СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИКИ НАПРАВЛЕННОСТИ МНОГОЭЛЕМЕНТНОЙ ДИСКРЕТНОЙ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЙ АНТЕННЫ Российский патент 2007 года по МПК G01S15/00 

Изобретение относится к области гидроакустической техники, связанной с излучением гидроакустических тональных и тонально-импульсных сигналов большой интенсивности в ограниченный сектор пространства, и может быть использовано в излучающих трактах гидролокаторов, гидроакустических лагов и других гидроакустических средств.

При проектировании излучающих трактов некоторых из перечисленных выше гидроакустических средств требуется обеспечить одновременное облучение на частоте порядка десятков кГц сектора пространства, обладающего осевой симметрией. Угол раскрыва этого сектора может составлять 30 и более градусов, а излучаемая мощность порядка единиц киловатт. Для обеспечения выполнения требований по направленности наиболее подходящей является антенна с апертурой в виде круга. Характеристика направленности такой антенны при равномерном амплитудном и фазовом распределении колебательной скорости на ее поверхности имеет осесимметричный главный максимум. Ширина главного максимума по уровню минус 3 дБ определяется выражением:

где λ - длина волны звука в воде;

d - диаметр апертуры антенны (смотри, например, [1]).

При частоте излучаемого сигнала 25 кГц характеристика направленности с главным максимумом шириной 30° может быть сформирована антенной, апертура которой имеет диаметр 11,7 см и площадь поверхности 107 см². Акустическая мощность излучения с единицы площади поверхности антенны ограничена механической прочностью ее элементов и порогом кавитации и обычно не превышает 1 Вт/см². Для обеспечения увеличения мощности в 100 раз диаметр апертуры необходимо увеличить в 10 раз, но при этом соответственно обужается главный максимум характеристики направленности.

Известен способ расширения главного максимума непрерывной линейной антенны с апертурой в виде отрезка прямой [2] путем введения в сигналы возбуждения элементарных участков апертуры фазового распределения вида:

где ϕ_(x) - фаза возбуждения элементарного участка апертуры с координатой х, отсчитываемой от середины апертуры;

G - коэффициент, определяющий глубину фазового распределения;

L - длина апертуры антенны;

С - произвольная постоянная.

Коэффициент G вычисляют методом стационарной фазы, заданными параметрами являются частота сигнала, длина апертуры антенны и ширина главного максимума характеристики направленности.

Этот способ позволяет повысить излучаемую мощность за счет увеличения площади апертуры, сохранив неизменной ширину главного максимума характеристики направленности, однако он не развит в отношении поверхностных дискретных многоэлементных антенн и, в частности, антенны в виде многоэлементной дискретной антенной решетки, имеющей плоскую апертуру, ограниченную окружностью, радиус которой много больше длины волны звука в воде.

В литературе по теории направленности гидроакустических антенн [1], [2], [3], [4] описаны способы уменьшения уровня бокового поля при одновременном расширении главного максимума характеристики направленности антенн, в том числе с апертурой в виде круга, путем введения амплитудного распределения вида:

где A_(r) - амплитуда колебательной скорости окружности с радиусом r на поверхности апертуры антенны;

A₍₀₎ - амплитуда колебательной скорости в центре апертуры;

R - радиус апертуры;

n - параметр, определяющий крутизну спада амплитуды колебательной скорости по мере удаления от центра апертуры.

Например, при значении n, равном 4, и, следовательно, при такой же ширине главного максимума характеристики направленности диаметр апертуры антенны может быть увеличен в 1,8, а площадь поверхности S - в 3,2 раза. Однако увеличение площади поверхности апертуры не позволяет повысить излучаемую мощность. Акустическая мощность оказывается ˜ в 3 раза меньше, чем мощность, которая может быть получена при использовании антенны меньшей площади при равномерном амплитудном распределении, так как среднее значение колебательной скорости на поверхности составляет 0,3 от его максимального значения в центре апертуры.

Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности и количеству общих признаков является способ формирования характеристики направленности гидроакустической антенны в виде многоэлементной дискретной антенной решетки, имеющей плоскую апертуру, в том числе ограниченную окружностью, радиус которой много больше длины волны звука в воде, включающий разделение апертуры антенны параллельными прямыми, как правило, расположенными эквидистантно, на N зон; объединение элементов антенной решетки, размещенных внутри границ указанных зон в секции; синфазное возбуждение электрическими сигналами элементов многоэлементной дискретной антенной решетки, входящих в одну секцию, несинфазное возбуждение электрическими сигналами элементов многоэлементной дискретной антенной решетки, входящих в разные секции, преобразование элементами электрических сигналов возбуждения в звуковые колебания и излучение звуковых волн рабочими поверхностями элементов; при этом фазы возбуждения секций определяются законом:

где ϕ_n - фаза возбуждения элементов секции с индексом n;

x_n - расстояние (с учетом знака направления) от центра апертуры до средней линии секции с индексом n;

λ - длина волны звука в воде на частоте излучаемого сигнала.

