ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ ГЛУБОКОВОДНАЯ АНТЕННА Российский патент 2001 года по МПК H04R1/44 H04B13/02 

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано при создании глубоководных антенн, ненаправленных в горизонтальной плоскости для режимов связи, освещения подводной обстановки, а также при исследовании Мирового океана.

Антенны этих режимов должны эффективно работать в излучении в широком диапазоне частот и иметь высокую стабильность параметров при действии гидростатического давления вплоть до максимальных глубин Мирового океана.

Известна глубоководная излучающая антенна, содержащая несколько идентичных свободно обтекаемых (водозаполненных) цилиндрических преобразователей, расположенных соосно с зазором, на равных расстояниях друг от друга (статья Mc.Mahon G.W., "Perfarmance of Open Ferroelectric Ceramic Cylinders in Underwater Transducers" IASA V 36 N 3 p. 528 - 53 1964 an. Основные результаты статьи изложены также в книге "Подводная акустика" М. 1970 г. стр. 52 - 56).

Работа такой антенны основана на использовании двух резонансов преобразователей: объемного резонанса (резонанса внутренней полости, заполненной водой) и радиального резонанса водозаполненного цилиндра.

В работе Мак Магона было показано, что для обеспечения рабочей полосы в одну октаву зазор между цилиндрическими преобразователями должен быть равен примерно 0,65 λ_v , где λ_v - длина волны в воде на частоте объемного резонанса или примерно два средних диаметра цилиндрического преобразователя.

Однако в некоторых случаях, например для гидроакустических антенн режимов связи, исследования Мирового океана и т.д. ширина рабочей полосы частот в одну октаву является недостаточной.

Известна широкополосная гидроакустическая излучающая антенна (Европейский патент N 0413633 по кл. B 06 B 1/06 с приоритетом 1989 г.), в которой для увеличения рабочей полосы частот на оси свободно обтекаемого цилиндрического преобразователя установлен воздухозаполненный сферический преобразователь с зазором, равным примерно радиусу сферы.

В этой антенне цилиндрический преобразователь излучает гидроакустический сигнал в нижней части рабочего диапазона частот, а сферический преобразователь в верхней его части с общей шириной в несколько октав по данным описания к патенту.

Однако в этой конструкции антенны повышение широкополосности сопровождается снижением глубоководности, т.к. глубина погружения антенны ограничена низкой прозрачностью воздухозаполненного пьезоэлектрического сферического преобразователя.

Таким образом по технической сущности наиболее близкой к предлагаемой является гидроакустическая глубоководная антенна, состоящая из более чем двух (из 6) свободно обтекаемых идентичных цилиндрических преобразователей, расположенных соосно с зазором (упомянутая выше книга "Подводная акустика" М. 1970 с. 52 - 54).

Достоинствами антенны-прототипа являются: по существу отсутствие ограничений по глубине при малых изменениях характеристик с глубиной; обеспечение равномерности чувствительности в режиме излучения от частоты в диапазоне одной октавы (неравномерность ± 3 дБ); высокое отношение мощности к весу.

Однако в ряде случаев при создании антенн для режимов звукоподводной связи, различного рода акустических "ловушек", для целей изучения Мирового океана возникает потребность в эффективном излучении в полосе частот от двух и более октав.

Задачей настоящего изобретения и является создание глубоководной антенны, имеющей частотный диапазон эффективной работы шириной в две и более октавы.

Для решения поставленной задачи в гидроакустической глубоководной антенне, содержащей два свободно обтекаемых цилиндрических преобразователя, расположенных соосно с зазором, введены новые признаки: цилиндрические преобразователи имеют разные средние диаметры, при этом зазор между цилиндрическими преобразователями меньше среднего диаметра меньшего преобразователя.

Для обеспечения эффективного излучения в рабочей полосе до трех октав и более отношение средних диаметров цилиндрических преобразователей выбирают в пределах от 0,2 до 0,5, а отношение высот цилиндрических преобразователей к их средним диаметрам от 0,3 до 1,5.

Наибольшая эффективность достигается, если зазор между цилиндрическими преобразователями лежит в пределах от среднего диаметра меньшего цилиндра до его половины.

Технический эффект от использования изобретения заключается в расширении частотного диапазона эффективной работы антенны до двух и более октав. Причина этому в том, что частотные характеристики цилиндрических свободнообтекаемых преобразователей антенны, каждая из которых работает на объемной и радиальной модах колебаний, является как бы продолжением одна другой.

При этом уменьшение диаметра одного цилиндра по сравнению с другим (в заявленной антенне в 2 - 5 раз) увеличивает возможность "свободного звукового обтекания" внутренних объемов преобразователей, что позволяет существенно уменьшить зазор между ними (примерно в 2,5 раза по сравнению с прототипом). А это в свою очередь позволяет получать приемлемые характеристики направленности антенны в вертикальной плоскости на частотах диапазона "стыковок" частотных характеристик преобразователей, уменьшает габариты антенны.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором схематически показан общий вид антенны.

