ВЫСОКОЧАСТОТНАЯ МНОГОКАНАЛЬНАЯ ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ АНТЕННА Российский патент 2012 года по МПК G01S7/521 H01Q1/00 

Изобретение относится к гидроакустической технике и может быть использовано как в излучающих, так и приемоизлучающих антеннах гидролокаторов многолучевых эхолотов.

При разработке вышеуказанных антенн в высокочастотном диапазоне частот необходимо обеспечить большие сектора обзора (≥40°) в плоскости наименьшего размера раскрыва антенны при относительно высоком излучаемом акустическом давлении, а это уже не может быть достигнуто путем формирования характеристики направленности традиционным способом - меньшим или соизмеримым с длиной волны в воде на рабочей частоте размером раскрыва.

Из литературы известно [1], что характеристика направленности дуги, нормированная в направлении оси ее симметрии, определяется выражением

,

где φ₀ - половина полного центрального угла дуги.

Из этого выражения следует, что характеристика направленности дуги повторяет вид амплитудного распределения - α(φ) вдоль дуги. Таким образом, если α(φ)=1 на поверхности дуги в пределах углов φ₀, то характеристика направленности равна 1 внутри этого же сектора углов и равна нулю за его пределами.

При больших волновых размерах дуги kR>25 и h/λ>1.5,

где k - волновое число, R - радиус дуги, h - стрела прогиба, λ - длина волны в воде на рабочей частоте, характеристика направленности должна приближаться к секторной с полным углом раскрыва дуги 2φ₀.

Теоретически при R≥10λ ширина секторной характеристики направленности практически совпадает с полным углом 2φ₀, а развитый таким образом размер активной поверхности за счет длины дуги I≈0,03Rφ₀ [2] обеспечит излучение относительно высокого акустического давления с минимальной неравномерностью в пределах всего рабочего сектора в направлении оси симметрии дуги.

Например, при ширине характеристики направленности - 90° минимальный размер активной плоской поверхности в традиционном решении равен ≈0,5λ, в то время как в дуговом варианте ≈16λ, что позволяет реализовать при равных удельных мощностях соответственно в 32 раза большую акустическую мощность.

Известен многолучевой эхолот SiaBat 8111 фирмы «Reason» [3], работающий на частоте 100 кГц. Установленный на судне, он обеспечивает обзор дна в полосе 150° с высокой точностью двумя антенными решетками - цилиндрической приемной и линейной излучающей. Характеристика направленности линейного излучателя 150°×1,5°, а приемная цилиндрическая линейка обеспечивает формирование 101 луча шириной 1,5°, соответственно в секторе 150°. 150° характеристика направленности линейного излучателя обеспечивается традиционным способом, размером активной поверхности, меньшим длины волны.

Известна дискретная приемопередающая антенна по патенту [4], содержащая множество расположенных в ряд дуговых активных элементов (вибраторов), каждый из которых снабжен покрытием, причем каждый из дуговых активных элементов состоит из двух равноугольных частей, изогнутых симметрично друг другу относительно центральной линии. Опорное основание скреплено непосредственно с тыльной стороной дуговых активных элементов. Высокая точность обеспечивается при центральном положении пар равноугольных дуговых вибраторов, когда они установлены в соответствии с профилем основания.

Указанная антенна совпадает с предлагаемой по наибольшему числу общих признаков и принята нами за прототип.

Недостатком антенны-прототипа является сложность ее конструкции, обусловленная выполнением в виде сборки множества установленных в ряд пар равноугольных дуговых активных элементов, примыкающих друг к другу и изогнутых симметрично относительно центральной оси, при этом конструктивное оформление исключает возможность ремонта антенны-прототипа в случае отказа активных элементов, кроме этого, необходимость строгого соответствия как пар равноугольных дуговых вибраторов, так и активных дуговых элементов, составляющих каждую из пар, что связано с выходными полевыми характеристиками прототипа и в первую очередь - неравномерностью и шириной секторной характеристики направленности (ХН) в плоскости дуговых элементов.

