФР;

2. установка амплитуды пилообразного напряжения, обеспечивающей необходимый размер развертки электронного луча на экране ЭЛТ;

3. привязка пилообразного напряжения развертки к определенному уровню, обеспечивающему работу усилителя блока УПТ в линейном режиме.

Корректировка уровня компенсации постоянной составляющей пилообразного напряжения осуществляется потенциометром "Установка 0" (поз. 64), расположенным в блоке управления и индикации (БУИ).

Установка амплитуды развертки осуществляется потенциометром "Амплитуда линейного режима" в блоке БУИ (поз. 73).

Блок УПТ

Блок УПТ представляет собой усилитель постоянного тока, собранный на транзисторах поз. 6, 10, 14, 16 и 18.

Входным каскадом блока УПТ является эмиттерный повторитель, собранный на транзисторе поз.6. Этот каскад служит для согласования блока УПТ с блоком БС. Напряжение питания каскада определяется разностью выходных напряжений двух стабилизаторов напряжения, выполненных на стабилитронах поз. 5 и 11. В состав стабилизатора, определяющего нижний потенциал питающего напряжения указанного каскада, входит резистор поз. 13 (820 ом) и стабилитрон поз. 5 (КС139А). На вход стабилизатора подается напряжение + 27 в из блока питания. Это напряжение распределяется между стабилитроном и резистором. Падение напряжения на стабилитроне при его обратном включении не зависит от величины протекающего по нему тока и равно напряжению стабилизации этого стабилитрона (в данном случае + 3,9 в). Верхний потенциал питающего напряжения определяется выходным напряжением стабилизатора, состоящего из резистора поз. 7 (1,8 ком) и стабилитрона поз. 11 (Д814Г). На вход стабилизатора подается из блока питания напряжение – 27 в, а с его выхода снимается – 11 в.

Каскад на транзисторе поз. 10 представляет собой усилитель, выполненный по схеме с общей базой. Входное напряжение подается в цепь эмиттера транзистора поз. 10. В целях стабилизиции режима работы блока УПТ каскад охвачен отрицательной обратной связью. Напряжение обратной связи снимается с резистора поз. 12, включенного в цепь нагрузки блока УПТ последовательно с отклоняющей катушкой вертикального направления, и подается в цепь базы транзистора поз.10.

Выходным устройством блока УПТ является трехкаскадный эмиттерный повторитель, собранный на транзисторах поз. 14, 16 и 18. Нагрузкой эмиттерного повторителя является отклоняющая система, с помощью которой осуществляется линейное перемещение электронного луча в вертикальном направлении.

Субблок СТ

Субблок СТ выполнен на транзисторах и предназначен для стабилизации тока в центрирующих обмотках отклоняющей системы при изменении температуры. Этот же блок обеспечивает смещение развертки в небольших пределах путем изменения выходного тока. Смещение развертки в вертикальном направлении осуществляется с помощью потенциометра "Смещение Y", расположенного в блоке управления и индикации (поз. 78).

Узел ЭЛТ

Узел ЭЛТ объединяет следующие элементы схемы, входящие в состав блока БУИ:

• электронно-лучевая трубка с цепями питания;

• отклоняющая система;

• органы оперативной и полуоперативной регулировки яркости и центровки;

• цепи коммутации линейного и кругового режимов.

Электронно-лучевая трубка 23ЛМ3С питается от высоковольтного блока питания ВП–95. Этот блок вырабатывает напряжения + 400 в и + 12 000 в. Регулировка яркости луча осуществляется изменением напряжения на катоде ЭЛТ. Пределы изменения яркости устанавливаются с помощью полуоперативных органов управления (потенциометры поз. 81 и 84). Оперативная регулировка яркости осуществляется потенциометром поз. 82, находящегося на лицевой панели блока БУИ.

Кроме того, через конденсатор поз. 80 в цепь катода подаются импульсы подсветки отрицательной полярности, соответствующие по времени приему эхосигналов. Эти импульсы автоматически увеличивают яркость ЭЛТ в моменты прихода эхосигналов. Импульсы подсветки снимаются с видеодетектора усилителя УС–25.

Гашение луча при отсутствии развертки и гашение луча на время действия теневой метки осуществляется подачей на модулятор ЭЛТ напряжения – 27 в с выхода усилителя постоянного тока блока ФР.

Отклоняющая система состоит из нескольких обмоток. Для перемещения луча ЭЛТ снизу вверх при работе в режиме линейной развертки пилообразное напряжение подается на обмотку 11 – 12. Отклонение луча в горизонтальном направлении в моменты прихода эхосигналов осуществляется путем подачи радиоимпульсов с выхода блока УС–25 на обмотку 13 – 14. Электрическая центровка изображения в вертикальном направлении осуществляется изменением тока в обмотке 9 – 10. Начальная центровка осуществляется постоянным магнитом.

