Гидроакустическая глубоководная антенна
HYDROACOUSTIC DEEP-WATER ANTENNA

Изобретение относиться к гидроакустике и может быть использовано при разработке глубоководных низкочастотных пьезопреобразователей, ненаправленных в горизонтальной плоскости, способных работать в широкой полосе частот, например, в проблеме освещения подводной обстановки, а также в системах дальней акустической связи, в гидроакустических навигационных системах дальнего радиуса действия.
Известна гидроакустическая глубоководная излучающая антенна, содержащая несколько идентичных, свободно обтекаемых (водозаполненных) цилиндрических преобразователей, расположенных соосно с зазором, на равном расстоянии друг от друга («Подводная акустика». М. 1970 г, с. 52-56.). Недостатком данной антенны является малая рабочая полоса частот.
Известен глубоководный широкополосный гидроакустическим преобразователь (Патент РФ №2647992, H04R 1/44, (2006.01), опубликовано 21.03.2018, бюл. №9), выполненный в виде полого водозаполненного цилиндра, открытого с одного торца и герметизированного по всей поверхности полимером, в котором на наружную цилиндрическую и тыльную поверхности полого водозаполненного цилиндра установлен двухслойный акустический экран в форме усеченного конуса для бокового и тыльного экранирования, выполненный из двух частей - внутренней, изготовленной из высокопрочного композитного материала, и внешней - в виде металлической конической оболочки, при этом угол наклона боковой поверхности усеченного конуса к корпусу носителя составляет 20-40°. Недостатком данного широкополосного гидроакустического преобразователя является сравнительно малая рабочая полоса частот.
Известна также гидроакустическая глубоководная антенна (Патент РФ №2169438, H04R 1/44, (2000.01), H04R 13/02, (2000.01), опубликовано 20.06.2001, бюл. №17), содержащая два свободно обтекаемых полых цилиндрических преобразователя, расположенных соосно с зазором между ними, имеющих разные средние диаметры, причем отношение средних диаметров лежит в пределах от 0.2 до 0.5, а отношение высот цилиндрических преобразователей к их средним диаметрам лежит в пределах от 0.3 до 1.5.
Известное изобретение является наиболее близким к заявленному изобретению.
Недостатком известного изобретения является низкая чувствительность гидроакустической антенны на частотах, меньших частоты радиального резонанса цилиндрического преобразователя больших размеров, т.к. рабочая полоса частот расширена, в основном, в сторону частот, больших частоты объемного резонанса цилиндрического преобразователя больших размеров за счет использования в составе антенны цилиндрического преобразователя меньших размеров и его резонансов. Кроме того, излучение внешней боковой поверхности цилиндрических преобразователей и излучение с торцов водозаполненных цилиндрических преобразователей является противофазным, что уменьшает эффективность работы гидроакустической антенны на низких частотах. Однако для гидроакустических систем дальнего радиуса действия основная проблема заключается в понижении рабочих частот, а, следовательно, связана с увеличением массы и габаритов гидроакустических антенн, что чаще всего, не является технически целесообразным.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является расширение рабочей полосы в сторону низких частот, меньших частоты радиальной моды колебаний цилиндрического преобразователя больших размеров без существенного увеличения габаритов самой антенны и, соответственно, увеличение эффективности работы антенны в рабочей полосе частот.
Для решения указанной задачи в гидроакустической глубоководной антенне, содержащей набор свободно обтекаемых полых цилиндрических преобразователей, расположенных соосно с зазором между ними, все цилиндрические преобразователи выполнены идентичными по размерам, высота набора равна среднему диаметру цилиндрических преобразователей, внутренний объем антенны заполнен твердым наполнителем, плотность которого меньше плотности воды, а скорость звука в 3π раз меньше скорости звука в материале цилиндрических преобразователей. При этом все цилиндрические преобразователи соединены электрически параллельно и подключены к усилителю мощности через индуктивность, образующую с емкостью цилиндрических преобразователей электрический контур, резонансная частота которого в два раза меньше резонансной частоты цилиндрических преобразователей.
В предлагаемом изобретении внутреннее заполнение гидроакустической глубоководной антенны, выполненное из твердого материала с низкой плотностью и низкой скоростью звука, играет роль внутреннего стержневого резонатора, вставленного с зазором во внутренний объем и совершающего продольные колебания. Его размер и резонансная частота продольных колебаний подбираются таким образом, что излучение внешней боковой поверхности цилиндрических преобразователей и излучение с торцов внутреннего резонатора, заполняющего вместе с водой внутренний объем цилиндрических преобразователей, становится синфазным. Кроме того, при соответствующем подборе плотности и модуля упругости внутреннего резонатора его резонансная частота продольных колебаний понижается в два раза по сравнению с резонансной частотой радиальных колебаний цилиндрических преобразователей. По этой причине увеличивается его резонансная чувствительность в режиме излучения на частоте продольных колебаний и расширяется рабочая полоса частот не менее, чем до октавы в сторону низких частот. При этом сохраняется возможность работы гидроакустической глубоководной антенны при высоком гидростатическом давлении без существенного увеличения габаритных размеров самой антенны. Для дополнительного увеличения чувствительности гидроакустической глубоководной антенны в режиме излучения на частоте продольных колебаний внутреннего резонатора все цилиндрические преобразователи соединены электрически параллельно и подключены к усилителю мощности через индуктивность, образующую с емкостью преобразователей электрический контур, резонансная частота которого в два раза меньше резонансной частоты радиальных колебаний цилиндрических преобразователей. Кроме того, такое подключение цилиндрических преобразователей к усилителю мощности уменьшает уровень излучения гидроакустической антенны на частоте радиальных колебаний цилиндрических преобразователей и способствует формированию рабочей полосы частот более октавы с существенным расширением полосы в сторону низких частот.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в расширении рабочей полосы частот гидроакустической антенны в сторону частот, меньших частоты радиальной моды колебаний цилиндрического преобразователя, без существенного увеличения габаритных размеров антенны и, соответственно, увеличение эффективности ее работы в рабочей полосе частот.
