ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ ИЗЛУЧАЮЩАЯ АНТЕННА ПОДВОДНОГО БУКСИРУЕМОГО АППАРАТА Российский патент 2004 года по МПК H04R17/00 

Предлагаемое изобретение относится к области гидроакустики, а именно к созданию излучающих линейных антенн, устанавливаемых на буксируемых под водой аппаратах.

Такие антенны широко используются в поисковых активно-пассивных гидролокационных станциях подводных кораблей или вертолетов для улучшения тактико-технических данных, в частности для измерения дистанции до цели.

Известны гидроакустические антенны подводных буксируемых аппаратов, в которых в качестве излучателей используются кольцевые секционированные пьезокерамические электроакустические излучатели, собранные соосно в линейную антенну, ось которой перпендикулярна к направлению буксировки [1], [2]. Такое расположение антенны объясняется тем, что для повышения скорости поиска цели антенна должна быть ненаправленной в плоскости горизонта и в то же время обладать направленными свойствами в вертикальной плоскости с целью снижения уровня реверберационной помехи.

В патенте [1] описан подводный буксируемый аппарат, содержащий излучающую антенну, которую охватывает полый корпус с закрепленным на нем кабель-тросом. Излучающая антенна представляет собой линейную антенну, собранную из ряда кольцевых излучателей, высоты которых меньше их диаметров и расположенных соосно на равных расстояниях друг от друга, меньших половины длины волны звука в воде на рабочей частоте. В рабочем положении при буксировке аппарата ось антенны располагается вертикально.

Основной недостаток этой антенны состоит в ее большом лобовом сопротивлении при буксировке, которое определяется площадью поперечного сечения антенны в направлении, перпендикулярном направлению движения. Так, при рабочей частоте гидролокатора 1,5 кГц (характерная частота в режиме поиска) средний диаметр отдельного кольцевого излучателя, входящего в ее состав и выполненного из пьезокерамики ЦТБС-3, составляет около 70 см. Именно этот размер наряду с общей высотой определяет площадь поперечного сечения антенны в плоскости, перпендикулярной направлению буксировки. Большое лобовое сопротивление приводит к повышенным нагрузкам на буксировочный кабель-трос, снижению скорости буксировки и к определенным трудностям при подъеме подводного аппарата на палубу корабля после окончания работы.

По наибольшему числу общих признаков с предлагаемым изобретением в качестве прототипа выбрана гидроакустическая излучающая антенна подводного аппарата по патенту [2]. В патенте описана вертикальная линейная антенна, собранная из ряда кольцевых пьезокерамических секционированных излучателей, у которых высота меньше диаметра и установленных соосно и эквидистантно на расстоянии друг от друг, меньшем половины длины волны звука на рабочей частоте. Каждый излучатель снабжен акустическим экраном, предназначенным для формирования диаграммы направленности. Экраны (рефлекторы) установлены на наружной поверхности излучателей. Каждый экран закрывает примерно половину боковой (рабочей) поверхности одного излучателя. Экраны двух соседних излучателей расположены с их противоположных боковых сторон. Таким образом, каждая группа излучателей попеременно излучает акустический сигнал в сторону левого борта подводного аппарата, а вторая - в сторону правого борта. Тем самым, по мнению авторов, обеспечивается однозначность пеленга на цель в стороны левого и правого бортов при приеме отраженного от цели акустического сигнала.

Основным недостатком прототипа так же, как и аналога, является большое лобовое сопротивление антенны по причинам, указанным выше. Ситуация усугубляется еще и тем, что наружные экраны увеличивают наружный диаметр излучателей и, следовательно, антенны, то есть увеличивают площадь ее поперечного сечения в плоскости, перпендикулярной направлению буксировки. Одновременно следует заметить, что на низких рабочих частотах современных буксируемых поисковых гидролокаторов, составляющих 1-2 кГц, наружные экраны работают неэффективно, и вследствие этого диаграмма направленности мало отличается от круговой, вследствие чего не обеспечивается однозначность пеленга на цель.

Задачей предлагаемого изобретения является создание высокоэффективной гидроакустической излучающей антенны подводного буксируемого аппарата, обеспечивающей уменьшенное лобовое сопротивление аппарата при буксировке.

