Высокочастотная многоэлементная гидроакустическая антенна

Полезная модель относится к гидроакустической технике и может быть использовано как в излучающих, так и приемоизлучающих антеннах гидролокаторов многолучевых эхолотов.
Из литературы известно, что существующие многоэлементные гидроакустические антенны изготавливают из набора независимых пьезоэлектрических преобразователей, установленных на общем основании (Подводные электроакустические преобразователи. Справочник. Под редакцией В.В. Богородского, Л., Судостроение, 1983, стр. 98-99).[1]. Указанные «классические» антенны для обеспечения широкой диаграммы направленности должны иметь характерный размер в плоскости формирования широкой характеристики направленности (ХН) меньше длины волны в воде. В частности, для обеспечения ХН порядка 90 градусов размер излучающего элемента должен быть менее половины длины волны в воде. Соответственно, излучаемое акустическое давление, пропорциональное площади излучения, будет малым. Известно, что величину раскрыва антенны можно существенно увеличить, выполняя антенну в виде дуги. В этом случае обеспечивается секторная ХН при значительном увеличении активного размера антенны. (М.Д. Смарышев. Направленность гидроакустических антенн.- Л., 1973) [2]. Поэтому антенну с широкой ХН следует изготавливать из набора дугообразных преобразователей.
Из уровня техники известны многоэлементные гидроакустические антенны с широкой ХН (RU 2167496, МПК H04B 13|00, H04R 1|44 (2000.01), опубл.20.05.2001) [3], RU2303336, МПК H04R 1|44, H04R 17|00 (2000.01), опубл. 20.07.2007)[4], содержащие пьезоэлектрические преобразователи, установленные на общем основании цилиндрической формы. Такое решение позволяет формировать протяжённый единый дугообразный активный элемент, расположив пьезоэлектрические преобразователи на поверхности, близкой по форме к дугообразной. Такие антенны сложны в изготовлении, поскольку требуют высокоточного ориентирования одиночных преобразователей, что особенно затруднительно при работе в области высоких частот (более 200 кГц),а также обеспечения минимальных технологических «разбросов» электроакустических преобразователей.
Наиболее близким техническим решением по назначению и конструктивному выполнению к заявляемой полезной модели является высокочастотная многоканальная гидроакустическая антенна(RU 2440586, МПК G01S 7/521 (2006.01), H01Q1/00 (2006.01), опубл. 20.01.2012).[5], принимаемая за прототип.
Антенна-прототип содержит установленные в ряд на общем цилиндрическом основании дуговые элементы, каждый из которых образует один канал, симметрично расположенные относительно центральной продольной оси, имеющие защитное покрытие и скрепленные тыльной поверхностью с основанием. Дуговые элементы выполнены в виде набора сплошных пьезоэлектрических колец, причём указанные пьезоэлектрические кольца по отношению к рабочей среде условно разбиты на два дуговых сегмента, первый из которых является активным дуговым элементом антенны, связанным с рабочей средой через акустически прозрачный полимер, а второй сегмент является пассивным, и окружен акустически непрозрачным полимером. Пульсирующие колебания пьезоэлектрических колец, для которых обеспечивается равенство колебаний скорости по всей наружной поверхности,  через  акустически прозрачный  полимер передаются в рабочую среду только в секторе первого дугового сегмента, колебания которого не экранированы от воды. Поскольку пассивный сегмент окружен акустически непрозрачным полимером (экраном), пульсирующие колебания кольца в части второго пассивного сегмента в рабочую среду не передаются. Известное техническое решение позволяет на практике реализовать излучение дуговым элементом, варьируя размеры которого можно управлять ХН элемента и антенны в целом. Известная антенна сложна в изготовлении и имеет большие размеры. Указанные недостатки обусловлены следующими факторами. На практике сектор обзора многолучевого эхолота, как правило, не превышает 160 градусов. Поэтому большая часть пьезоэлектрического кольца не используется по прямому назначению и является пассивной. Следовательно, габариты антенны не менее чем в два раза (360 градусов/160 градусов) завышены относительно необходимого для функционирования активного сегмента. Кроме того, реализация акустических прозрачного и непрозрачного экранов, их сопряжение с остальными элементами конструкции антенны является технически сложной задачей.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является упрощение конструкции и уменьшение массы и габаритов высокочастотной многоэлементной гидроакустической антенны за счет исключения акустически прозрачных и акустически не прозрачных экранов и пассивной части кольца, а также исключение необходимости выполнения сложных технологических операций по их установке и юстировке, при сохранении возможности регулирования ширины секторной характеристики направленности антенны, широкой характеристики направленности и высокой чувствительности  в режиме излучения и приема.
