Способ управления формой основного лепестка характеристики направленности излучающей параметрической антенны и устройство для его реализации Российский патент 2019 года по МПК H01Q3/42 

Изобретение относится к гидроакустической технике и может быть использовано при конструировании гидроакустических антенных систем.

Преимущественная область использования – гидроакустика.

В настоящее время широко используются нелинейные системы активной локации с излучающим трактом, в котором применяется излучающая параметрическая антенна. Использование нелинейного взаимодействия ультразвуковых волн при их распространении в воде позволяет разделить в пространстве процессы преобразования электрической энергии в акустическую (электроакустический преобразователь) и формирования характеристики направленности (ХН) (область нелинейного взаимодействия, в которой волны накачки генерируют «новые» сигналы комбинационных частот, в частности, и сигнал разностной частоты . Форма основного лепестка ХН излучающей параметрической антенны определяется главным образом продольным распределением амплитуд звукового давления высокочастотных волн накачки, которые плавно уменьшаются в области нелинейного взаимодействия при удалении от электроакустического преобразователя по экспоненциальному или более сложному (вследствие диссипации, дифракции и нелинейного затухания) закону. Следует учесть, что в ряде случаев эхопоиска в сложных условиях имеющаяся частотонезависимость угловой ширины основного лепестка ХН (определяется числом длин волн разностной частоты, укладывающихся на длине области нелинейного взаимодействия) излучающей параметрической антенны в рабочем диапазоне сигналов разностной частоты может стать недостатком, так как может трактоваться как отсутствие возможности регулировки данного параметра.

Создание достаточных уровней звукового давления рабочего сигнала разностной частоты, необходимых для максимально дальнего эхопоиска объектов определяет направление оптимизации режима параметрического излучения, в частности, и конструкции электроакустического преобразователя, снабженного пьезоэлементом и узлами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции. Как показала практика разработок (см. Волощенко В.Ю., Гривцов В.В., Гаврилов А.М., Котляров В.В. Опыт создания конструкций преобразователей накачки параметрических излучающих антенн // Материалы по обмену опытом. Акустические методы исследования океана. –Л.:Судостроение,1980.–Вып.334.–С. 44–49) для целей активной дальней локации перспективным является использование электроакустического преобразователя, пьезоэлемент (с накладкой или без нее, сплошная, мозаичная либо секционированная) которого колеблется на основной толщинной моде в режиме одностороннего излучения. Этот режим позволяет существенно увеличить мощность излучения в водную среду энергии высокочастотных волн накачки. Следует учесть, что с этой же целью используют электроакустические преобразователи с распределением амплитуды смещения накачки по их поверхности, подчиняющемуся закону равномерной плотности (поршневое). Однако данные электроакустические преобразователи, несмотря на их простоту и легкость конструктивной реализации, обладают рядом недостатков – значительной неоднородностью структуры ультразвукового поля накачки в ближней зоне, невозможностью корректировки параметров уже собранной конструкции. Для получения ультразвукового поля накачки с более равномерной структурой или с заданными характеристиками можно использовать электроакустические преобразователи с более сложным законом распределения амплитуд и фаз смещения по излучающей поверхности, причем, после сборки конструкции желательно иметь возможность регулировки их параметров.

Известен способ синтеза пространственной структуры поля излучающей параметрической антенны, в частности, ее формы основного лепестка ХН (см. «Нелинейные взаимодействия в слоистых и неоднородных средах» / Заграй Н.П., Таганрог: Изд-во ТРТУ, 1998, с. 36 – 55, 111 – 217) и устройство, с помощью которого он реализуется, содержащее два генератора последовательно соединенные через линейный сумматор, импульсный модулятор (управляется импульсным модулятором), усилитель мощности, режекторный фильтр и электроакустический преобразователь, пьезоэлемент которого колеблется на основной толщинной моде в режиме одностороннего поршневого излучения в среду лоцирования.

Данный способ заключается в следующем:

- размещают в среде электроакустический преобразователь, снабженный как пьезоэлементом, так и узлами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции, пьезоэлемент колеблется на основной толщинной моде в режиме одностороннего поршня и излучает мощный бигармонический сигнал накачки с циклическими частотами и волновыми векторами ;

- формируют в среде лоцирования общую пространственную область как коллинеарного распространения, так и нелинейного взаимодействия интенсивных ультразвуковых волн с частотами и , включающую в себя как ближнюю, так и дальнюю зоны образовавшейся параметрической антенны;

генерируют за счет квадратичной нелинейности среды распространения волны комбинационных частот (образованию волн суммарной частоты соответствует знак «+», а разностной – знак «-») с волновыми векторами , где , - циклические частоты и , - волновые вектора как взаимодействующих ультразвуковых волн, так и волн комбинационных частот;

- размещают в области нелинейного взаимодействия в направлении от электроакустического преобразователя последовательность из дискретных однородных слоев (1,2,3, ), образующих многослойную систему различных сред,

- подбирают для системы различных сред как волновые толщины слоев, так и сочетания их физических параметров (плотность , скорость звука , нелинейный параметр ), а также углы падения для распространяющихся ультразвуковых волн как накачки, так и разностной частоты,