Задача изобретения состоит в том, чтобы создать технологичную ремонтопригодную эффективную многоканальную гидроакустическую антенну, формирующую в одной из плоскостей широкоугольную секторную ХН, ширина которой могла бы быть изменена минимальным изменением конструктивных элементов антенны.

Техническим результатом предлагаемого изобретение является упрощение конструкции антенны, повышение ее технологичности при сохранении высокой эффективности, возможности регулирования ширины секторной характеристики направленности каналов.

Для решения поставленной задачи в высокочастотную многоканальную гидроакустическую антенну, содержащую установленные в ряд дуговые активные элементы (каждый из которых образует один канал), симметричные относительно центральной продольной оси, имеющие защитное покрытие и скрепленные тыльной поверхностью с основанием, повторяющим форму их внутренней поверхности, введены новые признаки, а именно: антенна выполнена в виде набора сплошных пьезокерамических колец, имеющих электроды на наружной и внутренней поверхности и развязанных друг от друга по торцам резиновыми прокладками, причем каждый дуговой активный элемент представляет собой сегмент сплошного пьезокерамического кольца, за пределами которого внешняя и внутренняя поверхность каждого сплошного пьезокерамического кольца акустически экранирована слоем акустически непрозрачного полимера, а опорное основание выполнено в виде металлической трубы, скрепленной с тыльной поверхностью дуговых активных элементов через слой акустически прозрачного полимера, а за их пределами с тыльной стороной сплошных пьезокерамических колец через слой акустически непрозрачного полимера, при этом защитное покрытие выполнено в виде эластичного водонепроницаемого чехла, звукопрозрачного по крайней мере в области дуговых активных элементов, а между наружной поверхностью дуговых активных элементов и эластичным водонепроницаемым чехлом имеется акустически прозрачный слой.

Использование в качестве дуговых активных элементов сегментов сплошных пьезокерамических колец существенно упрощает конструкцию и технологию изготовления заявленной антенны, исключаются операции по резке или формованию дуговых пьезоэлементов, делает ее полностью пригодной для ремонта и позволяет, варьируя величиной дуги сегментов, просто управлять ее характеристиками.

В ряде случаев бывает технологичнее:

- слои из полимеров связать адгезионно с внутренней и внешней поверхностью сплошных пьезокерамических колец;

- акустически непрозрачный слой на поверхности каждого сплошного пьезокерамического кольца адгезионно скрепить с внутренней поверхностью эластичного водонепроницаемого чехла.

Для усиления экранирующего эффекта неактивной части пьезокерамических колец целесообразно:

- часть эластичного водонепроницаемого чехла за пределами дуговых активных элементов выполнить акустически непрозрачной;

- в конструкцию может быть дополнительно введен акустический экран, компланарно установленный за наружной поверхностью сплошных пьезокерамических колец за пределами дуговых активных элементов вплотную к эластичному водонепроницаемому чехлу.

Введение каждого из этих дополнительных технических решений направлено на улучшение характеристик направленности антенны, повышение ее эффективности, правда, за счет дополнительных трудозатрат, которые в итоге являются оправданными.

Сущность изобретения поясняется фиг.1, 2, 3, где на фиг.1 приведен пример конструкции предлагаемой высокочастотной многоканальной гидроакустической антенны в плоскости поперечного сечения набора пьезокерамических колец, на фиг.2 - одна из реализации экспериментальной характеристики направленности полученной на фрагменте макета заявленной антенны в вышеуказанной плоскости, состоящего из 14-ми колец, на фиг.3 - характеристика направленности в угломестной плоскости шириной 135° с дополнительно введенным акустически мягким экраном.

