АКУСТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ГИДРОЛОКАЦИОННОЙ СТАНЦИИ С УПРАВЛЯЕМОЙ ХАРАКТЕРИСТИКОЙ НАПРАВЛЕННОСТИ
SONAR TONE SYSTEM WITH CONTROLLED DIRECTIONAL CHARACTERISTIC

Одним из основных вопросов, стоящих при проектировании акустических систем для гидроакустических станций, является вопрос управления характеристикой направленности. В настоящее время известны следующие основные способы смещения характеристики направленности в пространстве:
1. Механический поворот акустической системы.
2. Создание фазового распределения между отдельными элементами системы.
3. Использование фокусирующих систем с вынесенными из фокуса преобразователями.
Предлагаемая акустическая система обеспечивает поворот характеристики направленности за счет наличия фазовых сдвигов между отдельными элементами без применения фазозадерживающих цепей (как это обычно делается в режиме приема) и без увеличения числа генераторов (в режиме излучения).
Сущность предлагаемого изобретения состоит в использовании для формирования характеристики направленности частотной зависимости фазы колебаний на поверхности преобразователя при наличии нескольких близких резонансов у одного преобразователя или при наличии нескольких преобразователей, имеющих близкие резонансные частоты.
Как известно, при работе на частоте вблизи резонанса амплитуда и фаза колебаний поверхности преобразователя зависят от частоты.
При расстройке, соответствующей уменьшению амплитуды до 0,7, фаза колебаний поверхности преобразователя сдвигается на ±45° по отношению к фазе колебаний на резонансе (или к фазе подводимого напряжения).
раб
Для пояснения принципа формирования характеристики направленности акустической системы рассмотрим два преобразователя, имеющие частотные характеристики, изображенные на фиг.1. Если выбрать рабочую частоту (f), соответствующую пересечению амплитудных характеристик, то фаза колебаний поверхности первого преобразователя будет отставать на 90° по отношению к фазе колебаний поверхности второго преобразователя (при одинаковой фазе питающего напряжения). При перемене полярности электрического напряжения первого преобразователя фаза колебаний его поверхности изменится на 180°, т.е. будет опережать фазу колебаний второго преобразователя на угол 90°. Подобным же образом можно изменить на 180° и фазу колебаний второго преобразователя. Чередуя в системе первые и вторые преобразователи с одной и с противоположной полярностями, получим одинаковый сдвиг фаз (по 90°) между колебаниями поверхностей соседних преобразователей. Характеристика направленности акустической системы, составленной описанным выше способом, будет повернута относительно оси на угол α, равный  где d - расстояние между центрами соседних преобразователей. Зависимость α от  показана на фиг.2.
При параллельном включении всех преобразователей характеристика будет направлена перпендикулярно поверхности акустической системы. При переключении полярности питающего напряжения всех преобразователей характеристика направленности повернется на угол -α.
Все сказанное выше справедливо и для акустической системы, составленной из одинаковых двухрезонансных преобразователей, у которых в зависимости от способа приложения электрического поля возбуждаются колебания, имеющие частотные характеристики, аналогичные изображенным на фиг.1.
Если в случае системы, составленной из однорезонансных преобразователей двух типов, путем электрических переключений можно получить всего три характеристики направленности (α, 0, -α), причем величина α определяется конструкцией системы, то в случае акустической системы, состоящей из двухрезонансных преобразователей, можно изменять угол поворота характеристики направленности в широких пределах, при этом, вообще говоря, разность фаз между колебаниями двух соседних преобразователей может быть сделана меньшей чем 90°.
Приведенные соображения будут очевидно справедливы также и в режиме приема.
Ниже рассматриваются различные варианты выполнения предлагаемой акустической системы:
I. Акустическая система представляет собой цилиндр, составленный из колец двух типов, имеющих на радиальных колебаниях частотные характеристики, аналогичные приведенным на фиг.1. В таблице 1 показаны включения колец, обеспечивающие получение трех характеристик направленности, изображенных на фиг.3.
Можно полагать, что при наличии разности фаз в 90° между колебаниями соседних преобразователей добавочные максимумы характеристики направленности будут велики, а коэффициент концентрации снизится по сравнению с таковым при плавном изменении фаз. Расчеты, проведенные для частного случая цилиндра длиной 5λ и 10λ при повороте характеристики направленности на 11°, показали, что добавочный максимум возрастает до 24%, а коэффициент концентрации падает менее чем на 10%. Практически такие искажения, очевидно, можно считать допустимыми.
II. Акустическая система представляет собой цилиндр, составленный из одинаковых колец, которые могут работать на радиальных колебаниях нулевого и первого порядка и имеющих частотные характеристики, аналогичные приведенным на фиг.1. В таблице 2 показаны включения колец, обеспечивающие получение характеристик направленности (А, Б, В) из изображенных на фиг.4.
Акустические системы, рассмотренные в примерах I и II, могут быть использованы при конструировании круговой базы.
III. Акустическая система составлена из плоских преобразователей I и II, расположенных, как показано на фиг.5, имеющих частотные характеристики, аналогичные изображенным на фиг.1.
При размерах элементов акустической системы  можно считать, что колебания в дальней точке от пары преобразователей I и II, стоящих в одном ряду, складываются с теми же фазами, которые имеются на поверхности преобразователей. Перераспределяя напряжения между I и II преобразователями, стоящими рядом, можно получить в точке приема колебания с любой промежуточной фазой от 0 до 90°. Включая один или оба преобразователя одного ряда в противофазе, можно получить от пары преобразователей любой фазовый сдвиг от 0 до 360°. Таким образом, путем электрических переключений и перераспределения напряжений можно поворачивать характеристику направленности на любой заданный угол.
э/м
Как видно из разобранных примеров, предлагаемая акустическая система состоит из преобразователей, работающих вне резонанса, что приводит к уменьшению эффективности. Однако, как можно показать, относительное снижение эффективности тем меньше, чем выше КПД используемых преобразователей на резонансе. Например, при η=0,75 снижение эффективности составляет всего 15% (см. фиг.6).
раб
peз
В примере II работу на частоте f при повороте характеристик можно совместить с работой на частоте f при формировании неповернутой характеристики.