Однако способ синтеза пространственной структуры поля излучающей параметрической антенны, в частности, формы основного лепестка ХН, обладает рядом недостатков:

1) нелинейные эффекты в акустическом поле можно рассматривать как результат накапливающихся изменений упругих свойств среды, вызванного распространяющейся волной и влияющего на распространение данной волны (самовоздействие) или на распространение других гидродинамических возмущений (взаимодействие). Однако наличие в области нелинейного взаимодействия последовательности из дискретных однородных слоев может внести искажения в накопление изменений их упругих свойств, снижая практическую применимость способа при конструировании гидроакустических антенных систем;

2) для генерации волн комбинационных частот в области нелинейного взаимодействия необходимо выполнение условий синхронизма для сигналов накачки, т.е. выполнение их временного и пространственного согласования внутри объема излучающей параметрической антенны. Однако наличие в области нелинейного взаимодействия многослойной системы различных сред, физические параметры которых изменяются «скачкообразно», вносит искажения в фазировку непрерывно генерирующихся спектральных компонент, снижая возможность практической осуществимости способа при конструировании гидроакустических антенных систем;

3) для нелинейных систем активной дальней локации с параметрическим излучающим трактом в гидроакустическом канале распространения комплексная амплитуда волны разностной частоты на больших расстояниях от области нелинейного взаимодействия волн накачки, в приближении Фраунгофера, описывается соотношением (см. Новиков Б. К., Руденко О. В., Тимошенко В. И. Нелинейная гидроакустика. – Л.: Судостроение, 1981. – с. 18-20)

_, - (1)

где - нелинейный параметр водной среды, - циклическая частота разностного сигнала, - волновое число разностного сигнала, - скорость звука в среде лоцирования, - переменный вектор, соединяющий начало координат (), расположенное внутри области нелинейного взаимодействия, с точкой наблюдения (), удаленной на большое расстояние.

Выражение ( 2)

- продольный апертурный множитель, который определяет влияние на основной лепесток ХН продольного распределения амплитуд волн накачки в области нелинейного взаимодействия.

Здесь - (3)

преобразованное по Фурье произведение функций, описывающих изменение амплитуд волн накачки в поперечном сечении пучка, т.е. поперечный апертурный множитель. Этот множитель определяет влияние поперечной структуры пучка на форму основного лепестка ХН излучающей параметрической антенны. Данный способ касается синтеза только продольной составляющей пространственной структуры поля излучающей параметрической антенны, в то время как поперечные (краевые) эффекты не рассматриваются, что снижает практическую применимость способа;

Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического результата, является отсутствие возможности как управления формой основного лепестка ХН излучающей параметрической антенны при использовании электроакустического преобразователя, на поверхности пьезоэлемента которого задано поршневое распределение амплитуд смещения, так и корректировки параметров уже собранной конструкции

Признаки, совпадающие с заявляемым способом:

- в среде размещают электроакустический преобразователь, снабженный пьезоэлементом, и узлами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции, пьезоэлемент колеблется на основной толщинной моде в режиме одностороннего поршня и излучает мощный сигнал накачки с частотами , находящимися в его полосе пропускания;

- формируют в среде лоцирования общую пространственную область коллинеарного распространения и нелинейного взаимодействия интенсивных ультразвуковых волн с частотами и , включающую в себя ближнюю и дальнюю зоны образовавшейся параметрической антенны;

генерируют за счет квадратичной нелинейности среды распространения волны комбинационных частот (образованию волн суммарной частоты соответствует знак «+», а разностной – знак «-») с волновыми векторами , где , - циклические частоты и , - волновые вектора как взаимодействующих ультразвуковых волн, так и волн комбинационных частот.

Из уровня техники известен также способ формирования структуры поля и повышения эффективности излучающей параметрической антенны (см. пат. США 6704247 High efficiency parametric sonar, G01S 15/00, G01S 7/52, опубл. 9. 03. 2004) и устройство, с помощью которого он реализуется, содержащее два генератора последовательно соединенные через линейный сумматор, импульсный модулятор (управляется импульсным модулятором), усилитель мощности, режекторный фильтр и электроакустические преобразователи, пьезоэлементы которых колеблются на основной толщинной моде в режиме одностороннего поршневого излучения в среду лоцирования, а также дополнительный излучающий тракт, содержащий последовательно включенные высокочастотный генератор, усилитель мощности и высокочастотный электроакустический преобразователь, который функционирует в непрерывном режиме, образуя за счет кавитации в области неколлинеарного распространения и нелинейного взаимодействия насыщенную парогазовыми пузырьками среду.

