МНОГОЭЛЕМЕНТНАЯ ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ АНТЕННА
MULTIPLE-UNIT HYDROACOUSTIC ANTENNA

Предлагаемая антенна может быть использована в гидролокационных станциях, осуществляющих круговой или секторный обзор остронаправленной сканируемой диаграммой направленности.
В гидроакустике и ультразвуковой технике находят применение устройства, состоящие из системы стержневых пьезоэлектрических преобразователей, закрепленных на общей поршнеобразно колеблющейся металлической накладке, толщина которой близка к четверти длины волны продольных колебаний (см., например, Б.Кэрлин "Ультразвук". Издательство иностранной литературы, Москва, 1950 год, стр.221; Тюрин А.М. "Основы гидроакустики". Издательство Судостроение, 1966 г.).
Достоинством таких антенных устройств, в сравнении с антеннами, состоящими из обособленных преобразователей, являются: максимально возможный коэффициент использования приемно-излучающей поверхности, простота конструкции, защищенность преобразователей от внешних механических воздействий. Их недостаток заключается в невозможности, при нерегламентированных толщине накладки и взаимном расположении преобразователей, электрического управления диаграммой направленности в пространстве путем введения по преобразователям амплитудно-фазовых распределений, без существенного ухудшения эффективности и искажения диаграммы направленности. Эти нежелательные свойства антенны с общей накладкой проявляются из-за значительной паразитной акустико-механической связи между преобразователями через накладку и возникновения в ней изгибных колебаний.
Целью настоящего изобретения являлось устранение указанных недостатков многоэлементной конструкции с общей накладкой. Эта цель достигается путем регламентации отношения двух конструктивных размеров: толщины накладки (оболочки) h и промежутка между преобразователями l к длине волны продольных колебаний в материале накладки λ.
Это соотношение должно быть выбрано в допустимом интервале значений: таком, при котором оказывается возможным, с одной стороны, свести к минимуму волноводное распространение звуковой энергии вдоль общей накладки, обеспечив за счет допустимого (с точки зрения механической прочности конструкции) уменьшения отношения h/λ достаточную степень механической развязки между преобразователями, с другой стороны, избежать возникновения изгибных колебаний накладки путем соответствующего выбора ширины промежутка между преобразователями, в котором ограничивается толщина накладки.
Перечисленные условия выполняются, если соотношение между конструктивными размерами и длиной волны продольных колебаний подчиняется следующему неравенству:
На фиг.1 показан фрагмент рабочей части одного из вариантов антенны предлагаемого типа.
Здесь: 1 - часть общей цилиндрической накладки (оболочки),
2 - стержневой пьезоэлектрический, армированный к оболочке преобразователь,
3 - согласующий механический трансформатор,
4 - h и l - регламентируемые конструктивные размеры.
Для осуществления электрического управления диаграммой направленности, например, формирования компенсированной диаграммы направленности с уменьшенными боковыми лепестками, у антенны с цилиндрической оболочкой преобразователи возбуждают напряжением, амплитуду и фазу которого изменяют от преобразователя к преобразователю по законам, известным из теории дискретных цилиндрических антенн. При этом возбуждаемая часть антенны будет совершать поршнеобразные колебательные движения с плавно меняющейся фазой и амплитудой вдоль оболочки.
Реальность создания многоэлементных антенн с управляемыми диаграммами направленности, имеющих сплошную приемно-излучающую поверхность в виде металлической оболочки, была подтверждена положительными результатами испытаний действующего макета, общий вид которого показан на фиг.2. Внешний диаметр цилиндра 1 метр. На фиг.3 представлены экспериментальные диаграммы направленности (масштаб записи 25 дБ),
где 1 - круговая некомпенсированная диаграмма направленности на частоте резонанса продольных колебаний,
2 - компенсированные для секторов 150° и 130° диаграммы направленности на резонансной частоте,
3 - компенсированная для сектора 150° диаграмма направленности ниже резонансной частоты.
Фазовая компенсация секторов производилась с помощью линий задержек, используемых для дискретных антенн.
Из чертежей видно, что неравномерность диаграммы направленности некомпенсированной круговой базы не превышает 2 дБ, компенсированные диаграммы направленности имеют малый уровень боковых лепестков (~15%) и ширину, близкую к расчетной, для соответствующей дискретной антенны. КПД антенны ~60%.