МОДУЛЬНАЯ ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ АНТЕННА

Полезная модель относится к гидроакустической технике и может быть использована при конструировании гидроакустических антенн. Преимущественная область использования - гидроакустика.
Известны гидроакустические антенны, содержащие корпус, основание, пьезоэлектрические преобразователи, элементы электрической коммутации, крепления, акустического экранирования и герметизации. Для герметизации используют жидкую среду, заполняющую корпус [1] с.176-178, 206.
в
к
к
в
в
в
к
0
0
Выбор размеров такой антенны производят с учетом комплекса требований по ее электроакустическим параметрам, а именно направленность, рабочая частота и конструктивное оформление. При решении вопроса о наружных размерах антенны исходят, из ее направленных свойств и из резонансной частоты, определяя соответственно ее размеры относительно длины волны в рабочей среде (воде) λ и в пьезокерамике λ. Наибольшее распространение в практике проектирования гидроакустических антенн получили антенны, содержащие резонансные полуволновые пьезоэлектрические стержневые преобразователи, 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 диаграммы направленности L>>10λ. Таким образом, получаем внешние габариты антенны в плоскости излучения L>>10λ и в перпендикулярном ей направлении (с учетом расположения элементов электрической коммутации, крепления, акустического экранирования и герметизации) Н>0,5 λ. Расчеты показывают, что, например, квадратная антенна, работающая на частоте 30 кГц и имеющая ширину характеристики направленности 3х3, имеет размеры излучающей поверхности 840×840 мм. При использовании пластин пьезокерамики с поперечной поляризацией и размерами 57×23×23 мм, количество элементов в антенне составит 1344 шт., а вес всей керамики антенны около 300 кг. Внешние габариты антенны L>1м и H>0,15м,а масса всей антенны - более 800 кг.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются недостаточная эксплуатационная способность антенны, заключающаяся в том, что конструкция такой антенны отличается сложностью и трудоемкостью, антенна имеет большие габариты и вес, что вызывает значительные неудобства при ее изготовлении и транспортировке. Наличие большого количества пьезоэлементов в антенне снижает ее надежность, так как выход из строя одного или нескольких элементов, приводит к изменению параметров всей антенны. Ремонт такой антенны связан со значительными сложностями. Антенна имеет законченную конструкцию и в процессе эксплуатации не может быть модернизирована. Все это приводит не только к снижению технологичности таких антенн, но и их эффективности.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: основание, пьезоэлектрические преобразователи, элементы электрической коммутации, акустического экранирования, крепления и герметизации.
Известна также антенна по патенту [2], содержащая корпус, протяженные пьезоэлектрические 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 пьезоэлектрических преабразователей путем выполнения их в виде протяженных стержневых элементов прямоугольного сечения, работающих на толщинном резонансе.
Однако, основные причины, ограничивающие эксплуатационные возможности антенны, не устранены.
0
0
Такая антенна, работающая на низкой частоте и имеющая узкую характеристику направленности, например 3×3 для гидроакустического профилографа, имеет большие внешние габариты и массу, что вызывает значительные неудобства при ее изготовлении и транспортировке. Наличие большого количества пьезоэлементов в антенне снижает ее надежность, так как выход из строя части пьезоэлементов, приводит к изменению параметров всей антенны. Ремонт такой антенны связан со значительными сложностями. Антенна имеет законченную конструкцию и в процессе эксплуатации не может быть модернизирована. Все это ограничивает эксплуатационную способность антенны.
Признаки, совпадающие с заявленным объектом: основание, пьезоэлектрические преобразователи, элементы акустического экранирования, крепления, электрической коммутации и герметизации.
