МНОГОЭЛЕМЕНТНАЯ РЕЗОНАНСНАЯ ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ АНТЕННА Российский патент 1997 года по МПК H04R17/00 H04R1/44 

Изобретение относится к гидроакустике, а более конкретно антенной технике, и может быть использовано при конструировании гидролокационных станций.

Известны многоэлементные гидроакустические антенны, содержащие стержневые электроакустические преобразователи, элементы крепления, экранирования и герметизации, в которых преобразователи выполнены либо не связанными между собой механически, либо закреплены на общей излучающей (приемной) накладке (см. например, Справочник "Подводные электроакустические преобразователи". Л. Судостроение, 1983, с. 98 и 99).

Выбор геометрии преобразователей производится с учетом всего комплекса требований по электроакустическим параметрам антенны, включая направленность и конструктивное ее оформление. При решении вопроса о наружных размерах преобразователей исходят, с одной стороны, из его направленных свойств, а с другой, из резонансных, оценивая соответственно его размеры относительно длины волны на рабочей частоте антенны в рабочей среде λ_в и в пьезокерамике λ_к, влияющих как на направленные свойства антенны в целом, так и ее эффективность.

Наибольшее распространение в практике проектирования высокочастотных антенн получили остронаправленные антенны, компонуемые из резонансных полуволновых стержневых преобразователей, резонансный размер которых, ориентированный в направлении, перпендикулярном рабочей поверхности антенны, как правило, равен 0,5 λ_к, расположенных с шагом (0,5-0,75)λ_в, при размере антенны в плоскости формирования остронаправленной диаграммы L ≫ 10 λ_в. Указанные многоэлементные антенны, как правило, сложны и трудоемки, особенно работающие в диапазоне мм волн или близкие к нему, что связано с техническими трудностями реализации требований как по точности установки мелких преобразователей в расчетное положение в антенне, так и разбросам амплитудных и фазовых ошибок возбуждения самих преобразователей, возникающих вследствие разброса их параметров: амплитудных из-за неодинаковой эффективности пьезоэлементов, фазовых за счет отклонения резонансных частот от номинальной; все это приводит не только к снижению технологичности таких антенн, но и эффективности.

Указанных недостатков частично лишена остронаправленная антенна по патенту США N 3.359.537, наиболее близкая по технической сущности к изобретению, содержащая протяженные пьезоэлементы прямоугольного сечения в плоскости резонансного размера. Пьезоэлементы установлены в пазу массивного основания из поглощающей резины и попарно поджаты с помощью фиксаторов, перекрывающих приблизительно 10% их рабочей (приемно-излучающей) поверхности, в местах стыка элементов, к кожуху U-образному металлическому желобу, в котором размещено резиновое основание, причем фиксаторы крепятся к боковым стенкам маслозаполненного коробчатого корпуса с резиновой мембраной, а кожух подвешен на этих фиксаторах. Известная антенна формирует диаграммы направленности типа sinx/x соответственно, остро и слабо-направленную по двум взаимно перпендикулярным плоскостям.

Указанная антенна по своему назначению и построению наиболее близка к заявляемой и выбрана нами за прототип.

В антенне-прототипе удается уменьшить количество полуволновых пьезоэлементов путем выполнения их в виде протяженных стержневых пьезоэлементов l_к> λ_к прямоугольного сечения, работающих на толщинном резонансе, однако поскольку длина пьезоэлемента превосходит более чем в два раза его толщину, то на основную моду продольных колебаний по толщине накладываются паразитные высшие моды колебаний по длине, что приводит к искажению распределения колебательной скорости по рабочей поверхности пьезоэлементов и их частотных свойств (см. например, "Ультразвуковые преобразователи" под редакцией Е. Кикучи. М. Мир, 1972, с. 309-352). Отсюда основные недостатки антенны-прототипа порождены его достоинством, поскольку сложное ее конструктивное оформление обусловлено необходимостью выявления основного резонанса протяженных пьезоэлементов (толщинного) на фоне сложного частотного спектра высших мод колебаний вдоль их длин, которые демпфируются при попарном поджатии пьезоэлементов к U-образному желобу через посредство звукопоглотителя, выполненного в виде массивного основания из поглощающей резины, в пазу которого они размещены, что приводит наряду с положительным эффектом демпфированием паразитных колебаний вдоль пьезоэлементов к отрицательным падению более чем в два раза чувствительности антенны в режимах приема-излучения и соответственно усложнению конструкции антенны в целом, и снижению ее технологичности.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков, повышение как эффективности и технологичности антенны, так и упрощение конструкции.

Указанная цель достигается тем, что в известной многоэлементной резонансной антенне, содержащей протяженные стержневые пьезоэлементы, акустические экраны, введены новые признаки, а именно:
поперечное сечение протяженных пьезоэлементов в плоскости резонансного размера выполнено трапециевидным;
сопредельные боковые поверхности пьезоэлементов компланарны;
пьезоэлементы установлены в антенне с чередованием большего и меньшего оснований трапециевидного сечения;
экраны выполнены отражающими.

Экспериментально было установлено, что выполнение сечения протяженных стержневых пьезоэлементов трапециевидным в направлении резонансного размера (по толщине) объединяет спектр их собственных частот, т.е. сводит к минимуму высшие моды колебаний вдоль стержня и позволяет выделить основную резонансную частоту пьезоэлементов в плоскости их резонансного размера. Это позволило отказаться от поглощающих экранов, а в совокупности с предложенными техническими решениями в части взаимного расположения пьезоэлементов повысить эффективность антенны и технологичность и упростить ее конструкцию.