Указанный технический результат достигается тем, что высокочастотная многоэлементная гидроакустическая антенна включает расположенный в герметичном чехле набор установленных на основании в ряд дуговых пьезоэлектрических элементов с электродами на внешней и внутренней поверхностях, подключенными к источнику рабочего напряжения и образующими активный и пассивный сегменты.
Согласно полезной модели  дуговые элементы выполнены из части пьезоэлектрического кольца, составляющего не более его половины, при этом каждый дуговой элемент имеет активный сегмент, образованный электродами, нанесенными на поверхности дугового элемента, и два пассивных сегмента, расположенные по краям симметрично относительно активного сегмента, при этом  угловой размер активного сегмента равен ширине характеристики направленности антенны, а пассивный сегмент имеет линейный размер не менее длины волны в теле дугового пьезокерамического элемента, и дуговые элементы установлены в антенне с поворотом вдоль центральной оси каждого дугового элемента относительно предыдущего на угол, равный угловому размеру пассивного сегмента, причем дуговые элементы погружены в герметичный чехол из упругого полимера с образованием на рабочей поверхности дуговых элементов  акустически прозрачного слоя, а на остальных их поверхностях с образованием акустически непрозрачного слоя, демпфирующего паразитные колебания дуговых пьезоэлектрических элементов.
В предпочтительных вариантах осуществления:
- на торцы дугового элемента нанесены электроды для подключения к источнику рабочего напряжения;
- герметичный чехол изготовлен методом литья упругого полимера в форму с установленными в ней дуговыми элементами;
- в качестве упругого полимера использован полиуретан;
- толщина акустически прозрачного слоя на рабочей поверхности дугового элемента составляет 1,5-2,5 мм;
- толщина акустически непрозрачного слоя составляет более 5 мм.
Выполнение высокочастотной многоэлементной антенны из набора дуговых элементов, изготовленных из части пьезокерамического кольца с угловым размером не менее ширины характеристики диаграммы и содержащих активные и пассивные сегменты, сформированные электродами, приводит к значительному упрощению антенны и уменьшению ее массы и габаритов за счет исключения сложных конструктивных узлов – акустически прозрачных и акустически не прозрачных экранов, а также выполнения сложных технологических операций по их установке и юстировке. При этом сохраняется возможность регулирования ширины секторной характеристики направленности антенны в режиме излучения даже при самой широкой ХН в 160 градусов.
Выделение в дуговом элементе пассивного сегмента и реализация его механического контакта с демпфирующим узлом за счет поворота элемента на угол, равный угловому размеру пассивного сегмента как с торца, так и со стороны боковых поверхностей обеспечивает формированию колебаний дугового элемента близких к теоретически и необходимых для идеального дугового элемента, что и обеспечивает требуемую характеристику направленности.
Наличие электродов на торцах дугового элемента облегчает доступ к электродам при пайке токовыводов.
Применение упругого полиуретана в слое толщиной 1,5-2,5 мм обеспечивает и герметизацию и звукопрозрачность. При толщине слоя более 5 мм затухание в полиуретане возрастает, что приводит к поглощению паразитных колебаний. Таким образом, использование в антенне полиуретана, в частности, СКУ ПФЛ-100 позволяет в процессе реализации одной технологической операции - заливки полиуретана в форму с установленными в ней дуговыми элементами - обеспечить простоту изготовления антенны.
Конструкция заявляемой высокочастотной многоэлементной антенны поясняется графическими материалами, приведенными ниже.
Фиг.1 - дуговой элемент антенны, где а - вид спереди, б - вид сверху, Р - направление вектора поляризации в активном сегменте.
Фиг.2 - конструкция антенны, где а - вид спереди, б - вид сбоку.
Фиг.3 - характеристика направленности антенны.
Фиг.4 - частотная зависимость чувствительности в режиме излучения антенны.