Данный способ заключается в следующем:

- в среде в угломестной плоскости рядом друг с другом размещают два электроакустических преобразователя, снабженные каждый пьезоэлементом и узлами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции, пьезоэлементы колеблются на основной толщинной моде в режиме одностороннего поршневого излучения, причем, пересечение их акустических осей составляет острый угол ;

- формируют в среде лоцирования общую пространственную область

неколлинеарного распространения и нелинейного взаимодействия двух волн с циклическими частотами и волновыми векторами , имеющую сложную двухпучково-пересеченную форму;

генерируют за счет квадратичной нелинейности среды распространения волны комбинационных частот (образованию волн суммарной частоты соответствует знак «+», а разностной – знак «-») с волновыми векторами , где , - циклические частоты и , - волновые вектора как взаимодействующих ультразвуковых волн, так и волн комбинационных частот;

- располагают в среде под областью неколлинеарного распространения и нелинейного взаимодействия двух волн с частотами и волновыми векторами высокочастотный электроакустический преобразователь, акустическая ось которого проходит через ее середину;

создают в области неколлинеарного распространения и нелинейного взаимодействия двух волн насыщенную парогазовыми пузырьками среду за счет излучения вверх непрерывного ультразвукового сигнала высокочастотным электроакустическим преобразователем в кавитирующем режиме, позволяя изменять на сигнале разностной частоты эффективность генерации и угловую ширину основного лепестка характеристики направленности.

Однако данный способ формирования структуры поля, в частности, формы основного лепестка ХН излучающей параметрической антенны, обладает рядом недостатков:

1) работоспособность способа ограничена тем, что отсутствует возможность изменения взаимного расположения в угломестной плоскости двух электроакустических преобразователей, приводящее к невозможности регулировки длины и ширины области взаимного пересечения и, соответственно, нелинейного взаимодействия интенсивных ультразвуковых волн накачки;

2)не предусмотрена возможность формирования структуры поля, в частности, управления формой основного лепестка ХН за счет регулируемого изменения величин апертурных множителей продольного , и поперечного для излучающей параметрической антенны. Для прояснения физической сути недостатков по п.1-2 рассмотрим частный случай излучающей параметрической антенны с электроакустическим преобразователем, дисковый (радиус ) пьезоэлемент которого имеет поршневое распределение амплитуды смещения волн накачки по поверхности, т.е. подчиняется закону равномерной плотности. В данном случае (см. Новиков Б. К., Руденко О. В., Тимошенко В. И. Нелинейная гидроакустика. – Л.: Судостроение, 1981. – с. 20 - 22)

, ( 4)

где - амплитуды звукового давления волн накачки с циклическими частотами ; - функция Бесселя первого порядка, - угол между осью пучка и направлением на точку наблюдения. Видно, что функция ( 4) уменьшается с осцилляциями при увеличении угла . В свою очередь, пусть амплитуды затухающих волн накачки вдоль акустической оси изменяются по закону

,

где - длина области затухания, обратная величина среднеарифметическому коэффициенту поглощения волн накачки, - коэффициенты затухания волн накачки с циклическими частотами . Тогда модуль продольного апертурного множителя имеет вид

. (5)

Соотношение (5) описывает гладкую четную функцию, монотонно убывающую при изменении угла , причем, она быстро убывает до нуля в пределах половины первого максимума осцилляций функции Бесселя первого порядка (см. соотношение (4) ). Таким образом, именно этот множитель ( 5), а также параметры среды, в основном и определяют форму основного лепестка ХН (определяется числом длин волн разностной частоты, укладывающихся на длине области нелинейного взаимодействия) излучающей параметрической антенны;

3) в способе область неколлинеарного распространения и нелинейного взаимодействия имеет сложную двухпучково-пересеченную форму, причем, результирующая ХН излучающей параметрической антенны может иметь «трехдольный» основной лепесток ХН (две «доли» в направлениях распространения двух мощных монохроматических сигналов накачки с частотами , которые составляет острый угол друг относительно друга;

4) предложенный в аналоге способ касается синтеза только продольной составляющей пространственной структуры поля излучающей параметрической антенны, в то время как поперечные (краевые) эффекты не рассматриваются, в частности, влияние различных поперечных распределений амплитуд смещения по поверхности пьезоэлемента электроакустического преобразователя, излучающего два мощных монохроматических сигнала накачки с частотами , на управление формой основного лепестка ХН излучающей параметрической антенны.

Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического результата, является отсутствие возможности управления формой основного лепестка ХН излучающей параметрической антенны при использовании электроакустического преобразователя, на поверхности пьезоэлемента которого задано поршневое распределение амплитуд смещения, так и корректировки параметров уже собранной конструкции

Признаки, совпадающие с заявляемым способом:

- в среде размещают электроакустический преобразователь, снабженный пьезоэлементом и узлами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции, пьезоэлемент колеблется на основной толщинной моде в режиме одностороннего поршня и излучает мощный сигнал накачки с частотами , находящимися в его полосе пропускания;

- формируют в среде лоцирования общую пространственную область как распространения, так и нелинейного взаимодействия интенсивных ультразвуковых волн с частотами и , включающую в себя ближнюю, и дальнюю зоны образовавшейся параметрической антенны;

генерируют за счет квадратичной нелинейности среды распространения волны комбинационных частот (образованию волн суммарной частоты соответствует знак «+», а разностной – знак «-») с волновыми векторами , где , - циклические частоты и , - волновые вектора как взаимодействующих ультразвуковых волн, так и волн комбинационных частот.

