ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ АНТЕННА Российский патент 2001 года по МПК H04B13/00 

Изобретение относится к области конструирования гидроакустической аппаратуры, в частности, гидроакустических антенн из стержневых преобразователей, предназначенных для работы в области резонанса, преимущественно в диапазоне верхних звуковых и ультразвуковых частот.

Особый интерес при этом представляет возможность работы в широкой полосе частот.

Известны многоэлементные антенны для рассматриваемого диапазона частот, в которых стержневые преобразователи размещаются в общем корпусе, заполненном электроизоляционной жидкостью, например преобразователь USRD типа F27, описанный в книге "Гидроакустические измерения" Р. Боббера, изд. 1974 г. на стр. 291. Этот преобразователь включает 55 активных элементов стержневого типа и фактически является многоэлементной антенной.

Передняя и тыльная стенки корпуса у этой антенны выполнены из резины и, таким образом, обеспечивается передача наружного гидростатического давления во внутренний объем антенны, заполненный электроизоляционной жидкостью. Подобная антенна может работать практически при любых гидростатических давлениях, т.к. пьезокерамические элементы в ней подвергаются при этом всестороннему сжатию, не влияющему на их пьезосвойства.

Для расширения рабочей полосы частот в антеннах подобной конструкции применяются согласующие элементы в виде одного или нескольких упругих слоев. Так, например, в акцептованной заявке Японии N 5-11710 с приоритетом от июля 1986 г. применен четвертьволновой согласующий слой, общий для всех преобразователей, входящих в акустическую антенну. Современные гидроакустические антенны, к которым предъявляются высокие требования по надежности, имеют, как правило, более сложную конструкцию.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому решению является антенна, в которой стержневые преобразователи закреплены на общей передней накладке в виде жесткой оболочки на фронтальной поверхности антенны, размещены в общем металлическом корпусе и имеют единый тыльный металлический экран. Внутренний объем корпуса заполнен жидким электроизоляционным заполнителем, при этом для выравнивания давления внутри и снаружи антенна снабжена резиновым компенсатором.

Конструкция антенны описана в книге "Подводные электроакустические преобразователи". Справочник. Л. 1983 г., стр. 89, 99, Рис. 6.2а). Антенна может работать при любых гидростатических давлениях и обладает достаточной надежностью. Наряду с этим ей присущи два основных недостатка.

Во-первых, заполнение корпуса диэлектрической жидкостью во время работы приводит к возникновению так называемых "масляных" или объемных резонансов, т.е. образованию стоячих волн во внутреннем объеме жидкости, которые, попадая в рабочий диапазон частот, приводят к появлению глубоких провалов на частотной характеристике антенны.

Для уменьшения влияния этих резонансов используются различные приемы, но радикальной мерой является удаление масляного заполнения, однако это невозможно сделать без существенного изменения конструкции, т.к. иначе антенна теряет устойчивость к действию гидростатического давления.

Второй недостаток указанной антенны обусловлен механической связью между преобразователями, возникающей в результате их присоединения к общей накладке - оболочке.

Этот недостаток особенно сильно проявляется в режиме сканирования характеристики направленности антенны, когда соседние преобразователи должны колебаться с различными фазами и амплитудами. В результате искажается диаграмма направленности антенны.

Указанные недостатки рассмотренной антенны наблюдаются и в тех случаях, когда эту конструкцию используют в широкой полосе частот, например, обеспечивая это путем нанесения на поверхность оболочки согласующих слоев.

Задачей настоящего изобретения является создание гидроакустической многоэлементной антенны для диапазона высоких звуковых и ультразвуковых частот, способной работать при высоких гидростатических давлениях без масляного заполнения основного объема, исключающей механическую связь между отдельными преобразователями, обеспечивающей возможность расширения рабочей полосы и имеющей при этом достаточно простую, технологичную и надежную конструкцию.

Для решения поставленной задачи в известной гидроакустической антенне, содержащей стержневые пьезоэлектрические преобразователи, герметично размещенные в общем корпусе, жесткую оболочку на фронтальной поверхности антенны, электроизоляционный заполнитель и единый тыльный металлический экран, введены новые признаки, а именно: жесткая оболочка выполнена в виде передней части корпуса, имеет цилиндрические отверстия, в которых размещены стержневые преобразователи, каждый из которых содержит переднюю и тыльную накладки цилиндрической формы, при этом каждая накладка по кольцевому контуру через механическую развязку герметично соединена с внутренней поверхностью соответствующего цилиндрического отверстия, а электроизоляционный заполнитель размещен между жесткой оболочкой с тыльными накладками преобразователей и металлическим экраном.

