Одноканальная гидроакустическая приемоизлучающая антенна на основе пьезокомпозита связности 1-3

Полезная модель относится к гидроакустической технике и может быть использована в приемоизлучающих антеннах эхолотов, в том числе и навигационных.
Для безошибочной работы эхолотов в условиях бортовой качки носителя важным условием является минимально возможный уровень первого добавочного максимума характеристики направленности при максимальной технологической простоте и воспроизводимости конструкции.
Известен и широко применяется принцип построения гидроакустической антенны с круглой апертурой [1], однако, уровень первого добавочного максимума составляет минус 18 дБ, что не всегда удовлетворяет предъявляемым требованиям.
Известна гидроакустическая антенна, совпадающая с предлагаемой по наибольшему числу общих признаков.
Антенна-прототип содержит набор пьезоэлектрических преобразователей в виде пьезокерамических призм, соединенных электрически параллельно. Призмы располагаются на общей накладке в корпусе, содержащем в своей конструкции тыльный экран. Общая накладка и корпус акустически развязаны резиновыми прокладками. На общую рабочую накладку нанесен слой полимера, имеющий ступенчатое поперечное сечение. На его тонкой периферийной части установлено металлическое кольцо [2].
Конструкция антенны-прототипа за счет введения амплитудного распределения, обеспеченного сложной ступенчатой формой полимерного покрытия рабочей накладки с использованием разнотолщинных слоев, имеющих различные коэффициенты звукопрохождения, позволяет снизить уровень первых добавочных максимумов до значения минус 20 дБ, однако, это не всегда удовлетворяет предъявляемым требованиям. Кроме того, конструкция антенны является очень сложной, а процесс ее изготовления крайне трудоемким.
Задачей настоящей полезной модели является создание одноканальной гидроакустической приемоизлучающей антенны, обладающей пониженными уровнями первого добавочного максимума характеристики направленности при максимальной технологической простоте процесса изготовления и повышенной воспроизводимости свойств изделия по сравнению с антенной-прототипом.
Для решения поставленной задачи в одноканальную гидроакустическую приемоизлучающую антенну с амплитудным распределением по апертуре, содержащую пьезоэлементы, размещенные в полимерной матрице, установленные через четвертьволновый резиновый слой на тыльный отражающий стальной экран, и имеющую на рабочей поверхности слой полиуретанового компаунда толщиной четверть длины волны на рабочей частоте, введены новые признаки, а именно, апертура антенны выполнена квадратной, пьезоэлементы размещены в полимерной матрице рядами в направлениях сторон квадратной апертуры антенны, объединены в группы из одинакового количества элементов в каждом ряду в обоих направлениях и образуют пьезокомпозитную структуру связности 1-3 [3], при этом расстояния между центрами соседних пьезоэлементов в группе составляют 0,45λ на рабочей частоте в воде, расстояние между центрами соседних групп составляет 1,5λ на рабочей частоте в воде в каждом направлении, а амплитудное распределение, спадающее к краям антенны по нелинейному закону, образуется при формировании характеристики направленности в приеме и излучении в диагональных направлениях.
Техническим результатом от использования полезной модели является снижение уровня первого добавочного максимума диаграммы направленности заявленной антенны в диагональных плоскостях при осесимметричном характере основного лепестка диаграммы направленности в двух главных плоскостях, а также упрощение конструкции, технологии изготовления антенны и снижение материальных, временных и производственных затрат на ее изготовление.
Обеспечение технического результата достигается размещением пьезоэлементов неэквидистантно по апертуре антенны группами в полимерной матрице, при этом волновой шаг между центрами пьезоэлементов в группе в продольных направлениях составляет 0,45λ, в диагональных - 0,64λ; между центрами двух групп в продольных направлениях - 1,5λ. В этом случае достигается естественное амплитудное распределение, спадающее по нелинейному закону к краям антенны. При этом происходит снижение уровня первого добавочного максимума до значения минус 30 дБ при сохранении ширины основного лепестка характеристики направленности в двух главных плоскостях нарушением эквидистантного закона распределения пьезоэлементов в полимерной матрице в направлениях, образованных сечением антенны плоскостями перпендикулярными раскрыву антенны и параллельными главным диагоналям.
Сущность полезной модели поясняется на фиг. 1-4. На фиг. 1 показан пьезокомпозит связности 1-3, являющийся механической колебательной системой одноканальной гидроакустической приемоизлучающей антенны; на фиг. 2 - пример конструкции предлагаемой одноканальной гидроакустической приемоизлучающей антенны на основе пьезокомпозита связности 1-3; на фиг. 3 - вариант формируемой антенной диаграммы направленности на рабочей частоте в диагональных направлениях (сплошная кривая) в сравнении с теоретическим расчетом (пунктирная кривая); на фиг. 4 - варианты формируемых антенной диаграмм направленности на рабочей частоте в диагональных (сплошная кривая) и продольных (пунктирная кривая) направлениях.