Наиболее близкими к заявляемому способу и устройству является способ формирования основного лепестка характеристики направленности излучающей параметрической антенны, образованной волнами накачки средней мощности (см. Новиков Б. К., Руденко О. В., Тимошенко В. И. Нелинейная гидроакустика. – Л.: Судостроение, 1981. – 264 с.) и устройство, с помощью которого он реализуется, содержащее два генератора последовательно соединенные через линейный сумматор, импульсный модулятор (управляется импульсным модулятором), усилитель мощности, режекторный фильтр и электроакустический преобразователь, пьезоэлемент которого колеблется на основной толщинной моде в режиме одностороннего поршневого излучения в среду лоцирования.

Данный способ заключается в следующем:

- размещают электроакустический преобразователь, снабженный пьезоэлементом и узлами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции в среде лоцирования, таким образом, чтобы в пространстве его акустическая ось была направлена в заданном направлении;

- обеспечивают работоспособность электроакустического преобразователя за счет использования обратного пьезоэлектрического эффекта, который проявляется в возникновении деформации (сжатие, растяжение) пьезоэлемента под воздействием приложенного к нему переменного электрического поля;

- применяют пьезоэлемент простой геометрической формы (стержень, пластина, диск) с заданными как резонансной частотой , так и расположением нанесенных на две его поверхности сплошных электродов («сигнальный», «общий»);

- подают на поверхность сплошного «сигнального» электрода пьезоэлемента с резонансной частотой с выхода излучающего тракта электрические сигналы возбуждения с частотами и , амплитуды которых изменяется по гармоническому закону, а величины частот удовлетворяют условиям < < и /2 = ;

- обеспечивают для пьезоэлемента режим односторонней передачи колебаний в среду лоцирования и, соответственно, поршневое (равномерное) распределение амплитуды смещения его излучающей поверхности, т.е. сплошного «общего» электрода, что за счет передачи частицам среды энергии вызывает распространение ультразвуковых волн с частотами и ;

формируют в среде лоцирования общую пространственную область коллинеарного распространения и нелинейного взаимодействия интенсивных ультразвуковых волн с частотами и , включающую в себя ближнюю (еще плоские волновые поверхности), и дальнюю (уже сферические волновые поверхности) зоны, образовавшейся параметрической антенны;

генерируют за счет квадратичной нелинейности среды распространения волны комбинационных частот (образованию волн суммарной частоты соответствует знак «+», а разностной – знак «-») с волновыми векторами , где , - циклические частоты и , - волновые вектора как взаимодействующих ультразвуковых волн, так и волн комбинационных частот;

- перестраивают величины частот и электрических сигналов возбуждения таким образом, чтобы они, находясь в полосе пропускания пьезоэлемента, обеспечивали генерацию волны разностной частоты в диапазоне частот, причем, основной лепесток ХН излучающей параметрической антенны для рабочих сигналов комбинационных частот не выходит за пределы зоны сферического расхождения дифрагирующих ультразвуковых волн накачки. Рассмотренный способ формирования излучающей параметрической антенны, образованной волнами накачки средней мощности, обладает рядом недостатков:

1) в режимах излучения средней мощности на рабочих сигналах комбинационных частот амплитуды звукового давления формирующихся сигналов пропорциональны квадрату амплитуд звукового давления сигналов накачки, что ограничивает возможности регулировки углового распределения амплитуд звукового давления акустических полей;

2) не предусмотрена возможность управления формой основного лепестка ХН за счет регулируемого изменения величины поперечного апертурного множителя для излучающей параметрической антенны, т.е. краевые эффекты в области неколлинеарного распространения и нелинейного взаимодействия двух волн с циклическими частотами не учитываются;

3) в способе не рассматривается влияние поперечных распределений амплитуд возбуждающих сигналов на апертурах электроакустических преобразователей, излучающих два мощных монохроматических сигнала накачки с частотами , на управление формой ХН излучающей параметрической антенны;

4) способ формирования основного лепестка характеристики направленности излучающей параметрической антенны, образованной волнами накачки средней мощности, ограничивает улучшение эксплуатационных качеств гидроакустической аппаратуры, в частности, возможности регулировки угловой разрешающей способности за счет управления формой основного лепестка ХН

Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического результата, является отсутствие возможности управления формой основного лепестка ХН излучающей параметрической антенны при использовании электроакустического преобразователя, на поверхности пьезоэлемента которого задано поршневое распределение амплитуд смещения, так и корректировки параметров уже собранной конструкции.

Признаки, совпадающие с заявляемым способом:

- размещают электроакустический преобразователь, снабженный как пьезоэлементом и узлами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции в среде лоцирования, таким образом, чтобы в пространстве его акустическая ось была направлена в заданном направлении;

- обеспечивают работоспособность электроакустического преобразователя за счет использования обратного пьезоэлектрического эффекта, который проявляется в возникновении деформации (сжатие, растяжение) пьезоэлемента под воздействием приложенного к нему переменного электрического поля:

- применяют пьезоэлемент простой геометрической формы (стержень, пластина, диск) с заданными как резонансной частотой , так и расположением нанесенных на две его поверхности сплошных электродов («сигнальный», «общий»);

- подают на поверхность сплошного «сигнального» электрода пьезоэлемента с резонансной частотой с выхода излучающего тракта электрические сигналы возбуждения с частотами и , амплитуды которых изменяется по гармоническому закону, а величины частот удовлетворяют условиям < < и /2 = ;