Предлагаемая конструкция содержит установленные в ряд дуговые активные элементы, каждый из которых представляет сегмент сплошного пьезокерамического кольца 1, имеющего электроды на внешней и внутренней поверхности, при этом кольца развязаны друг от друга по торцам резиновыми прокладками. За пределами сегмента внешняя и внутренняя поверхность сплошного пьезокерамического кольца 1 акустически экранирована слоем акустически непрозрачного полимера 2. Опорное основание 3 выполнено в виде металлической трубы, которая скреплена с тыльной поверхностью дуговых активных элементов через слой акустически прозрачного полимера 4, а за пределами через слой акустически непрозрачного полимера 2. Защитное покрытие выполнено в виде эластичного водонепроницаемого звукопрозрачного чехла 5. Между наружной поверхностью дуговых активных элементов и эластичным водонепроницаемым чехлом введен акустически прозрачный слой 6.

Экспериментальная отработка предлагаемой антенны была проведена на фрагменте макета многоканального модуля многолучевого эхолота (МЛЭ), выполненном в полном соответствии с предлагаемой конструкцией, представленной на фиг.1.

14-канальный макет состоял из 14-ти сплошных пьезокерамических колец с радиусом по наружной поверхности R=10λ, волновой шаг между кольцами - 1,1λ с учетом возможного управления характеристикой направленности в горизонтальной плоскости - плоскости наибольшего размера в пределах ±5°. Угловой размер дуговых активных элементов-сегментов сплошных пьезокерамических колец, обеспечивающий формирование секторной характеристики направленности каждого из каналов макета, составляет 2φ₀=135°. В качестве полимерных материалов при изготовлении макета выбраны: для слоя непрозрачного полимера 2 (фиг.1) - резина типа ИРП 1074, для слоя акустически прозрачного полимера 4 - резина С-572. Чехол 5 выполнен также из резины С-572. Между чехлом 5 и дуговыми активными элементами имеется звукопрозрачный слой 6 из кремнийорганической жидкости. В макете дополнительно введен акустический экран, компланарно установленный за наружной поверхностью сплошных пьезокерамических колец за пределами дуговых активных элементов вплотную к чехлу 5, выполненный из резины типа 51-1415.

Преимуществом предлагаемой конструкции является возможность регулирования ширины секторной характеристики направленности, формируемой сегментом сплошного пьезокерамического кольца путем изменения соотношений дуговых активных участков сплошного пьезокерамического кольца, покрытых звукопрозрачным и акустически непрозрачным полимерами, что расширяет перспективы реализации предлагаемого технического решения в антеннах как МЛЭ, так и гидролокатора бокового обзора.

Работа антенны происходит следующим образом. В режиме излучения на пьезокерамические кольца 1 подается рабочее электрическое напряжение, которое вызывает толщинные колебания цилиндрических пьезокерамических колец. Акустические экраны 2 обеспечивают излучение акустической энергии в направлении оси симметрии дугового элемента - сегмента сплошного пьезокерамического кольца с центральным углом 2φ₀. При работе в режиме приема происходит преобразование акустической энергии в электрическую. При этом акустические экраны обеспечивают звукоизоляцию за пределами дуговых активных элементов, что и приводит к формированию секторной характеристики направленности каждым из каналов.

На фиг.2 представлена характеристика направленности в угломестной плоскости шириной 115°, на фиг.3 - характеристика направленности в угломестной плоскости шириной 135° с дополнительно введенным акустически мягким экраном из резины типа 51-1415 толщиной 10 мм, который был компланарно установлен за пределами дуговых активных элементов. На фиг.4 приведена характеристика направленности горизонтальной плоскости шириной 3°.

Приведенные характеристики направленности подтверждают как правильность заявленных технических решений, так и возможность управления шириной секторной характеристики направленности. При этом заявленная антенна проще и технологичнее аналога в изготовлении и ремонтопригодности.

Источники информации

1. М.Д.Смарышев. Направленность гидроакустических антенн. - Л., 1973 г., стр.123-129.

