НЕПРЕРЫВНАЯ МНОГОЭЛЕМЕНТНАЯ ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ АНТЕННА

Непрерывная многоэлементная гидроакустическая
Предлагаемая полезная модель относится к области гидроакустики и может быть использована в многоцелевых гидроакустических комплексах (ГАК) на надводных кораблях ВМФ.
Известно, что в таких комплексах для осуществления кругового обзора подводной обстановки широко применяются многоэлементные гидроакустические антенны, как правило, цилиндрической формы, состоящие из системы конструктивно и электрически связанных между собой пьезоэлектрических преобразователей. В частности, сведения о таких антеннах приводятся в 1 и 2.
Обычно эти антенны выполняются в виде набора одиночных пьезоэлектрических преобразователей, заключенных каждый в отдельный герметичный корпус с автономными электрическими выводами, соединяемыми снаружи уже непосредственно во внешней водной среде 3. Наличие в антенне индивидуальных корпусов преобразователей и многочисленных узлов герметизации, механических развязок колебательной системы каждого преобразователя от корпуса, внешних электрических соединений приводит к усложнению общей конструкции антенны, снижению
антенна.
надежности, избыточным конструкционным потерям (а значит, понижению КПД), повышенной материалоемкости и трудоемкости изготовления антенны. Этих недостатков лишена антенна МГК-335М (ГАК «Платина), которую по наибольшему числу общих конструктивных признаков следует признать ближайшим аналогом предлагаемой полезной модели. Ее описание имеется в 4 на стр.265 и в 5 на стр.22, а теоретические основы работы антенн такого типа рассмотрены в 6 и 7. Эта антенна содержит сплошную приемо-излучающую оболочку из титанового сплава, внутри которой в общем герметизируемомкорпусеустановленыпьезоэлектрические
преобразователи в виде армированных секционированных пьезокерамических стержней, передние накладки которых жестко присоединены к внутренней поверхности оболочки, при этом преобразователи установлены эквидистантно рядами вдоль образующих цилиндрической оболочки. Антенна имеет общий усиленный контур герметизации, единую механическую развязку на верхнем и нижнем торцах оболочки, выполняющей роль общей приемо-излучающей накладки для всей системы преобразователей, внутрикорпусный электрический монтаж с минимальным числом внешних электрических выводов, и поэтому ее конструкция отличается простотой и надежностью в эксплуатации. Однако,, применительно к перспективным ГАК, в которых предъявляются особые требования к частотным характеристикам антенн, описанная выше антенна прототип полезной модели имеет серьезный недостаток - она относительно узкополосна, т.к. входящие в ее состав стержневые преобразователи обычной конструкции 3 стр.24 имеют один основной резонанс при относительной ширине полосы пропускания не более 20%.
В то же время для обеспечения эхолокации подводных целей с применением сложных частотномодулированных сигналов, причем на нескольких сравнительно близких эталонных частотах для совместных действий в составе соединения, возникает необходимость существенного увеличения широкополосное™ гидроакустических антенн. При разработке новых ГАК требуется решение задачи обнаружения крупно и малоразмерных целей с помощью одной универсальной антенны в двух разнесенных частотных диапазонах.
Задачей полезной модели является создание высоконадежной широкополосной антенны для обеспечения при работе в составе современных ГАК эффективного излучения и приема эхосигналов в заданных частотных диапазонах.
Для решения поставленной задачи в известную непрерывную многоэлементную гидроакустическую антенну, содержащую приемоизлучающую цилиндрическую оболочку, внутри которой установлены пьезоэлектрические преобразователи в виде армированных секционированных пьезокерамических стержней с передними накладками,, жестко присоединенными к внутренней поверхности оболочки, при этом преобразователи установлены рядами вдоль образующих оболочки,,
введены новые признаки, а именно:
каждый пьезоэлектрический преобразователь выполнен двухрезонансным,, при этом между его армированным пьезокерамическим стержнем и передней накладкой введены гибкая и массивная пассивные вставки с возможностью возбуждения колебаний приемо-излучающей оболочки на двух заданных резонансных частотах антенны.
Кроме того, для минимизации механической связи между преобразователями через выполняющую роль общей приемо-излучающей накладки цилиндрическую оболочку на ней вдоль ее образующих между рядами преобразователей могут быть выполнены глухие пазы. Это позволяет уменьшить возможные на отдельных частотах выше резонанса искажения характеристик направленности из-за взаимодействия преобразователей через оболочку при их возбуждении с большим фазовыми сдвигами по фазе. Для защиты от коррозии контактирующей с окружающей водной средой приемо-излучающей цилиндрической оболочки, если она также в целях достижения большей широкополосное™ антенны выполнена из «легкого металла, например, алюминиевого сплава, не являющегося коррозийностойким, на ее наружную поверхность может быть нанесен слой полимерного покрытия.
Для дополнительного увеличения широкополосности антенны на наружную поверхность приемо-излучающей цилиндрической оболочки может быть нанесено и комбинированное покрытие в виде слоя полиуретанового компаунда, охваченного снаружи бандажом цилиндрической формы из коррозийностойкого металла.
