Многоэлементная резонансная гидроакустическая антенна

Многоэлементная резонансная гидроакустическая антенна
Полезная модель относится к области конструирования гидроакустической аппаратуры.
Многоэлементные антенны силовой конструкции, содержащие стержневые, резонансные, полуволновые преобразователи, широко применяются в гидроакустике для работы на высоких частотах.
Высокочастотные многоэлементные антенны сложны и трудоемки, поскольку содержат большое количество мелких преобразователей, разброс параметров которых по амплитуде - из-за различия их эффективности и по фазе - за счет разброса резонансных частот относительно номинальной и точности установки преобразователей в антенне приводит к уменьшению эффективности антенны в целом. Частично исключить указанные недостатки удается благодаря применению полуволновых протяженных стержневых пьезоэлементов прямоугольного или трапециедального сечения работающих на толщинном резонансе, однако при этом возникает проблема выявления основного (толщинного) резонанса протяженных пьезоэлементов на фоне сложного частотного спеетра высших мод колебаний вдоль их длин.
В конструкции антенны по патенту США № 3359537 такая задача решается путем поджатия пьезоэлементов к основанию через пофедство массивного слоя звукопоглотителя. Такое решение улучшает амплитудно-частотную характеристи„у (АЧХ) антенны, но приводит к более чем двукратному снижению чувствительMnKH04R 17/00, 1/44 мости в режимах приема-излучения, а также усложнению конструкции антенны в
целом.
Наиболее близкой по технической сущности к описываемой полезной модели является плоская антенна по авторскому свидетельству №1811032, которая частично лишена указанных недостатков. Она содержит протяженные резонансные пьезоэлементы и металлический эфан, размещенные в корпусе со звукопрозрачной мембраной, заполненном звукоизоляционной жидкостью. Протяженные резонансные пьезоэлементы ориентированы, закреплены и поджаты к упругому полимерному основанию посредством полимерных хомутов арочного профиля, скрепленных с металлическим экраном. Форма внутренней поверхности хомута повторяет форму поперечного сечения пьезоэлемента. Известная антенна формирует слабонаправленную (в вертикальной плоскости) и остронаправленную sinx
диаграмму типа  , соответственно в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях.
Такое конструктивное оформление известной антенны вызвано необходимостью улучшения АЧХ посредством выявления толщинного резонанса протяженного стержневого пьезоэлемента и демпфирования высших мод колебаний вдоль его длины, приводящих к искажению АЧХ антенны, а, следовательно, ухудшению ее направленных свойств и снижению эффективности.
Недостатком антенны является сложность ее конструктивного оформления, обусловленного наличием многорядных хомутов арочной формы и уменьшения ее эффективности за счет рассеяния акустической энергии на элементах крепления (хомутах) снижающих амплитуду возбуяедения пьезоэлементов в местах расположения хомутов.
,
2 эффективности при одновременном повышении технологичности изготовления и
упрощении конструкции антенны.
Для достижения указанного технического результата в многоэлементной резонансной гидроакустической антенне, содержащей протяженные стержневые пьезоэлементы, имеющие компланарные боковые поверхности, поджатые через упругое полимерное основание к жесткому металлическому экрану, размещенные в корпусе со звукопрозрачной мембраной, заполненном электроизоляционным материалом, введены новые признаки, а именно: упругое полимерное основание, выполнено в виде резиновых прокладок, равных по площади торцевым поверхностям стержневых протяженных пьезоэлементов, внутренний объем корпуса заподлицо с торцевыми поверхностями протяженных стержневых пьезоэлементов заполнен упругим полимерным материалом с потерями, при этом торцевые поверхности протяженных стержневых пьезоэлементов с одной стороны приклеены к упругому полимерному основанию, а с другой стороны адгезионно соединены с мембраной.
Для достижения максимального технического эффекта боковые поверхности протяженных стержневых пьезоэлементов могут быть адгезионно связаны с упругим полимерным материалом, заполняющим зазоры между протяженными стержневыми пьезоэлементами, а внутренний объем корпуса заполнен полиуретановым компаундом марки ПУЗК.