- обеспечивают для пьезоэлемента режим односторонней передачи колебаний в среду лоцирования и, соответственно, поршневое (равномерное) распределение амплитуды смещения его излучающей поверхности, т.е. сплошного «общего» электрода, что за счет передачи частицам среды энергии вызывает распространение ультразвуковых волн с частотами и ;

формируют в среде лоцирования общую пространственную область коллинеарного распространения и нелинейного взаимодействия интенсивных ультразвуковых волн с частотами и , включающую в себя ближнюю (еще плоские волновые поверхности) и дальнюю (уже сферические волновые поверхности) зоны образовавшейся параметрической антенны;

генерируют за счет квадратичной нелинейности среды распространения волны комбинационных частот (образованию волн суммарной частоты соответствует знак «+», а разностной – знак «-») с волновыми векторами , где , - циклические частоты и , - волновые вектора как взаимодействующих ультразвуковых волн, так и волн комбинационных частот;

- перестраивают величины частот и электрических сигналов возбуждения так, чтобы они, находясь в полосе пропускания пьезоэлемента, обеспечивали генерацию волны разностной частоты в диапазоне частот, причем, основной лепесток ХН излучающей параметрической антенны для рабочих сигналов комбинационных частот не выходит за пределы зоны сферического расхождения дифрагирующих ультразвуковых волн накачки.

Задачей изобретения является создание способа и устройства для его реализации, позволяющих улучшить эксплуатационные свойства гидроакустической аппаратуры.

Технический результат изобретения заключается в обеспечении возможности управления формой основного лепестка ХН излучающей параметрической антенны, что позволяет регулировать угловую разрешающую способность гидроакустической аппаратуры в сложных условиях эхопоиска.

Технический результат достигается тем, что в способе управления формой основного лепестка характеристики направленности излучающей параметрической антенны, заключающийся в том, что электроакустический преобразователь размещают в среде лоцирования с направлением его акустической оси в заданном направлении, подают на поверхность сплошного «сигнального» электрода пьезоэлемента с резонансной частотой с выхода излучающего тракта электрические сигналы возбуждения с частотами и , амплитуды которых изменяется по гармоническому закону, а величины частот удовлетворяют условиям < < и /2 = , обеспечивают для пьезоэлемента режим односторонней передачи колебаний в среду лоцирования, вызывая распространение ультразвуковых волн с частотами и , генерируют за счет квадратичной нелинейности среды распространения волны комбинационных частот с волновыми векторами , перестраивают величины частот и электрических сигналов возбуждения так, чтобы они, находясь в полосе пропускания пьезоэлемента, обеспечивали генерацию волны разностной частоты в диапазоне частот при неизменной форме основного лепестка ХН излучающей параметрической антенны, дополнительно изменяют структуру излучаемого пьезоэлементом ультразвукового поля для частот и посредством электрической коммутации участков протяженно-поверхностного сигнального электрода с выходом излучающего тракта и через активно-реактивные нагрузки с общим сплошным поверхностным электродом.

Технический результат достигается также тем, что в устройстве для реализации способа, содержащее два генератора последовательно соединенные через линейный сумматор, импульсный модулятор, управляемый импульсным модулятором, усилитель мощности, режекторный фильтр и электроакустический преобразователь, пьезоэлемент которого колеблется на основной толщинной моде в режиме одностороннего излучения в среду лоцирования, сигнальный электрод пьезоэлемента выполнен поверхностно-протяженным в виде плоской спирали, общий электрод пьезоэлемента выполнен сплошным, и в устройство дополнительно введены два аналоговых многоканальных ключа выходы (входы) которых электрически соединены с различными участками протяженно-поверхностного сигнального электрода в виде плоской спирали, выходом режекторного фильтра и входом блока активно-реактивных нагрузок, выход блока активно-реактивных нагрузок соединен с общим сплошным поверхностным электродом пьезоэлемента, а также блок управления, выходы которого соединены с управляющими входами обоих генераторов, импульсного генератора, обоих аналоговых ключей, а также блока активно-реактивных нагрузок.

Отличительные существенные признаки заявляемой группы изобретения направлены на обеспечение возможности регулирования угловой разрешающей способности гидроакустической аппаратуры в сложных условиях эхопоиска и позволяют обеспечить заявляемый технический результат,

Предлагаемый способ и устройство для его реализации поясняется следующими чертежами.

На фиг.1 изображена структурная схема устройства для реализации способа;

На фиг.2 схематично изображен в двух проекциях пьезоэлемент с протяженно-поверхностным сигнальным электродом в виде плоской спирали и два варианта его электрического возбуждения: 1 – пьезоэлемент-пластина радиусом и толщиной ; 2 – сплошной по поверхности общий электрод; 3 – протяженно-поверхностный ленточный электрод с шириной и шагом ; - возбуждающий электрический сигнал; - активно-реактивные нагрузки;

На фиг.3 и 4 для различных схем электрических подключений возбуждающего сигнала и активно-реактивных нагрузок представлены результаты экспериментальных измерений поперечных распределений уровней акустического поля накачки в водной среде, излучаемого макетом электроакустического преобразователя;

На фиг.5 представлен вариант выполнения протяженно-поверхностного сигнального электрода в виде плоской спирали для большого мозаичного электроакустического преобразователя излучающей параметрической антенны (см. Garrett G.S., Tjotta J. N., Tjotta S. Nearfield of a large acoustic transducer. Pt.2.Parametric radiation//J. Acoust. Soc. Amer.,1983, v.74, №3, P.1013–1020.

