ПРИЕМОИЗЛУЧАЮЩЕЕ АНТЕННОЕ УСТРОЙСТВО С ПАРАМЕТРИЧЕСКИМ РЕЖИМОМ ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к гидроакустическим антенным устройствам, для которых спектральный состав полигармонических рабочих сигналов определяется как полосой пропускания электроакустических преобразователей, из которых оно собрано, так и перераспределением по спектру акустической энергии мощных сигналов накачки ими излучаемых, т.е. нелинейными эффектами самовоздействия и взаимодействия, возникающими при распространении акустических волн конечной амплитуды в водной среде.
2
Эффективность антенных устройств, применяемых в гидроакустических средствах различного назначения определяется их свойством некоторой пространственной избирательности (направленностью), т.е. способностью излучать (принимать) звуковые волны в одних направлениях в большей степени, чем в других, причем, это свойство проявляется как при определенных волновых размерах (D/λ) апертуры, так и на расстоянии r>2D/λ, где D - максимальный размер апертуры (излучающей/принимающей поверхности) антенны, λ - длины волн ультразвуковых сигналов в рабочей полосе частот. Направленные свойства антенн являются основным критерием их применимости для определения угловых координат подводных объектов, например, при получении информации о подводной обстановке вокруг промыслового судна. Следует отметить, что пространственная избирательность также определяется и конструкцией антенного устройства, проектирование которой позволяет оценить возможности локатора по угловому разрешению подводных целей. Например, техническая реализация кругового обзора (шагового, секторно-шагового и одновременного кругового) требует соответствующих конструкций многоэлементных приемоизлучающих интерференционных антенн с различной формой излучающей поверхности - плоской, цилиндрической, сферической и т.д.
Известна (Гидроакустика за 20 лет / пер. с англ. Под ред. Ю.Ф. Тарасюка. - Л.: Судостроение, 1975. - c. 150, Тимошенко В.И. Расчет и проектирование параметрических акустических преобразователей. Часть 1. - Таганрог, ТРТИ, 1978, с. 17-24) интерференционная многоэлементная гидроакустическая антенна с плоской апертурой, обеспечивающая прием и/или излучение акустических сигналов в водной среде с необходимой пространственной избирательностью, содержащая электроакустические преобразователи, эквидистантно распределенные на плоской несущей конструкции, так что их поверхности образуют рабочую плоскую поверхность необходимого размера, линии коммуникаций, соединяющие преобразователи между собой и через вводы/выводы электрических сигналов с радиотехническими устройствами формирования и управления характеристиками направленности в трактах излучения и приема, элементы экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции (Терминологический словарь-справочник по гидроакустике / Р.Х. Бальян, Э.В. Батаногов, А.В. Богородский и др. - Л.: Судостроение, 1989. - с. 50-51).
В зависимости от технических характеристик форма апертуры плоских антенн может быть различной: квадратной, прямоугольной, ромбической и круглой, они имеют наиболее простую конструкцию, самый высокий коэффициент осевой концентрации, минимальные по сравнению с двумя другими типами антенн боковые лепестки, минимальную излучающую поверхность и наименьшее количество электроакустических преобразователей. С помощью интерференционной многоэлементной гидроакустической антенны с плоской апертурой можно осуществлять обзор акватории дискретным (шаговым, один цикл «излучение-прием» - обследованный «квант» водного пространства) перемещением одного относительно узкого основного лепестка характеристики направленности в азимутальной плоскости при помощи электромеханического (или электронного) разворота в заданном секторе, причем, преимуществом такого квантованного обзора является также эффективное использование энергии при излучении.
К недостаткам кругового обзора с помощью интерференционной многоэлементной гидроакустической антенны с плоской апертурой следует отнести следующее:
3
max
max
- цикл обзора «кванта» водного пространства занимает время t=2⋅r/c, где r - ожидаемая дальность действия локатора, с - скорость звука в воде (Простаков А.П. Электронный ключ к океану: Гидроакустическая техника сегодня. - Л.: Судостроение, 1978 г., с. 10-13).;
- полное отсутствие информации об обстановке за пределами телесного угла, облучаемого в данный момент основным лепестком характеристики направленности, в течение осуществляемого цикла «излучение-прием», т.к. перед каждой очередной посылкой антенна поворачивается на новое направление, отличающееся от предыдущего на угол Δ (шаг поиска - «квант» обследования водного пространства, обычно не превышает 5°-10°);
ОБЗ
ОБЗ
3
- большое полное время Т обзора сектора Ω, возрастающее с увеличением дальности действия, равное Т=Ω⋅t /Δ, (Кудрявцев В.И. Промысловая гидроакустика и рыболокация - М., Пищ. Пром., 1978, с. 27-58);
- наличие значительных непросмотренных участков пространства, например, при движении поискового судна с высокой скоростью (Орлов Л.В., Шабров А.А. Расчет и проектирование гидроакустических рыбопоисковых станций - М., Пищ. Пром., 1974, с. 135-146);
- отсутствие возможности одновременного наблюдения за несколькими целями, причем, с возможностью регулировки угловой разрешающей способности, без применения специальных средств обработки сигналов (Кобяков Ю.С., Кудрявцев Н.Н., Тимошенко В.И. Конструирование гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры. - Л.: Судостроение, 1986 - с. 50-60);
- при проведении многопозиционного подводного наблюдения, например, с помощью нескольких промысловых судов, на обширной акватории обнаружение объектов при использовании однотипных «моночастотных» интерференционных гидроакустических антенн с помощью локаторов, расположенных на них, осложнено наличием значительных ультразвуковых помех взаимного влияния по гидроакустическому каналу. Это может быть устранено за счет использования для генерации в широкой полосе частот зондирующих сигналов нелинейных эффектов (Волощенко В.Ю.. Тимошенко В.И. Параметрические гидроакустические средства ближнего подводного наблюдения (часть 1) - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009. - 294 с.);
- не обеспечена возможность подбора как необходимой угловой разрешающей способности в угломестной и азимутальных плоскостях, так и индивидуальной частоты ультразвукового сигнала в каждом цикле «излучение-прием», т.е. различной «частотной окраски» в подводном пространстве каждого радиального сектора обзора.