В патенте [3] предложена «Многоэлементная резонансная гидроакустическая антенна», содержащая корпус, пьезоэлектрические преобразователи, элементы их крепления, боковые и тыльные акустические экраны, основание, герметизирующий полимер (например, полиуретан) и элементы электрической коммутации. Преобразователи закреплены на основании, с тыльной и боковых сторон окружены акустическими экранами, помещены в корпус и залиты герметизирующим полимером (например, полиуретаном). Преобразователи электрически соединены необходимым образом с электронными блоками. За счет использования герметизирующего компаунда уменьшены требования к корпусу антенны, что позволило уменьшить габариты и общую массу антенны. Однако, этого явилось недостаточным для устранения причин, препятствующих достижению технического результата. Конструкция антенны осталась сложной и трудоемкой, антенна имеет большие габариты и вес, что вызывает значительные неудобства при ее изготовлении и транспортировке. Наличие большого количества пьезоэлементов в антенне снижает ее надежность, так как выход из строя одного или нескольких элементов, приводит к изменению параметров всей антенны. Ремонт такой антенны практически невозможен, так как все ее пьезоэлементы находятся в герметизирующем компаунде. Антенна имеет законченную конструкцию и в процессе эксплуатации не может быть модернизирована. Все это приводит не только к снижению технологичности таких антенн, но и их эффективности.
Признаки, совпадающие с заявленным объектом: основание, пьезоэлектрические преобразователи, элементы электрической коммутации, крепления, акустического экранирования и герметизации.
Задачей данной полезной модели является расширение эксплуатационных возможностей антенны.
Для достижения технического результата антенна, имеющая большие габариты и массу, выполнена не как одно целое, а в виде набора отдельных активных модулей, укрепленных на общем несущем основании и ограниченных по боковому периметру акустическими экранами, укрепленными также на общем несущем основании; каждый активный модуль состоит из основания, на котором установлен тыльный акустический экран, а также с помощью элементов крепления установлены пьезоэлектрические преобразователи, подсоединенные к элементам электрической коммутации; все элементы модуля герметизированы с помощью компаунда.
Технический результат достигается тем, что акустическая антенна имеет модульную конструкцию, состоящую из несущего основания с укрепленными на ней активными модулями и боковыми акустическими экранами. Размер и массу каждого модуля выбирают такими, чтобы изготовление и транспортировка модуля не вызывали каких-либо трудностей. Изменяя взаимное расположение и количество модулей, можно набирать антенны с необходимыми характеристиками. При выходе в модуле из строя отдельных пьезоэлементов, меняют модуль, а не всю антенну. По внешнему боковому периметру модулей расположены акустические экраны, предотвращающие излучение и прием акустических сигналов по данным направлениям. От тыльного излучения - приема защищают акустические экраны, установленные в каждом модуле. При необходимости можно легко модернизировать уже работающую антенну, изменив в ней количество активных модулей или их взаимное расположение. Корректировка параметров антенны возможна также путем изменения амплитудного или фазового распределения сигналов между модулями, как это показано в работе [4]. При разработке заявляемого устройства были проанализированы также патенты [5-10], имеющие те же недостатки, что и у аналогов и прототипа.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 показано устройство заявляемой антенны, на фиг.2 показан пример конструкции одного активного модуля, на фиг.3 - объемное изображение одного активного модуля, на фиг.4 - объемное изображение антенны, состоящей из десяти активных модулей, на фиг.5 - фотографии трех активных модулей на разных стадиях готовности.
Модульная гидроакустическая антенна (фиг.1) содержит несущее основание 1, на котором укреплены активные модули 2, с их боковых сторон расположены акустические экраны 3 также укрепленные на несущем основании. С помощью элементов электрической коммутации (на фиг.1 не показаны) выполнено соединение модулей с электронными блоками гидроакустической системы. Каждый активный модуль состоит, например, из основания 4 (фиг.2), на котором укреплены элементы акустического экранирования 5 и 6, на которых, в свою очередь, укреплены пьзоэлектрические преобразователи 7, соединенные электрическими кабелями, проходящими через разъемы 8 с соответствующими электронными блоками. Все элементы активного модуля, как видно из чертежа, залиты герметизирующим полимером. С помощью резьбовых втулок 9 выполняется крепление активного модуля к несущему основанию антенны. Таким образом, каждый активный модуль представляет собой законченный элемент, из которых можно набирать антенны с необходимыми характеристиками. На фиг.3 показано объемное изображение одного активного модуля, а на фиг.4 - объемное изображение антенны, состоящей из десяти активных модулей. На фиг.5 представлены фотографии трех активных модулей антенны гидроакустического профилографа с рабочей частотой - 30 кГц на разных стадиях готовности.