φ
t
h
l
φ
φ
,
φ
l
n
0
n
Каждый дуговой элемент, представленный на Фиг.1, состоит из части пьезоэлектрического кольца, имеющего угловой размер , толщину  и высоту . Дуговой элемент содержит активный сегмент 1 и два пассивных сегмента 2, 3, расположенных по краям симметрично относительно активного сегмента 1, при этом  угловой размер активного сегмента совпадает с шириной характеристики направленности антенны,  а пассивный сегмент имеет линейный размер  не менее длины волны в теле дугового пьезокерамического элемента и дуговые  элементы установлены в антенне с поворотом вдоль центральной оси каждого дугового элемента относительно предыдущего, равным углу пассивного сегмента . Активный сегмент 1 имеет угловой размер а пассивные сегменты 2, 3 имеют угловой размер  и линейный размер . На внутренней и внешней поверхности дугового элемента нанесен электрод 4, а на внешней поверхности электрод 5. Пассивный сегмент 2 образован внешним электродом 5, который имеет продолжение на его торце, а пассивный сегмент 3 образован внутренним электродом 4, который имеет продолжение на его торце. К электродам на торцах дугового элемента припаяны токовыводы 6, 7 для подключения к источнику рабочего напряжения. Наличие электродов на торцах дугового элемента облегчает доступ к электродам при пайке токовыводов.
φ
0
Таким образом, часть дугового элемента, соответствующая угловому размеру имеет электроды и на внешней и на внутренней поверхности, образуя тем самым активный сегмент 1. Пассивный сегмент 2 имеет только один электрод на внешней и торцевой поверхностях дугового элемента, а пассивный сегмент 3 имеет только один электрод на внутренней и на торцевой поверхности.
На фиг.2а представлена конструкция антенны, вид спереди, содержащая установленные в ряд дуговые пьезокерамические элементы, установленные в антенне с поворотом вдоль центральной оси каждого дугового элемента относительно предыдущего на угол, равный угловому размеру пассивного сегмента. Активные сегменты 1 и пассивные сегменты 2, опираются на демпфирующую акустически непрозрачную часть 8 толщиной слоя более 5 мм, выполненном из слоя  полиуретана марки СКУ ПФЛ-100. Толщина акустически прозрачного слоя 9 на рабочей поверхности дугового элемента составляет 1,5-2,5 мм, что обеспечивает герметизацию и акустическую прозрачность.
При изготовлении гидроакустических антенн и преобразователей применяют специальные элементы конструкций, выполненные из упругих полимеров. Указанные элементы выполняют следующие функции:
а) герметизация антенны; б) обеспечивают необходимую пространственную ориентацию и закрепление преобразователей в антенне.
В первом случае герметизирующий слой должен пропускать акустический сигнал, генерируемый антенной, и защищать её от проникновения влаги.
φ
n
Во втором случае элемент, на который устанавливается преобразователь, должен надёжно механически фиксировать преобразователь в пространстве и поглощать его паразитные колебания, в частности, поперечные колебания и колебания, отраженные от других узлов антенны. Известно (С. Н. Галий, В. К. Доля и др. Влияние конструктивных элементов высокочастотной гидроакустической линейной антенной решётки на параметры характеристики направленности. / Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики. Труды X1V Всероссийской конференции 2018. С.-Петербургский научный центр РАН, С.-Петербург, 2018г., с 142-145) [6], что состав полимера и его геометрические размеры существенно влияют на его акустические параметры. В частности, широко применяемый в гидроакустике полиуретан СКУ ПФЛ- 100, имеющий добротность порядка 3, обладает необходимыми для выполнения выше сформулированных функций. При применении его в слое толщиной 1,5-2,5 мм обеспечивает и герметизацию и звукопрозрачность.  При больших размерах (более 5 мм) затухание в полиуретане возрастает, что приводит к поглощению паразитных колебаний. Таким образом, использование в антенне полиуретана СКУ ПФЛ-100 позволяет в процессе реализации одной технологической операции - заливки полиуретана в форму с установленными в ней дуговыми элементами - обеспечить простоту изготовления антенны. Дуговые элементы установлены в антенне с поворотом вдоль центральной оси каждого дугового элемента относительно предыдущего, равным угловому размеру  пассивного сегмента.
На фиг.2б, представлена конструкция антенны, вид сбоку, где 1 - активный сегмент, 2, 3 - пассивные сегменты, на торцах которых припаяны токовыводы 6, 7 для подключения к источнику рабочего напряжения.