В результате интерференционная многоэлементная гидроакустическая антенна с плоской апертурой, обеспечивающая получение информации за счет отражения и рассеяния ультразвуковых волн на границах между различными средами, имеет ограниченные эксплуатационные возможности для получения гидролокационных изображений с различной степенью детализации при осуществлении всенаправленно квантованного обследования водного объема акватории.
Признаки, совпадающие с заявляемой полезной моделью: электроакустические преобразователи, линии электрических коммуникаций, соединяющие электроакустические преобразователи между собой и через вводы/выводы электрических сигналов со входами трактов излучения и приема, несущая конструкция, элементы экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции.
Известна интерференционная многоэлементная антенна с цилиндрической формой приемоизлучающей поверхности, которая более пригодна для быстрого всенаправленного обследования водного объема акватории (Орлов Л.В., Шабров А.А. Расчет и проектирование гидроакустических рыбопоисковых станций - М., Пищ. Пром., 1974, с. 69-100, Кудрявцев В.И. Промысловая гидроакустика и рыболокация - М., Пищ. Пром., 1978, с. 73-90, Простаков А.Л. Гидроакустика и корабль - Л.: Судостроение, 1967, с. 35), обеспечивающая прием и/или излучение акустических сигналов в водной среде с необходимой пространственной избирательностью, содержащая электроакустические преобразователи, распределенные в секции, как в вертикальном, так и горизонтальном направлениях по поверхности несущей конструкции, линии коммуникаций, соединяющие преобразователи между собой и через вводы/выводы электрических сигналов с радиотехническими устройствами формирования и управления характеристиками направленности в трактах излучения и приема, элементы экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции.
К недостаткам известной интерференционной многоэлементной антенны с цилиндрической формой приемоизлучающей поверхности, ограничивающим ее эксплуатационные возможности для получения информации, основанные на отражении и рассеянии ультразвуковых волн на границах между различными средами, в частности, при осуществлении всенаправленно квантованного обследования водного объема акватории, следует отнести следующее:
0,7пр
пр
пр
0,7пр
0,7пр
- при круговом обзоре пространства с всенаправленным в азимутальной плоскости излучением (импульсы длительностью τ) и быстро сканирующим узким основным лепестком характеристики направленности θ (скорость сканирования лепестка выбирается из условия, что один полный оборот происходит за промежуток времени, не превышающий длительность возможного эхоконтакта, примерно равное τ) часть энергии эхосигнала, приходящего с любого направления, обязательно поступит в приемный тракт, однако, так как сканирование происходит непрерывно длительность приема τ эхосигнала с данного направления составит лишь небольшую часть полного времени существования отраженного сигнала τ:τ=τ⋅θ/360°, т.е. длительность регистрации эхоконтакта определится интервалом нахождения объекта в пределах основного лепестка шириной θ. Таким образом, данному варианту кругового обзора присущи недостатки - нерациональное расходования энергии при излучении и потеря большей части энергии сигнала при приеме, что ухудшает отношение сигнал/помеха на входе приемного тракта (см. Справочник по гидроакустике. - Евтютов А.П. и др. - Л.: Судостроение, 1982. - с. 11);
ЭФФ
- второй вариант кругового обзора - с направленно-сканирующим излучением и статической многолепестковой характеристикой направленности при приеме лишен указанного выше недостатка. Облучение окружающего пространства осуществляется последовательно, в течение каждого полного оборота равномерно вращающимся в азимутальной плоскости основным лепестком характеристики направленности, сформированной электронным способом, что обеспечивает концентрацию всей излучаемой в данный момент энергии в пределах основного лепестка, совпадающего с конкретным направлением эхопоиска в течение определенного времени, называемого эффективней длительностью посылки τ. Для приема эхосигналов используют многоканальный тракт со статически сформированными (с применением задерживающих цепей или элементов цифровой техники) лепестками характеристики направленности секционированной цилиндрической антенны, которые равномерно перекрывают всю плоскость обзора или только нужный сектор. Однако наличие радиотехнических устройств (линий задержки, фазовращателей и др.) усложняет тракты локатора и уменьшает его к.п.д. за счет потерь, вносимых их электрическими цепями, а фазовая компенсация приводит к увеличению уровня бокового поля, и, соответственно, к снижению коэффициента концентрации антенны, например, интерференционная многоэлементная антенна с цилиндрической формой приемоизлучающей поверхности для гидролокатора «Угорь», состоит из 432 элементов, которые соединены через коммутаторы с таким же числом электронных канатов как в излучающем, так и приемном трактах, что позволяет изменять угол наклона луча в угломестной плоскости в диапазоне от (+10°) до (-45°). Смещение в угломестной плоскости на угол до 45° основного максимума характеристики направленности вызывает его расширение на 40%, а также увеличение уровня бокового излучения до (30-35)%, что в конечном итоге снижает отношение сигнал/шум (Кобяков Ю.С., Кудрявцев Н.Н., Тимошенко В.И. Конструирование гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры. - Л.: Судостроение, 1986. - 272 с.).;
- снижение надежности функционирования интерференционной многоэлементной антенны с цилиндрической формой приемоизлучающей поверхности вследствие увеличения числа и технологических неточностей установки электроакустических преобразователей, наличия дополнительных узлов для электроизоляции, экранировки, герметизации и т.д., а также усложнения конструкции антенны, обусловленные применением большого числа кабельных вводов (Кудрявцев В.И. Промысловая гидроакустика и рыболокация - М., Пищ. Пром., 1978, с. 73-90);
- неремонтопригодность интерференционной многоэлементной антенны с цилиндрической формой приемоизлучающей поверхности при выходе из строя части электроакустических преобразователей (Орлов Л.В., Шабров А.А. Расчет и проектирование гидроакустических рыбопоисковых станций - М., Пищ. Пром., 1974, с. 69-100);
- рабочий диапазон частот интерференционной многоэлементной антенны с цилиндрической формой приемоизлучающей поверхности ограничен полосой пропускания резонансных электроакустических преобразователей, таким образом, изменение разрешающей способности вследствие изменения частоты рабочего ультразвукового сигнала неосуществимо, причем, в угломестной плоскости в направлениях «вверх» и «вниз» существуют «слепые» зоны обзора;
- использование нескольких устройств активной локации, снабженных однотипными интерференционными многоэлементными антеннами с цилиндрической формой приемоизлучающей поверхности при эхопоиске на акватории, осложнено помехами взаимного влияния;
- не обеспечена возможность подбора как необходимой угловой разрешающей способности в угломестной и азимутальных плоскостях, так и индивидуальной частоты ультразвукового сигнала в каждом цикле «излучение-прием», т.е. различной «частотной окраски» в подводном пространстве каждого радиального сектора обзора.