Для решения поставленной задачи в гидроакустической излучающей антенне подводного буксируемого аппарата, содержащей ряд кольцевых пьезокерамических секционированных излучателей, высота которых меньше, чем диаметр, расположенных эквидистантно, при этом расстояние между их центрами меньше половины длины волны звука в воде на рабочей частоте, и акустические экраны, введены новые признаки, а именно: кольцевые пьезокерамические секционированные излучатели установлены так, что их оси параллельны и при буксировке расположены горизонтально в плоскости, нормальной к направлению буксировки, часть секций выполнена из пассивного материала, модуль Юнга которого, по крайней мере, на порядок меньше модуля упругости пьзокерамики, а акустические экраны установлены во внутренней полости кольцевых пьезокерамических секционированных излучателей и выполнены в виде пластин из акустически мягкого материала, закрепленных по осям этих излучателей и размещенных в диаметральных плоскостях.

Техническими результатами от использования предлагаемого изобретения являются существенное уменьшение лобового сопротивления при буксировке гидроакустической излучающей антенны и вследствие этого уменьшение весогабаритных характеристик буксируемого аппарата при сохранении направленных свойств излучающей антенны, в частности близкой к круговой диаграммы направленности в плоскости горизонта.

Достижение указанных технических результатов объясняется следующим. Предложенное расположение кольцевых излучателей при высоте отдельного кольцевого излучателя меньшей, чем его диаметр (обычно высота составляет не более половины диаметра), позволяет уменьшить площадь поперечного сечения предлагаемой антенны в плоскости, перпендикулярной направлению буксировки, и, следовательно, уменьшить лобовое сопротивление, по крайней мере, вдвое по сравнению с прототипом. Однако при таком расположении кольцевых излучателей в предлагаемой антенне следует выполнить еще и другие условия, необходимые для ее нормальной и эффективной работы.

Во-первых, необходимо уменьшить так называемый волновой размер излучателей по диаметру. Известно, что диаметр (D) кольцевого излучателя связан с его резонансной (фактически рабочей) частотой соотношением

D=C_k/π f,

где C_k - скорость звука в материале излучателя (пьезокерамике);

f - резонансная частота.

В то же время длина волны звука в воде λ _в=С_в/f, где С_в - скорость звука в воде. Из этих соотношений легко получить выражение D=С_kλ _в/π С_в.

Для широко используемого состава пьезокерамики ЦТБС-3 на основе титаната-цирконата свинца С_k=3200 м/с, для воды С_в=1500 м/с. Отсюда D=λ _в/1,5.

В предлагаемой антенне этот размер определяет минимальное расстояние между центрами отдельных излучателей. При таком расстоянии между центрами отдельных излучателей, большем λ _в/2, при работе антенны образуются дополнительные максимумы диаграммы направленности в вертикальной плоскости, близкие по величине к главному максимуму. Это крайне нежелательно, так как снижает энергетические характеристики антенны, в частности коэффициент концентрации.

Уменьшение волнового размера отдельного излучателя достигается применением пьезокерамических колец, в которых часть секций пьезокерамики заменена гибкими секциями из пассивного материала с модулем Юнга, по крайней мере, на порядок меньшим модуля упругости пьезокерамики [3].

Во-вторых, необходимо обеспечить излучение сигнала в направлении торцов (в траверзных направлениях антенны) с тем, чтобы диаграмма направленности в плоскости горизонта оставалась близкой к круговой.

Круговая диаграмма направленности достигается применением внутренних акустически мягких экранов. Экраны, расположенные во внутренней полости кольцевого излучателя, за счет сложного взаимодействия своих отдельных элементов, полостей воды и колеблющихся поверхностей кольцевого излучателя обеспечивают излучение торцов излучателя, позволяющее получить диаграмму направленности антенны в плоскости горизонта, близкую круговой.

Сущность изобретения поясняется фиг.1 и фиг.2, при этом на фиг.1 схематически показана предлагаемая антенна, а на фиг 2 - кольцевой пьезокерамический секционированный излучатель в разрезе.

Антенна в данном конкретном варианте состоит из двух кольцевых пьезокерамических секционированных излучателей 1 с акустическими экранами 2. Излучатели 1 крепятся друг с другом металлическими планками 3 и соединяются с корпусом буксируемого тела с помощью фланца 4. Подвод электрического сигнала к излучателям 1 осуществляется кабелями 5. Каждый излучатель 1 содержит кольцо, склеенное из пьзокерамических секций 6 состава ЦТБС-3 (цирконат-титанат свинца), чередующихся с секциями 7 из пассивного материала. В данном примере в качестве пассивного материала выбран текстолит марки ПТК, модуль Юнга которого на порядок меньше модуля упругости пьзокерамики. Каждый излучатель 1 герметизирован слоем компаунда 8 на основе полиуретана и наружным герметизирующим слоем резины 9. Акустические экраны установлены во внутренних полостях каждого излучателя. Они выполнены в виде пластин 10, закрепленных по осям каждого излучателя 1 и размещенных в его диаметральных плоскостях. Каждая пластина 10 представляет собой композитную конструкцию, содержащую слой резины с цилиндрическими каналами, заполненными воздухом (акустически мягкий слой), и тонкие наружные слои металла, обеспечивающие механическую прочность и герметичность конструкции [4].

