ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ СИГНАЛИЗАТОР

А. Давыдов, Б. Давыдов, Радио №4/1964, ст.52

Гидроакустический сигнализатор незаменим во время соревно­ваний ныряльщиков на длительность пребывания под водой. Сама идея сигнализации с помощью радиотехнических средств о чрезмерно длительном, а следовательно опасном для жизни, пребывании под водой заслуживает внимания радиолюбителей.

Датчик, реагирующий на длительное пребывание на глубине 1—2 м под водой не универсален, так как несчастный случай может произойти на меньшей глубине. Следовало бы сконструи­ровать датчик, реагирующий на прекращение дыхания или сердцебиения.

Гидроакустическая аппаратура автоматической сигнализации о тонущем человеке состоит из малога­баритных автоматических передат­чиков и одного «дежурного» прием­ника. Передатчики закрепляются на теле пловцов, а приемник находится на спасательном посту непосред­ственно у воды. При приеме сигналов бедствия от любого из передатчиков на спасательном посту автоматиче­ски включается световая и звуковая тревожная сигнализация.

Дальность действия аппаратуры порядка 200 м.

Передатчик

Передатчик, блок-схема которого помещена на рис. 1, а принципи­альная схема — на рис. 2, состоит из датчика погружения, реле вре­мени и генератора ультразвуковых колебаний с пьезокерамическим из­лучателем. Рабочая частота пере­датчика 53 кгц.

С целью повышения надежности и экономичности передатчика вклю­чение его питания осуществляется контактами датчика погружения, ко­торый отрегулирован так, что за­мыкание происходит при погружении на глубину свыше 0,2—0,5 м. Реле времени исключает возмож­ность подачи ложных сигналов при нырянии купающихся и включает передатчик только через 55—60 сек после срабатывания датчика погру­жения. Такое время выдержки вы­брано исходя из того, что трениро­ванный пловец способен задержать дыхание под водой на время порядка одной минуты. Всякий случай пре­бывания человека под водой дольше одной минуты может расцениваться как опасный для жизни. Если же в практике и будут встречаться случаи, когда ныряльщик сможет находиться под водой дольше одной минуты, то, во-первых, после подъе­ма пловца на глубину менее границы срабатывания датчика погружения тревожная сигнализация выключит­ся, а, во-вторых, в приемнике име­ется дополнительно реле времени, выдержку которого можно регули­ровать в зависимости от необходи­мости в широких пределах.

Для излучения и приема ультра­звуковых колебаний в передатчике и в приемнике применены пьезокера­мические преобразователи из титаната бария чувствительностью 3-10 мкв/бар, имеющие форму по­лого цилиндра с наружным диа­метром 30 мм, внутренним диаметром 26 мм и высотой 28 мм. Электро­акустический коэффициент полез­ного действия таких преобразова­телей порядка 25%.

Цилиндрическая форма преобразо­вателей позволяет получить круго­вую характеристику направленности приемника и передатчика, доста­точно же малое отношение высоты преобразователя к длине рабочей волны приближает характеристику, направленности к сферической. И все же у преобразователей цилиндриче­ской формы пространственная ха­рактеристика излучения (приема) имеет зоны малой интенсивности (чув­ствительности) сигналов. Хотя ве­роятность совпадения зон малой интенсивности передатчиков с зоной малой чувствительности приемника невелика, этих зон желательно не иметь совсем. Для получения в пространстве полной сферической и равномерной характеристики излу­чения (приема) более эффективным будет применение в аппаратуре пре­образователей сферической формы.

Генератор ультразвуковых коле­баний и реле времени выполнены на двух транзисторах Т1 и Т2 типа П-13А и П-401. На первом из них собрано реле времени и на втором собственно генератор. Генератор со­бран по схеме с индуктивной обрат­ной связью. В качестве источника питания в передатчике используются два ак­кумулятора типа Д-0,06, соединен­ные последовательно. При погру­жении на глубину менее 0,2—-0,5 м передатчик электрической энергии не потребляет; при нахождении на большей глубине, когда работает реле времени, потребление тока составляет 4,0 ма. В режиме излу­чения передатчик потребляет ток 3,0 ма, поэтому практически можно считать, что продолжительность ра- боты источников питания в течение одного цикла определяется време­нем их саморазряда. Выходная элек­трическая мощность передатчика со­ставляет 6,0 мВт, акустическая мощ­ность — около 2 мВт.

Расположение деталей передат­чика изображено на рис. 4.

Передатчик смонтирован внутри корпуса пьезокерамического преоб­разователя на прямоугольной гети- наксовой плате, имеющей размеры 15х22 мм. Транзистор Т2 взят с коэффициентом усиления не менее 60. Трансформатор Tp1 выполнен на ферритовом кольце (Ф-600) с на­ружным диаметром 8 мм. Обмотки I и II содержат соответственно 70 и 9 витков провода ПЭЛШО 0,17. С целью получения наименьших габаритов конденсатор С1 собран из 12 параллельно соединенных кон­денсаторов типа ЭМИ 10мкф х 3в. Нижний торец преобразователя (ПКП) клеем 88 закреплен в пазу гетинаксовой фигурной крышки. В корпусе крышки имеется гермети­зированное отделение для аккуму­ляторов. Замена аккумуляторов про­изводится через дно крышки, ук­репленное на шести винтах. Герме­тизация дна осуществляется посред­ством круглой резиновой прокладки сечением 2×2 мм² диаметром 20 мм.

