РЕЗОНАНСНАЯ ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ АНТЕННА
RESONANT HYDROACOUSTIC ANTENNA

Изобретение относится к области конструирования гидроакустической аппаратуры, в частности гидроакустических антенн, герметизированных полимерами.
Известны предназначенные для использования в ультразвуковом диапазоне частот гидроакустические антенны, содержащие стержневые электроакустические преобразователи; элементы конструкции (основания или общие накладки), на которых закреплены преобразователи; элементы экранирования; жидкий электроизоляционный материал, которым заполнены внутренние полости антенн, и элементы герметизации (см., например, справочник «Подводные электроакустические преобразователи», Л., Судостроение, 1983, с.98, 99). Наличие во внутренних полостях жидкостей обусловливает необходимость в сложных элементах герметизации и компенсации наружного гидростатического давления и тепловых колебаний объема жидкости.
В современных антеннах для герметизации антенн и заполнения зазоров между соседними преобразователями и между преобразователями и боковыми экранами используются полимеры (как правило, полиуретаны).
Наиболее близким к заявленному техническому решению является многоэлементная гидроакустическая антенна по патенту RU 2363115, МПК H04R 1/44, H04R 17/00, опубл. 27.07.2009.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: стержневые преобразователи, отражающие акустические экраны, основание, герметизирующий полимер.
Указанная антенна наиболее близка к заявляемой и выбрана за прототип.
Герметизирующий полимер должен быть водонепроницаемым в течение срока эксплуатации антенны и достаточно прочным для защиты антенны от механических повреждений в процессе эксплуатации. Таким требованиям удовлетворяют относительно жесткие полимеры, имеющие твердость по шкале Шор А порядка 75 условных единиц и более.
В антенне-прототипе в качестве герметизирующего материала и материала, заполняющего зазоры между соседними стержневыми преобразователями и между преобразователями и боковыми экранами, используется один и тот же полимер, который для обеспечения водонепроницаемости и защиты антенны должен быть достаточно жестким. При колебаниях стержневых преобразователей в области их резонансных частот возникают деформации растяжения-сжатия по высоте (резонансному размеру). В связи с тем, что полимер адгезионно связан с боковыми поверхностями преобразователей, значительная часть механической энергии преобразователей расходуется на деформации растяжения-сжатия жесткого полимера, то есть жесткий полимер демпфирует преобразователи. Это приводит к снижению КПД антенны и чувствительности в режимах излучения и приема, то есть к снижению эффективности антенны. Необходимо отметить, что:
- оптимальным материалом для заполнения зазоров является газ;
- при заполнении зазоров электроизоляционной жидкостью эффективность антенны снижается незначительно;
- использование указанных материалов в сочетании с герметизирующим полимером практически невозможно.
Задачей изобретения является повышение эффективности антенны.
Технический результат заявляемого изобретения - повышение КПД и чувствительности антенны в режимах приема и излучения.
Технический результат изобретения достигается тем, что в гидроакустической антенне, содержащей стержневые электроакустические преобразователи, основание, отражающие боковые акустические экраны, полимер, заполняющий зазоры между соседними преобразователями и между преобразователями и боковыми экранами, и герметизирующий антенну полимер, зазоры между преобразователями и между преобразователями и боковыми экранами заполнены эластичным полимером, а для герметизации антенны использован жесткий полимер.
Экспериментально на макетах антенн было установлено, что при использовании для заполнения зазоров эластичных полимеров, имеющих твердость по шкале Шор А порядка 40 условных единиц и менее, параметры антенн аналогичны параметрам, достигаемым при заполнении зазоров жидкостью.
При колебаниях стержневых преобразователей возникают деформации растяжения-сжатия по высоте (резонансному размеру). В связи с тем, что адгезионно связанный с боковыми поверхностями преобразователей полимер эластичен, часть механической энергии преобразователей, расходуемая на деформации растяжения-сжатия полимера, незначительна, то есть эластичный полимер практически не демпфирует преобразователи. Соответственно, практически не снижаются КПД антенны и чувствительность в режимах излучения и приема.
Изобретение поясняется чертежами, которые не охватывают и не ограничивают весь объем притязаний данного технического решения, а являются лишь иллюстрирующим материалом частного случая использования решения в антенне гидролокатора бокового обзора, апертура которой имеет большой размер (порядка нескольких десятков длин волн в воде на рабочей частоте) в одной плоскости и малый размер (порядка длины волны и менее) в перпендикулярной плоскости.