Антенна работает следующим образом. Электрический сигнал с помощью кабеля 5 подается на кольцевые излучатели 1. Вследствие обратного пьезоэффекта в излучателях 1 возникают переменные механические напряжения растяжения-сжатия и они начинают колебаться. Колебания кольцевых пьезокерамических секционированных излучателей 1 создают акустический сигнал, который излучается в окружающую среду (воду). Этот сигнал используется для обнаружения цели и определения дистанции до нее.

Такая конструкция антенны подводного буксируемого аппарата позволяет существенно уменьшить лобовое сопротивление при буксировке излучающей антенны при сохранении основных параметров, в частности близкой к круговой диаграммы направленности в плоскости горизонта. При рабочей частоте 1,5 кГц диаметр излучателя удалось снизить с 0,7 м до 0,45 м, что обеспечило нормальные (без больших дополнительных максимумов) диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости. В то же время высота отдельного излучателя (ширина антенны) составила 0,22 м. Это означает, что лобовое сопротивление предлагаемой антенны уменьшилось более чем в 3 раза по сравнению с лобовым сопротивлением прототипа (размер по ширине 0,7 м). Уменьшение лобового сопротивления позволяет повысить скорость буксировки антенны, т.е. расширить тактические возможности гидролокационной станции, например уменьшить время обследования заданного водного района. Это позволяет считать задачу изобретения решенной.

Источники информации

1. Патент ФРГ №19719306 А1, 12.11.98, по кл. В 63 В 21/66, G 01 S 7/521, Буксируемый аппарат.

2. Патент ФРГ №19516727 С1, 22.02 96, по кл. G 01 S 7/521, Подводный звукоизлучатель.

3. Р.П. Павлов, З.П. Шалаева. Об эффективности цилиндрических преобразователей с периодической структурой." Доклад на IX Всесоюзной Акустической Конференции, Москва, 1977 г.

4. В.Е. Глазанов. Экранирование гидроакустических антенн, с.57-87. Л.: Судостроение, 1986.

Изобретение относится к излучаемым линейным антеннам, устанавливаемым на буксируемых под водой аппаратах. Технический результат заключается в уменьшении лобового сопротивления и, как следствие, в уменьшении весогабаритных характеристик буксируемого аппарата при сохранении направленных свойств антенны. Сущность изобретения заключается в том, что оси кольцевых пьезокерамических секционированных излучателей параллельны и при буксировке расположены горизонтально в плоскости, нормальной к направлению буксировки. Каждый излучатель состоит из чередующихся секций, выполненных из пьезокерамики и пассивного материала. Модуль Юнга пассивного материала, по крайней мере, на порядок меньше модуля упругости пьезокерамики. Высота излучателей меньше их диаметра, и расстояния между их центрами меньше половины длины волны звука в воде на рабочей частоте. Во внутренней полости излучателей в их диаметральных плоскостях установлены экраны, которые выполнены в виде пластин из акустически мягкого материала. 2 ил.

Гидроакустическая излучающая антенна подводного буксируемого аппарата, содержащая ряд кольцевых пьезокерамических секционированных излучателей, высота которых меньше, чем диаметр, расположенных на расстояниях между их центрами, меньших половины длины волны звука в воде на рабочей частоте, и акустические экраны, отличающаяся тем, что кольцевые пьезокерамические секционированные излучатели установлены так, что их оси параллельны и при буксировке расположены горизонтально в плоскости, нормальной к направлению буксировки, каждый кольцевой пьезокерамический секционированный излучатель состоит из чередующихся секций, выполненных из пьезокерамики и пассивного материала, модуль Юнга которого по крайней мере на порядок меньше модуля упругости пьезокерамики, а акустические экраны установлены во внутренней полости кольцевых пьезокерамических секционированных излучателей и выполнены в виде пластин из акустически мягкого материала, закрепленных по осям кольцевых пьезокерамических секционированных излучателей и размещенных в их диаметральных плоскостях.