2. И А.Бронштейн и К.А Семендяев. Справочник по математике. - Тех. издат. 1948 г., стр.193.

3. Проспект фирмы Reson "SeaBat 8111 Product Specification Multibeam Echosounder". Сайт www.reson.com.

4. Патент Японии №6130147, опубликован 13.05.1994 по Кл G01S 7/52, H04R 17/00.

Изобретение относится к гидроакустической технике и может быть использовано как в излучающих, так и приемоизлучающих антеннах гидролокаторов многолучевых эхолотов. Высокочастотная многоканальная гидроакустическая антенна, содержащая установленные в ряд дуговые активные элементы, симметричные относительно центральной продольной оси, имеющие защитное покрытие и скрепленные тыльной поверхностью с основанием, повторяющим форму их внутренней поверхности, которая выполнена в виде набора сплошных пьезокерамических колец, имеющих электроды на внешней и внутренней поверхности и развязанных друг от друга по торцам резиновыми прокладками. Каждый дуговой активный элемент представляет собой сегмент сплошного пьезокерамического кольца, за пределами которого внешняя и внутренняя поверхность акустически заэкранирована слоем акустически непрозрачного полимера. Опорное основание выполнено в виде металлического цилиндра, скрепленного с тыльной поверхностью дуговых активных элементов через слой акустически прозрачного полимера, а за их пределами с тыльной стороной пьезокерамичеких колец через слой акустически непрозрачного полимера. Защитное покрытие выполнено в виде эластичного водонепроницаемого чехла, а между наружной поверхностью дуговых активных элементов и эластичным водонепроницаемым чехлом имеется акустически прозрачный слой. Предложенное техническое решение позволяет упростить конструкцию антенны, повысить ее технологичность при сохранении высокой эффективности и обеспечить возможность регулирования ширины секторной характеристики направленности каналов антенны. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Высокочастотная многоканальная гидроакустическая антенна, содержащая установленные в ряд дуговые активные элементы, симметричные относительно центральной продольной оси, имеющие защитное покрытие и скрепленные тыльной поверхностью с основанием, повторяющим форму их внутренней поверхности, отличающаяся тем, что она выполнена в виде набора сплошных пьезокерамических колец, имеющих электроды на внешней и внутренней поверхности и развязанных друг от друга по торцам резиновыми прокладками, причем каждый дуговой активный элемент представляет собой сегмент сплошного пьезокерамического кольца, за пределами которого внешняя и внутренняя поверхность каждого сплошного пьезокерамического кольца акустически заэкранирована слоем акустически непрозрачного полимера, опорное основание выполнено в виде металлического цилиндра, скрепленного с тыльной поверхностью дуговых активных элементов через слой акустически прозрачного полимера, а за их пределами с тыльной стороной пьезокерамических колец через слой акустически непрозрачного полимера, при этом защитное покрытие выполнено в виде эластичного водонепроницаемого чехла звукопрозрачного по крайней мере в области дуговых активных элементов, а между наружной поверхностью дуговых активных элементов и эластичным водонепроницаемым чехлом имеется акустически прозрачный слой.

2. Гидроакустическая антенна по п.1, отличающаяся тем, что слои из полимера адгезионно связаны с внутренней и внешней поверхностью сплошных пьезокерамических колец.

3. Гидроакустическая антенна по п.1, отличающаяся тем, что акустически непрозрачный слой на поверхности каждого сплошного пьезокерамического кольца адгезионно скреплен с внутренней поверхностью эластичного водонепроницаемого чехла.

4. Гидроакустическая антенна по п.1, отличающаяся тем, что часть эластичного водонепроницаемого чехла за пределами дуговых активных элементов выполнена акустически непрозрачной.

5. Гидроакустическая антенна по п.1, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введен акустический экран, компланарно установленный за наружной поверхностью сплошных пьезокерамических колец за пределами дуговых активных элементов вплотную к эластичному водонепроницаемому чехлу.