Для расширения рабочей полосы антенны предложенной конструкции имеется возможность заглубить передние накладки преобразователей внутрь цилиндрических отверстий - с образованием у передних накладок цилиндрических полостей, которые могут быть заполнены жидкостью или могут быть использованы для размещения согласующих элементов в виде одного или нескольких упругих слоев.

Для улучшения работы экрана слой электроизоляционного заполнителя в виде жидкости или полимерного резиноподобного компаунда между оболочкой и экраном должен иметь постоянную волновую толщину, поэтому предпочтительнее вариант исполнения, когда свободные торцевые поверхности тыльных накладок стержневых преобразователей установлены заподлицо с внутренней поверхностью металлической оболочки, а форма металлического экрана повторяет форму оболочки.

Технический результат, получаемый при реализации изобретения, заключается в следующем: исключение жидкого заполнителя из пространства между передней и тыльной накладками преобразователей (в предлагаемой конструкции этот объем заполнен газом), а также из пространства между преобразователями (этот объем заполнен массой металлической оболочки) позволяет полностью устранить паразитные объемные резонансы жидкого заполнителя, которые искажают частотную характеристику антенны в рабочем диапазоне частот.

Полная механическая развязка передних накладок преобразователей от металлической оболочки и друг от друга позволяет избежать искажений диаграмм направленности (ДН) антенны, как при синфазном включении всех преобразователей, так и при сканировании ДН, т.е. при возбуждении преобразователей в разных фазах.

Возможность размещения в полости перед передней накладкой преобразователей согласующих элементов позволяет существенно расширить полосу рабочих частот, в которой антенна работает с высокой эффективностью, а выполнение тыльной части корпуса в виде металлического экрана позволяет упростить и удешевить конструкцию антенны.

Относительно использования в предлагаемой конструкции согласующих элементов можно добавить следующее.

Использование согласующего элемента в виде жидкостно-заполненной цилиндрической полости между передней накладкой преобразователя и средой, известное, например, из заявки 96112444/28/018335 с приоритетом от 18,06.96 г., реализуется в рассматриваемой антенне весьма естественным образом, при этом наружная поверхность жесткой оболочки, в отверстиях которой размещаются преобразователи, играет роль жесткого экрана, именно при наличии которого подобный согласующий элемент работает наиболее эффективно.

Однако оптимальное согласование с помощью жидкостно-заполненной полости имеет место лишь при малых волновых размерах излучающей поверхности преобразователя D/λ_в<0,5, где D - диаметр полости, а λ_в - длина волны звука в среде на верхней частоте рабочего диапазона, и при большом коэффициенте механической трансформации колебательной системы преобразователя K_м = S_изл/S_пк > 5, где S_изл и S_пк - соответственно площадь излучающей поверхности передней накладки преобразователя и площадь поперечного сечения пьезоэлемента. Эти соотношения часто реализуются в более низкочастотных преобразователях, однако для преобразователей рассматриваемого диапазона, как правило, D/ λ_в>0,5, а K_м<5.

При этих соотношениях эффективным становится согласование с помощью многослойных упругих элементов. В предлагаемой конструкции достаточно просто реализуется возможность и такого согласования. При этом ограничение упругих слоев более жесткими стенками цилиндрической полости позволяет рассматривать их как слои с бесконечными поперечными размерами, что делает однозначными их упругие свойства, упрощает расчет и делает его более точным по сравнению с тем случае, когда боковые поверхности слоев свободны.

При хорошем согласовании заданная акустическая мощность достигается при меньших механических напряжениях в пьезокерамике, в результате чего повышается запас механической динамической прочности преобразователей и антенны. В предлагаемой конструкции при действии наружного гидростатического давления P_г пьезокерамические элементы испытывают напряжение одноосного сжатия σ, величина которого равна σ, = P_г•K_м.

