МНОГОЭЛЕМЕНТНАЯ ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ АНТЕННА ДЛЯ ГИДРОЛОКАТОРА

Полезная модель относится к области гидроакустики, в частности, к сферическим антеннам, и может быть использована при проектировании и разработке гидроакустической аппаратуры для зондирования трехмерного подводного пространства.
Известна конструкция гидроакустической антенны [1], включающая сферический корпус и пластины, покрывающие его, на которых размещены электроакустические преобразователи. Пластины идентичны и имеют форму равнобедренных трапеций, расположенных в полосах, параллельных экватору сферического корпуса.
Антенна крепится к корпусу судна посредством технологического отверстия, лишенного пластин с преобразователями, предназначенного для установки устройства крепления. Также лишена пластин с преобразователями часть сферического корпуса диаметрально противоположная технологическому вырезу.
Диаметр корпуса, как правило, более двух метров, материал сталь.
Недостатком такой антенны является регулярность расположения преобразователей вдоль только одного выделенного направления - полос параллельных экватору. Антенна не может обеспечивать сканирование трехмерного пространства в полном диапазоне телесных углов вследствие отсутствия преобразователей в части сферического корпуса, противоположной технологическому вырезу, кроме этого ее отличает высокий уровень бокового поля и неравномерность характеристики направленности в плоскостях, перпендикулярных экватору сферического корпуса антенны.
Известна гидроакустическая сферическая многоканальная антенна гидролокатора кругового обзора, преобразователи которой располагаются непосредственно на сферическом корпусе [2] в узлах регулярной решетки, построенной на основе додекаедра.
Следует сказать что, предлагаемое в патенте [2] размещение преобразователей не является оптимальным. Известно, что при использовании додекаедрических решеток преобразователи вблизи некоторых узловых точек располагаются более плотно, по отношению к остальным частям сферического корпуса, что приводит к повышенной концентрации звукового поля антенны, в соответствующим этим узловым точкам направлениям.
Однако, звуковое поле по разным направлениям трехмерного пространства более равномерно и уровень бокового поля меньше по сравнению с предыдущим аналогом.
Другим недостатком такой антенны является то, что на ее поверхности может быть размещено строго регламентированное количество преобразователей, определяемое конструкцией додекаедрической решетки, которая вписывается в сферу, что существенно ограничивает возможности проектирования антенн сферической формы.
Известна гидроакустическая антенна сферической формы для гидролокатора [3], имеющая сферический корпус, заподлицо наружной поверхности, которого установлены по спирали стержневые преобразователи, которые тем самым практически равномерно распределены по поверхности сферического корпуса. На одном полюсе сферического корпуса имеется отверстие для крепления антенны к носителю гидролокатора.
По количеству общих признаков антенна [3] является наиболее близкой к заявленной полезной модели и принята за прототип.
Эта антенна обладает равномерным звуковым полем по всем направлениям трехмерного пространства и малым уровнем бокового поля.
Однако практическое изготовление такой антенны чрезвычайно затруднительно, она не технологична, поскольку для придания жесткости корпусу антенны, удерживающему большое количество стержневых пьезоэлектрических преобразователей, как правило, его основу составляет металлический каркас, значительно усложняющий конструкцию и увеличивающий массу антенны в целом, а, значит, и трудозатраты на изготовление, что особенно важно при тиражировании антенн применительно к носителям разного класса.
Технический результат полезной модели заключается в создании легко воспроизводимого конструктива антенны, легко тиражируемого сферического корпуса, обеспечении высокой технологичности ее изготовления, снижении материальных затрат и массогабаритных характеристик, при сохранении параметров антенны и ее направленных свойств.
Для достижения указанного технического результат в многоэлементную гидроакустическую антенну для гидролокатора, содержащую сферический корпус, в котором заподлицо с его наружной поверхностью равномерно размещены пьезоэлектрические стержневые преобразователи, и который имеет на одном полюсе технологическое отверстие введены новые признаки, а именно: сферический корпус выполнен в виде толстостенной полой сферической оболочки из сферопластика, на которой выполнена перфорация в виде сквозных отверстий цилиндрической формы с заходными фасками с наружной стороны, пьезоэлектрические стержневые преобразователи со стаканообразными рабочими накладками герметично установлены в сквозных отверстиях, имеющих ответную стаканообразным рабочим накладкам форму, при этом по контуру технологического отверстия толстостенная полая сферическая оболочка сопряжена с цилиндрическим патрубком, выполненным с ней как единое целое и снабженным фланцем.