Дополнительное упрощение технологии изготовления заявленной антенныможет быть достигнуто тем, что на боковые поверхности протяженных стержневых пьезоэлементов приклеены пластины из резины.
В предлагаемой конструкции поглощение энергии паразитных колебаний пьезоэлементов обусловлено деформациями сдвига упругого основания, усиленными в результате поджатия протяженных стержневых пьезоэлементов к основа,
3
нию звукопрозрачной мембраной за счет её естественной усадки после вулканизации, а также механическими потерями в упругом полимерном материале, адгезионно связанном с боковыми поверхностями протяженных стержневых пьезоэлементов.
Сущность полезной модели поясняется фиг. 1,2, где на фиг.1 приведен пример конструкции предлагаемой многоэлементной резонансной гидроакустической антенны, на фиг.2 - частотная характеристика потребляемой электрической 1ИОЩНОСТИ антенны.
Предлагаемая конструкция содержит протяженные стержневые пьезоэлементы 1, установленные в корпусе 2, жесткий металлический эфан 3, адгезионно скрепленный путем вулканизации с резиновыми прокладками 4, выполненными, например, из резины марки С-572. Внутренний объем корпуса заполнен полимерным материалом, например, полиуретановым компаундом ПУЗК, при этом при полимеризации компаунда достигается формирование слоев 5 и адгезионная связь слоев 5 с боковыми поверхностями пьезоэлементов 1 и металлическим экраном 3. Слои 5 для упрощения процесса заполнения корпуса компаундом могут быть в виде резиновых пластин из резины марки С-572, вклеенных между боковыми поверхностями пьезоэлементов 1. Звукопрозрачная мембрана 6 обеспечивает герметизацию конструкции и равномерное поджатие пьезоэлементов 1 к упругому основанию (резиновым прокладкам 4) в процессе ее вулканизации, а также за счет адгезионной связи полимерного компаунда, заполняющего корпус, с экраном 3. Электрический монтаж и кабельный ввод, служащие для передачи (съема) рабочего напряжения, на чертеже не указаны.
Антенна работает следующим образом. При подведении к пьезоэлементам 1 электрического рабочего напряжения, электрическая энергия преобразуется в акустическую, излучаемую в рабочую среду (воду) со стороны рабочей поверхности пьезоэлементов 1 через звукопрозрачную мембрану 6. Акустическая энергия,
излучаемая (принимаемая) пьезоэлементами 1 в тыльную сторону - противоположную их рабочей поверхности, свободно проходит через звукопрозрачное упругое основание (резиновые прокладки 4), и отражается от металлического экрана 3. За счет выполнения звукопрозрачного упругого основания 4 четвертьволновой толщины, а металлического экрана 5 толщиной 0,06 - 0,25 А,, гдех - длина звуковой волны в материале экрана на рабочей частоте, в совокупности с демпфированием пьезоэлементов 1 с помощью слоев 5 и поджатия мембраной 6 к упругому основанию 4 и экрану 3, достигается улучшение АЧХ. При этом частота возбуждения практически совпадает с толщинным (основным) резонансом протяженных стержневых пьезоэлементов 1, поскольку звуковая энергия высших мод колебаний вдоль их длины сначала преобразуется в сдвиговые колебания в упругих полимерных слоях 4 и 5 за счет акустической связи с пьезоэлементами 1, равномерно поджатыми к жесткому металлическому экрану 3 через упругое основание 4 посредством мембраны 6, а далее переходит в тепло в результате сдвигового трения как в материале упругого основания 4, достигаемого за счет адгезионного скрепления упругого основания 4 с жестким металлическим экраном 3, так и в местах соединения пьезоэлементов 1 с слоями 5, что и приводит в итоге к улучшению АЧХ антенны. Поджатие пьезоэлементов 1 за счет адгезионной связи с мембраной б исключает потери акустической энергии на элементах крепления.
На рис.2 представлена частотная характеристика потребляемой электрической мощности макета, конструкция которого полностью соответствует описанной выше. Полученная зависимость имеет четко выраженную однорезонансность, что подтверждает достижение заявленного технического результата.
,
5