МНОГОЭЛЕМЕНТНАЯ ДВУМЕРНАЯ ДИСКРЕТНАЯ ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ АНТЕННА Российский патент 2003 года по МПК H04R1/44 H04R17/00 

Изобретение относится к гидроакустической технике и может быть использовано в приемоизлучающих антеннах гидролокаторов.

При разработке антенн гидролокаторов необходимо обеспечить требуемые электроакустические параметры и технологичность изготовления с учетом серийности производства.

Одним из основных требований, предъявляемых к электроакустическим параметрам антенн, является снижение уровня добавочных максимумов характеристики направленности.

Известна конструкция гидроакустической антенны гидролокатора, в которой снижение уровня добавочных максимумов характеристики направленности достигается введением амплитудного распределения по излучающей поверхности антенны, например, путем применения пьезоэлементов различной конфигурации [1]. Однако изготовление таких пьезоэлементов и самой антенны сложно и трудоемко.

Известна гидроакустическая антенна [2], в которой снижение уровней добавочных максимумов получено введением в конструкцию поглощающего акустического экрана, частично перекрывающего активную поверхность и поглощающего часть излучаемой или принимаемой акустической энергии, приходящей с определенных направлений. Такое техническое решение улучшает направленные свойства гидроакустической антенны, но при этом существенно снижает ее эффективность.

В настоящее время для упрощения технологии изготовления гидроакустических антенн [1] , [3] осуществляют общую герметизацию активных элементов полимерным материалом. Такой способ герметизации относительно прост в реализации, но недостатком таких конструкций является отсутствие возможности их ремонта в случае отказа отдельных активных элементов. Замене подлежит весь прибор. Кроме этого, общая герметизация целесообразна только для антенн малых размеров.

Известна многоэлементная двумерная дискретная гидроакустическая антенна, совпадающая с предлагаемой по наибольшему числу общих признаков [4]. Эта антенна технологична при изготовлении и ремонте, однако не имеет конструктивных средств, позволяющих влиять на ее направленные свойства.

Антенна-прототип содержит линейные блоки преобразователей в виде герметичных заполненных компаундом полимерных трубок, внутри которых расположены цилиндрические пьезоэлементы, скрепленные тонкими металлическими стержнями с помощью торцевых держателей в виде катушек.

Линейные блоки преобразователей крепятся посредством патрубков к корпусу в виде рамы из металлических труб. Часть труб заполнена воздухом, а часть - компаундом. Обычно гидролокаторы антенны такого типа используют с тыльным отражающим экраном.

Недостатком такой антенны является то, что при соотношении расстояния между осями соседних линейных блоков преобразователей и длины звуковой волны в воде, большем или равном единице, в ее характеристике направленности возникают добавочные максимумы, равные основному, что в режиме локации приводит к возникновению ложных пеленгов и понижению эффективности антенны.

Задача изобретения состоит в том, чтобы создать технологичную ремонтопригодную эффективную многоэлементную двумерную дискретную гидроакустическую антенну с улучшенными направленными свойствами.

Для решения поставленной задачи в многоэлементную двумерную дискретную гидроакустическую антенну, содержащую идентичные линейные блоки из цилиндрических пьезоэлектрических преобразователей, скрепленных тонким металлическим стержнем и герметизированных полимерной шланговой оболочкой, заполненной электроизоляционным материалом, и корпус, введены новые признаки, а именно: линейные блоки преобразователей установлены в пазах полимерного ложемента, глубина которых не менее диаметра линейных блоков, поверхность пазов в полимерном ложементе облицована акустически мягкими экранами, а корпус выполнен в виде металлической пластины и скреплен с плоской поверхностью полимерного ложемента, при этом линейные блоки поджаты к корпусу хомутами.

В ряде случаев бывает технологичнее мягкие экраны выполнять в виде герметичных металлических трубок эллиптического сечения, и тогда конфигурация их размещения уточняется экспериментальным путем. Так, для четырех линейных блоков наилучший результат получается, когда акустически мягкие экраны выполнены в виде герметичных воздухозаполненных металлических трубок эллиптического сечения, установленных параллельно линейным блокам, так что с тыльной стороны линейных блоков воздухозаполненные металлические трубки широкими поверхностями касаются поверхностей пазов, центры поперечных сечений воздухозаполненных металлических трубок, размещенных между центральными и краевыми линейными блоками, равно отстоят от поверхности центральных линейных блоков, при этом те из них, которые установлены перпендикулярно к пластине, также равно отстоят от поверхности краевых линейных блоков, а центры поперечных сечений воздухозаполненных металлических трубок, размещенных между центральными линейными блоками, а также по краям многоэлементной гидроакустической антенны, находятся на нормалях к металлической пластине.