Для крепления заявленной антенны к носителю гидролокатора, фланец цилиндрического патрубка может быть герметично скреплен с ответным фланцем несущего патрубка в виде полого усеченного конуса, свободный конец большего диаметра которого завершен крепежным фланцем с отверстиями для крепления к носителю гидролокатора герметично, а внутренняя полость несущего патрубка у его конца большего диаметра герметично закрыта крышкой с электрическими разъемами, к которым подсоединены электрические выводы пьезоэлектрических стержневых преобразователей.
Наилучший результат получается, если выполнить полую сферическую оболочку антенны из акустического ударостойкого сферопластика марки САУ-10ОО и адгезивно покрыть ее с наружной стороны полимерным слоем толщиной не менее 3 мм, например, низкотемпературной резиной марки РС-4.
Сферопластик марки САУ-1000 - наноструктуированный полимер нового поколения отечественных сферопластиков,. легкий, высокопрочный и высокотехнологичный материал, обеспечивающий плавучесть подводной и глубоководной техники.
Сферопластик акустический ударопрочный марки САУ-1000 [3] был разработан специально для формирования сферического корпуса заявляемой полезной модели и является легковесным заливочным или мастичным материалом холодного и горячего отверждения, полученном на основе модифицированных эпоксидных композиций, микроячеистая структура которых создается за счет высокопрочных полых стеклянных микросфер.
Сферопластик марки САУ-1000 может совмещаться послойно или объемами заливки в конструкции подводных технических средств с акустическими резинами, полиуретановыми покрытиями и герметизирующими материалами. Допускается механическая обработка поверхности.
Сферопластик легко льется без давления, является жестким материалом при этом жесткость сферопластика обеспечивает устойчивость сферической оболочки, а ее толщина вкупе с формой отверстий позволяют установить и фиксировать стержневые преобразователи заявленной конструкции и герметизировать как их, так и антенну в целом, что позволяет существенно упростить и удешевить технологию изготовления антенны, и технологию ее сборки. Введенное полимерное покрытие сферической оболочки усиливает эффект герметизации антенны в целом.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1-5, где на фиг. 1 представлена конструкция многоэлементной гидроакустической антенны для гидролокатора, на фиг. 2 представлен фрагмент антенны с преобразователем, на фиг. 3 представлена характеристика направленности опытного образца в режиме ненаправленного излучения, на фиг. 4-5 представлены соответственно экспериментальная и расчетная однолучевые характеристики направленности одних и тех же задействованных пьезоэлектрических преобразователей в пределах выпуклой рабочей поверхности, представляющей собой сферическую “шапку” с полным центральным углом 120° - одна из реализаций заявляемой многоэлементной гидроакустической антенны.
Заявленная антенна (фиг. 1) содержит сферический корпус, выполненный в виде толстостенной полой перфорированной сферической оболочки 1, на которой имеется перфорация в виде сквозных отверстий цилиндрической формы с заходными фасками 10 с наружной стороны (фиг. 2). В сквозные отверстия герметично установлены и зафиксированы заподлицо с наружной поверхностью сферической оболочки 1 пьезоэлектрические стержневые преобразователи 2 со стаканообразными рабочими накладками 11 (фиг. 2), имеющими ответную сквозным отверстиям форму. На одном из полюсов толстостенная сферическая оболочка сопряжена с выполненными заедино цилиндрическим патрубком 3 с отбортовкой в виде фланца 4 с крепежными отверстиями по контуру для скрепления с несущим патрубком 5, который выполнен в виде полого усеченного конуса для размещения в нем проводов от пьезокерамических стержневых преобразователей и крышки 7, которая герметично закрывает его полость и размещена у конца несущего патрубка, имеющего больший диаметр. На этом конце корпус имеет фланец 6 с отверстиями для крепления к объекту. На крышке 7 размещены электрические разъемы 8, к которым подключены электрические выводы от преобразователей с внутренней стороны крышки 7, идущие далее через ответную часть разъемов 8 к аппаратной части гидролокатора (на фиг. 1 не показано). Наружная поверхность сферической оболочки 1 адгезионно покрыта полимерным слоем 9, например, из низкотемпературной резины марки РС-4.
Сборка заявленной антенны осуществляется следующим образом: в заранее отлитый из сферопластика марки САУ-1000 сферический корпус 1 с перфорацией, отверстия которой имеют заходные фаски 10 с наружной стороны, вставляют преобразователи 2, имеющие ответную заходным фаскам форму рабочих накладок 11, при этом происходит фиксация и герметизация преобразователей в антенне. Электрические выводы от преобразователей подсоединяются к электрическим разъемам 8, закрепленных на крышке 7, которая далее закрывается, обеспечивая герметизацию антенны в целом. Для усиления эффекта герметизации антенны на сферическую оболочку 1 нанесено полимерное покрытие 9.
