Широкополосная гидроакустическая антенна
BROADBAND HYDROACOUSTIC ANTENNA

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к созданию гидроакустических антенн, предназначенных для работы в составе гидроакустических средств подводных автономных аппаратов и других систем.
Разработка широкополосных гидроакустических антенн связана с решением комплекса вопросов одновременного обеспечения взаимоисключающих требований, таких как - высокие уровни излучения и КПД в широкой полосе частот, устойчивость к внешним воздействующим факторам, минимизацию массогабаритных характеристик, что особенно важно для многоэлементных антенн гидроакустических приемоизлучающих систем морского подводного оружия и автономных подводных аппаратов.
В большинстве конструкций антенн используемые преобразователи герметизируются со стороны рабочей поверхности звукопрозрачной резиной, вулканизованной на металлическом корпусе, а между резиной и преобразователями введен слой полиуретана, обеспечивающий акустический контакт преобразователя с резиной и водной средой (см. Л.В. Орлов, А.А. Шабров. Гидроакустическая аппаратура рыбопромыслового флота. Ленинград, Судостроение. 1987, с. 212). Такие конструкции могут обеспечить полосу пропускания не более 10-12% в диапазоне частот, определяемом механической добротностью пьезокерамических преобразователей, комплектующих антенну.
Известны конструкции гидроакустических антенн, в которых для расширения полосы пропускания вводятся дополнительные согласующие элементы в виде четвертьволнового слоя, или в виде системы слоев, размещаемой между пьезокерамическими преобразователями (см. патент РФ №2303336), и наружным герметизирующим слоем (покрытием). Такие конструкции гидроакустических многоэлементных антенн имеют значительные продольные габариты и массу. Кроме того, в случае использования общей накладки или общего согласующего слоя достаточной жесткости, происходит взаимная завязка пьезокерамических преобразователей, что ограничивает возможности их использования в широкополосных фазированных многолучевых (компенсированных) антеннах.
1
1
1
Увеличить полосу пропускания антенны до одной октавы без увеличения продольного габарита можно за счет использования в ней широкополосных гидроакустических пьезокерамических преобразователей стержневого типа с изгибно-колеблющимися рабочими накладками, (см. патенты РФ №2071184; 2147797). В этих конструкциях рабочая накладка выполняется таким образом, чтобы резонансная частота изгибных колебаний накладки составляла f=(0,6-0,8)×f где f - частота полуволнового резонанса стержневого активного элемента. Такой стержневой преобразователь, совершающий продольные колебания, и рабочая накладка, имеющая изгибные колебания, образуют связанную двухмодовую колебательную систему с рабочей полосой частот порядка октавы в диапазоне частот f=(0,5-1,0)×f.
Недостатком таких преобразователей является увеличенный поперечный размер (диаметр) рабочей накладки по сравнению с полуволновым (в водной среде), что недопустимо для антенн, у которых для уменьшения взаимного влияния и уровня бокового поля характеристик направленности межцентровые расстояния выбираются близкими к половине длины волны звука в водной среде.
Кроме того, эффективного согласования преобразователя с водной средой, (когда обеспечивается идеальная частотная характеристика с рабочей полосой порядка октавы) удается достигнуть при непосредственном контакте поверхности изгибно-колеблющейся рабочей накладки преобразователя со средой, что недостижимо при его работе в составе реальной конструкции антенного устройства с наружным герметизирующим покрытием со стороны рабочей поверхности. Выбирая материалы покрытия, можно минимизировать сдвиговые потери, которые приводят к недопустимому демпфированию колебаний изгиба рабочих накладок при передаче в водную среду.
Известна конструкция гидролокационной антенны с полимерным покрытием (см. патент РФ №2528142 - прототип), содержащая пьезокерамические элементы и имеющая наружный герметизирующий слой со стороны ее рабочей поверхности, выполненный из полиуретана, в которой между наружным герметизирующим слоем и рабочей поверхностью пьезокерамических элементов введено дополнительное покрытие, выполненное из уретанового герметика, обладающего сдвиговыми потерями, что приводит к расширению полосы пропускания за счет снижения механической добротности колебательной системы. Это позволяет достигнуть расширения полосы частотной характеристики до 15-20%, но при этом существенно снижаются КПД системы и уровень излучения.
В этом варианте вносимые в систему потери являются положительным фактором. При необходимости дальнейшего расширения полосы пропускания и использования двухмодовой механической системы преобразователя, работающего на продольно-изгибных колебаниях за счет связанных колебаний основной продольной моды стержневого преобразователя и его изгибно-колеблющейся рабочей накладки, вносимые сдвиговые потери прилегающего к рабочей накладке слоя являются отрицательным фактором.
Задачей настоящего изобретения является создание конструкции гидроакустической антенны, обеспечивающей работу стержневых пьезокерамических преобразователей с изгибно-колеблющимися рабочими накладками в полосе частот не менее октавы за счет оптимального согласования с водной средой путем создания двугорбой частотной характеристики без подавления резонанса изгибных колебаний.
Технический результат изобретения заключаются в расширении рабочей полосы частот антенны при сохранении удельной акустической мощности и КПД.
и
и
0
0
Технический результат достигается тем, что промежуточный слой, расположенный на поверхности, образованной изгибно-колеблющимися рабочими накладками пьезокерамических составных преобразователей стержневого типа, выполнен из материала с малым коэффициентом сдвиговых потерь толщиной в интервале от 0,1 до 0,3 длины волны звука в нем, при этом частота f резонанса преобразователя, обусловленного их изгибными колебаниями в водной среде, должна быть в диапазоне f=(1,7-1,9)×f, где f - частота основного продольного резонанса преобразователя.
Сущность изобретения поясняется на фигуре «Конструктивная схема широкополосной гидроакустической антенны».
Широкополосная гидроакустическая антенна содержит набор составных пьезокерамических преобразователей (4) стержневого типа, между изгибно-колеблющимися рабочими накладками (3) которых и наружным герметизирующим покрытием (1) из звукопрозрачного полиуретана помещен промежуточный слой (2), выполненный из материала, обладающего малыми сдвиговыми потерями. С тыльной стороны антенны пьезопреобразователи устанавливаются элементами крепления через промежуточную плату (5) на силовой корпус (6). Электрические монтажные провода пьезопреобразователей распаяны на промежуточную плату (5) с последующим выводом на кабель (7).
Функционирование антенны осуществляется следующим образом.
и
и
0
0
В динамическом режиме антенна осуществляет излучение и прием сигналов преобразователями (4) путем передачи колебаний рабочими накладками (3) через промежуточный слой (2) с герметизирующим покрытием (1). Наилучший результат достигается, если размеры накладок (3) преобразователей (4) выбираются из условия, чтобы частота f резонанса, обусловленного изгибными колебаниями в водной среде, лежала в диапазоне f=(1,7-1,9)×f, где f - частота основного продольного резонанса преобразователя. В этом случае обеспечивается рабочий диапазон антенны с полосой частот не менее октавы.
В описанной выше конструкции антенного устройства реализованы все отличительные признаки, благодаря которым и достигается заявленный положительный эффект, а именно: обеспечение эффективного излучения в полосе частот порядка октавы. Такие антенны могут быть реализованы для гидроакустических средств подводных автономных аппаратов и других систем работающих в интервале частот 5…50 кГц.