ВЫСОКОЧАСТОТНАЯ МНОГОЭЛЕМЕНТНАЯ ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ АНТЕННА

Полезная модель относится к гидроакустике и предназначена для решения задач освещения подводной обстановки с использованием гидролокатора обзора ближней обстановки и многолучевого эхолота.
При разработке гидроакустических антенн в высокочастотном диапазоне частот 200-500 кГц и более необходимо обеспечить большой сектор обзора (не менее 45°) в плоскости сканирования антенны. При наличии близко расположенных целей необходимо повышать разрешающую способность антенны, т.е. требуется обеспечить ширину характеристики направленности, меньшую, чем размер лоцируемых объектов. Для обеспечения возможности сканирования в заданном секторе обзора с требуемой разрешающей способностью увеличивают количество активных пьезокерамических элементов. При этом для получения острой диаграммы направленности необходимо увеличить рабочую частоту, что достигается на практике выбором геометрических размеров активных пьезокерамических элементов.
Известна высокочастотная многоканальная гидроакустическая антенна, в которой решается задача возможности регулирования ширины секторной характеристики направленности каналов (Патент РФ №2440586 по кл. G01S 7/521 H01Q 1/00, опубликовано 27.09.2011). Антенна включает слой акустически прозрачного материала, на котором установлены пьезокерамические элементы, между которыми расположены узлы акустической развязки, выполненные в виде резиновых прокладок.
Такая акустическая развязка не обеспечивает акустическую развязку в рабочем диапазоне частот 200-500 кГц.
Известна гидролокационная фазированная линейная антенная решетка с полимерным покрытием (Патент РФ №2528142, по кл. Н01Q 21/00, H04R 1/44, опубликовано 10.09.2014). Для обеспечения заданной полосы пропускания и повышения срока службы антенна содержит пьезокерамические активные элементы, установленные на плоском основании в корпусе, наружный герметизирующий слой со стороны ее рабочей поверхности выполнен из звукопрозрачного полиуретана, между наружным герметизирующим слоем и рабочей поверхностью пьезоэлементов введено дополнительное композитное звукопрозрачное покрытие, выполненное из уретанового герметика, обладающее сдвиговыми потерями. Добротность колебательной системы, состоящей из пьезоэлемента и дополнительного звукопрозрачного слоя уменьшается, что ведет к расширению полосы пропускания. Величина полосы пропускания регулируется толщиной слоя из уретанового герметика, величина которого лежит в пределах от λ/8 до λ/4, где λ - длина волны звука в материале герметика. Наружный герметизирующий слой адгезионно связан с дополнительным композитным звукопрозрачным покрытием и корпусом.
Недостатком рассмотренной выше антенны является то, что при ее конструировании не учтено взаимное влияние пьезокерамических элементов друг на друга, что приводит к искажениям характеристики направленности (см., например, Г.М. Свердлин Прикладная гидроакустика изд. «Судостроение», Ленинград, 1976 г., стр. 97-102).
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение разрешающей способности гидроакустической антенны в диапазоне частот 200-500 кГц за счет улучшения акустической развязки между пьезокерамическими элементами.
Для достижения указанного технического результата в высокочастотную многоэлементную гидроакустическую антенну, содержащую n пьезокерамических элементов, расположенных вдоль рабочей поверхности на расстоянии λ/2 между осями пьезокерамических элементов, на рабочей поверхности которых нанесен герметизирующий акустически прозрачный слой, а противоположная поверхность пьезокерамических элементов снабжена акустическим демпфером, и между пьезокерамическими элементами расположен узел акустической развязки, введены новые признаки, а именно: узел акустической развязки выполнен в виде пластины из фторопласта, боковые поверхности которой покрыты слоями силикона, при этом толщина пластины из фторопласта составляет (0,5-0,6)А, где А - расстояние между боковыми гранями соседних пьезокерамических элементов.
При шаге расположения элементов антенны, равном λ/2, на низких частотах используются прокладки между пьезоэлементами из полимера типа резины, в которых при поперечных колебаниях пьезоэлементов прокладки деформируются в продольном направлении. Т.к. толщина прокладок достаточно велика, на низких частотах обеспечивается требуемая акустическая развязка между элементами.
При шаге расположения элементов антенны, равном λ/2, на высоких рабочих частотах из-за уменьшения шага А расположения элементов антенны необходимо уменьшать толщину прокладки из материала типа резины, что приведет к увеличению взаимного влияния элементов антенны.