Резюмируя отмеченное выше, можно сделать вывод о том, что интерференционная многоэлементная антенна с цилиндрической формой приемоизлучающей поверхности, обеспечивающая получение информации за счет отражения и рассеяния ультразвуковых волн на границах между различными средами, имеет ограниченные эксплуатационные возможности для получения гидролокационных изображений с различной степенью детализации при осуществлении всенаправленно квантованного обследования водного объема акватории
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: электроакустические преобразователи, линии электрических коммуникаций (провода), соединяющие как электроакустические преобразователи между собой, так через вводы (выводы) электрических сигналов с входами трактов излучения и приема, несущая конструкция, элементы экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции.
Известно принятое за прототип гидроакустическое антенное устройство для осуществления подводного наблюдения (см. Кудрявцев В.И. Промысловая гидроакустика и рыболокация - М., Пищ. пром., 1978, с. 148), содержащее электроакустические преобразователи, которые снабжены элементами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции, и несущую конструкцию цилиндрической формы, на внешней поверхности которой эквидистантно расположены электроакустические преобразователи, образуя замкнутый ряд из апертур (ширина ряда - диаметр, а периметр - сумма диаметров преобразователей, укладывающихся по его длине). Акустические оси преобразователей расположены в азимутальной плоскости, выходя из общего фазового и, соответственно, геометрического центра несущей конструкции.
К недостаткам гидроакустического антенного устройства для осуществления подводного наблюдения, ограничивающим ее эксплуатационные возможности для получения информации, основанные на отражении и рассеянии ультразвуковых волн на границах между различными средами, в частности, при осуществлении всенаправленно квантованного обследования водного объема акватории, следует отнести следующее:
- использование для квантованного по направлениям кругового обзора одинаковых электроакустических преобразователей приводит к взаимному ультразвуковому «ослеплению» за счет приема и регистрации переотраженных границами раздела «моночастотных» зондирующих сигналов (помехи взаимного влияния) при одновременном использовании нескольких антенных устройств в течение многопозиционного подводного наблюдения, например, на обширной акватории с помощью нескольких промысловых судов;
- конструкция прототипа не позволяет осуществлять регулировку угловой разрешающей способности в угломестной и азимутальной плоскостях при осуществлении кругового обзора, что существенно сокращает эксплуатационные возможности при использовании антенных устройств в рамках многопозиционной системы подводного наблюдения;
- решение проблемы возникновения помех взаимного влияния антенных устройств, используемых на акватории при небольших удалениях друг от друга, возможно за счет расширения диапазона рабочих частот эхопоиска и функционировании каждого антенного устройства на «своем», отличном от других наборе зондирующих сигналов, что требует применения большого количества разнорезонансных электроакустических преобразователей различных габаритов и массы, что усложняет конструкцию гидроакустического антенного устройства, однако данный подход в прототипе не используется;
- не обеспечена возможность подбора как необходимой угловой разрешающей способности в угломестной и азимутальных плоскостях, так и индивидуальной частоты ультразвукового сигнала в каждом цикле «излучение-прием», т.е. различной «частотной окраски» в подводном пространстве каждого радиального сектора обзора.
Таким образом, общим недостаткам прототипа и приведенных аналогов является ограниченные эксплуатационные возможности, так как не обеспечивается выбор необходимой угловой разрешающей способности в угломестной и азимутальных плоскостях и индивидуальной частоты ультразвукового сигнала в каждом цикле «излучение-прием», т.е. различной «частотной окраски» в подводном пространстве каждого радиального сектора обзора, в результате чего затруднено получение гидролокационных изображений с различной степенью детализации при осуществлении всенаправленно квантованного обследования йодного объема акватории.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: электроакустические преобразователи, которые снабжены элементами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции, электроакустические преобразователи эквидистантно расположены на внешней поверхности несущей конструкции цилиндрической формы, образуя на ней замкнутый ряд из апертур, причем, акустические оси преобразователей выходят из общего фазового и, соответственно, геометрического центра несущей конструкции, электроакустические преобразователи могут подключаются к трактам как излучения, так и приема.
Задачей заявляемого приемоизлучающего антенного устройства с параметрическим режимом излучения является расширение эксплуатационных возможностей при всенаправленно квантованном обследовании водного объема акватории, гидролокационных изображений с различной степенью детализации.