Схематический чертеж датчика по­гружения дан на рис. 5. Контактная группа (К) датчика погружения ук­реплена с внутренней стороны верх­ней крышки (ВК) преобразователя. Воспринимающим элементом датчи­ка погружения является опорный штифт (1), выполненный в форме грибка. Диаметр верхней площадки равен 10 мм. Сверху на крышку и опорный штифт клеем 88 приклеена эластичная резина (2) толщиной 0,2— 0,3 мм. При погружении передат­чика на глубину 0,2—0,5 м опор­ный штифт под давлением воды, перемещаясь до упора в ограничи­тель, производит переключение кон­тактов. Регулировка датчика глу­бины производится с помощью гру­за, равного силе давления столба воды высотой в 0,2—0,5 м (около 40 г).

Частота генерации определяется индуктивностью первичной обмотки трансформатора Тр1 и емкостью пьезо­керамического преобразователя. На­стройка передатчика производится по частотомеру на резонансную ча­стоту преобразователя изменением числа витков первичной обмотки трансформатора. Настройка пере­датчика посредством подсоединения параллельно преобразователю доба­вочного конденсатора нежелательна, так как это приводит к бесполезной потере выходной мощности пере­датчика. Выдержка реле времени регулируется изменением величины емкости конденсатора С1.

Вопрос наиболее рационального размещения передатчика на купа­ющемся человеке имеет немаловажное значение как с точки зрения неже­лательной экранировки сигналов пе­редатчика телом человека, так и с точки зрения обеспечения свободы движений пловца в воде.

Как показал опыт, наиболее удоб­ным вариантом размещения пере­датчика на купающемся человеке следует считать крепление на плава­тельной шапочке, в специально пре­дусмотренном резиновом «кармане». В связи с небольшим весом (50 г на воздухе и 22 г в воде) такой способ крепления не вызывает не­удобств.

ПРИЕМНИК

Распространяющиеся от передат­чика по воде ультразвуковые коле­бания воспринимаются пьезокера­мическим преобразователем, усили­ваются приемно-усилительным трак­том и осуществляют включение тре­вожной сигнализации.

Принципиальная схема приемни­ка приведена на рис. 3. Он собран на восьми транзисторах по своеоб­разной супергетеродинной схеме с заземленным эмиттером и предна­значен для работы на фиксированной частоте 53 кгц. Номинальное на­пряжение питания — 15 в (четыре батареи КБС-Л-0,5); при снижении напряжения питания до 11 в рабо­тоспособность приемника полностью сохраняется. Потребляемый ток й дежурном режиме порядка 17—20 ма; в режиме включения предваритель­ного индикатора около 105 ма ив режиме работы тревожной сигна­лизации — не более 300 ма.

Коэффициент усиления приемника по напряжению равен 6-9х10⁵. Чув­ствительность, определяемая мини­мальной величиной сигнала на базе первого транзистора, при котором срабатывает реле P1, равна 1 мкв.

Усилитель ВЧ состоит из трех каскадов, собранных на транзисто­рах Т1,Т2,Т3. Преобразователь ПКП вместе с первичной обмоткой трансформатора Тр1 составляет кон­тур, настроенный в резонанс на частоту 53 кгц. Межкаскадные со­гласующие трансформаторы Тр2 и Трз также являются резонансной нагрузкой и повышают избиратель­ность приемника.

Для получения максимального усиления и уменьшения вероятности самовозбуждения каскадов усиления ВЧ второй и третий каскады со­браны по каскодной схеме с парал­лельным питанием .Усиленные ультра­звуковые колебания вместе с ча­стотой гетеродина со вторичной обмотки трансформатора Трз по­ступают на смеситель, собранный на транзисторе Т4. Гетеродин при­емника собран на транзисторе Т8 по той же схеме, что и генератор передатчика. Низкочастотные коле­бания, представляющие собой раз­ность частот основного сигнала и гетеродина, выделенные в обмотке I трансформатора Тр4 усиливаются кас­кадом усилителя НЧ, выполненного на транзисторе Т5. После выпрям­ления (диод Д1) напряжение сигнала подается на усилитель постоянного тока (транзистор Т6) с высокочув­ствительным поляризованным реле P1 в цепи коллектора.