Акустические экраны 3 бокового излучения устанавливают отражающими, как акустически жесткими, так и акустически мягкими. Они могут выполняться, например, из титана, стали или полимерного пористого материала, например, капролактама. Они крепятся к несущему основанию и предотвращают излучение - прием акустических сигналов по данным направлениям. Тыльную экранировку выполняют акустические экраны, установленные в активных модулях. В качестве герметизирующего полимера может быть использован звукопрозрачный компаунд, например, эластомер полиуретановый двухкомпонентный СПБ-ХП-80 (ТУ224-001-20507988-2003), либо форполимер СКУ-ПФЛ-100 с отвердителем, либо вулканизированная резина или какой-либо другой герметик.
0
0
В соответствии с изложенными принципами была разработана и изготовлена акустическая антенна, на рабочую частоту 30 кГц с шириной диаграммы направленности 3×3. Эта антенна состояла из 24-х активных модулей, укрепленных на общем несущем основании рамной конструкции. Масса одного модуля составляла - 40 кг, а масса всей антенны порядка - 980 кг. Модульная конструкция антенны позволила значительно упростить сам процесс изготовления, транспортировки и эксплуатации антенны. Значительно повысилась надежность антенны, а также упростилось согласование элементов антенны с электронными блоками. Появилась возможность, при необходимости, модернизации антенны путем изменения количества используемых модулей, а также их взаимного расположения.
Источники информации
1. Свердлин Г.М. «Гидроакустические преобразователи и антенны». - Л.: Судостроение, 1980. - 232 с.
2. Патент US 3359537 «Transducer», МПК В06В 1/06; G01S 1/72;
G01S 15/89; G01V 1/20. Заявлено 30.06.1964. Опубликовано 19.12.1967.
3. Патент RU 2087082 «Многоэлементная резонансная гидроакустическая антенна» МПК H04R 17/00, H04R 1/44, Заявка 4518437/28 от 1989.07.06. Опубл. 08.10.1997.
4. Смарышев М.Д., Добровольский Ю.Ю. «Гидроакустические антенны. Справочник». - Л.: Судостроение, 1984. - 304 с.
5. Патент RU 2363115 «Многоэлементная гидроакустическая антенна» МПК H04R 17/00, H04R 1/44, Заявка 2008119393/28, 16.05.2008. Опубл. 27.07.2009.
6. Патент RU 2303336 «Гидроакустическая многоэлементная антенна и пьезоэлектрический стержневой преобразователь для такой антенны» МПК H04R 17/00, H04R 1/44, Заявка 2005140389/28, 26.12.2005. Опубл. 20.07.2007.
7. Патент RU 2166840 «Гидроакустическая антенна» МПК H04R 17/00, H04R 1/44, Заявка 98123978/09, 29.12.1998. Опубл. 10.05.2001.
8. Патент US 2010271907 «Elektroacoustic underwater antenna» МПК H04R 1/44. Заявка 102009018 624.7, 23.04.2010. Опубл. 28.10.2010.
9. Патент US 2005157590 «Surface acoustic antenna for submarine» МПК G01K 11/00. Заявка 10/503.973, 14.02.2003. Опубл. 21.07.2005.
10. Патент RU 1840509 «Гидроакустическая антенна» МПК G01S 7/52. Заявка 3088878/28, 07.05.1984. Опубл. 10.05.2007.