Технический результат изобретения заключается в расширении эксплуатационных возможностей приемоизлучающего антенного устройства с параметрическим режимом излучения за счет возможности выбора в процессе подводного наблюдения необходимой угловой разрешающей способности в угломестной и азимутальных плоскостях, и индивидуальной частоты ультразвукового сигнала в каждом цикле «излучение-прием», что обеспечивает различную «частотную окраску» каждого отдельного направления эхопоиска и обеспечивает получение информации об обнаруженных объектахв широкой полосе рабочих частот.
Технический результат достигается тем, в приемоизлучающее антенное устройство с параметрическим режимом излучения, содержащем несущую конструкцию в виде круглого прямого цилиндра, на внешней поверхности которого эквидистантно расположены i=1, 2, 3, …m,… одинаковых электроакустических преобразователей, имеющих возможность осуществления через водную среду акустического контакта с объектами в i=1, 2, 3, …m,… радиальных секторах обзора пространства, электроакустические преобразователи снабжены элементами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции; приемоизлучающие поверхности электроакустических преобразователей образуют замкнутую цилиндрическую поверхность - апертуру, у которой ширина и периметр определяется габаритными размерами электроакустических преобразователей, причем угловая ширина и неравномерность по давлению основного лепестка ее результирующей характеристики направленности в плоскости, перпендикулярной к образующей, определяется выбранным значением уровней (0,9; 0,8; 0,7; 0,6; 0,5) перекрывания соседних основных лепестков характеристик направленности используемых для эхопоиска электроакустических преобразователей; акустические оси электроакустических преобразователей выходят из геометрического центра несущей конструкции цилиндрической формы; электроакустические преобразователи могут поочередно соединяться с выходом генератора (входом приемника), дополнительно введен управляемый многоканальный коммутатор, выполненный с возможностью соединения в заданном порядке электроакустических преобразователей с выходом генератора и со входом приемника.
0
0
0
Целесообразно в приемоизлучающем антенном устройстве с параметрическим режимом излучения волновые размеры D/λ электроакустических преобразователей устанавливать в соответствовии с интервалом значений (), где D - диаметр преобразователя, λ=с/ƒ - длина волны акустического сигнала накачки с частотой ƒ, распространяющегося со скоростью с в воде, Р - амплитуда звукового давления в Паскалях у поверхности излучающего электроакустического преобразователя, что обусловит проявление нелинейности упругих свойств водной среды распространения и соответственно позволяет расширить спектральный состав излучения предлагаемого устройства за счет нелинейных эффектов (самовоздействие, взаимодействие), возникающих в водной среде при распространении акустических волн конечной амплитуды.
3
Описанные выше аналоги и прототип, так и предлагаемое устройство служат одной цели - формированию и приему волновых процессов в водной среде, являясь средством передачи и получения информации, причем, развитие различных практических приложений в гидроакустике обусловило существенное увеличение мощностей излучаемых волн. В данных условиях начинает меняться роль гидроакустического канала как звукопроводящей водной среды - от «линейной» акустики (аналоги и прототип), в рамках которой изменение плотности воды еще линейно зависит от изменения звукового давления распространяющегося волнового процесса, что обусловливает выполнение принципа суперпозиции, до «нелинейной» акустики (предлагаемое устройство), где начинает проявляться нелинейность ее упругих свойств, вызывающая как самовоздействие, так и взаимодействие распространяющихся волн конечной амплитуды, приводя к генерации новых спектральных компонент комбинационных частот. В нелинейной акустике принято оценивать относительное влияние диссипативных, дифракционных и нелинейных эффектов на исходные волны поля накачки на основе рассчетов безразмерных величин: параметра Хохлова  (Руденко О.В., Солуян С.И. Теоретические основы нелинейной акустики. - М.: Наука, 1975. - 287 с.) или параметра Заболотского N=8/N (см. Бахвалов Н.С., Жилейкин Н.М., Заболотская Е.А. Нелинейная теория звуковых пучков. - М.: Наука, 1982. - 176 с.), числа Рейнольдса  (см. Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика. - Л.: Судостроение, 1981. - 264 с.) или параметр  для конкретной параметрической (нелинейной) антенны с использованием соотношений:
0
0
0
- расстояние образование разрыва плоской волны с частотой ω=2π⋅ƒ (рад/с) и амплитудой звукового давления р (Па) у поверхности излучателя, м;
0
- длина области дифракции Френеля для волны накачки с центральной частотой ω (рад/с), м;
ƒ0
0
ƒ0
0
ƒ0
0
-10
1,5
- расстояние затухания акустической волны, м. Коэффициент затухания α (Нп/м) акустического сигнала с частотой ƒ (1/с) в морской воде рассчитывается по соотношениям Шихи и Хелли, а также Либермана (Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика. - Л.: Судостроение, 1981. - 264 c.). Для пресной воды коэффициент затухания α (Нп/м) связан с частотой ƒ (1/с) следующим уравнением: α=0,2765⋅10⋅ƒ (Яковлев А.Н., Каблов Г.П. Гидролокаторы ближнего действия. - Л.: Судостроение, 1983. - 200 с.)
ПР 1М
ƒ0
Z
ƒ0
амплитуда звукового давления сигнала накачки у поверхности антенны, Па. Здесь: Р⋅ехр(α⋅z)=P⋅z⋅ехр(α⋅z), (Па×м) - амплитуда звукового давления сигнала накачки, приведенного к расстоянию 1 метр от антенны с учетом затухания.