Выполнения узла акустической развязки в виде пластины из фторопласта, боковые поверхности которой покрыты слоями силикона, при этом толщина пластины из фторопласта составляет (0,5-0,6)А, где А - расстояние между боковыми гранями соседних пьезокерамических элементов, обеспечивает необходимую акустическую развязку. При этом поперечные механические колебания пьезоэлемента вызывают поперечную деформацию слоя силикона и его продольное расширение. Так как пластина из фторопласта имеет волокнистую структуру в вертикальном направлении, это препятствует передаче вертикальных колебаний в другой слой силикона. То же самое происходит в обратном направлении. Из источников информации неизвестно выполнение узла акустической развязки в виде многослойного композита
Сущность полезной модели поясняется фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3, где на фиг. 1и фиг. 2 приведена конструкция высокочастотной многоэлементной гидроакустической антенны (вид спереди и сверху, соответственно), на фиг. 3 - график зависимости значения акустической развязки от относительной толщины фторопластового слоя.
Высокочастотная многоэлементная гидроакустическая антенна (фиг. 1, 2) содержит n пьезокерамических элементов 1, расположенных вдоль рабочей поверхности на расстоянии А/2 между осями пьезокерамических элементов 1, на рабочей поверхности элементов нанесен герметизирующий акустически прозрачный слой 2, противоположная поверхность пьезокерамических элементов 1 снабжена акустическим демпфером 3. Между пьезокерамическими элементами 1 расположен узел акустической развязки, выполненный в виде пластины 4 из фторопласта, боковые поверхности которой покрыты слоями силикона 5, 6 соответственно. Толщина пластины 4 из фторопласта составляет (0,5-0,6)А, где А - расстояние между боковыми гранями соседних пьезокерамических элементов.
Для изготовления узла акустической развязки пластины из фторопласта 4 толщиной 0,03 мм для рабочей частоты 500 кГц погружались в жидкий силикон марки СКТН-А П-538 и затем помещались между стеклянными пластинами до окончания полимеризации силикона.
Между пьезокерамическими элементами из пьезоэлектрического материала марки ЦТБС помещали изготовленные пластины из фторопласта с силиконовыми слоями. На рабочую поверхность полученной сборки методом отливки наносился герметизирующий акустически прозрачный слой из полиуретана марки СКУ-ПФЛ-100, на противоположную поверхность сборки методом отливки наносился акустический демпфер из полиуретана марки СПБ-ХП-80.
Заявленная антенна работает следующим образом: в режиме излучения на пьезокерамические элементы 1 подается рабочее электрическое напряжение, которое вызывает продольные и поперечные колебания пьезокерамических элементов 1. Герметизирующий акустически прозрачный слой 2 обеспечивает передачу механических колебаний от пьезокерамических элементов 1 в окружающую среду. В акустическом демпфере 3 происходит поглощение акустических колебаний от пьезокерамических элементов 1, направленных в сторону основания антенны. Для формирования заданной диаграммы направленности и величины сектора обзора необходимо выполнение условия минимизации взаимного влияния пьезокерамических элементов друг на друга. Выполнение такой акустической развязки в виде пластины 4 из фторопласта, боковые поверхности которой покрыты силиконом 5, 6, соответственно, обеспечивает минимально возможную толщину, при которой поперечные колебания пьезоэлектрических элементов не передаются от одного к другому. В отличие от традиционно применяемого слоя полимера, такого как резина для акустической развязки, в заявляемой высокочастотной антенне использована многослойная конструкция, позволяющая обеспечить требуемую развязку при уменьшении толщины акустически развязывающего узла.
Выполнение узла акустической развязки в виде пластины из фторопласта, боковые поверхности которой покрыты слоями силикона, обеспечивает необходимую акустическую развязку в диапазоне частот 200-500 кГц. При этом поперечные механические колебания пьезоэлемента вызывают поперечную деформацию слоя силикона и продольное расширение. Так как пластина из фторопласта имеет волокнистую структуру в вертикальном направлении, это препятствует передаче вертикальных колебаний в другой слой силикона. То же самое происходит в обратном направлении.
При математическом моделировании методом конечных элементов установлена взаимосвязь между толщиной фторопластовой пластины, толщиной покрывающих слоев силикона и уровнем акустической развязки между пьезокерамическими элементами.
Как видно из графика (фиг. 3), максимальный уровень акустической развязки обеспечивается при толщине фторопластового слоя (0,5-0,6)А, где А - расстояние между боковыми гранями соседних пьезокерамических элементов.
Изготовленный опытный образец высокочастотной линейной многоэлементной гидроакустической антенны имеет следующие технические характеристики
Рабочая частота, кГц
400
Количество каналов (излучение/прием), шт.
48
Сектор обзора (сканирования), градус, не менее
±45
Ширина характеристики направленности на уровне
минус 3 дБ от значения основного максимума
плоскости сканирования (для 48 каналов линейной
АР и 42 каналов цилиндрической АР), градус
2
Ширина характеристики направленности на уровне
минус 3 дБ от значения основного
максимума в плоскости, перпендикулярной
плоскости сканирования, градус
27
Приведенные технические характеристики опытного образца полезной модели подтверждают, что заявленный технический результат достигнут.