Техническим результатом от использования изобретения является улучшение направленных свойств предложенной антенны в плоскости, перпендикулярной осям линейных блоков, и повышение эффективности антенны в целом как за счет увеличения волнового межцентрового расстояния между линейными блоками и, соответственно, появляющейся возможности увеличения активной поверхности цилиндрических пьезоэлементов посредством увеличения их диаметра, так и за счет улучшения направленности антенны в целом, обеспечение технологичной сборки, разборки и ремонта антенны, что достигается использованием фигурного ложемента, облицованного акустически мягким экраном, и крепление линейных блоков в антенне хомутами.

Сущность изобретения поясняется фиг.1, 2, 3, где на фиг.1 приведен пример конструкции предлагаемой многоэлементной двумерной дискретной антенны, на фиг. 2 - конструкция линейного блока, на фиг.3 - одна из реализаций характеристики направленности антенны из четырех линейных блоков в плоскости, перпендикулярной осям линейных блоков преобразователей.

Предлагаемая конструкция многоэлементной двумерной дискретной гидроакустической антенны (фиг.1) содержит линейные блоки 1, размещенные без зазоров в пазах полимерного ложемента 2. Ложемент 2 выполнен из набора фасонных деталей, что позволяет упростить реализацию пазов сложной формы и обеспечить простую и технологичную сборку антенны. Для антенн небольших размеров ложемент может быть выполнен монолитным. Глубина пазов составляет не менее диаметра шланговой оболочки линейного блока 1. В слое ложемента 2, с одной стороны ограниченном поверхностями пазов, имеются продольные каналы, в которые без зазоров установлены мягкие акустические экраны, выполненные в виде идентичных воздухозаполненных металлических трубок эллиптического сечения 3. Установка трубок 3 в ложементе 2 также может быть осуществлена путем их вулканизации в материал ложемента 2. С тыльной стороны линейных блоков 1 воздухозаполненные металлические трубки 3 широкими сторонами касаются поверхности пазов. Толщина экранирующего слоя равна длине малой оси сечения трубки 3. Центры поперечных сечений воздухозаполненных металлических трубок 3, размещенных между центральными и краевыми линейными блоками, равноотстоят от поверхностей центральных линейных блоков 1, при этом те из них, которые установлены перпендикулярно к пластине, также равноотстоят от поверхности краевых линейных блоков, а центры поперечных сечений воздухозаполненных металлических трубок 3, размещенных между центральными линейными блоками, а также по краям антенны, находятся на нормалях к корпусу 4 - тыльной металлической пластине, обеспечивающей жесткость конструкции. Порядок расположения трубок 3 в ложементе 2, определяемый направленностью антенны и дающий максимальный положительный эффект, уточнен экспериментальным путем.

Наряду с вышерассмотренным техническим решением поверхность пазов может быть облицована акустически мягким или поглощающим экранами, выполненными из полимерного материала, при этом толщина слоя определяется из условия равенства коэффициентов отражения или поглощения звука не менее 0,9.

Фиксация линейных блоков преобразователей 1 осуществляется посредством гибких металлических хомутов 5, которые поджимают указанные блоки к корпусу 4.

Каждый линейный блок состоит из набора цилиндрических преобразователей 6 (фиг. 2), состоящих из цилиндрических пьезоэлементов 7, с держателями 8, выполненными в виде колец из упругого полимерного материала, установленных на тонком металлическом стержне 9 по оси шланга, заполненного электроизоляционной жидкостью. Торцы каждого линейного блока с одной стороны загерметизированы заглушками, а с противоположной стороны электрические выводы от каждого цилиндрического пьезоэлектрического преобразователя объединены многожильным кабелем марки СМПЭВГ через посредство герметичного кабельного ввода ( на фиг. не показаны).

Хомуты 5 крепятся к корпусу 4 гайками 12, охватывают линейные блоки 1 в месте расположения держателей 8 и, следовательно, не влияют на акустические параметры линейных блоков.

Порядок расположения воздухозаполненных металлических трубок 3 в ложементе 2 и протяженность их по всей длине линейных блоков 1 обеспечивают одностороннюю направленность последних, акустическую развязку друг от друга и формируют у линейных блоков 1 такие характеристики направленности, которые в сумме дают характеристику направленности всей антенны с пониженными уровнями первых добавочных максимумов, что и решает поставленную задачу.