Работа многоэлементной гидроакустической антенны для гидролокатора происходит следующим образом. В зависимости от режима излучения выбирается рабочий сферический сегмент с задействованными в цикле излучения пьезоэлектрическими стержневыми преобразователями. Геометрия рабочей поверхности определяет как количество задействованных преобразователей, так и вид формируемой характеристики направленности. На выводы каждого задействованного стержневого преобразователя 2 подается через электрические разъемы 8 одинаковое по амплитуде электрическое напряжение, либо синфазное при формировании ненаправленной или слабонаправленной, либо компенсированное по фазе при формировании однолучевой характеристики в пределах выпуклой рабочей поверхности, представляющей собой, сферическую "шапку" с полным центральным углом 120°, к эквивалентному плоскому раскрыву. Вследствие пьезоэффекта возбуждаются продольные колебания стержневых пьезоэлектрических преобразователей, обеспечивающих получение звуковых волн, излучаемых с поверхности преобразователей в окружающую среду, а вследствие интерференций звуковых волн в дальнем поле формируются характеристики направленности, либо ненаправленная неравномерность которой не превышает 2 дБ (фиг. 3), либо однолучевая с основным лепестком, ось которого лежит в перпендикулярной плоскости эквивалентного раскрыва и направлена вдоль оси, проходящей через центр сферического корпуса и геометрический центр рабочей поверхности (фиг. 4, 5).
При работе заявленной антенны в режиме приема на электрических выводах задействованных пьезоэлектрических преобразователей 2, регистрируются сигналы, появляющиеся при вынужденных механических колебаниях, обусловленных воздействием звуковых волн, падающих на рабочие поверхности преобразователей 2.
Экспериментальная проверка была проведена на опытном образце, выполненном в полном соответствии с заявляемой конструкции антенны, приведенной на фиг. 1.
Сравнительный анализ приведенных характеристик направленности (фиг. 4, 5) убедительно подтверждает реальность заявленного технического результата - создания многоэлементной гидроакустической антенны для гидролокатора, сферический корпус которой выполнен в виде толстостенной полой сферической оболочки из сферопластика акустического ударостойкого марки САУ-1000, на которой выполнена перфорация в виде сквозных отверстий для герметично закрепляемых пьезоэлектрических преобразователей.
Следует отметить, что основным критерием при выборе новой марки стеклопластика наилучшей рецептуры для сферического корпуса являлось, помимо прочих требований в части механической прочности и прочности к климатическим воздействиям, обеспечение минимальных значений акустической связи между смежными пьезоэлектрическими преобразователями, размещенными в отверстиях сферического корпуса. В заявляемой антенне вышеуказанные значения составляют менее 1%, при волновом сопротивлении материала корпуса, отнесенном к волновому сопротивлению воды равным ~1, что обеспечивает соответственно герметичность антенны, акустическое согласование с рабочей средой и формирование требуемых характеристик направленности в пределах наперед заданных допусков.
Легкая тиражируемость пилотного варианта технически упрощенной конструктивно сложной многоэлементной антенны, корпус которой выполнен из сферопластика марки САУ-1000, каковой является заявляемая сферическая антенна, приводит к существенному снижению трудозатрат и сроков на ее изготовление, а в итоге и ее себестоимости.
Заявленное техническое решение открывает путь к широкому применению легких на основе акустических ударостойких сферопластиков корпусных конструкций гидроакустических антенн нового поколения отечественного приборостроения, в том числе двойного применения, а отсутствие отечественных и зарубежных аналогов только усиливает новизну и полезность положительного и актуального результата от его использования.
Источник информации
1. Патент Франции 2709909 “Hydraulic acoustic antenna with a spherical support” опубликован 17.03.1995 г., МПК H04K 1/44.
2. Патент Японии 2000162308 “Ultrasonic wave-transmitting/receiving device for underwater search and underwater searching apparatus” опубликован 16.06.2006 г., МПК G01S 7/521.
3. Патент России №2460092 на «Гидроакустическая антенна сферической формы для гидролокатора», опубликован 27.08.2012 Бюл. №24, МПК прототип
4. Сферопластик акустический ударостойкий марок САУ-800 и САУ-1000. Опытная партия. Технические условия ТУ 2254-100-07516250-2013 (введены впервые), дата введения 2013-10-01. Держатель подлинника ФГУП «ЦНИИ КМ «Прометей». СП-б, 2013.