Если K_м ≅ 5, а допустимое напряжение сжатия [σ] принять 600 кг/см², то допустимое внешнее давление P_max = σ/K_м ≥ 120 кг/см². Эта величина соответствует погружению на 1200 м, что почти полностью перекрывает диапазон глубин, на которых обычно используются гидроакустические антенны.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором приведен пример конструкции предлагаемой гидроакустической антенны: а) в поперечном разрезе по плоскости, проходящей через оси преобразователей и б) вид со стороны излучающей поверхности. В данном примере жесткая оболочка выполнена плоской, то есть в виде металлической пластины. Конструкция антенны принципиально не изменится, если оболочка будет цилиндрической, конической, сферической или в виде части перечисленных типов оболочек.

Антенна содержит металлическую пластину 1, которая вместе с тыльной частью корпуса 2 в виде крышки образует общий корпус для стержневых пьезоэлектрических преобразователей 3, размещенных в цилиндрических отверстиях пластины 1. Каждый стержневой пьезоэлектрический преобразователь состоит из пьезокерамического стержневого элемента 4, заключенного между двумя металлическими накладками 5 и 6, соединенными армирующей стяжкой 7. Со стороны передней накладки размещается согласующий элемент, состоящий из двух слоев: резиноподобного материала 8 и металла 9.

Центровка стержневых пьезоэлектрических преобразователей 3 относительно пластины 1 осуществляется кольцевыми уплотнениями - развязками 10 из резиноподобного материала, размещенными в кольцевых проточках на деталях 5, 6 и 9. Связь стержневых пьезоэлектрических преобразователей 3 с электронной схемой осуществляется посредством проводов 11 и кабеля 12 с герметичным вводом 213, размещенным на тыльной части корпуса 2.

Пространство между тыльной частью корпуса 2 и внутренней поверхностью металлической пластины 1, заподлицо с которой расположены торцевые поверхности тыльных накладок 6, заполнено резиноподобным материалом 14 (или электроизоляционной жидкостью). В данном примере тыльная часть корпуса является металлическими экраном.

Толщина слоя 14 составляет четверть длины волны звука в материале слоя на центральной частоте рабочего диапазона антенны, при этом достигается минимум тыльного излучения (Глазанов В.Е. "Экранирование гидроакустических антенн. Л., 1986, стр. 20-21). Металлическая пластина 1 имеет фланец 15 для крепления антенны к объекту-носителю.

Для увеличения надежности герметизации наружная поверхность металлической пластины (или всего корпуса) может быть покрыта слоем герметизирующего материала 16, толщина которого на рабочей поверхности должна быть существенно меньше длины волны звука в этом материале на рабочих частотах (не менее чем на порядок).

Возможны другие примеры исполнения антенны, так полость перед накладкой 5 может быть заполнена не слоями 8, 9, а жидкостью (жидкостно-заполненная полость). Если не требуется расширения рабочей полосы, то передние накладки стержневых пьезоэлектрических преобразователей 5 могут быть расположены заподлицо с поверхностью металлической пластины 1, при этом толщина металлической пластины может быть уменьшена на глубину полости. Дополнительное уменьшение толщины металлической пластины 1 можно получить, если допустить, чтобы тыльные накладки 6 выступали за внутреннюю поверхность металлической пластины 1, но при этом возрастает тыльное излучение в силу того, что местами увеличится толщина заполнителя 14. Перечисленные конструктивные особенности заявленной гидроакустической антенны применимы и в случае выполнения оболочки неплоской.

Работа антенны осуществляется следующим образом.

В режиме излучения электрический сигнал подается через многожильный кабель 12 и провода 11 на электроды пьезоэлементов 4 стержневых пьезоэлектрических преобразователей 3 с заданной частотой, фазой и амплитудой. В результате в каждом стержневом пьезоэлектрическом преобразователе возбуждаются механические колебания соответствующей частоты, амплитуды и фазы, которые через переднюю накладку 5 и согласующее устройство 8, 9 излучаются в виде энергии акустического поля в окружающую среду.

Внешнее гидростатическое давление P_г с одной стороны воздействует на наружные поверхности металлической пластины 1 и через согласующие слои 8, 9 и передние накладки 5 на пьезокерамические элементы 4, а с другой стороны уравновешиваются давлением через тыльную крышку корпуса 2 и слой электроизоляционного заполнителя 14 на внутреннюю поверхность металлической пластины 1 и на поверхности тыльных накладок стержневых пьезоэлектрических преобразователей 6.