Авторам не известны технические решения, содержащие признаки, отличающие предложенное техническое решение от прототипа, что позволяет считать его соответствующим критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 приведена конструкция предложенной антенны; на фиг. 2 - частотные характеристики проводимости: а) преобразователей, б) антенны в целом; на фиг. 3 частотная характеристика потребляемой электрической мощности.

Антенна содержит протяженные стержневые пьезоэлементы 1 трапециевидного сечения в направлении их толщин (высоты трапеций), отражающие акустические экраны 2 (боковые и тыльные), герметизация осуществлена полимером 3, например полиуретаном. Компланарность боковых поверхностей пьезоэлементов 1 в совокупности с чередованием большего и меньшего оснований трапециевидных пьезоэлементов 1 способствуют усилению эффекта их однорезонансности и достижению положительного эффекта антенны в целом.

Электромонтаж и кабельные вводы на чертеже не указываются.

Антенна работает следующим образом.

При подведении к электроакустическим преобразователям 1 электрического напряжения электрическая энергия преобразуется в звуковую, излучаемую в рабочую среду со стороны рабочей поверхности преобразователей, при приеме происходит обратное преобразование. При этом, поскольку частота возбуждения антенны практически совпадает с частотой их собственного ярко выраженного резонанса (по толщине трапецеидальных протяженных стержневых пьезоэлементов), так как паразитные колебания вдоль стержня не проявляются, экраны 2 выполнены отражающими, акустически жесткими, например, из титана (допускается выполнение их акустически мягкими, например, из резины марки 10087 или импедансными), что дает максимум отражения звуковой энергии тыльного излучения (приема) преобразователями, а, как итог, удвоение чувствительности в режимах излучения приема при одновременном упрощении конструкции и повышении технологичности антенны, а значит и трудозатрат на ее изготовление.

Для выявления технического эффекта был изготовлен макет, полностью отвечающий заявленному техническому решению. Макет был выполнен из девяти трапецеидальных преобразователей в виде протяженных стержневых трапециевидного сечения пьезоэлементов полуволновой толщины (в направлении резонансного размера), равной 0,5 λ_к, протяженностью l_к≃ 2λ_к≃ 5λ_в каждый, средней шириной трапециевидного сечения, равной полусумме оснований трапеции, , сгруппированных таким образом, что обеспечивали формирование в одной из плоскостей остронаправленной диаграммы приблизительно 3,3^o, а в другой (взаимоперпендикулярной) типа "cosec θ".

В результате выполнения сечения п/э трапециевидным в направлении резонансного размера существенно уменьшилось количество мод высокочастотных колебаний и снизились их амплитудны в области основного резонанса, что позволило четко выявить основной толщинный резонанс, соответствующий рабочей частоте антенны, см. фиг. 2а, и обеспечить практически их синфазное возбуждение, а тем самым, появилась возможность комплектовать протяженные пьезоэлементы по основной частоте. Следует отметить, что в соответствии с существующими нормативными документами протяженные стержневые пьезоэлементы прямоугольного сечения проверяются и комплектуются по более низкой частоте, соответствующей их длине, в виду того, что при возбуждении таких пьезоэлементов на толщинном резонансе, определение основной частоты на фоне сложного частотного спектра паразитных мод колебаний по длине стержня крайне затруднено, и, как итог, такое комплектование не отражает истинного амплитудно-фазового разброса по преобразователям, что в итоге проявлялось в ухудшении направленных и частотных свойств антенны в целом. Однорезонансность пьезоэлементов в сочетании с компланарностью их сопредельных боковых поверхностей, чередованием большего и меньшего оснований трапециевидных сечений, позволили ввести в антенну отражающие экраны, вместо поглощающих, и тем самым не только увеличить эффективность заявленной антенны, но и упростить существенно ее конструкцию, повысить технологичность по сравнению с антенной-прототипом, все это приводит к конечном итоге к повышению качества антенн, а значит и гидролокационных станций в целом, при меньших трудозатратах на их изготовление.

Экспериментальные исследования макета подтвердили достижение положительного результата; четко выраженная однорезонансность антенны, демонстрируемая как частотной характеристикой проводимости фиг. 2б, так и потребляемой электрической мощности фиг. 3, подтверждает сказанное.

Использование: в гидроакустике. Сущность изобретения: антенна содержит протяженные стержневые пьезоэлементы в форме трапеции, боковые и тыльные отражающие экраны. Пьезоэлементы установлены с чередованием больших и меньших оснований, а обращенные одна к другой поверхности пьезолементов компланарны. 3 ил.

Многоэлементная резонансная гидроакустическая антенна, содержащая протяженные стержневые пьезоэлементы, боковые и тыльные экраны, отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективности, технологичности и упрощения конструкции, поперечное сечение протяженных стержневых пьезоэлементов имеет форму трапеции, а плоскости обращенных друг к другу поверхностей соседних протяженных стержневых пьезоэлементов компланарны, при этом протяженные стержневые пьезоэлементы установлены с чередованием больших и меньших оснований, а экраны выполнены отражающими.