φ
φ
φ
φ
t
h
0
0
0
Размеры дугового элемента и его сегментов выбраны из следующих соображений. По заданной ширине  характеристики направленности антенны выбирается угловой размер, равный  активного сегмента. На его боковые поверхности в соответствии с угловыми размером  наносятся электроды 4, 5. Линейный размер пассивных сегментов 2, 3 должен быть не менее длины волны в используемой пьезокерамике, т.е.  где  – скорость звука в пьезокерамике;  – частота излучения. Из простых вычислений следует, что участки  расширяют общий угловой размер дугового элемента на угол, занимаемый пассивным сегментом  где  – средний радиус дугового элемента (пьезоэлектрического кольца, из которого изготовлен дуговой элемент). Таким образом общий угловой размер дугового элемента должен быть не менее  Толщина  пьезоэлектрического элемента в силу равенства рабочей частоты частоте резонанса по толщине пьезоэлемента равна  Поэтому . Высота дугового элемента  должна быть не более половины длинны волны в воде. Поскольку скорость звука в керамике больше скорости звука в воде практически в два раза, то высота элемента должна быть не более половины ширины
На фиг.3 приведена характеристика направленности каждого дугового элемента в составе антенны, измеренная на рабочей частоте 420 кГц.
На фиг.4 – частотная характеристика чувствительности в режиме излучения.  Анализ представленных экспериментальных результатов показывает, что предлагаемая антенна обеспечивает секторную характеристику направленности с заданным углом раскрытия 160 градусов для рабочей частоты 420 кГц, а также обеспечивает приемлемую, не более 3 дБ, неравномерность чувствительности  в полосе частот  порядка 15% относительно рабочей частоты. Таким образом, предлагаемая антенна выполняет свою основную функцию - излучение и приём акустического сигнала на высокой частоте и имеет широкую ХН при упрощении конструкции, уменьшении массы и габаритов.
Покажем, что описанная антенна обеспечивает требуемую ширину  характеристики направленности. Известно, что при возбуждении механических колебаний в пьезоэлектрическом дуговом элементе возникает набор механических волн: колебания вдоль толщины  (это основная полезная мода колебаний) и две поперечных волны (это паразитные колебания). Первая обусловлена колебаниями вдоль высоты дугового элемента, вторая в плоскости дугового элемента, перпендикулярно радиусу. Поскольку высота пьезоэлемента более чем в два раза меньше его ширины, резонансная частота колебаний по высоте более чем в два раза больше резонансной (рабочей) частоты по ширине. Поэтому колебаниями вдоль высоты можно пренебречь. Колебания в плоскости дуги перпендикулярно радиусу обусловлены отражениями от торцов дугового элемента и существенно влияют на характер колебаний на рабочей частоте. Поэтому в прототипе в качестве рабочего преобразователя используют замкнутое сплошное кольцо, т.е. тело, имеющее полную симметрию по углу  и не приводит к генерированию нежелательной паразитной моды колебаний. Для подавления отражений от торцов в предлагаемой конструкции реализовано механическое демпфирование колебаний пассивного сегмента дугового элемента, механически нагруженного на полиуретановый элемент конструкции. Большие потери в полиуретане обусловлены тем, что пассивный сегмент дугового элемента нагружен не только с его торца, но и со стороны боковых поверхностей. Последнее приводит к значительному возрастанию потерь в демпфирующем слое полиуретана за счет возбуждения в нем сдвиговых напряжений. Таким образом, выделение в дуговом элементе пассивного сегмента и реализация его механического контакта с демпфирующим узлом за счет поворота элемента на  как с торца, так и со стороны боковых поверхностей приводит к формированию колебаний дугового элемента близких  к теоретически необходимых для идеального дугового элемента, что и обеспечивает требуемую характеристику направленности.