Гидроакустическая аппаратура с параметрическим излучающим трактом находит применение при проведении дноуглубительных работ, поиске заиленных и затопленных объектов, в частности, трубопроводов, при точном профилировании и эхолотировании дна и придонных слоев, оконтуривании иловых выбросов предприятий и определении толщины их слоев и т.д. В типичных случаях угловая ширина основного лепестка ХН излучающей параметрических антенны составляет от 3⁰ до 5⁰, в связи, с чем разрешающая способность по углу мало меняется в широком диапазоне сигналов разностной частоты, отсутствует возможность управления формой основного лепестка ХН излучающей параметрической антенны. Предлагаемый в изобретении способ управления формой основного лепестка характеристики направленности излучающей параметрической антенны обеспечивается возможностью корректировки поперечной структуры излучаемого ультразвукового поля накачки с частотами . Устройство для реализации способа (фиг.1) содержит генераторы 1, 3 электрических сигналов с частотами , которые складываются в линейном сумматоре 2 и поступают на импульсный модулятор 4, работой которого управляет импульсный генератор 5. Импульсы биений двух колебаний через усилитель мощности 6 и режекторный фильтр 7 поступают на вход первого многоканального аналогового ключа 8, с выходов которого возбуждающий сигнал может быть электрически скоммутирован с необходимым участком протяженно-поверхностного «сигнального» электрода пьезоэлемента 9 электроакустического преобразователя (фиг.2 а, б), в то время как другой участок плоской спирали через второй аналоговый ключ 11 может быть скоммутирован электрически через блок 12 активно-реактивные нагрузок с «общим» электродом пьезоэлемента 9, который акустически контактирует со средой.

Устройство (фиг.1), реализующее способ управления формой основного лепестка характеристики направленности излучающей параметрической антенны, функционирует следующим образом. Предварительно в среде лоцирования электроакустический преобразователь, снабженный пьезоэлементом 9 и узлами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции (на чертеже не показаны), размещают таким образом, чтобы его акустическая ось была направлена в заданном направлении, а работоспособность электроакустического преобразователя обеспечивают за счет использования обратного пьезоэлектрического эффекта, который проявляется в возникновении деформации (сжатие, растяжение) пьезоэлемента 9 под воздействием приложенного к нему переменного электрического поля. Генераторы 1, 3 вырабатывают электрические сигналы с частотами , поступающие через линейный сумматор 2 на вход импульсного модулятора 4, управляемого импульсным генератором 5. С выхода импульсного модулятора 4 радиоимпульс с бигармоническим заполнением (биения электрических колебаний близких частот , <<, /2 = .) через усилитель мощности 6 и режекторный фильтр 7 поступает на вход первого многоканального аналогового ключа 8.

В предлагаемом способе и реализующем его устройстве обеспечивается возможностью корректировки как продольной, так и поперечной структуры излучаемого ультразвукового поля с частотами , что достигается применением электроакустического преобразователя, в котором сигнальный 15 электрод пьезоэлемента 9 исполнен как протяженно-поверхностный в виде плоской спирали, что позволяет рассматривать его как линию задержки электрического сигнала возбуждения, а общий 14, соединенный с корпусом, - выполнен сплошным по поверхности. На фиг.2 схематично изображен в двух проекциях пьезоэлемент 9 с протяженно-поверхностным сигнальным электродом 15 в виде плоской спирали и два (из множества возможных) варианта (а, б) его электрического возбуждения: пьезоэлемент 9 радиусом и толщиной ; сплошной по поверхности общий электрод 14; протяженно-поверхностный сигнальный электрод 15 с шириной и шагом ; - возбуждающий электрический сигнал; - активно-реактивные нагрузки. Индуктивность сигнального электрода 15 - спирали и его распределенная емкость относительно сплошного по поверхности общего электрода 14 образуют длинную линию с характеристическим сопротивлением , зависящим от текущего радиуса спирали . Итак, импульсы биений двух колебаний поступают на вход первого многоканального аналогового ключа 8, с выходов которого возбуждающий сигнал может быть электрически скоммутирован с необходимым участком протяженно-поверхностного сигнального электрода 15 пьезоэлемента 9 электроакустического преобразователя (фиг.1), в то время как другой участок плоской спирали через второй аналоговый ключ 11 может быть скоммутирован электрически через блок 12 активно-реактивные нагрузок с общим электродом 14 пьезоэлемента 9, который акустически контактирует со средой.

Если подать возбуждающий электрический сигнал (фиг.2 а,) на центральную часть сигнального электрода 15, то этот электрический сигнал возникнет на других участках спирали через интервал , равный времени его задержки участком длинной линии, «свернутым» внутри круга радиуса . Таким образом, внутренние участки пьезоэлемента 9 будут возбуждаться и деформироваться раньше, чем внешние. Следовательно, волновой фронт излученной акустической волны будет иметь выпуклую осесимметричную конфигурацию. Для расчета параметров длинной линии можно воспользоваться соотношениями (см. Баев Е.Ф., Бурылин Е.И. Миниатюрные электрические линии задержки. – М.: Сов.радио, 1977. – 248с.)