Принцип действия и структурная схема электронного индикатора с радиально-круговой системой развертки

Структурная схема работы электронного индикатора в круговом режиме представлена на рис. 44, б. В этом режиме работа блоков ФЗ и ФР ничем не отличается от работы их в линейном режиме. С выхода блока ФР пилообразные импульсы развертки приходят в блок БС на сетку каскада с разделенной нагрузкой, с которого равные по амплитуде, но противоположные по фазе импульсы поступают на фиксаторы уровней нулей. Линейный участок характеристики для выходных напряжений осуществляется потенциометром "Режим" в блоке БС. Фиксаторы уровня нуля положительного и отрицательного напряжений предназначены для формирования пилообразных импульсов без постоянной составляющей. Это необходимо для получения радиально-круговой развертки, начинающейся из центра экрана ЭЛТ. Фиксация уров­ней осуществляется потенциометрами, расположенными в блоке управления и индикации БУИ. Пилообразные импульсы разверт­ки без постоянных уровней из блока БС подаются на синусно-косинусный прецизионный потенциометр СКП, установленный в поворотно-выдвижном устройстве гидролокатора и кинематически связанный с двигателями поворота антенны в горизонтальной плоскости. СКП используется для создания вращающегося магнитного поля при неподвижной отклоняющей системе ЭЛТ. Кинематическая связь между СКП и двигателями поворота такова, что при полном обороте антенны ось потенциометра СКП делает также один оборот. Со щеток СКП снимаются импульсы пилообразного напряжения, изменяющиеся: с одной — по синусоидальному закону, с другой — по косинусоидальному. Эти пилообразные импульсы поступают на подстроечные резисторы "Ампл. X" и "Ампл. У", с движков которых пилообразные импульсы, изменяющиеся по синусоидальному и косинусоидальному законам, поступают в блок БС — каскада фиксации уровней. Оттуда напряжения развертки подаются на усилители постоянного тока УПТ "X" и УПТ "У". С выходов блоков УПТ "X" и УПТ "Y" напряжения развертки подаются в катушки отклоняющей системы узла ЭЛТ. Развертка на экране ЭЛТ осуществляется от центра к периферии. Угол поворота электронного луча определяется суммарным магнитным полем двух катушек, по которым протекают токи, изменяющиеся по синусоидальному и косинусоидальному законам.

Электрическая центровка луча развертки осуществляется центрирующими катушками, величина тока в которых регулируется потенциометрами "Смещение X", "Смещение У" и стабилизируется блоками стабилизации СТ "X" и СТ "Y". Назначение и работа времязадающих цепей такие же, как и в линейном ре­жиме.

СЕТЕВЫЕ ЗОНДЫ

Общие сведения

Применение рыбопоисковых эхолотов и гидролокаторов для прицельного траления имеет весьма существенный недостаток. Этот недостаток заключается в том, что определение параметров рыбных скоплений производится в момент прохождения судна над косяком или вблизи него, а трал буксируется за кормой судна на значительном расстоянии (до 1 – 3 км). Поэтому в точку, где было зафиксировано скопление рыбы, трал приходит с большим запаздыванием. Время запаздывания зависит от длины вытравленных ваеров и от скорости судна. В течение промежутка времени от момента прохождения судна над рыбным скоплением до момента облова этого скопления тралом судоводитель практически лишен возможности контролировать положение скопления в пространстве. Не располагая данными о параметрах трала, он не в состоянии совершать какие-либо маневры для более эффективного облова скопления.

Указанный недостаток может быть ликвидирован только в том случае, если информация о рыбных скоплениях, получаемая во время траления, будет привязана к тралу, а параметры орудий лова – подвергаться дистанционному контролю. Для решения этих задач применяются сетевые зонды.

Сетевым зондом называется устройство, собирающее сведения о параметрах орудий лова, расположении рыбных скоплений относительно орудий лова и о гидрофизических характеристиках воды в районе орудий лова. Указанные сведения собираются с помощью специальных датчиков, установленных в различных частях орудий лова, и передаются на судно по кабельному или гидроакустическому каналу связи.

К основной информации, получаемой с помощью сетевых зондов, относятся:

• горизонт хода трала;

• вертикальное раскрытие трала;

• расстояние от нижней подборы трала до грунта;

• расположение рыбы относительно трала;

• количество рыбы, заходящей в трал.

К дополнительной информации относятся:

– степень наполнения мешка трала рыбой;

– температура воды в месте расположения трала;

– расстояние между траловыми досками;

– нагрузки, действующие на сетное полотно и т. п.

В зависимости от принципа измерения горизонта хода трала и способа передачи информации на борт судна существуют несколько типов сетевых зондов:

По принципу измерения горизонта хода трала:

• гидростатические;

• эхолотные.

По способу передачи информации на борт судна:

• с кабельным каналом связи;

• с гидроакустическим каналом связи.