R
t
h
Для проверки технического решения по настоящей заявке была изготовлена шестнадцати-элементная гидроакустическая антенна. Дуговые элементы были изготовлены из части пьезокерамического кольца из материала  ЦТСБ-3 и имели следующие размеры: =38 мм; =4 мм; =1,8 мм,  Активный и пассивные сегменты формировались методом вжигания электродов на внутреннюю и внешнюю поверхность заготовки дугового элемента и на его торцы. Затем полученную заготовку поляризовали путем подачи на электроды постоянного электрического поля напряженностью не менее 1000 В/мм и производили распайку токовыводов каждого дугового элемента для подключения к источнику рабочего напряжения. При сборке многоэлементной антенны дуговые элементы устанавливали в ряд в заливочной форме, которую заполняли подготовленным к полимеризации полиуретаном, н СКУ ПФЛ-100. После заливки происходит полимеризация (отверждение) полиуретана в режиме, обеспечивающем его адгезию к дуговому элементу. Установка дуговых элементов в заливочной матрице выполняется с взаимным смещением по углу каждого элемента относительно предыдущего. В частности, второй дуговой элемент смещен относительно центральной оси дуги на угол равный . Как показано на фиг.2а - это поворот второго дугового элемента на угол  по часовой стрелке. Критерием обеспечения требуемого угла поворота является совмещение границы активного сегмента с плоскостью торца дугового элемента, который является свободным торцом пассивного сегмента. Следующий третий дуговой элемент устанавливается с поворотом на угол  против часовой стрелки, т.е. обеспечивается идентичная пространственная ориентация первого и третьего дуговых элементов. Следующий четвертый элемент устанавливается с поворотом на  по часовой стрелке, т.е. обеспечивается идентичная пространственная ориентация второго и четвертого элемента. В результате установка всех дуговых элементов антенны обеспечивает поочередный пространственный поворот рядом расположенных элементов на угол .
Таким образом, достигается упрощение конструкции и уменьшение массы и габаритов высокочастотной многоэлементной гидроакустической антенны за счет исключения акустически прозрачных и акустически не прозрачных экранов и пассивной части кольца, а также исключение необходимости выполнения сложных технологических операций по их установке и юстировке, при сохранении возможности регулирования ширины секторной характеристики направленности антенны, широкой характеристики направленности и высокой чувствительности  в режиме излучения.
Работа антенны происходит следующим образом. При подаче электрического напряжения рабочей частоты на токовыводы 6, 7 дуговых элементов антенны в их поляризованной области, т.е. в активных сегментах 1 каждого элемента вдоль толщины t и вектора поляризации Р в силу закона пьезоэффекта возникают резонансные механические колебания. Одновременно с этими колебаниями на границе поляризованной и неполяризованных областях элементов – на границах активного и пассивных сегментов возникают поперечные затухающие колебания, которые распространяются в тело пассивных элементов, где происходит их затухание. Это затухание обусловлено двумя факторами: распространением колебаний в неполяризованной  пьезокерамике, обладающей собственными потерями, а также дополнительным демпфированием колебаний в пассивных сегментах за счёт обеспечения торможения у торцов  и боковых поверхностях пассивных сегментов полиуретаном. Последнее конструктивно обеспечено путём установки  в антенне дуговых элементов с поочерёдным поворотом друг относительно друга на размер пассивного сегмента, что позволило значительно увеличить площадь соприкосновения пассивного сегмента и поглощающего колебания слоя полиуретана.
φ
0.
0
φ
Таким образом при подаче электрического сигнала на токовыводы 6, 7 в активных сегментах генерируются продольные механические колебания. Эти колебания через герметизирующий слой 9 передаются в рабочую среду, и антенна начинает излучать акустическое поле в среду, ограниченную зоной, конфигурация которой соответствует конфигурации активного сегмента. Следовательно, антенна начинает генерировать акустическое поле в пространственном угле, равном пространственному углу активного сегмента Таким образом, задача формирования секторной диаграммы направленности с заданным пространственным углом  решена. При этом технически сложные узлы – акустические экраны не используются.
Источники информации:
1. Подводные электроакустические преобразователи. Справочник. Под редакцией В.В. Богородского, Л., Судостроение, 1983 г.
2. М.Д. Смарышев. Направленность гидроакустических антенн.- Л., 1973г.
3. RU 2167496, МПК H04B 13|00, H04R 1|44 (2000.01), опубл.20.05.2001.
4. RU 2303336, МПК H04R 1|44, H04R 17|00 (2000.01), опубл. 20.07.2007.
5. RU 2440586, МПК G01S 7/521 (2006.01), H01Q1/00 (2006.01), опубл. 20.01.2012 – прототип.
6. С. Н. Галий, В. К. Доля и др.  Влияние конструктивных элементов высокочастотной гидроакустической линейной антенной решётки на параметры характеристики направленности. / Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики. Труды X1V Всероссийской конференции 2018. С.-Петербургский научный центр РАН, С.-Петербург, 2018г., с 142-145.