, , (6)

где - относительная диэлектрическая проницаемость материала пьезоэлемента-пластины, - в см, - индуктивность в Гн, - емкость в Ф. Для задержки сигнала (сек) относительно центра пластины

(7)

и для характеристического сопротивления (Ом)

, (8)

При подаче возбуждающего электрического сигнала (фиг.2 б,) к внешнему концу сигнального электрода 15 фронт излучаемой акустической волны будет иметь вогнутую осесимметричную конфигурацию. Таким образом, с помощью указанных выше действий можно обеспечить необходимое распределение амплитуд смещения накачки по поверхности пьезоэлемента 9, отличающееся от закона равномерной плотности (поршневого). Таким образом, подбор оператором участков для коммутации возбуждающего электрического сигнала и активно-реактивных нагрузок позволяет производить корректировку поперечной структуры излучаемого пьезоэлементом 9 электроакустического преобразователя ультразвукового поля. Для этого выходы блока управления 13 соединены с управляющими входами обоих генераторов 1, 3, импульсного генератора 5, обоих аналоговых ключей 8,11, а также блока активно-реактивных нагрузок 12. Функционирование блоков 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 устройства аналогично работе стандартных блоков локатора с режимом параметрического излучения (см. Новиков Б. К., Руденко О. В., Тимошенко В. И. Нелинейная гидроакустика. – Л.: Судостроение, 1981. – 264 с.). Особенности имеет функционирование электроакустического преобразователя, пьезопластина 9, сигнальный электрод которой имеет особенности как изготовления, так и электрической коммутации (для упрощения на фиг.1 не изображены как корпус, так и узлы экранировки, гидро-, электро-, шумоизоляции).

Для экспериментальной проверки возможности проведения корректировки поперечной структуры излучаемого ультразвукового поля накачки был изготовлен макет электроакустического преобразователя, пьезоэлемент 9 которого колеблется на основной толщинной моде (частота 1,45 МГц) в режиме одностороннего излучения, а ее протяженно-поверхностный сигнальный электрод ( составили 25, 1,2, 0,42, 0,26 мм соответственно) выполнен в виде плоской спирали. На фиг.3 и 4 для различных схем электрических подключений возбуждающего сигнала и активно-реактивных нагрузок (пронумерованные варианты подключений схематично изображены на поле графиков) представлены результаты экспериментальных измерений поперечных распределений уровней акустического поля накачки в водной среде (на расстоянии 200 мм), излучаемого макетом электроакустического преобразователя. Проведем анализ полученных результатов, переведя значения поперечной координаты , мм в угловую меру , град (10 мм – 2,86°). Итак, при прочих неизменных условиях изменение вариантов коммутации - a, b, c (фиг.3) - привело к изменению величины угловой ширины по уровню 0,7 основного лепестка ХН от 10,3° через 5,7° до 12,6° соответственно при существенной корректировке поперечной структуры излучаемого ультразвукового поля накачки и уровне бокового поля не более 5%. Дальнейшее изменение вариантов коммутации - d, e (фиг.4) - привело к изменению величины угловой ширины по уровню 0,7 основного лепестка ХН от 5,7° до 11,4° соответственно при корректировке поперечной структуры излучаемого ультразвукового поля накачки и уровне бокового поля не более 8%. Учитывая, что ХН_(F) для излучающей параметрической антенны на сигнале разностной частоты определяется произведением двух ХН _(f1,f2) на сигналах накачки, для данных вариантов коммутации расчетные величины угловой ширины основного лепестка для сигнала разностной частоты составили: коммутация a, b, c (фиг.3) – от 9,5° через 4,7° до 11,4° при уровне бокового поля менее 1%; коммутация d, e (фиг.4) от 4,7° до 10,2° при уровне бокового поля менее 3,5%. Таким образом, предлагаемый способ позволяет как управлять формой, так и угловой шириной основного лепестка ХН излучающей параметрической антенны, причем, угловая разрешающая способность будет изменяться пропорционально указанным цифрам.

При проектировании и изготовлении гидроакустических антенн низкочастотного диапазона предлагаемый способ может найти широкое применение, в частности, при разработке электроакустических преобразователей параметрических антенн. На фиг.5 представлен вариант возможного выполнения по предлагаемому способу протяженно-поверхностного сигнального электрода (вид сверху, видно что пьезоэлементы распаяны таким образом, что образуют плоскую спираль, различные участки которой могут быть скоммутированны предложенным выше образом, см фиг.1, 2) для большого мозаичного пьезоэлемента электроакустического преобразователя излучающей параметрической антенны (см. Garrett G.S., Tjotta J. N., Tjotta S. Nearfield of a large acoustic transducer. Pt.2.Parametric radiation//J. Acoust. Soc. Amer.,1983, v.74, №3, P.1013–1020). Конструкция имеет диаметр 182 см, состоит из 364 пьезоэлементов прямоугольной формы (4,86,4) см, которые распределены по его плоской поверхности в виде 13 концентрических колец. Для параметрической генерации волны разностной частоты в диапазоне (0,55) кГц мозаичный преобразователь излучал акустические волны накачки средней мощности в частотном диапазоне (1116) кГц. Исходя из расчетов, при угловой ширине основного лепестка по уровню 0,7 для ХН по накачке около 5⁰ аналогичный параметр ультразвукового поля на разностной частоте при корректировке может изменяться в сторону уменьшения до 50%. Таким образом, подбор участков присоединения возбуждающего электрического сигнала и нагрузок позволяет производить корректировку поперечной структуры излучаемого ультразвукового поля накачки с частотами , находящимися в его полосе пропускания, в процессе эксплуатации электроакустического преобразователя, что дает возможность оперативно управлять формой основного лепестка ХН излучающей параметрической антенны.