Работа антенны происходит следующим образом. В режиме излучения на цилиндрические пьезоэлементы 7 линейных блоков 1 подается рабочее электрическое напряжение, которое вызывает радиальные колебания цилиндрических поверхностей пьезоэлементов. Акустические экраны 3, расположенные вдоль каждого линейного блока преобразователей 1, наряду с уменьшением взаимодействия последних, обеспечивают преимущественное излучение акустической энергии в определенном направлении, что и приводит к улучшению направленных свойств антенны в целом.

При работе в режиме приема происходит преобразование акустической энергии в электрическую. При этом акустические экраны 3 за счет предлагаемой конфигурации их размещения между линейными блоками 1 обеспечивают звукоизоляцию линейных блоков 1 в нежелательных направлениях, что приводит к улучшению характеристики направленности всей антенны.

Экспериментальная отработка предлагаемой антенны была проведена на макете, выполненном в полном соответствии с вышеописанной конструкцией, представленной на фиг.1, 2, причем волновой шаг между цилиндрическими элементами в горизонтальной плоскости равнялся 0,51 λ, а в плоскости, перпендикулярной осям линейных блоков, - 1,14 λ, что позволило увеличить диаметр цилиндрических пьезоэлементов до 0,8 λ, где λ - длина звуковой волны в воде на рабочей частоте, и тем самым повысить эффективность антенны.

Результаты сравнения характеристики направленности в вертикальной плоскости заявленной многоэлементной двумерной дискретной гидроакустической антенны из четырех линейных блоков (кривая 1) и аналогичной конструкции при наличии только корпуса (кривая 2) приведены на фиг.3. Сравнение кривых 1 и 2 подтверждает, что заявленное улучшение направленных свойств достигнуто. При этом заявленная антенна проста и технологична в изготовлении и предусматривает возможность ремонта и замены неисправных блоков в процессе эксплуатации.

Источники информации
1. Патент США 5303208.

2. Патент США 5243567.

3. Патент США 4972389.

4. Патент РФ 2078484 (прототип).

Изобретение относится к гидроакустической технике. Предложена многоэлементная двумерная дискретная гидроакустическая антенна, содержащая линейные блоки из цилиндрических пьезоэлектрических преобразователей в каждом линейном блоке, скрепленных тонким металлическим стержнем и герметизированных полимерной шланговой оболочкой, заполненной электроизоляционным материалом, а также корпус. При этом линейные блоки установлены в пазах полимерного ложемента, глубина пазов не менее диаметра линейных блоков. Поверхность пазов в полимерном ложементе облицована акустически мягкими поглощающими экранами. Корпус выполнен в виде металлической пластины и скреплен с плоской поверхностью полимерного ложемента, при этом линейные блоки поджаты к корпусу хомутами. В результате улучшаются направленные свойства предложенной антенны в плоскости, перпендикулярной осям линейных блоков, повышается эффективность антенны, обеспечивается технологичность сборки, разборки и ремонта антенны. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Многоэлементная двумерная дискретная гидроакустическая антенна, содержащая линейные блоки из цилиндрических пьезоэлектрических преобразователей в каждом линейном блоке, скрепленных тонким металлическим стержнем, и герметизированных полимерной шланговой оболочкой, заполненной электроизоляционным материалом, и корпус, отличающаяся тем, что линейные блоки установлены в пазах полимерного ложемента, глубина которых не менее диаметра линейных блоков, поверхность пазов в полимерном ложементе облицована акустически мягкими или поглощающими экранами, а корпус выполнен в виде металлической пластины и скреплен с плоской поверхностью полимерного ложемента, при этом линейные блоки поджаты к корпусу хомутами.2. Многоэлементная двумерная дискретная гидроакустическая антенна по п.1, отличающаяся тем, что она содержит четыре линейных блока, акустически мягкие экраны выполнены в виде воздухозаполненных металлических трубок эллиптического сечения, установленных параллельно линейным блокам так, что с тыльной стороны линейных блоков воздухозаполненные металлические трубки широкими поверхностями касаются поверхностей пазов, центры поперечных сечений воздухозаполненных металлических трубок, размещенных между центральными и краевыми линейными блоками, равно отстоят от поверхностей центральных линейных блоков, при этом те из них, которые установлены перпендикулярно к пластине также равно отстоят от поверхности краевых линейных блоков, а центры поперечных сечений воздухозаполненных металлических трубок, размещенных между центральными линейными блоками, а также по краям многоэлементной гидроакустической антенны, находятся на нормалях к металлической пластине.