Пьезоэлементы, таким образом, находятся под действием одноосных снимающих напряжений σ = P_г•K_м. В рассмотренном на фиг. 1 варианте конструкции K_м для преобразователей равно 2, 3, то есть максимально допустимое давление P_max = 600/2,3 = 260 кг/см², что соответствует допустимой глубине использования антенны 2600 м.

Благодаря отсутствию механической связи между стержневыми преобразователями каждый из них колеблется со своей заданной электрическим напряжением амплитудой и фазой, вследствие чего антенна формирует диаграмму, соответствующую расчетной. Отсутствие необходимости заполнения корпуса жидкостью обеспечивает реализацию заданной частотной характеристики антенны, не искаженной "объемными резонансами". Наличие согласующего устройства 8, 9 позволяет реализовать эффективную работу в достаточно широкой полосе частот при повышенном запасе механической прочности.

Таким образом, благодаря введенным новым признакам заявленный технический эффект реализован.

Изобретение относится к области конструирования гидроакустической аппаратуры, в частности резонансных излучающих гидроакустических антенн, работающих в диапазоне верхних звуковых и ультразвуковых частот. Технический результат от использования изобретения заключается в улучшении направленных свойств антенны, улучшении ее частотных характеристик и обеспечении возможности расширения полосы частот. Для этого в гидроакустической антенне, содержащей стержневые пьезоэлектрические преобразователи, герметично размещенные в общем корпусе, жесткую оболочку на фронтальной поверхности антенны, с которой соединены стержневые преобразователи, электроизоляционный заполнитель и единый тыльный металлический экран, жесткая оболочка выполнена в виде передней части корпуса, имеет цилиндрические отверстия, в которых размещены стержневые преобразователи, каждый из которых содержит переднюю и тыльную накладки цилиндрической формы, при этом каждая накладка по кольцевому контуру через механическую развязку герметично соединена с внутренней поверхностью соответствующего цилиндрического отверстия, а электроизоляционный заполнитель размещен между жесткой оболочкой с тыльными накладками и металлическим экраном. Для расширения рабочей полости антенны у передних накладок преобразователей цилиндрические отверстия образуют цилиндрические полости, которые могут быть заполнены жидкостью или согласующими элементами в виде одного или нескольких согласующих слоев. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Гидроакустическая антенна, содержащая стержневые пьезоэлектрические преобразователи, герметично размещенные в общем корпусе, жесткую оболочку на фронтальной поверхности антенны, с которой соединены стержневые пьезоэлектрические преобразователи, электроизоляционный заполнитель и единый тыльный металлический экран, отличающаяся тем, что жесткая оболочка выполнена в виде передней части корпуса, имеет цилиндрические отверстия, в которых размещены стержневые пьезоэлектрические преобразователи, каждый из которых содержит переднюю и тыльную накладки цилиндрической формы, при этом каждая накладка по кольцевому контуру через механическую развязку герметично соединена с внутренней поверхностью соответствующего цилиндрического отверстия, а электроизоляционный заполнитель размещен между жесткой оболочкой с тыльными накладками стержневых пьезоэлектрических преобразователей и металлическим экраном. 2. Гидроакустическая антенна по п.1, отличающаяся тем, что у передних накладок стержневых пьезоэлектрических преобразователей цилиндрические отверстия образуют цилиндрические полости. 3. Гидроакустическая антенна по п.2, отличающаяся тем, что цилиндрические полости у передних накладок стержневых пьезоэлектрических преобразователей заполнены жидкостью. 4. Гидроакустическая антенна по п.2, отличающаяся тем, что в цилиндрических полостях у передних накладок стержневых пьезоэлектрических преобразователей размещены согласующие элементы в виде одного или нескольких упругих слоев. 5. Гидроакустическая антенна по п.1, отличающаяся тем, что металлический экран выполнен в виде тыльной части корпуса. 6. Гидроакустическая антенна по п.1, отличающаяся тем, что свободные торцевые поверхности тыльных накладок стержневых пьезоэлектрических преобразователей установлены заподлицо с внутренней поверхностью жесткой оболочки, при этом слой заполнителя имеет постоянную волновую толщину.