Глубоководная гидроакустическая излучающая антенна

Полезная модель относится к гидроакустической технике и может быть использована в глубоководных излучающих антеннах, всенаправленных в горизонтальной плоскости, для режимов связи, гидролокации, освещения подводной обстановки, а также при исследовании Мирового океана.
Для того, чтобы обеспечить необходимую дальность распространения сигнала, антенны этих режимов должны создавать акустическое давление не менее 10 кПа·м на достаточно низких частотах (ниже 1 кГц). Антенны должны иметь высокую стабильность параметров при воздействии гидростатического давления вплоть до максимальных глубин Мирового океана. При этом желательно, чтобы антенны имели небольшие габариты и массу для того, чтобы их можно было использовать в качестве буксируемых антенн.
Создание мощных низкочастотных излучающих антенн сопряжено с решением ряда проблем. Как правило, такие антенны состоят из отдельных электроакустических преобразователей. Электроакустические пьезокерамические преобразователи традиционных типов - стержневые и цилиндрические, работающие на резонансе нулевой моды продольных колебаний по окружности, на этих частотах имеют больше габариты и веса. Так, например, цилиндрический пьезокерамический излучатель на частоту 0,8 кГц будет иметь диаметр около 1,3 м, близкий габаритный размер будет иметь и стержневой преобразователь.
Преобразователи пластинчатого типа, как пьезокерамические, так и электромагнитные, могут иметь приемлемые размеры, но их статическая механическая прочность недостаточна для работы на больших глубинах без компенсации гидростатического давления, что ограничивает рабочую глубину антенны.
Комплексу требований, перечисленных выше, отвечают цилиндрические пьезокерамические преобразователи свободно обтекаемой конструкции и антенна на их основе. В свободно обтекаемой конструкции антенны низшая резонансная частота образуется излучением как наружной, так и внутренней поверхностями преобразователей, а также их торцами. В результате она может быть получена значительно ниже, чем резонансная частота нулевой формы колебаний цилиндрических преобразователей, входящих в антенну.
Достоинствами цилиндрических антенн свободно обтекаемой конструкции также является их высокая механическая прочность и независимость параметров от гидростатического давления, так как в конструкции антенны отсутствует трансформация механических напряжений при действии внешнего гидростатического давления. Механические сжимающие напряжения, возникающие в конструкции, равны внешнему гидростатическому давлению и не являются опасными для пьезокерамических колец. Антенны этого типа могут использоваться до очень высоких давлений и обеспечивают независимость параметров от гидростатического давления [«Подводная акустика» М. -/ Под ред. Л.М. Бреховских - М. Мир, 1970, с. 52-55].
Известна глубоководная антенна, состоящая из двух цилиндрических полых преобразователей свободно обтекаемой конструкции различных средних диаметров, расположенных соосно с зазором между ними [Патент РФ №2169438, «Гидроакустическая глубоководная антенна», опубликовано 20.06.2001 г.].
Работа такой антенны основана на использовании двух резонансов каждого преобразователя: объемного резонанса внутренней полости, заполненной водой, и радиального резонанса цилиндрического преобразователя, при этом частотные характеристики каждого цилиндрического свободно обтекаемого преобразователя в составе антенны являются продолжением одна другой. Таким образом, преобразователи, создают каждый собственное акустическое поле и собственную частотную характеристику. Такая антенна имеет широкую частотную характеристику, но развиваемое ею давление не является оптимальным, поскольку преобразователи в составе антенны работают поодиночке и не образуют общего акустического поля ни внутри, ни снаружи антенны.
Известна гидроакустическая антенна, совпадающая с предлагаемой по наибольшему числу общих признаков [Авторское свидетельство СССР №933487, «Электроакустический преобразователь», опубликовано 30.01.1983 г.].
Антенна-прототип содержит два свободно обтекаемых полых цилиндрических преобразователя одного диаметра, расположенных соосно и плотно соединенных через прокладку из звукопрозрачного материала.
Работа такой антенны основана на использовании трех резонансов: объемного резонанса внутренней полости антенны, заполненной водой, резонанса по высоте и радиального резонанса цилиндрического преобразователя. Даны соотношения между размерами преобразователя и толщиной прокладки. При этом достигается расширение полосы пропускания в область низких частот.
Достоинствами антенны - прототипа являются: малое изменение акустических характеристик с глубиной; обеспечение равномерности чувствительности в режиме излучения в области низких частот. Однако использование прокладки из звукопрозрачного материала приводит к появлению нескольких частот резонансов антенны, при этом не удается сформировать один низкочастотный резонанс и, следовательно, создать максимально возможное для такой конструкции излучение на низких частотах.
Известен электроакустический цилиндрический преобразователь [Патент РФ №2173507, «Способ изготовления электроакустического цилиндрического излучателя», опубликовано 10.09.2001 г], который целесообразно использовать в свободно обтекаемых антеннах, имеющий повышенную долговечность вследствие способа его изготовления, содержащий пьезокерамическое кольцо, два торцевых фланца разной конструкции, один в виде плоского кольца, противоположный г-образного сечения для размещения на нем электрического ввода, две коаксиальные эластичные цилиндрические оболочки и полиуретановый компаунд, залитый во внутреннюю полость излучателя.
Задачей настоящей полезной модели является создание антенны из свободно обтекаемых идентичных цилиндрических преобразователей, изготовленных в соответствии с патентом РФ №2173507, развивающей оптимальное акустическое давление (не менее 10 кПа·м) на низких частотах (ниже 1 кГц) и имеющей стабильные параметры при любых глубинах.