Приближенно оценивать предельные значения амплитуд звукового давления накачки, при которых начинают проявляться нелинейные эффекты, предложено (Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика. - Л.: Судостроение, 1981. - 264 с.) следующим образом Образование разрывов для плоских волн характеризуется величиной параметра , отсюда соответствующая амплитуда звукового давления у поверхности антенны равна
0
где b - диссипативный коэффициент среды. Но так как дифракционные явления значительно ослабляют нелинейные эффекты, то для ограниченных пучков накачки при этих значениях р разрыв может и не наступить. Тогда, пренебрегая нелинейным затуханием волны накачки и полагая  (N>1), предельные уровни амплитуд звукового давления рассчитывают по формуле
0
0
0
Таким образом, амплитуда звукового давления р у поверхности излучателя для каждого из сигналов накачки параметрической антенны заключена в пределах, определяемых в соответствии с (5) и (6). Соотношение (6) с учетом того, что диаметр антенны D=2α, с=1500 м/с и частота ƒ=с/λ, можно преобразовать и представить в виде
что ограничивает сверху величину волнового размера электроакустического преобразователя накачки параметрической антенны, причем, нижнюю границу (D/λ≥10) можно установить из результатов экспериментов (Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика. - Л.: Судостроение, 1981. - 264 с.).
1
2
1
2
1
2
+
1
2
1
2
Таким образом, полигармоническую «акустическую освещенность» границ раздела и объектов эхопоиска можно обеспечить при возбуждении электроакустических преобразователей, волновые размеры D/λ которых лежат в интервале величин от 10 до , предлагаемого устройства мощными электрическими бигармоническими сигналами с частотами ƒ, ƒ, находящимися в их полосе пропускания, т.е. за счет использования нелинейных эффектов как самовоздействия, так и взаимодействия, которые возникают при распространении акустических волн конечной амплитуды в водной среде, обладающей нелинейностью упругих свойств. При этом возможна реализация режима параметрического излучения - каждый электроакустический преобразователь предлагаемого устройства, излучает в нелинейную водную среду два соосных коллимированных интенсивных ультразвуковых пучка волн конечной амплитуды, в приосевой области которых при выполнении условий синхронизма происходит генерация новых спектральных компонент, что и позволяет сформировать полигармонический зондирующий сигнал. Возникновение полигармонического зондирующего сигнала в акустическом поле следует рассматривать как результат изменения упругих свойств нелинейной водной среды в области распространения мощного бигармонического (ƒ, ƒ) сигнала накатай, что приводит к перераспределению энергии интенсивных ультразвуковых волн по частотной оси как «вверх» - генерации высших гармонических компонент волн накачки, волны суммарной частоты (nƒ, nƒ, ƒ=ƒ+ƒ), где n=2, 3, 4, так и «вниз» - генерации волны разностной F=|ƒ-ƒ| частоты (см. Мюир Т. Дж. Нелинейная акустика и ее роль в геофизике морских осадков // Акустика морских осадков / Пер. с англ.; Под ред. Ю.Ю. Житковского. - М.: Мир, 1977. - с. 227-273, Урик Р. Дж. Основы гидроакустики. - Л.: Судостроение, 1978. - с. 101-106, Кудрявцев В.И. Промысловая гидроакустика и рыболокация - М.: Пищ. пром., 1978. - с. 288-294. Гидроакустическая энциклопедия. - Под общ. ред. В.И.Тимошенко. Таганрог, Изд. ТРТУ. 1999, с. 389-402, 438-441). Так как на акустической оси антенны изменение свойств среды под действием мощной волны накачки с частотой ƒ происходит в наибольшей степени, главный максимум излучения для каждой последующей гармоники имеет более малую угловую ширину по уровню 0,7. В направлениях дополнительных максимумов излучения на основной частоте ƒ изменение свойств среды происходит в гораздо меньшей степени, что приводит к снижению эффективности генерации гармоник в этих направлениях, т.е. уровень бокового поля для каждой последующей гармоники меньше, чем у предыдущей (см. Мюир Т. Дж. Нелинейная акустика и ее роль в геофизике морских осадков // Акустика морских осадков / Пер. с англ.; Под ред. Ю.Ю. Житковского. - М.: Мир, 1977. - с. 227-273, Урик Р. Дж. Основы гидроакустики. - Л.: Судостроение, 1978. - с. 101-106, Кудрявцев В.И. Промысловая гидроакустика и рыболокация - М.: Пищ. пром., 1978. - с. 288-294). Аналогичные характеристики; отсутствие бокового поля в излучении, угловая ширина основного лепестка но уровню 0,7, определяемая остротой направленного действия исходного электроакустического преобразователя на сигнале накачки и т.д. - имеет и низкочастотное излучение волны разностной частоты (В.А. Воронин, С.П. Тарасов, В.И. Тимошенко. Гидроакустические параметрические системы. Ростов н/Д: Ростиздат, 2004).
1
2
1
2
1
2
1
2
+
1
2
Исходя из вышеизложенного, технический результат предлагаемого приемоизлучающего антенного устройства с параметрическим режимом излучения, обеспечивается за счет возбуждения необходимого количества электроакустических преобразователей, волновые размеры D/λ которых лежат в интервале величин от 10 до , мощными электрическими бигармоническими сигналами с частотами ƒ, ƒ, находящимися в их полосе пропускания, что приводит при распространении мощных ультразвуковых волн накачки к изменению свойств гидроакустического канала. В данном случае гидроакустический канал является не только звукопроводящей средой, позволяющей установить акустический контакт с границей раздела, волновое сопротивление которой отличается от волнового сопротивления воды. Объемный объект, при распространении в котором мощных ультразвуковых волн накачки проявляется нелинейность упругих свойств воды, вызывающая нелинейные эффекты как самовоздействия, так и взаимодействия, приводя к генерации новых спектральных компонент комбинационных частот, свойства акустических полей которых кратко описаны выше. Таким образом, предлагаемое приемоизлучающее антенное устройство с параметрическим режимом излучения как средство передачи и получения информации может функционировать на любой спектральной компоненте - F=|ƒ-ƒ|, ƒ, ƒ, nƒ, nƒ, ƒ=ƒ+ƒ, где n=2, 3, 4, …, что и дает возможность осуществления подбора как необходимой угловой разрешающей способности в угломестной и азимутальных плоскостях, так и индивидуальной частоты ультразвукового сигнала в каждом цикле «излучение-прием», т.е. различной «частотной окраски» каждого отдельного направления эхопоиска (шага поиска) в подводном пространстве, что в результате позволяет обеспечить получение необходимых гидролокационных изображений с различной степенью детализации
Полезная модель поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 представлена функциональная схема приемоизлучающего антенного устройства с параметрическим режимом излучения;
на фиг. 2 изображены две проекции конструкции макета участка приемоизлучающего антенного устройства;
на фиг. 3-6 - приведены секторные характеристики направленности макета участка кольцевого ряда приемоизлучающего антенного устройства в азимутальной плоскости для сигналов ƒ=270 кГц, 2ƒ=540 кГц, 3ƒ=810 кГц (включено три поршневых электроакустических преобразователя) и F=50 кГц (включено два электроакустических преобразователя).