Этот способ, который описан, в частности, в книге [1], применяют для поворота на некоторый угол α₀ оси главного максимума характеристики направленности от направления перпендикуляра к апертуре антенны, которое она занимает при синфазном возбуждении всех элементов антенны. Поворот оси сопровождается лишь незначительным расширением главного максимума.

Задачей предлагаемого способа является многократное увеличение ширины сектора пространства, в который гидроакустической многоэлементной дискретной антенной, имеющей плоскую апертуру, ограниченную окружностью, радиус которой много больше длины волны звука в воде, излучается сигнал большой интенсивности при сохранении излучаемой мощности на том же уровне, который может быть достигнут в случае равномерного распределения амплитуды колебательной скорости на апертуре антенны.

Для решения поставленной задачи в способ формирования характеристики направленности многоэлементной дискретной гидроакустической антенны, имеющей плоскую апертуру, ограниченную окружностью, радиус которой много больше длины волны звука в воде и апертура которой разделена на N зон; внутри границ которых элементы указанной антенны электрически объединены и образуют секции; включающий несинфазное возбуждение электрическими сигналами элементов, входящих в разные секции, преобразование элементами электрических сигналов возбуждения в звуковые колебания и излучение звуковых волн рабочими поверхностями элементов, введены новые признаки, а именно: границами зон являются концентрические окружности, а фазы возбуждения элементов секций определяются законом:

где ϕ_n - фаза возбуждения элементов секции с индексом n;

G - коэффициент, определяющий глубину фазового распределения;

r_n - средний радиус секции с индексом n;

R - радиус апертуры антенны;

С - произвольная постоянная.

Физически введение указанного фазового распределения эквивалентно виртуальному превращению плоской излучающей поверхности антенны в выпуклую поверхность, близкую к поверхности сферического сегмента со стрелой прогиба Характеристики направленности антенн в виде сферического сегмента исследованы в [2]. Там показано, что, выбирая соотношение между высотой и радиусом сегмента, можно в широком диапазоне изменять ширину характеристики направленности. При близком к единице, двум и т.д. характеристики направленности имеют глубокие провалы в направлении оси симметрии. Аналогичный провал может иметь место при формировании заявляемым способом характеристики направленности гидроакустической антенны в виде многоэлементной дискретной антенной решетки, имеющей плоскую ограниченную окружностью апертуру, радиус которой много больше длины волны звука в воде, когда величина коэффициента G близка к числу, кратному 2π.

Для уменьшения величины этого провала может быть использовано введение амплитудного распределения вида:

где A_n - амплитуда возбуждения элементов секции с номером n;

А₀ - номинальное значение амплитуды возбуждения;

Δ - малое приращение к номинальному значению амплитуды возбуждения;

где ρ - радиус апертуры антенны, главный максимум характеристики направленности которой при равномерном амплитудном и фазовом распределении колебательной скорости на ее поверхности имеет такую же ширину, как при возбуждении элементов секций антенны с радиусом R электрическим сигналом с фазами ϕ_n в соответствии с формулой (1).

Номинальное значение амплитуды возбуждения А₀ выбирают исходя из условия, чтобы максимальное значение амплитуды возбуждения A_max=A₀+Δ не превышало предельно допустимой величины.

Физически, т.к. при Δ≪А₀ А₀e^jϕ+Δ≈(A₀+Δcosϕ)e^jϕ введение указанного амплитудного распределения эквивалентно совмещению двух одинаковых антенн с равномерным амплитудным распределением, элементы первой из которых возбуждаются с амплитудой А₀ и с фазами в соответствии с формулой (1), а второй - с амплитудой Δ при равномерном фазовом распределении. При этом главный максимум характеристики направленности второй антенны заполняет провал в характеристике направленности первой.

В тех случаях, когда значение коэффициента G превышает 2π, с целью упрощения устройства, реализующего заявляемый способ, элементы секций, фазы сигналов возбуждения которых отличаются на 2π, могут быть объединены в один канал возбуждения антенны. Это позволяет уменьшить количество независимых каналов возбуждения устройства для формирования требуемой характеристики направленности.

Техническим результатом от использования изобретения является создание возможности облучения широкого осесимметричного сектора пространства акустическим сигналом, интенсивность которого многократно превышает интенсивность сигнала, которая может быть достигнута при формировании известными способами характеристики направленности такой же ширины, а также создание возможности оперативного управления шириной характеристики направленности путем изменения величины коэффициента G.