Для решения поставленной задачи в глубоководную гидроакустическую излучающую антенну, содержащую ряд полых, цилиндрических преобразователей, свободно обтекаемых и установленных соосно, в которой все полые цилиндрические преобразователи установлены вплотную, имеют одинаковый диаметр и конструктивно выполнены одинаковыми, введены новые признаки, а именно: все полые цилиндрические преобразователи снабжены торцевыми фланцами, торцевые фланцы каждого полого цилиндрического преобразователя имеют различную конструкцию, и один фланец выполнен в виде плоского кольца, а второй фланец имеет г-образное сечение, при этом каждые два смежных полых цилиндрических преобразователя соприкасаются фланцами одной конструкции.
Если гидроакустическая антенна состоит из двух полых цилиндрических преобразователей, эти полые цилиндрические преобразователи соприкасаются торцевыми фланцами в виде плоских колец.
Наилучший результат достигается, если диаметр цилиндрических преобразователей не превышает 0,5 м, а соотношение высоты к диаметру антенны составляет не менее 1.
Техническим результатом от использования полезной модели является снижение низшей резонансной частоты антенны до значений (600-800) Гц в зависимости от количества преобразователей, входящих в антенну, и получение акустического давления при подводимом электрическом напряжении 1500 В не менее 20000 Па·м. Технический результат обоснован математическим моделированием и доказан экспериментально
Сущность полезной модели поясняется рисунками на фиг. 1-4.
На фиг. 1 конструкция заявленной антенны из 3-х свободно обтекаемых полых цилиндрических преобразователей с фланцами разной конструкции по патенту РФ №2173507. Здесь 1 - пьезокерамическое кольцо; 2 - фланец в виде плоского кольца; 3 - фланец г-образного сечения, 4 - коаксиальные эластичные цилиндрические оболочки, 5 - полиуретановый компаунд, 6 - электрический ввод, 7 - стяжки, 8 - торцевые пластины, которые вместе со стяжками 7 обеспечивают плотное соединение полых цилиндрических преобразователей. Диаметр антенны 0,41 м, высота антенны 0,7 м.
На фиг. 2 показана конструкция антенны из двух свободно обтекаемых полых цилиндрических преобразователей по патенту РФ №2173507, соприкасающихся торцевыми фланцами в виде плоских колец 2 в соответствии с полезной моделью. Диаметр антенны 0,41 м, высота антенны 0,45 м.
На фиг. 3 показаны частотные характеристики акустического давления для антенны, выполненной из двух свободно обтекаемых полых цилиндрических преобразователей: соприкасающихся плоскими фланцами - кривая а), для сравнения - соприкасающихся г-образными фланцами - кривая б).
На фиг. 4 показана частотная характеристика акустического давления для антенны, выполненной из трех свободно обтекаемых полых цилиндрических преобразователей
Гидроакустическая глубоководная излучающая антенна (фиг. 1) выполнена из 3-х полых цилиндрических преобразователей. На одном торце каждого преобразователя установлен плоский фланец 2, а на другом г-образный фланец 3, первый и второй преобразователи соприкасаются фланцами 2, а второй и третий - фланцами 3. Плотная установка преобразователей в антенне обеспечивается стяжками 7 и торцевыми пластинами 8. В антенне из 2-х преобразователей (фиг. 2), преобразователи соприкасаются плоскими фланцами 2. Плотная установка преобразователей в антенне также обеспечивается стяжками 7 и торцевыми пластинами 8.
Антенна работает следующим образом. На пьезокерамические преобразователи подается переменное электрическое напряжение частотой ниже 1 кГц, вследствие пьезоэффекта пьезокерамические кольца 1 начинают колебаться с той же частотой, эти колебания передаются через герметизирующие слои в водную среду наружной и внутренней поверхностями преобразователей. В результате на частоте ниже 1 кГц формируется низкочастотный резонанс и создается акустическое давление. Фланцы в виде плоских колец 2 не тормозят колебания пьезокерамических колец, в результате чего обеспечивается излучение высокого акустического давления на низкой частоте. Были проведены расчеты в системе «Ansys» колебаний пьезокерамических колец для антенны из двух преобразователей, соединенных плоскими фланцами 2, для сравнения расчеты были проведены и для антенны из двух преобразователей, соединенных г-образными фланцами 3. Расчеты показали, что суммарные перемещения пьезокерамических колец в конструкции, когда они соприкасаются торцевыми фланцами в виде плоских колец 2, значительно выше (почти в 10 раз), чем когда преобразователи соприкасаются торцевыми фланцами г-образного сечения 3.
Результаты экспериментального исследования антенны из 2-х преобразователей приведены на фиг. 3 (кривая а), для сравнения на этой же фигуре приведена частотная характеристика антенны из двух преобразователей, соединенных фланцами 3 (фиг. 3, кривая б). На частоте 830 Гц у заявленной антенны давление составляет более 25000 Па/м, а в случае соединения преобразователей г-образными фланцами на этой частоте - давление меньше 10000 Па/м.
Результаты экспериментального исследования антенны из 3-х преобразователей приведены на фиг. 4. На частоте 605 Гц у заявленной антенны давление составляет более 30000 Па/м.
Антенны, выполненные в соответствии с предложенной полезной моделью, развивают акустическое давление выше 20000 Па/м на резонансных частотах ниже 1 кГц, что дает основание считать, что заявленный технический результат достигнут.