1
Заявленная приемоизлучающая антенна содержит двумерную неэквидистантную решетку, составленную из пьезокерамических элементов 1, которые заделаны с боковых граней в полимерной матрице 2 и располагаются группами. Волновой шаг между центрами пьезоэлементов в группе в продольных направлениях составляет  (λ - длина волны на рабочей частоте), в диагональных - d=0,64λ; между центрами двух групп в продольных направлениях -  На торцевые грани пьезокерамических элементов 1 нанесены слои токопроводящего клея 3, являющиеся электродами. Электрическое соединение пьезокерамических элементов 1 - параллельное (фиг. 1). Полученная конструкция представляет собой пьезокомпозит связности 1-3, который клеевым соединением крепится к тыльной резиновой накладке 4. Накладка 4 с пьезокомпозитом связности 1-3 крепится к корпусу 5, являющимся тыльным отражающим экраном. Электрические выводы выполнены кабелем 6, который для унификации выполнен в одном конструктивном исполнении с корпусом 5. Антенна имеет общий узел герметизации, выполненный из полимерного компаунда 7 (фиг. 2).
Заявленная полезная модель используется по назначению следующим образом.
0,7
При работе в режиме излучения на пьезокерамические элементы 1 пьезокомпозита связности 1-3 подается электрическое напряжение на рабочей частоте, определяемой полуволновым резонансом по толщине Н пьезокомпозита связности 1-3. Пьезокомпозит связности 1-3 начинает совершать синфазные продольные колебания, реализуя обратный пьезоэффект путем преобразования электрических волн в звуковые. Через четвертьволновый слой полимерного компаунда 7, нанесенного со стороны рабочей поверхности, звуковая энергия излучается во внешнюю окружающую среду (воду) практически без потерь. При этом за счет заявленной конфигурации расположения пьезоэлементов в пьезокомпозите связности 1-3 формируется диаграмма направленности в диагональном направлении представленная на фиг. 3 (сплошная кривая). Полученное значение уровня первого добавочного максимума минус 30 дБ положительно скажется при работе заявленной антенны и позволит исключить возможные ошибки при определении глубины в условиях бортовой качки носителя. На этом же рисунке (фиг. 3) приведена расчетная диаграмма направленности в диагональном направлении антенны с квадратной апертурой при эквидистантном распределении пьезоэлементов (пунктирная кривая). Из приведенных диаграмм направленности видно, что уровень первого добавочного максимума для заявленной полезной модели снизился на 4 дБ по сравнению с расчетным значением, что является положительным фактом применения предложенной конструкции. На фиг. 4 представлены экспериментальные диаграммы направленности антенны в двух главных направлениях: сплошная - в диагональном; пунктирная - в продольном. Из приведенных диаграмм направленности видно, что их ширина на уровне минус 3 дБ θ практически совпадает. В диагональном направлении ее значение составляет 18,60 градусов, в продольном - 18,65 градусов.
При работе в режиме приема звуковая волна рабочей частоты, распространяющаяся во внешней окружающей среде, падает на рабочую поверхность. Через четвертьволновый слой полимерного компаунда 7 звуковая волна достигает апертуры антенны (пьезокомпозита связности 1-3) практически без ослабления и воздействует на него. Пьезокомпозит связности 1-3 начинает совершать синфазные продольные колебания, реализуя прямой пьезоэффект путем преобразования звуковых волн в электрические.
Формируемые одноканальной гидроакустической приемоизлучающей антенной на основе пьезокомпозита связности 1-3 характеристики направленности идентичны как для режима излучения, так и для режима приема. Указанное распределение позволяет снизить уровень первого добавочного максимума диаграммы направленности в диагональной плоскости до уровня минус 30 дБ при сохранении ширины основного лепестка по сравнению с диаграммой направленности в продольном направлении. При этом заявленная антенна проста в изготовлении и позволяет получить высокую повторяемость свойств от образца к образцу при малых трудовых, временных и материальных затратах. Это позволяет считать, что заявленный технический результат достигнут.
Источники информации.
1. Орлов Л.В., Шабров А.А. Гидроакустическая аппаратура рабопромыслового флота. - Л.: Судостроение, 1987 г.
2. Патент РФ №2611724 «Одноканальная гидроакустическая антенна с осесимметричной характеристикой направленности», кл. G01S 15/00, опубл. 28.02.2017 г.
3. Тополов В.Ю. Пьезокомпозиты: получение, свойства, применение (учебное пособие) [Текст] / В.Ю. Тополов, А.Е. Панич. - Ростов н/Д, 2009. - 51 с.: ил.