МНОГОЭЛЕМЕНТНАЯ ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ АНТЕННА
MULTI-ELEMENT HYDROACOUSTIC ANTENNA

Изобретение относится к гидроакустической антенной технике и может быть использовано при конструировании гидроакустических систем различного названия. Преимущественная область использования - гидроакустика.
Известны многоэлементные гидроакустические антенны, содержащие корпус, основание, стержневые электроакустические преобразователи, элементы электрической коммутации, элементы крепления, экранирования и герметизации, в которых преобразователи выполнены либо несвязанными между собой механически, либо закреплены на общей излучающей (приемной) накладке (см., например, справочник «Подводные электроакустические преобразователи». Л., Судостроение, 1983, с.98 и 99).
в
к
Выбор геометрии преобразователей производится с учетом всего комплекса требований по электроакустическим параметрам антенны, включая направленность и конструктивное ее оформление. При решении вопроса о наружных размерах преобразователей исходят, с одной стороны, из его направленных свойств, а с другой, из резонансных, оценивая соответственно его размеры относительно длины волны на рабочей частоте антенны в рабочей среде λ и в пьезокерамике λ, влияющих как на направленные свойства антенны в целом, так и на ее эффективность.
к
в
в.
Наибольшее распространение в практике проектирования высокочастотных антенн получили остронаправленные антенны, компонуемые из резонансных полуволновых стержневых преобразователей, резонансный размер которых, ориентированный в направлении, перпендикуляром рабочей поверхности антенны, как правило, равен 0,5 λ, расположенных с шагом (0,5-0,75) λ, при размере антенны в плоскости формирования остронаправленной диаграммы L>>10 λ
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются сложность и трудоемкость конструкции таких антенн, особенно работающих в высокочастотном диапазоне, трудность достижения оптимальных характеристик, вызванная сложностью установки отдельных преобразователей в расчетное положение в антенне, а также разбросами амплитудных и фазовых ошибок возбуждения самих преобразователей, возникающих вследствие разбросов их параметров: амплитудных из-за неодинаковой эффектности пьезоэлементов, фазовых за счет отклонения резонансных частот от номинальной. Все это приводит не только к снижению технологичности таких антенн, но и их эффективности. Кроме того, неравномерное распределение преобразователей по поверхности антенны вызывает их различное влияние друг на друга, что также приводит к дополнительным фазовым погрешностям преобразователей, причем это взаимное влияние обусловлено как воздействием на рабочие излучающие поверхности преобразователей, так и на их боковые поверхности за счет поперечных деформаций преобразователей (см. «Ультразвуковые преобразователи», под ред. Е.Кикучи. М., Мир, 1972, с.314-316). Так как все преобразователи в антенне колеблются синфазно, то их поперечные деформации через связывающую среду (например, полиуретан) взаимно демпфируют друг друга, что ухудшает эффективность антенны в режиме излучения. Кроме того, преобразователи антенны имеют значительное тыльное излучение, которое необходимо устранять, что усложняет конструкцию антенны.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: электроакустические преобразователи, элементы экранирования и герметизации, корпус, основание, элементы электрической коммутации.
Известна также антенна по патенту США №3359537, кл. H04R 17/00,
1971 г., содержащая корпус, протяженные преобразователи прямоугольного сечения в плоскости резонансного размера, установленные в пазу массивного основания из поглощающей резины и попарно поджатые с помощью фиксаторов, перекрывающих приблизительно 10% их рабочей излучающей поверхности, в местах стыка элементов, к кожуху U-образному металлическому желобу, в котором размещено резиновое основание, причем фиксаторы крепятся к боковым стенкам маслонаполненного коробчатого корпуса с резиновой мембраной, а кожух подвешен на этих фиксаторах.
Преобразователи с помощью элементов электрической коммутации соединены с электронными блоками гидроакустической системы.
В антенне уменьшено количество полуволновых пьезоэлементов путем выполнения их в виде протяженных стержневых пьезоэлементов прямоугольного сечения, работающих на толщинном резонансе, однако поскольку длина пьезоэлемента превосходит более чем в два раза его толщину, то на основную моду продольных колебаний по толщине накладываются паразитные высшие моды колебаний по длине, что приводит к искажению распределения колебательной скорости по рабочей поверхности пьезоэлементов и их частотных свойств (см., например, «Ультразвуковые преобразователи» под редакцией Е.Кикучи. М., Мир, 1972, с.309-352). Кроме того, поперечные деформации синфазно колеблющихся преобразователей через связывающую среду взаимно демпфируют друг друга, что ухудшает эффективность антенны в режиме излучения. Преобразователи антенн имеют значительное тыльное излучение, для устранения которого существенно усложнена конструкция антенны.
Признаки, совпадающие с заявленным объектом: корпус, протяженные пьезоэлементы, основание, элементы электрической коммутации.
От ряда перечисленных недостатков свободна «Многоэлементная резонансная гидроакустическая антенна» по патенту RU 2087082, МПК H04R 17/00, H04R 1/44, опубл. 08.10.1997, содержащая протяженные стержневые пьезоэлектрические преобразователи трапециевидного сечения в направлении их толщин, отражающие акустические экраны (боковые и тыльные), основание, корпус, герметизирующий полимер (например, полиуретан) и элементы электрической коммутации преобразователей. Преобразователи закреплены на основании так, что их боковые поверхности компланарны, с тыльной и боковых сторон окружены акустическими экранами, помещены в корпус и залиты герметизирующим полимером (например, полиуретаном). Преобразователи электрически соединены необходимым образом. Компланарность боковых поверхностей преобразователей в совокупности с чередованием большего и меньшего оснований трапециевидных пьезоэлементов способствуют усилению эффекта их однорезонансности и достижению положительного эффекта антенны в целом. Паразитные колебания вдоль стержня при этом не проявляются.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются сложность конструкции и недостаточная эффективность антенны, обусловленная тем, что поперечные деформации синфазно колеблющихся рядом расположенных преобразователей через связывающую их герметизирующую среду (например, полиуретан) взаимно демпфируют друг друга, что ухудшает эффективность антенны в режиме излучения. Преобразователи антенн имеют значительное тыльное излучение, для устранения которого дополнительно устанавливают тыльный акустический экран, что усложняет конструкцию антенн.