Гидроакустическая глубоководная антенна, изображенная на чертеже, содержит цилиндрические свободно обтекаемые (водозаполненные) пьезоэлектрические преобразователи 1 (большего диаметра) и 2, отношение средних диаметров которых D₁ и D₂ в данном примере составляет D₂/D₁ = 0,31, а отношение их высот H₁ и H₂ к средним диаметрам составляет H₁/D₁ = 0,8; H₂/D₂ = 1,4.

Герметизация активных элементов - пьезокерамических колец 3 и 4 преобразователей 1 и 2 - осуществляется внутренними 5, 6 и наружными 7, 8 резиновыми чехлами с заливкой образовавшихся кольцевых зазоров полиуретановым компаундом. Крепление преобразователей к антенне осуществляется при помощи кольцевых фланцев 9 и 10, а также кронштейна 11, который определяет также зазор между торцами преобразователей.

В данном примере зазор между торцами составляет 0,7 от диаметра преобразователя 2.

Фланцы преобразователей 1 и 2 стянуты шпильками 12 и 13. Антенна установлена на основании 14. Зазор между нижним торцом преобразователя 1 и основанием 14 обеспечен выбором высоты стоек 15 с учетом амортизаторов 16.

Электрические выводы преобразователей подсоединены к герметичной кабельной колодке, которая заканчивается 4-х жильным кабелем (на чертеже не указаны).

Работа антенны осуществляется следующим образом.

При подаче на преобразователи антенны электрического сигнала в широком интервале частот последние совершают вынужденные колебания на частотах электрического сигнала в воде, излучая акустические волны. Эффективность этого излучения определяется, в основном, широкополосностью антенны и ее способностью формировать в широком диапазоне частот требуемые характеристики направленности.

Преобразователи рассматриваемой антенны имеют хорошие характеристики излучения на частотах, включающих резонансные моды колебаний столба воды внутреннего объема и нулевой моды радиальных колебаний по окружности пьезокерамического кольца каждого цилиндрического преобразователя.

При этом расширение рабочего диапазона частот обеспечено различием радиальных размеров преобразователей, а обеспечение заданных направленных свойств наличием заявленного зазора между ними.

Увеличение зазора между торцами преобразователей больше 1,5 D₂ приводит к возникновению в характеристике направленности антенны в вертикальной плоскости на средних частотах рабочего диапазона больших добавочных максимумов, а также к нежелательному в ряде случаев обострению характеристик направленности.

Некоторое ухудшение характеристик направленности наблюдается и при уменьшении зазора преобразователя меньше 0,5 D₂ за счет ухудшения условий свободного акустического обтекания преобразователей.

Для отношения высоты преобразователей H_1,2 к их диаметрам D_1,2 0,3 ≅ H_1,2 / D_1,2 ≅ 1,5 имеется сильная связь между указанными выше модами колебаний, благодаря чему частотный диапазон эффективной работы каждого преобразователя антенны превышает 1 - 1,5 октавы, а при отношении диаметров преобразователей D₂ / D₁ = 0,2 - 0,5 их частотные характеристики являются как бы продолжением одна другой, что в результате обеспечивает возможность эффективной работы антенны в диапазоне частот практически в три октавы и более.

При уменьшении отношения D₂ / D₁ < 0,2 возникает провал в результирующей частотной характеристике антенны в области "стыка" частотных характеристик преобразователей, а при увеличении D₂ / D₁ > 0,5 возникает "перехлест" этих частотных характеристик, в результате чего дальнейшее увеличение эффективного диапазона частот не происходит.

Таким образом предлагаемая конструкция глубоководной антенны позволяет увеличить частотный диапазон эффективной работы до 2-х и более октав, что дает основания считать задачу изобретения решенной.

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано при создании глубоководных антенн, ненаправленных в горизонтальной плоскости для режимов связи, освещения подводной обстановки, а также при исследовании Мирового океана. Повышение эффективности излучения в полосе частот от двух и более октав достигается за счет того, что гидроакустическая глубоководная антенна содержит два свободно обтекаемых полых цилиндрических преобразователя, расположенных соосно с зазором между ними. Цилиндрические преобразователи имеют разные средние диаметры, при этом отношение их средних диаметров лежит в пределах от 0,2 до 0,5. 1 ил.

Гидроакустическая глубоководная антенна, содержащая два свободно обтекаемых полых цилиндрических преобразователя, расположенных соосно с зазором между ними, отличающаяся тем, что цилиндрические преобразователи имеют разные средние диаметры, при этом отношение их средних диаметров лежит в пределах от 0,2 до 0,5.