Сущность изобретения поясняется фиг.1, 2, 3, 4, где на фиг.1 приведен пример схемы устройства для реализации предложенного способа; на фиг.2 - схематическое изображение апертуры антенны, разделенной концентрическими окружностями на секции; на фиг.3 - расчетная (пунктирная кривая) и экспериментальная (сплошная кривая) характеристики направленности антенны, полученные при введении в сигналы возбуждения элементов секций фазового распределения в соответствии с формулой (1) при на фиг.4 - характеристика направленности антенны, полученная при введении в сигналы возбуждения элементов секций фазового распределения в соответствии с формулой (1) при и амплитудного распределения в соответствии с формулой (2).

Устройство для реализации способа формирования характеристики направленности (фиг.1) включает в себя задающий генератор 1, блок линий задержки 2, многоканальный усилитель мощности 3 и многоэлементную дискретную гидроакустическую антенну 4.

Радиус апертуры антенны выбирают исходя из требования по величине излучаемой мощности и допустимой удельной мощности. Коэффициент G удобнее всего определять методом подбора путем математического моделирования, задаваясь радиусом апертуры, и требованием к ширине сектора, интенсивное облучение которого должно быть обеспечено. При современном состоянии вычислительной техники эта процедура не представляет большой сложности и не занимает много времени.

Антенна, используемая в настоящем примере, содержит порядка 1000 элементов, образующих решетку с ячейкой в виде квадрата со стороной 0,64λ (фиг.2). В качестве элементов в данном примере использованы стержневые пьезоэлементы с диаметром рабочей поверхности 0,5λ. Радиус апертуры антенны R=60 см или 10λ на рабочей частоте 25 кГц. Ширина главного максимума характеристики направленности антенны при равномерном амплитудном и фазовом распределении сигналов возбуждения элементов составляет 2,9 градуса. Требуется с использованием этой антенны обеспечить одновременное облучение осесимметричного сектора пространства шириной 30 градусов. Излучаемая мощность при этом не должна быть меньше мощности, которая имеет место при равномерном амплитудном распределении.

На основании проведенного математического моделирования характеристики направленности было выбрано значение коэффициента G: или, переведя радианы в градусы, имеем G=660°.

Апертура антенны концентрическими окружностями разделена на 12 зон, как показано на фиг.2. В границах каждой зоны элементы электрически соединены параллельно и образуют секции.

Предложенный способ с помощью устройства (фиг.1) и антенны (фиг.2) реализуется следующим образом.

Задающий генератор 1 вырабатывает синусоидальное напряжение рабочей частоты, которое поступает на вход блока линий задержки 2. С выходов блока линий задержки фазированные сигналы подаются на входы каналов многоканального усилителя мощности 3 и после усиления до заданного уровня - на соответствующие секции элементов многоэлементной дискретной гидроакустической антенны. Элементы преобразуют электрические сигналы в механические колебания, и рабочие поверхности элементов излучают звуковые волны в окружающую водную среду. Характеристика направленности формируется в дальнем поле на расстоянии от антенны в результате интерференции излученных звуковых волн.

В рассматриваем конкретном примере элементы антенны, размещенные в центральной зоне, объединены в секцию, возбуждаемую сигналом с фазой ϕ₀=0°, в первой от центральной - ϕ₁=-60°, во второй - ϕ₂=-120°, в третьей - ϕ₃=-180°, и т.д. с шагом 60°. Элементы антенны, размещенные в одиннадцатой от центра зоне, возбуждаются сигналом с фазой ϕ₁₁=-660°.

Это фазовое распределение соответствует заявленному закону

Расчетная характеристика направленности приведена на фиг.3 (пунктирная кривая), из которой видно, что уровень излучения в секторе ±15° от нулевого направления намного превышает уровень в других направлениях. Однако внутри этого сектора характеристика направленности имеет существенную неравномерность. Наиболее глубокий провал наблюдается в направлении оси симметрии. Сплошная кривая на фиг.3 представляет измеренную экспериментально характеристику направленности антенны. Хорошее совпадение расчетной и экспериментальной кривых подтверждает высокую эффективность проведенного математического моделирования.

Для уменьшения величины провала характеристики направленности в направлении оси симметрии может быть использовано введение амплитудного распределения в соответствии с формулой (2). В рассматриваемом примере Δ=0,1A₀.

На фиг.4 приведена экспериментально измеренная характеристика направленности антенны, для формирования которой в сигналы возбуждения элементов секций введено фазовое распределение в соответствии с (1) и амплитудное в соответствии с (2).