0
0
0
Приемоизлучающее антенное устройство с параметрическим режимом излучения (фиг. 1) содержит несущую конструкцию 2 в виде круглого прямого цилиндра, на внешней поверхности которого эквидистантно расположены i=1, 2, 3, …m,… одинаковых электроакустических преобразователей 3, которые через водную среду 1 имеют акустический контакт с объектами, находящимися в i=1, 2, 3, …m,… радиальных секторах облучаемого пространства. Электроакустические преобразователи 3 снабжены элементами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции, а их приемоизлучающие поверхности - образуют замкнутую цилиндрическую поверхность - апертуру, у которой ширина и периметр определяются их габаритными размерами. В данном случае как угловая ширина, так и неравномерность по давлению основного лепестка ее результирующей характеристики направленности в плоскости, перпендикулярной к образующей, определяется выбранным значением уровней (0,9; 0,8; 0.7; 0,6; 0,5) перекрывания соседних основных лепестков характеристик направленности используемых для эхопоиска электроакустических преобразователей 3. Акустические оси электроакустических преобразователей 3 выходят из геометрического центра несущей конструкции 2 цилиндрической формы. Электроакустические преобразователи 3 выполнены с возможностью соединения через многоканальный коммутатор 4 с выходом генератора и со входом приемника (на чертеже не показаны), а на управляющий вход многоканального коммутатора 4 поступают соответствующие сигналы управления. Волновые размеры D/λ электроакустических преобразователей 3 соответствовуют интервалу значений (), где D - диаметр преобразователя 3, λ=с/ƒ - длина волны акустического сигнала с частотой ƒ, распространяющегося со скоростью с в воде Р - амплитуда звукового давления в Паскалях у их приемоизлучающих поверхностей, что обусловит проявление нелинейности упругих свойств водной среды 1 и соответственно позволит расширить спектральный состав излучения предлагаемого устройства за счет нелинейных эффектов (самовоздействие, взаимодействие), возникающих в водной среде 1 при распространении акустических волн конечной амплитуды.
2m
im
2m
im
0
1m
2m
+m
0
2m
1m
m
2m
1m
1m
2m
+m
2m
1m
1m
2m
1m
2m
i
2i
1i
1i
2i
+i
2i
1i
1i
2i
1i
2i
Работа приемоизлучающего антенного устройства с параметрическим режимом излучения осуществляется следующим образом. В водной среде 1 расположена (фиг. 1) в заданном положении (например, вертикально относительно азимутальной плоскости) несущая конструкция 2 в виде круглого прямого цилиндра, на внешней поверхности которой эквидистантно расположены i=1, 2, 3, …m,… одинаковых электроакустических преобразователей 3. Электроакустические преобразователи 3 могут через водную среду 1 иметь акустический контакт с объектами, находящимися в области облучаемого пространства, поделенного на i=1, 2, 3, …m,… радиальных секторов. Приемоизлучающие поверхности электроакустических преобразователей 3 образуют замкнутую цилиндрическую поверхность - апертуру, у которой ширина и периметр определяется габаритными размерами электроакустических преобразователей 3. В данном случае как угловая ширина, так и неравномерность по давлению основного лепестка ее результирующей характеристики направленности в плоскости, перпендикулярной к образующей (например, в азимутальной плоскости), определяется выбранным значением уровней (0.9; 0.8; 0,7; 0.6; 0,5) перекрывания соседних основных лепестков характеристик направленности используемых для эхопоиска электроакустических преобразователей 3, каждый из которых может облучать «индивидуальный» m-ый радиальный сектор. Акустические оси всех i=1, 2, 3, …m,… электроакустических преобразователей 3 выходят из геометрического центра несущей конструкции 2, выполненной в виде круглого прямого цилиндра. Каждый i=1, 2, 3, …m,… электроакустический преобразователь 3 может быть в заданном порядке соединен через многоканальный коммутатор 4 как с выходом генератора (на чертежах не показа, так и с входом приемника (на чертежах не показан), на управляющий вход многоканального коммутатора 4 поступают соответствующие сигналы управления. Известен аппаратурно-программный комплекс синтезатора сигнала накачки на базе ПЭВМ типа IВМ, который обеспечивает задание, ввод, корректировку значений параметров бигармонического генерируемого сигнала накачки в интерактивном режиме, т.е. генерацию сигналов накачки с заданными значениями параметров (Воронин В.А., Тарасов С.П. Тимошенко В.И. Гидроакустические параметрические системы. - Ростов н/Д: Ростиздат, 2004, с. 243-247), в частности, значений частот бигармонической накачки ƒ, ƒ, входящих в полосу пропускания электроакустических преобразователей 3 (i=1, 2, 3, …m,… - количество возможных изменений частот ƒ, ƒ волн накачки при соблюдении условия ƒ=(ƒ+ƒ)/2=ƒ/2, где ƒ - резонансная частота электроакустического преобразователя 3). Таким образом, аппаратурно-программный комплекс синтезатора сигнала накачки позволяет для каждого из i=1, 2, 3, …m,… электроакустических преобразователей 3 приемоизлучающего антенного устройства с параметрическим режимом излучения, и, соответственно, для каждого из i=1, 2, 3, …m,… радиальных секторов обзора, запрограммировать «индивидуальный» набор параметров излучения и приема: момент излучения в требуемом i=1, 2, 3, …m,… направлении эхопоиска, длительность зондирующего импульса, значения частот бигармонической накачки ƒ, ƒ, а также регистрируемую спектральную компоненту из набора частот F=|ƒ-ƒ|, ƒ, ƒ, ƒ=ƒ+ƒ, 2ƒ, 2ƒ,. 3ƒ, 3ƒ…) принимаемого и регистрируемого полигармонического эхосигнала. Описанная выше особенность приемоизлучающего антенного устройства позволяет реализовать всенаправлено-квантованное обследование водного объема акватории с регулируемой угловой разрешающей способностью и «частотной окраской» (F=|ƒ-ƒ|, ƒ, ƒ, ƒ=ƒ+ƒ, 2ƒ, 2ƒ,. 3ƒ, 3ƒ…) радиальных секторов обзора в азимутальной плоскости.