При поступлении сигнала сраба­тывает реле P1. Через контакты этого реле подается питание на пред­варительный индикатор — лампочку Л1 на один полюс звонка (ЗВ) тревожной сигнализации и одновре­менно снимается минус напряжения питания с конденсатора C16 и с базы открытого до этого транзи­стора Т7 реле времени. При этом контакты реле Р2 разомкнуты. Кон­денсатор C16 начинает разряжаться на сопротивление R24, и через не­которое время ток транзистора Т7 уменьшится настолько, что якорь реле Р2 перебросит контакты реле и плюс источника питания подклю­чится ко второму выводу звонка, приведя в действие тревожную сиг­нализацию. Время выдержки реле времени может изменяться в преде­лах от 0 до 60 сек с помощью пере­менного сопротивления R24 выве­денного на переднюю панель при­емника.

В исправном приемнике при лег­ком трении пальцем по поверхности преобразователя загорается лампоч­ка Л1 и срабатывает звуковая сиг­нализация.

Приемник смонтирован на двух гетинаксовых платах, установленных на шасси и на передней панели прибора, жестко скрепленной с шас­си. Шасси вставляется в металли­ческий кожух, имеющий размеры 240x145x 180 мм, на котором ук­реплена ручка для , переноски прибора и замки для закреп­ления шасси внутри кожуха. Монтаж и расположение деталей приемника хорошо видны на рис. 6.

На переднюю панель приемника выведены: переключатель П1 лам­почка-индикатор Л1 ручка потен­циометра R24 со шкалой установки выдержки времени и разъем для подсоединения коаксиального кабеля с гидроакустическим преобразова­телем. Реле Р1 и Р2 применены типа РП-5, двухпозиционные с преобладанием. Сопротивление обмоток реле 6000 ом.

Гидроакустический преобразова­тель приемника закреплен между двумя латунными крышками, ко­торые стягиваются тремя шпиль­ками. Герметизация внутренней по­лости преобразователя осуществля­ется резиновыми прокладками в па­зах. В одной из крышек имеется сальник с резиновым уплотнением, через который осуществляется ввод кабеля типа РК-1 от приемника.

Намоточные данные трансформа­торов приведены в табл. 1.

При монтаже приемника особое внимание следует обратить на раз­мещение каскадов усиления ВЧ и гетеродина. Трансформаторы необ­ходимо разместить друг от друга на расстоянии не менее 30 мм и так, чтобы оси их симметрии были расположены под углом 90°; гете­родин желательно смонтировать на отдельной плате вместе с исполни­тельной частью приемника.

После проверки правильности мон­тажа приемника включается питание и производится проверка режимов транзисторов по постоянному току (см. таблицу 2). После этого настраивают усили­тель ВЧ. Для чего отключают гете­родин и на вход приемника от генератора стандартных сигналов че­рез конденсатор емкостью 0,05— 0,1 мкф подают немодулированные колебания с частотой 53 кгц; усилен­ное напряжение высокой частоты измеряется ламповым вольтметром на коллекторе транзистора Тз. При выключении сигнала со входа при­емника вольтметр должен показы­вать напряжение собственных шу­мов приемника. Величина этих шу­мов, приведенная к входу, не долж­на превышать 0,01 мкв для наст­роенного приемника (при закоро­ченном входе). Если при выключении сигнала вольтметр показывает на­пряжение, значительно превыша­ющее уровень шумов, то это указы­вает на возбуждение в каскадах усиления ВЧ. Для устранения этого следует несколько разнести друг от друга трансформаторы Тр2 и Трз, в ряде случаев помогает смена концов вторичных обмоток этих трансформаторов.

Затем необходимо настроить в резонанс контуры трансформаторов Тр1 Тр2 и Трз изменением величин конденсаторов Сз и C8 или подбором чисел витков первичных обмоток. В последнюю очередь производит­ся настройка контура, образован­ного гидроакустическим преобразо­вателем и первичной обмоткой транс­форматора Тр1. В этом случае сиг­нал на входе приемника восприни­мается непосредственно преобразова­телем ПКП от катушки индуктив­ности, включенной на выходе ГСС и установленной на расстоянии 10— 15 см от ПКП. На катушку индук­тивности с ГСС подается сигнал напряжением около 1 в. Настройка входного контура в резонанс дости­гается изменением числа витков об­мотки I или подключением парал­лельно контуру конденсаторов. Резо­нанс определяется по максимальному показанию вольтметра. Чувствитель­ность приемника после настройки входного контура должна повы­ситься в 1,5—2 раза.

Подключенный к схеме гетеродин настраивается по частотомеру на частоту 51—51,5 кгц изменением числа витков обмотки I трансфор­матора Трь и подстроечным сердеч­ником.

Работа смесителя и усилителя НЧ проверяется при подаче на вход приемника частоты 53 кгц от ГСС. Наибольшее усиление и лучшая пе­редача низкочастотных сигналов до­стигается подбором смещения на базе транзистора Т4 с помощью сопротивлений R₁₀ и R12.

Реле Р1 исполнительной части приемника должно срабатывать при напряжении на базе транзистора Т6 минус 0,1—0,2 в, ток коллектора в этом случае равен 0,15—0,2 ма; при установке электромагнитных ре­ле с более низкоомными обмотками коллекторный ток может увеличи­ваться до 8—10 ма После настройки передатчика и приемника в отдельности проверя­ется работа всей аппаратуры в воде.