Техническими результатами от использования предлагаемой полезной модели, обусловленные введением указанных выше новых признаков, являются:
- расширение частотного диапазона эффективной работы антенны в составе ГАК обеспечивающее возможность эффективного излучения и приема акустических сигналов либо в одном расширенном диапазоне частот, либо в
двух раздельных диапазонах (нижнем и верхнем), оптимальных для эхолокации соответственно крупноразмерных и малоразмерных целей;
-минимизация механического взаимодействия преобразователей в антенне черезоболочку, выполняющую роль общей приемо-излучающей накладки, обеспечивающая улучшение основных электроакустических характеристик антенны;
-антикоррозийная защита приемо-излучающей цилиндрической оболочки антенны в случае такой необходимости при помощи полимерного покрытия;
дополнительное увеличение широкополосности антенны при соответствующем выборе материалов и толщины компонентов двухслойного комбинированного покрытия оболочки (полимеры + металл).
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется фиг. 1 и 2, причем на фиг. 1 показана общая конструкция антенны в разрезе по одному из рядов преобразователей вдоль образующей цилиндрической оболочки, а на фиг.2 схематично изображено расположение закрепленных на внутренней поверхности оболочки преобразователей по окружности, при этом полностью показан лишь один преобразователь, а расположение смежных с ним преобразователей обозначено осевыми штрих-пунктирными линиями.
Антенна (фиг.1) содержит металлическую приемо-излучающую цилиндрическую оболочку 1, на внутренней поверхности которой эквидистантно установлены рядами вдоль образующих цилиндрической оболочки преобразователи 2. Герметизируемый внутренний объем антенны сверху и снизу ограничен торцевыми фланцами 3 и 4, а изнутри цилиндром 5, выполняющим несущие функции. Наружные электрические выводы 6
выполнены через верхний фланец. На наружную поверхность приемоизлучающей цилиндрической оболочки при необходимости может быть нанесен слой полимерного покрытия 7 (в том числе резинового). При использовании в качестве покрытия заливочного полиуретанового компаунда снаружи устанавливается тонкостенный металлический бандаж 8, непосредственно контактирующий с окружающей водной средой На наружной поверхности приемо-излучающей цилиндрической оболочки могут быть выполнены глухие пазы-пропилы 9 (см. фиг.2) вдоль ее образующих между рядами преобразователей. Глубина и ширина пазов выбирается с учетом обеспечения необходимой механической прочности оболочки. На фиг.2 отображена конструкция используемых в антенне двухрезонансных стержневых пьезоэлектрических преобразователей, выполненная в соответствии с патентом РФ N2131173 от 10.12.97 г. Каждый преобразователь состоит из секционированного по высоте пьезокерамического стержня 10 с тыльной 11 и передней 12 металлическими накладками, армирующей его металлической стяжки 13 с фиксирующей стягивающие усилия гайкой 14. В конструкцию введена гибкая пассивная вставка 15, выполненная как единое целое с передней накладкой 12, а между ней и пьезокерамическим стержнем введена массивная пассивная вставка 16 из тяжелого металла, конфигурация которой выбрана в соответствии с предложенной в вышеуказанном патенте и может варьироваться в зависимости от заданных значений резонансных частот. Преобразователи своими передними накладками жестко, путем приклейки, присоединяются к внутренней поверхности цилиндрической оболочки 1.
Работа антенны в режиме излучения осуществляется следующим образом: по электрическим выводам 6 на каждый преобразователь 2 (или группу параллельно соединенных преобразователей) подается напряжение возбуждения рабочей частоты с заданной амплитудой и фазой, в результате чего в нем возбуждаются механические напряжения, вызывающие продольные механические колебания элементов его конструкции. Колебания передних накладок 12 преобразователей 2 передаются цилиндрической оболочке 1, выполняющей роль общей излучающей накладки, и через наружное покрытие 7, 8 передаются в виде звуковых волн в окружающую водную среду, создавая в ней переменное акустическое давление соответствующего спектрального состава. В зависимости от характера возбуждения оболочки закрепленными на ней пьезоэлектрическими преобразователямиформируетсятребуемаяхарактеристика
направленности антенны, определяющая направление распространения звуковых волн при поиске целей в режиме гидролокации. Отраженные от обнаруженных целей эхосигнапы, возвращаясь в антенне, переводимой в режим приема, возбуждают в оболочке и элементах колебательной системы преобразователей механические колебания, в результате чего при действии прямого пьезоэффекта на электродах пьезокерамического стержня каждого преобразователя возникают электрические напряжения, передаваемые в аппаратуру обработки сигналов приемного тракта ГАК.
Благодаря использованию в антенне двухрезонансных преобразователей вышеописанной конструкции, обеспечивается высокая эффективность излучения и приема эхосигналов в расширенной полосе частот режима гидролокации ГАК.
Литература
1.А.Л. Простаков «Гидроакустика и корабль, изд-во Судостроение1, Л. 1967 г.
2.Л. Камп «Подводная акустика, изд-во Мир1, М. 1972г.
3.Справочник под редакцией В.В. Богородского «Подводные электроакустические преобразователи, изд-во Судостроение, Л. 1983г.
4.Сборник «50 лет ЦНИИ «Морфизприбор, С-Пб, 1999г.
5.Рекламный проспект ЦНИИ «Морфизприбор «Подводные технологии, 2000г.
6.В.М. Кузнецов «Возбуждение цилиндрической оболочки системой закрепленных на ней вибраторов, статья в «Дальневосточном акустическом сборнике, вып.1, 1979г., ДВГУ, г. Владивосток
7.В.М. Кузнецов, B.C. Сизиков «Фазированная система стержневых преобразователей, закрепленных на цилиндрической оболочке, статья в н-т сборнике «Вопросы кораблестроения, вып.42, 1982г.