Элементы секций, фазы сигналов возбуждения которых отличаются на 2π, а именно центральной и шестой, первой от центра и седьмой и т.д., могут быть объединены в один канал возбуждения антенны. Таким образом, для формирования требуемой характеристики направленности антенны, включающей в себя 12 секций элементов, достаточно иметь шесть независимых каналов возбуждения

Представленные в настоящем примере результаты математического моделирования и измерений характеристики направленности подтверждают, что заявленный технический результат - создание возможности облучения широкого осесимметричного сектора пространства акустическим сигналом, интенсивность которого многократно превышает интенсивность сигнала, которая может быть достигнута при формировании известными способами характеристики направленности такой же ширины, а также создание возможности оперативного управления шириной характеристики направленности путем изменения величины коэффициента G получен.

Источники информации

1. Л.В.Орлов, А.А.Шабров. Расчет и проектирование антенн гидроакустических рыбопоисковых станций. Москва, Пищевая промышленность, 1974.

2. М.Д.Смарышев. Направленность гидроакустических антенн. Ленинград, Судостроение, 1973.

3. М.Д.Смарышев, Ю.Ю.Добровольский. Гидроакустические антенны. Справочник, Ленинград, Судостроение, 1984.

4. А.П.Евтютов и др. Справочник по гидроакустике. Ленинград, Судостроение, 1988.

Изобретение относится к области гидроакустической техники, связанной с излучением гидроакустических тональных и тонально-импульсных сигналов большой интенсивности в ограниченный сектор пространства, и может быть использовано в излучающих трактах гидролокаторов, гидроакустических лагов и других гидроакустических средств. Техническим результатом от использования изобретения является создание возможности облучения широкого осесимметричного сектора пространства акустическим сигналом, интенсивность которого многократно превышает интенсивность сигнала, которая может быть достигнута при формировании известными способами характеристики направленности такой же ширины, а также создание возможности оперативного управления шириной характеристики направленности путем изменения величины коэффициента G. Для обеспечения этого технического результата в способе формирования характеристики направленности многоэлементной дискретной гидроакустической антенны, имеющей плоскую апертуру, ограниченную окружностью, радиус которой много больше длины волны звука в воде, и апертура которой разделена на N зон, внутри границ которых элементы указанной антенны электрически объединены и образуют секции; включающем несинфазное возбуждение электрическими сигналами элементов, входящих в разные секции, преобразование элементами электрических сигналов возбуждения в звуковые колебания и излучение звуковых волн рабочими поверхностями элементов, границами зон являются концентрические окружности, а фазы возбуждения элементов секций определяются законом:

где ϕ_n - фаза возбуждения элементов секции с индексом n;

G - коэффициент, определяющий глубину фазового распределения;

r_n - средний радиус секции с индексом n;

R - радиус апертуры антенны,

С - произвольная постоянная.

Для уменьшения неравномерности характеристики направленности в секторе пространства, где излучается сигнал большой интенсивности, предложено ввести амплитудное распределение, а для упрощения реализации способа предложено элементы секций, фазы сигналов возбуждения которых отличаются на 2π, объединять в один канал возбуждения антенны. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ формирования характеристики направленности многоэлементной дискретной гидроакустической антенны, имеющей плоскую апертуру, ограниченную окружностью, радиус которой много больше длины волны звука в воде и апертура которой разделена на N зон; внутри границ которых элементы указанной антенны электрически объединены и образуют секции; включающий несинфазное возбуждение электрическими сигналами элементов, входящих в разные секции, преобразование элементами электрических сигналов возбуждения в звуковые колебания и излучение звуковых волн рабочими поверхностями элементов, отличающийся тем, что границами зон являются концентрические окружности, а фазы возбуждения элементов секций определяются законом:

где ϕ_n - фаза возбуждения элементов секции с индексом n;

G - коэффициент, определяющий глубину фазового распределения;

r_n - средний радиус секции с индексом n;

R - радиус апертуры антенны;

С - произвольная постоянная.

2. Способ формирования характеристики направленности по п.1, отличающийся тем, что амплитуды возбуждения элементов секций определяются законом: A_n=A₀+Δ·Cosϕ_n, где А_n - амплитуда возбуждения элементов секции с номером n, A₀ - номинальное значение амплитуды возбуждения, Δ - малое приращение к номинальному значению амплитуды возбуждения; при этом , где ρ - радиус апертуры антенны, главный максимум характеристики направленности которой при равномерном амплитудном и фазовом распределении колебательной скорости на ее поверхности имеет такую же ширину, как при возбуждении элементов секций электрическими сигналами с фазами ϕ_n.