ПРИЕМНЫЙ БЛОК МНОГОЭЛЕМЕНТНОЙ ШИРОКОПОЛОСНОЙ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ Российский патент 1997 года по МПК H04R1/44 

Изобретение относится к области гидроакустики, а более конкретно к гидроакустическим глубоководным антенным решеткам.

Для решения ряда гидроакустических задач, например для достижения высокой помехоустойчивости антенной решетки, особенно в анизотропном поле помех моря, необходимо уменьшить амплитудно-фазовые искажения, обеспечить максимальную идентичность симметричных характеристик направленности отдельных конструктивных составляющих (приемных блоков) антенной решетки, а также минимальный уровень тыльного приема.

Эти характеристики должны сохраняться в диапазоне частот и гидростатических давлений.

Известны (Терминологический словарь-справочник по гидроакустике, под редакцией д-ра техн. наук, проф. А.Е. Колесникова, Л. Судостроение, 1989, с. Г-31, рис. 1) протяженные низкочастотные широкополосные приемные антенные решетки, составленные из N-го количества блоков, состоящих из акустического экрана, электроакустического приемника, расположенного вблизи экрана, и линий электрических коммуникаций.

Наряду с хорошими акустическими характеристиками такие глубоководные антенные решетки должны обладать достаточной прочностью и жесткостью, чтобы сохранять свою форму в процессе эксплуатации и иметь минимальный вес.

Прототипом изобретения является приемный блок многоэлементной широкополосной антенной решетки (патент США N 4766575, кл. H 04 R 17/10, 1988), где рассматриваются приемные блоки, состоящие из 2-х рядов плоских приемников, расположенных вблизи металлического экрана на одинаковом расстоянии друг от друга. Электрические выводы, отходящие от приемников, располагаются в промежутке между рядами и присоединяются к кабелю, который выводится на тыльную сторону блока через каждые 4-е пары приемников. Однако, данное конструктивное выполнение блока 2 ряда приемников на одном экране обуславливают такой недостаток, как наличие различных граничных условий для приемников, находящихся в разных рядах. С одной стороны каждого приемника находится водный зазор между соседними блоками, а с другой стороны экран, на котором лежат электрические провода. Кроме того, асимметричность расположения мест вывода кабеля (от 4-х пар приемников) на тыльную сторону также создает различие в граничных условиях. Все перечисленное ведет к асимметричности характеристик направленности отдельных приемников.

Техническим результатом использования изобретения является уменьшение амплитудо-фазовых искажений и создание идентичных характеристик направленности отдельных приемников в антенной решетке при сохранении малого уровня тыльного лепестка в широком диапазоне частот.

Данный результат достигается за счет того, что экран, симметричный относительно оси, проходящей через центр приемника и нормальной его приемной поверхности, в плоскости, параллельной приемной поверхности, имеет форму прямоугольника, при этом размеры сторон прямоугольника a (1 -0,7)l₁ и b (1 0,7)l₂, где l₁ и l₂ расстояние между центрами приемников в антенной решетке, а электрический вывод, выходящий из центра приемника, проходит через центральное отверстие вдоль этой оси. При этом диаметр центрального отверстия в экране не превышает 0,08 λ где l - длина звуковой волны в воде на верхней частоте рабочего диапазона.

Симметричное расположение приемника на экране ведет к созданию одинаковых условий на границах блока, что позволяет получить идентичные характеристики направленности различных приемников.

Установка приемных блоков на несущей конструкции осуществляется с некоторым зазором между ними. Уменьшение размеров экрана в плане (увеличение зазора) ведет к росту уровня тыльного лепестка характеристики направления. Как показали экспериментальные исследования, небольшие изменения конструктивных размеров приемных блоков в пределах 0,7λ≅l₁<λ и 0,7λ≅l₂≅λ не оказывают существенного влияния на характеристики направленности антенной решетки.

Вывод кабеля на тыльную сторону в центре экрана не нарушает однородные граничные условия и тем самым способствует уменьшению искажений характеристик направленности.

Ограничение размеров отверстия в центре экрана для вывода кабеля обусловлено тем, что через отверстие (незаэкранированный участок) будет проходить звуковая волна, что естественно увеличивает уровень тыльного лепестка характеристики направленности. Как показали экспериментальные исследования, сквозное отверстие в экране диаметром, меньшим 0,08 λ где l длина звуковой волны в воде на верхней частоте рабочего диапазона, не оказывает существенного влияния на величину тыльного лепестка. При таком конструктивном исполнении все приемники оказываются в одинаковых условиях, что минимизирует искажения полевых характеристик антенной решетки.

На фиг. 1 показан пример конкретного выполнения блока; на фиг. 2 - компоновка антенной решетки: а из блоков конструкции, описанной в патенте США N 4766575, б из блоков прелагаемой конструкции; на фиг. 3 - характеристики направленности приемника, расположенного на экранах с разными размерами центрального отверстия и находящегося в составе плоской антенной решетки размером 5 x 5 приемных блоков.