Признаки, совпадающие с заявленным объектом: протяженные стержневые преобразователи трапециевидного сечения, основание, отражающие акустические экраны, корпус, герметизирующий полимер, элементы электрической коммутации.
Задачей данного изобретения является упрощение конструкции и повышение эффективности антенны.
Для достижения технического результата в известном устройстве преобразователи расположены широкими гранями в сторону излучения - приема акустического сигнала, а размеры преобразователей выбраны исходя из выражения
где А - полуволновая высота преобразователя,
В и С - соответственно рабочая (широкая) и тыльная (узкая) ширина преобразователя,
υ - коэффициент Пуассона пьезокерамики преобразователя.
Технический результат достигается тем, что в многоэлементной гидроакустической антенне, содержащей протяженные стержневые пьезоэлектрические преобразователи трапециевидного сечения, отражающие акустические экраны, основание, корпус, герметизирующий полимер и элементы электрической коммутации, преобразователи расположены широкой гранью в сторону излучения - приема акустического сигнала, а размеры преобразователей выбирают исходя из выражения
где А - полуволновая высота преобразователя,
В и С - соответственно рабочая (широкая) и тыльная (узкая)
ширина преобразователя,
υ - коэффициент Пуассона пьезокерамики
преобразователя.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 показано устройство заявляемой антенны, на фиг.2 показаны деформации, происходящие в герметизирующем полимере и в преобразователях при их работе.
Многоэлементная гидроакустическая антенна содержит пьезоэлектрические преобразователи 1, укрепленные на основании 2, с их боковой и тыльной сторон расположены акустические экраны 3 и 4, помещенные в корпус 5 и залитые герметизирующим полимером 6. С помощью элементов электрической коммутации (на фиг.1 не показаны) выполнено соединение преобразователей с электронными блоками гидроакустической системы. Преобразователи установлены широкой гранью в сторону излучения - приема акустического сигнала. Противоположная тыльная узкая грань преобразователя выбрана такой ширины, чтобы тыльное излучение антенны было минимальным. Это имеет место, если деформации участков преобразователей и участков герметизирующего полимера, прилегающих к основанию, будут противофазны и акустические поля, сформированные этими участками, будут компенсировать друг друга. Рассмотрим процессы, происходящие при деформации преобразователей (фиг.2).
При уменьшении размера А пьезоэлектрических преобразователей 1 на величину ΔА будет происходить увеличение их поперечных размеров, приближенно определяемое как
где R - средний размер преобразователя, υ - коэффициент Пуассона (см. А.В.Дарков, Г.С.Шпиро. «Сопротивление материалов». М.: Высшая школа, 1969, с.29-31). До деформации величина единичного объема клинового участка герметизирующего полимера 6, расположенного между двумя преобразователями, равна
после деформации преобразователей величина объема уменьшается на величину ΔV
Подставляя в выражение (1) значение ΔR, получим, что
Считая, что основание 2 податливо, а герметизирующий компаунд 6 имеет малую сжимаемость, изменение объема участка между преобразователями вызовет деформацию компаунда в направлении стрелки 7 (фиг.2). Величину этой деформации примерно можно определить как
Таким образом, в плоскости Y=0 получим участки 7 и 8 с противофазными деформациями, причем участки 8 будут иметь амплитуду деформации примерно ΔА/2, а участки 7 - деформацию ΔK.
При равенстве
будем наблюдать значительное ослабление тыльного излучения, что позволяет упростить конструкцию акустического экрана 4, расположенного с тыльной стороны преобразователей. Это будет выполняться при следующих соотношениях между размерами преобразователей
Следует отметить, что выражение (4) имеет качественный характер и для определения более точного соотношения между размерами А, В и С необходимо учитывать экспериментальные данные для конкретных типов преобразователей. Акустические экраны 3 бокового излучения устанавливают отражающими, акустически жесткими с тем, чтобы выполнялась передача поперечных деформаций крайних преобразователей 1 на клиновые участки компаунда, расположенные между экранами 3 и преобразователями 1. Они могут выполняться, например, из титана или стали.
Наличие промежутка 6 между преобразователями 1 со значительно большими поперечными размерами по сравнению с прототипом позволяет значительно ослабить взаимное поперечное демпфирование преобразователей и повысить эффективность антенны в режиме излучения.
Акустический экран 4 может также выполняться акустически жестким. При достаточной компенсации тыльного излучения экран 4 может отсутствовать. Основание 2 может быть выполнено из текстолитового перфорированного листа с незаполненными газовыми полостями. В качестве герметизирующего полимера может быть использован полиуретан или какой-либо другой герметик.
В режиме приема трапецеидальные пьезоэлектрические преобразователи работают как акустические трансформаторы, что повышает чувствительность антенны в режиме приема.
Для выявления технического эффекта были изготовлены макеты антенн в соответствии с заявляемыми техническими решениями и в соответствии с техническими решениями прототипа.
Заявляемое устройство имело лучшие характеристики по эффективности в режиме излучения и по чувствительности в режиме приема соответственно на 30 и 24%.
Таким образом, в предлагаемой антенне в результате новой компоновки пьезоэлектрических преобразователей была повышена эффективность антенны, снижен уровень тыльного излучения, упрощена конструкция антенны.