На фиг.1 изображен поперечный разрез заявляемой антенны, на фиг.2 - разрез в плоскости, в которой лежат рабочие поверхности преобразователей, формирующие апертуру антенны.
Резонансная гидроакустическая антенна содержит стержневые электроакустические преобразователи 1, установленные на основании 2; отражающие боковые акустические экраны 3; эластичный полимер 4, заполняющий зазоры между соседними преобразователями и между преобразователями и боковыми экранами; и герметизирующий антенну жесткий полимер 5.
Элементы электрических коммуникаций и тыльной экранировки преобразователей 1 на фигурах не показаны, так как они не влияют на возможность использования изобретения. Тыльные экраны могут входить в конструкции преобразователей или основания.
Направление резонансных колебаний (деформаций растяжения- сжатия) каждого из стержневых преобразователей параллельно нормали к его рабочей поверхности, контактирующей с герметизирующим антенну полимером.
Стержневые электроакустические преобразователи могут выполняться как в виде отдельных пьезоэлементов, так и содержать активные (пьезоэлектрические) слои и слои из пассивных материалов, адгезионно связанные с активными слоями. Форма и размеры преобразователей в плоскостях, перпендикулярных к основанию, не влияют на возможность использования предлагаемого технического решения. Так, преобразователи могут быть чисто стержневыми, в которых поперечные размеры не превышают половину резонансного размера, или стержневыми протяженными, в которых поперечные размеры (или один из них) превышают (превышает) резонансный размер (термин «протяженные стержневые преобразователи» не является общепринятым, но используется в патенте на антенну-прототип). Боковые экраны могут выполняться из акустически мягкого материала (например, пенопласта) или из акустически жесткого материала (металла), при этом в качестве боковых экранов могут использоваться стенки корпуса антенны. Принципы выбора расстояния между преобразователями и боковыми экранами известны из технической литературы (см., например, В.Е. Глазанов. Экранирование гидроакустических антенн. Л., Судостроение, 1986). Указанные особенности конструкций не влияют на возможность использования изобретения.
Заявляемая антенна работает следующим образом. При подведении к стержневым электроакустическим преобразователям 1 электрического напряжения на частоте, близкой к частоте их резонанса, и при падении на рабочие поверхности преобразователей звуковой волны аналогичной частоты возбуждаются резонансные колебания преобразователей, при которых возникают деформации преобразователей вдоль их резонансных размеров. При этом деформации преобразователей вызывают деформации прилегающего к преобразователям полимера 4, которым заполнены зазоры между соседними преобразователями и между преобразователями и боковыми экранами. Таким образом, часть механической энергии преобразователей 1 расходуется на деформацию полимера 4. Поскольку полимер 4 достаточно эластичен (твердость по шкале ШОР А порядка 40 условных единиц и менее), то он легко поддается растяжению и сжатию, вследствие чего расходуемая на деформацию часть энергии преобразователей незначительна и преобразователи не демпфируются, то есть практически не ухудшаются их параметры.
Для выявления технического эффекта были изготовлены два экспериментальных образца антенн с рабочей частотой 100 кГц, конструкции которых аналогичны приведенной на фигуре. В образце №1 для герметизации и для заполнения зазоров между соседними преобразователями и между преобразователями и боковыми экранами использовался жесткий полимер с твердостью по шкале Шор А 78 условных единиц. В образце №2 для герметизации использовался тот же полимер, а зазоры были заполнены, в соответствии с заявляемым техническим решением, эластичным полимером с твердостью по шкале Шор А 38 условных единиц. Измерения параметров образцов проведены в гидроакустическом бассейне. Сравнительные параметры образцов характеризуются коэффициентами:
1
k - отношение чувствительности в режиме излучения образца №2 к той же чувствительности образца №1;
2
k - отношение чувствительности в режиме приема образца №2 к той же чувствительности образца №1;
3
k - отношение электроакустического КПД образца №2 к тому же КПД образца №1.
1
2
3
В результате испытаний получены величины k=1,3; k=1,38; k=1,22.
Таким образом, использование предлагаемого технического решения приводит к существенному увеличению эффективности антенны.
Изобретение может найти применение при разработке предназначенных для использования в ультразвуковом диапазоне частот гидроакустических антенн, содержащих стержневые электроакустические преобразователи и герметизируемых полимерами.