Блок (фиг. 1) содержит герметичный широкополосный приемник 1, состоящий из 4-х пьезокерамических приемных элементов изгибного типа 2, электрически соединенных между собой. Приемные элементы расположены в плоскости, параллельной экрану 3, симметрично относительно оси, проходящей через его центр и нормальной его поверхности. Этим обеспечивается симметрия приемника 1 относительно экрана 3.

Широкополосный экран 3 состоит из массивной металлической пластины 4 и податливой конструкции 5.

В центре экрана 3 находится сквозное отверстие, проходящее через металлическую пластину 4 и конструкцию 5, диаметр которого d 18 мм, что соответствует заявленному соотношению. Через это сквозное отверстие проходит кабель 6, который является электрическим выводом, выходящим из центра приемника.

Приемные элементы залиты звукопрозрачным компаундом 7.

Приемные элементы соединены между собой последовательно-параллельно и два электрических вывода присоединены к кабелю марки СМПВЭГ.

Размеры прямоугольного приемного блока равны 0,96 l₁ x 0,92 l₂, где l₁ и l₂ расстояние между центрами приемников в исследуемой плоской антенной решетке размером 5 x 5 блоков.

Работа приемного блока осуществляется следующим образом: при падении звуковой волны на приемную поверхность блока приемные элементы 2 возбуждаются в фазе и электрические сигналы, вырабатываемые приемными элементами при их электрическом соединении, суммируются и поступают на кабель 6.

В антенной решетке (фиг. 2б) электрические сигналы снимаются независимо с каждого блока 1 посредством кабеля 6 и поступают в приемный тракт для последующей обработки.

Для увеличения эффективности приемников используется массивная металлическая пластина 4. Малый уровень тыльного лепестка обеспечивается податливой конструкцией 5 акустического экрана 3. Ее толщина выбирается из условия: s₁₈₀≅0,1σ_max где σ₁₈₀ уровень тыльного лепестка на нижней частоте рабочего диапазона. В рассматриваемом примере толщина податливой конструкции в экране равна 80 мм. Наличие в центре экрана сквозного отверстия для вывода электрического кабеля 6 создает условия для свободного прохождения звуковой волны через этот участок. Поэтому на основе экспериментальных исследований введено ограничение отверстия d≅0,08λ, где l длина звуковой волны в воде на верхней частоте рабочего диапазона, d диаметр отверстия, при котором не наблюдаются существенные изменения тыльного лепестка.

Водные зазоры в антенной решетке соседними экранами (приемными блоками) также создают условия для свободного прохождения звуковой волны через этот участок, что ведет к увеличению уровня тыльного лепестка. Экспериментальные исследования показали, что размеры прямоугольного блока должны быть ограничены следующими соотношениями: a (0,7 -1,0)l₁ и b (0,7 1,0)l₂, где l₁ и l₂ расстояния между центрами приемников в антенной решетке. В этом случае не наблюдается существенного изменения уровня тыльного лепестка.

Характеристики направленности приемника, находящегося в составе плоской антенной решетки, составленной из рассмотренных блоков, показаны на фиг. 3.

Если размеры центрального отверстия в акустическом экране малы: d≅0,08λ, то практически нет никакого различия в характеристиках направленности приемника (кривая 8 d=0,08λ и кривая 9(d=0,05λ) на фиг. 3). При увеличении диаметра отверстия (d=0,16λ) уровень тыльного лепестка возрастает до ~0,25σ_max (кривая 10).

При изменении положения приемника относительно центра экрана сдвигается в сторону главный максимум и при этом наблюдается асимметрия характеристик направленности, причем для одного блока эта асимметрия заметно мала, но при суммировании сигналов с таких блоков, составляющих антенную решетку, асимметрия возрастает. Поэтому установка приемника симметрично относительно оси, проходящей через центр экрана и перпендикулярной к приемной поверхности, позволяет избавиться от амплитудно-фазовых искажений характеристик антенной решетки.

Использование: в гидроакустических широкополосных антенных решетках. Сущность изобретения: приемный блок содержит плоский герметичный электроакустический приемник и экран, симметричный относительно оси, проходящей через центр приемника и нормальной его приемной поверхности. Экран имеет форму прямоугольника со сторонами, размер которых равен или немного меньше расстояния между центрами приемников в антенной решетке. Вывод от приемника проходит через центральное отверстие в экране вдоль упомянутой оси. Диаметр центрального отверстия ограничен. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Приемный блок многоэлементной широкополосной гидроакустической антенной решетки, содержащий плоский герметичный электроакустический приемник с электрическим выводом и акустический экран, отличающийся тем, что экран, симметричный относительно оси, проходящей через центр приемника и нормальной его приемной поверхности, в плоскости, параллельной приемной поверхности, имеет форму прямоугольника, при этом размеры сторон прямоугольника
d (1 ^oC 0,7) • l₁,
b (1 ^oC 0,7) • l₂,
где l₁ и l₂ расстояния между центрами приемников в антенной решетке,
а электрический вывод, выходящий из центра приемника, проходит через центральное отверстие вдоль этой оси. 2. Блок по п. 1, отличающийся тем, что диаметр центрального отверстия в экране не превышает 0,08 λ, где λ - длина звуковой волны в воде на верхней частоте рабочего диапазона.