Изобретение относится к гидроакустической технике и может быть использовано при конструировании гидроакустических антенных систем. Технический результат изобретения заключается в обеспечении возможности управления формой основного лепестка ХН излучающей параметрической антенны, что позволяет регулировать угловую разрешающую способность гидроакустической аппаратуры в сложных условиях эхопоиска. Технический результат достигается тем, что в известном способе управления формой основного лепестка характеристики направленности излучающей параметрической антенны изменяют структуру излучаемого пьезоэлементом ультразвукового поля для частот и посредством электрической коммутации участков протяженно-поверхностного сигнального электрода с выходом излучающего тракта и через активно-реактивные нагрузки с общим сплошным поверхностным электродом. Сигнальный электрод пьезоэлемента выполнен поверхностно-протяженным в виде плоской спирали, общий электрод пьезоэлемента выполнен сплошным, и в устройство дополнительно введены два аналоговых многоканальных ключа выходы (входы) которых электрически соединены с различными участками протяженно-поверхностного сигнального электрода в виде плоской спирали, выходом режекторного фильтра и входом блока активно-реактивных нагрузок, выход блока активно-реактивных нагрузок соединен с общим сплошным поверхностным электродом пьезоэлемента, а также блок управления, выходы которого соединены с управляющими входами обоих генераторов, импульсного генератора, обоих аналоговых ключей, а также блока активно-реактивных нагрузок. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ управления формой основного лепестка характеристики направленности излучающей параметрической антенны, заключающийся в том, что электроакустический преобразователь размещают в среде лоцирования с направлением его акустической оси в заданном направлении, подают на поверхность сплошного «сигнального» электрода пьезоэлемента с резонансной частотой с выхода излучающего тракта электрические сигналы возбуждения с частотами и , амплитуды которых изменяются по гармоническому закону, а величины частот удовлетворяют условиям < < и /2 = , обеспечивают для пьезоэлемента режим односторонней передачи колебаний в среду лоцирования, вызывая распространение ультразвуковых волн с частотами и , генерируют за счет квадратичной нелинейности среды распространения волны комбинационных частот с волновыми векторами , перестраивают величины частот и электрических сигналов возбуждения так, чтобы они, находясь в полосе пропускания пьезоэлемента, обеспечивали генерацию волны разностной частоты в диапазоне частот при неизменной форме основного лепестка ХН излучающей параметрической антенны, отличающийся тем, что изменяют структуру излучаемого пьезоэлементом ультразвукового поля для частот и посредством электрической коммутации участков сигнального электрода пьезоэлемента с выходом излучающего тракта и через активно-реактивные нагрузки с общим сплошным поверхностным электродом.

2. Способ управления формой основного лепестка характеристики направленности излучающей параметрической антенны по п. 1, отличающийся тем, что задержку сигнала возбуждения формируют посредством сигнального электрода пьезоэлемента, выполненного в форме протяженно-поверхностной плоской спирали.

3. Способ управления формой основного лепестка характеристики направленности излучающей параметрической антенны по п. 1, отличающийся тем, что задержку сигнала возбуждения формируют посредством сигнального электрода пьезоэлемента, выполненного в форме меандра.

4. Устройство для реализации способа управления формой основного лепестка характеристики направленности излучающей параметрической антенны по п. 1, содержащее два генератора, последовательно соединенные через линейный сумматор, импульсный модулятор, управляемый импульсным модулятором усилитель мощности, режекторный фильтр и электроакустический преобразователь, пьезоэлемент которого колеблется на основной толщинной моде в режиме одностороннего излучения в среду лоцирования, отличающееся тем, что в него дополнительно введены два аналоговых многоканальных ключа, блок активно-реактивных нагрузок и блок управления, сигнальный электрод пьезоэлемента выполнен поверхностно-протяженным в виде плоской спирали, общий электрод пьезоэлемента выполнен сплошным, при этом выходы и входы аналоговых многоканальных ключей электрически соединены с различными участками протяженно-поверхностного сигнального электрода в виде плоской спирали, выходом режекторного фильтра и входом блока активно-реактивных нагрузок, выход блока активно-реактивных нагрузок соединен с общим сплошным поверхностным электродом пьезоэлемента, а выходы блок управления соединены с управляющими входами генераторов, импульсного генератора, аналоговых ключей и блока активно-реактивных нагрузок.