cm
ГЕН
2m
im
0
0
0
ПР
Рассмотрим осуществление эхопоиска в m-ом радиальном секторе (в остальных радиальных секторах принципиальных отличий нет, за исключением описанных выше). Итак, m-ый электроакустический преобразователь 3 является обратимым полуволновым, активный элемент состоит из пьезокерамического диска с резонансной толщиной , где c - скорость звука в стержне, ƒ - резонансная частота его толщинных колебаний (Гидроакустическая энциклопедия / Под общ. ред. В.И. Тимошенко. - Таганрог: изд-во ТРТУ, 1999. - c. 599), причем, для электроакустического преобразователя 3 выбирается известный частотный диапазон эффективного преобразования электрической энергии в акустическую и наоборот. С выхода генератора через многоканальный коммутатор 4 поступают импульсы переменного бигармонического электрического сигнала U, частоты колебаний ƒ, ƒ которого находятся в полосе пропускания m-го электроакустического преобразователя 3. В силу пьезоэлектрических свойств активный элемент электроакустического преобразователя 3 будет изменять свои размеры с частотами, равными частотам приложенного напряжения, т.е. будет совершать колебания. Эти колебания излучаются в нелинейную водную 1 среду и распространяются в виде мощных сгущений и разряжений, т.е. ультразвуковых волн конечной амплитуды. Для проявления нелинейности упругих свойств зонной среды 1 электроакустический преобразователь формирует акустическое поле волн накачки с необходимой величиной удельной акустической мощности, что обеспечивается тем, что волновой размер D/λ электроакустического преобразователя 3 соответствовует интервалу значений (), где D - диаметр преобразователя 3, λ=с/ƒ - длина волны акустического сигнала с частотой ƒ, распространяющегося со скоростью с в воде Р – амплитуда звукового давления в Паскалях у поверхности излучающего электроакустического преобразователя 3. Именно в данных условиях начинает меняться роль гидроакустического канала как звукопроводящей среды - от «линейной» акустики, в рамках которой изменение плотности воды 1 еще линейно зависит от изменения звукового давления распространяющегося волнового процесса, что обусловливает выполнение принципа суперпозиции, до «нелинейной» акустики, где начинает проявляться нелинейность ее упругих свойств, вызывающая как самовоздействие, так и взаимодействие распространяющихся волн конечной амплитуды, приводя к генерации новых спектральных компонент, т.е. формируется полигармонический зондирующий сигнал, спектральный состав которых «индивидуален» для данного направления эхопоиска в азимутальной плоскости. Полигармонический импульс распространяется в водной среде 1 и при наличии на его пути объекта, волновое сопротивление которого отличается от волнового сопротивления воды, происходит отражение акустических колебаний от него, причем, некоторая часть энергии импульса распространяется в обратном направлении (в силу малоамплитудности эхосигналов водную среду 1 можно считать «линейной» звукопроводящей средой). Вторичное полигармоническое поле «индивидуального» спектрального состава достигает внешнего электрода - рабочей поверхности m-го электроакустического преобразователя 3, находящихся в режиме приема. Переменное ультразвуковое ноле полигармонического эхосигнала, воздействуя на электроды, передается пьезоэлектрическому материалу электроакустического преобразователя 3, в результате чего на них вырабатывается переменное полигармоническое импульсное электрическое напряжение «индивидуального» спектрального состава U, поступающее через многоканальный коммутатор 4 в приемник (на чертежах не показан), который снабжен устройствами индикации и регистрации, позволяющими оператору провести анализ осуществления эхопоиска в m-ом радиальном секторе, причем, для получения гидролокационных изображений с различной степенью детализации производится обработка (фильтрация, усиление, детектирование) в приемнике.
R
0
0
R
R
R
R
R
R
0
Проведем расчет конструкции (фиг. 1) приемоизлучающего антенного устройства с параметрическим режимом излучения для случая использования круглых плоских поршневых электроакустических преобразователей 3 (Орлов Л.В., Шабров А.А. Расчет и проектирование гидроакустических рыбопоисковых станций - М., Пищ. Пром., 1974, с. 9-19). Ширина основного лепестка θ (в градусах) на заданном относительном уровне (R=0,7; 0,5; 0,3; 0,1; 0,0) характеристики направленности круглого поршня определяется его волновым размером D/λ (D - диаметр преобразователя, λ=с/ƒ - длина волны акустического сигнала с частотой ƒ, распространяющегося со скоростью с в воде) и может быть рассчитана по формуле θ=χ⋅λ/D, где уровням R=0,7; 0,5; 0,3; 0,1; 0,0 соответствуют значения коэффициента χ=58,5; 80,0; 100,0; 128,0; 140,0. Если акустические оси соседних круглых плоских поршневых электроакустических преобразователей 3 с резонансной частотой ƒ=250 кГц (λ=6 мм) как в угломестной, так и в азимутальной плоскостях разнесены на одинаковый угол θ=8, а относительный уровень перекрывания их основных лепестков R=0,7 (χ=58,5), то диаметр преобразователя 3 определяется соотношением D=χ⋅λ/θ, откуда D≈0,059 м. В то же время диаметр преобразователя D и диаметр несущей цилиндрической конструкции d могут быть связаны соотношением d=D/tg(θ/2)=χ⋅λ/tg(θ)⋅θ, откуда d≈0,63 м. Так, для описанного выше варианта конструкции длина окружности составляет 1,98 м, что при диаметре преобразователя 0,059 м, дает их размещаемое количество - 33.