rr
z
1
2
1
Сущность изобретения поясняется чертежами, где: на фиг. 1 представлен общий вид конструкции гидроакустической антенны; на фиг. 2 приведены эпюра радиальных напряжений σ, действующих на боковой поверхности цилиндрических преобразователей в фазе сжатия, и эпюра вертикальных смещений U, распределенных по длине внутреннего стержневого резонатора; на фиг. 3 поясняется формирование рабочей полосы частот в окрестности радиального f и продольного f=f/2 резонансов.
Гидроакустическая глубоководная антенна включает в себя вертикальный набор цилиндрических преобразователей 1 идентичных размеров, расположенных соосно с зазором между ними, каждый из которых заключен в герметичный чехол 2. Армирующие шпильки 3 и фланцы 4 обеспечивают жесткость всей конструкции антенны. Во внутренний объем гидроакустической антенны вставлены с зазором скрепленные между собой круглые шайбы из пенопласта, образующие внутренний резонатор 5.
1
2
1
На фиг. 2 поясняются фазовые соотношения между радиальными колебаниями цилиндрических преобразователей и продольными колебаниями внутреннего стержневого резонатора, обеспечивающие синфазность колебаний на всей поверхности гидроакустической антенны, боковой и торцевой. На фиг. 3 поясняется формирование рабочей полосы частот в окрестности радиального f и продольного f=f/2 резонансов, при этом частотная характеристика I соответствует гидроакустической антенне, содержащей только водозаполненный набор цилиндрических преобразователей идентичных размеров, а частотная характеристика II соответствует гидроакустической антенне, содержащей внутренний стержневой резонатор, цилиндрические преобразователи в которой включены в цепь усилителя мощности через согласующую индуктивность, настроенную с емкостью цилиндрических преобразователей на частоту продольного резонанса.
Гидроакустическая антенна работает следующим образом. При подаче электрического напряжения от усилителя мощности на гидроакустическую антенну через согласующее звено, роль которого играет индуктивность, в ней возникают связанные механические колебания, радиальные колебания параллельно включенных цилиндрических преобразователей 1 и продольные колебания внутреннего стержневого резонатора 5. Частота радиальных колебаний цилиндрических преобразователей определяется выражением
1
1
1
где: D - средний диаметр цилиндрических преобразователей, λ - длина волны в материале цилиндрических преобразователей (например, в пьезокерамике) на частоте f радиального резонанса c=скорость звука в материале цилиндрических преобразователей.
2
Частота f продольных колебаний внутреннего резонатора (третья гармоника) связана с параметрами гидроакустической антенны соотношениями
где: Н - высота набора цилиндрических преобразователей (пьезокерамических колец),
2
2
λ=длина волны в материале внутреннего резонатора на частоте продольных колебаний, c=скорость звука в материале внутреннего стержневого резонатора.
Из соотношений (1), (2) получаем соотношение между скоростями звука в материале цилиндрических преобразователей и материале внутреннего стержневого резонатора
2
1
Этому соотношению хорошо соответствуют материал типа полистирольного пенопласта (ПС-1-350, ПС-1-600), скорость звука с в котором составляет 450-500 м/с, и пьезокерамика, скорость звука c в которой составляет 4000- 4500 м/с.
Электрическое напряжение, подаваемое на цилиндрические преобразователи 1, перераспределяется таким образом, что максимальное напряжение соответствует частоте продольных колебаний внутреннего стержневого резонатора 5, на которую настроен электрический контур, образованный индуктивностью и емкостью цилиндрических преобразователей, а индуктивность определяется выражением
2
2
2
2
L=1/ωC, ω=2πf,
где: С - емкость цилиндрических преобразователей.
На частоте радиальных колебаний цилиндрических преобразователей подаваемое на них напряжение существенно меньше максимального, но на этой частоте сохраняется высокая (резонансная) чувствительность самих цилиндрических преобразователей. Такое перераспределение подаваемого на гидроакустическую антенну напряжения способствует формированию рабочей полосы частот более октавы с существенным расширением рабочей полосы в сторону низких частот.
Геометрические размеры цилиндрических преобразователей, внутреннего стержневого резонатора и их упругие характеристики, определяющие скорость звука, таковы, что колебания внешней поверхности цилиндрических преобразователей и торцевой поверхности внутреннего стержневого резонатора на третьей гармонике продольных колебаний оказываются синфазными, что способствует увеличению уровня излучения на низких частотах рабочего диапазона частот.
Проведенные испытания доказали эффективность работы антенны в рабочей полосе частот, а также подтвердили достижение технического результата, указанного выше.