Экспериментальные испытания макета приемоизлучающего антенного устройства с параметрическим режимом излучения (участок цилиндрической поверхности, две проекции изображены на фиг. 2), который изготовлен на основе пяти электроакустических преобразователей 3 (диаметр 65 мм, угол разнесения акустических осей α=6°, радиус кривизны 0,55 м) в условиях гидроакустического бассейна показали следующее:
1
2
1
1
1
1) конструкция макета позволяет путем переключения электроакустических преобразователей 3 производить на рабочих сигналах F=|ƒ-ƒ|, ƒ, 2ƒ, 3ƒ дискретное сканирование соответствующих характеристик направленности с шагом 6° в секторе 30°, производя необходимое «частотное» окрашивание необходимых секторов обзора;
2) одновременное возбуждение нескольких электроакустических преобразователей 3 макета позволяет как формировать секторные характеристики направленности, так и регулировать угловую разрешающую способность в азимутальной плоскости (см. характеристики направленности на фиг. 3-6 в декартовой системе координат). Так, для трех соседних электроакустических преобразователей 3 в нелинейном режиме значения ширины по уровню 0,7 результирующего главного максимума характеристики направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях составляют: для сигнала накачки ƒ=270 кГц 18° и 5,2° (фиг. 3), для второй гармоники сигнала накачки 2ƒ=540 кГц 16° и 3,8° (фиг. 4), для третьей гармоники сигнала накачки 3ƒ=810 кГц 16,6° и 2,6° (фиг. 5) Как следует из фиг. 2-4, флуктуации уровней амплитуд звукового давления в области результирующих глазных максимумов характеристик направленности для сигналов ƒ, 2ƒ, 3ƒ составляли не более 3 дБ, 7 дБ и 9 дБ соответственно, что вызвано выбором большой величины угла разнесения (6°) акустических осей электроакустических преобразователей, а уровни бокового излучения во взаимноперпендикулярных плоскостях - (-11 дБ), (-20 дБ) и (-43 дБ) соответственно. Для двух соседних электроакустических преобразователей 3 в параметрическое режиме значение ширины по уровню 0,7 результирующего главного максимума характеристики направленности во взаимноперпендикулярных плоскостях составляют:- для сигнала разностной частоты F=50 кГц 12° и 6° (фиг. 6) при флуктуации уровня амплитуды звукового давления в области результирующего главного максимума не более 2 дБ и уровне бокового излучения (-24 дБ); аналогично для пяти электроакустических преобразователей 3 в параметрическом режиме можно сформировать результирующий главный максимум в виде радиального сектора - 30° и 6°.
3) конструкция макета позволяет сохранить преимущества режима параметрического излучения, причем, поворот результирующего главного максимума секторной характеристики направленности производится наиболее простым способом - путем переключения электроакустических преобразователей 3, что выгодно его отличает от электронного и механического дискретного сканирования;
1
2
1
2
4) эффективная полоса пропускания электроакустического преобразователя 3 составила около 55 кГц. что позволило формировать в водной среде параметрические антенны, частоты волн накачки которых могут изменяются в диапазонах ƒ=(248,5-272,5) кГц и ƒ=(277,5-302,5) кГц, генерируя дополнительные компоненты спектра излучения в диапазонах частот: разностных F=(5-55) кГц, вторых гармоник волн накачки 2ƒ=(497-545) кГц и 2ƒ=(555-605) кГц и т.д.
Реализация всенаправлено-квантованного обследования водного объема акватории с регулируемой угловой разрешающей способностью и «частотной окраской» радиальных секторов обзора в азимутальной плоскости посредством 33 электроакустических преобразователей предлагаемого устройства не имеет принципиальных затруднений.
Преимущества приемоизлучающего антенного устройства с параметрическим режимом излучения следующие:
- возможность быстрого и эффективного поиска в азимутальной плоскости окружающего водного пространства в пределах дальности действия для каждого «индивидуального» направления эхопоиска, определяемого различной статической ориентацией в пространстве каждого электроакустического преобразователя;
- эффективное использование излучаемой в каждом направлении акустической энергии обеспечивает однозначность регистрации дистанции и направления на объект эхопеленгования;
- отсутствует необходимость использования радиотехнических устройств (линии задержки, фазовращатели), что упрощает тракты локатора и повышает его к.п.д. за счет отсутствия потерь, вносимых их электрическими цепями;
- мобильность и высокая транспортабельность антенного устройства позволяет устанавливать его в различных точках акватории, допускает подъем из воды для обслуживания и осмотра:
- обеспечивается достаточная ремонтопригодность, дешевизна и технологичность, так как антенное устройство выполнено из унифицированных электроакустических преобразователей соответствующих волновых размеров, размещенных на несущей конструкции заданной пространственной формы.
Заявляемая полезная модель может найти широкое применение в качестве приемоизлучающего антенного устройства с параметрическим режимом излучения, обладающего расширенными функциональными возможностями для всенаправлено-квантованного обследования водного объема акватории с регулируемой угловой разрешающей способностью и «частотной окраской» радиальных секторов обзора в азимутальной плоскости.