ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ ПРИЕМНО-ИЗЛУЧАЮЩАЯ АНТЕННА Советский патент 2006 года по МПК G01S15/00 H04R1/44 

Известны многоэлементные гидроакустические антенны, формирующие характеристики направленности (х.н.) заданного вида (секторные, асимметричные в области главного максимума и т.п.) путем введения соответствующего амплитудно-фазового распределения по ее элементам (преобразователям) с помощью радиотехнических цепей (линий задержек, фазовращателей).

К недостаткам такого антенного устройства, несмотря на его универсальность, следует отнести следующие:

1) наличие радиотехнических устройств (линий задержек или фазовращателей), а следовательно, усложнение тракта гидроакустической станции и уменьшение ее КПД за счет потерь, вносимых этими устройствами;

2) компенсация посредством использования фазоуправляющих устройств постоянна во все направления, что приводит к увеличению добавочных максимумов, а следовательно, к снижению коэффициента концентрации;

3) уменьшение надежности станции за счет дополнительных устройств и усложнение конструкции антенны из-за большого числа кабельных вводов.

Известны гидроакустические антенны, формирующие х.н. специальной формы, приемно-излучающая поверхность которых описывается уравнениями второго порядка с радиусами кривизны, значительно большими длины волны.

Однако они ограничены в возможностях формирования х.н. специального (заданного) вида там, где требуется задание фазового распределения в раскрыве антенны с большими угловыми сдвигами по элементам, расположенным на расстояниях порядка длины волны, при ограниченных размерах последней.

Предлагаемая гидроакустическая приемно-излучающая антенна для формирования х.н. заданного вида лишена отмеченных выше недостатков и отличается тем, что ее преобразователи образуют ступенчатую приемно-излучающую поверхность, причем высота ступеней определяется требуемым фазовым сдвигом, но не превышающим ±90°, т.е. максимальные смещения соседних преобразователей друг относительно друга не превосходят где λ - длина волны в жидкости (воде).

Необходимое амплитудное распределение при этом создается заданием соответствующей формы выходного отверстия (апертуры) антенны.

На фиг.1 (а, б) в качестве примера представлены два возможных варианта принципиального конструктивного выполнения предлагаемой антенны.

Как видно из фиг.1, антенна состоит из набора стержневых преобразователей (1), расположенных таким образом, что образуют ступенчатую излучающую поверхность, экрана (2), корпуса (3). В маслозаполненном варианте антенны (фиг.1а) преобразователи работают через слой масла (4) и звукопрозрачную перегородку (5). В варианте с металлической накладкой (7) (фиг.1б) внутренний объем антенны (6) может быть заполнен маслом или газом (например, воздухом). Очевидно, что тип преобразователя в предлагаемой антенне может быть выбран и другим (цилиндрическим, изгибным и т.п.)

Высота ступеней Δh определяется по формуле

где Δϕ - угол в радианах, на который должна быть повернута фаза элемента, определяемый аналогично сличаю антенны с фазосдвигающими цепями;

λ - длина волны в среде (в воде).

В целях ослабления влияния рассеяния на неровной (ступенчатой) поверхности, каковой будет приемно-излучающая поверхность предлагаемой антенны, максимальная величина смещения соседних элементов друг относительно друга доведена до а фазовые сдвиги в пределах до 360° обеспечиваются путем изменения полярности на 180° соответствующих преобразователей (при этом -90°≤Δϕ≤90° и 90°≤Δϕ≤270°).

Исключая случаи антенны со значительной сверхнаправленностью, когда противофазные участки на поверхности антенны расположены на расстояниях можно полагать (см. Ф.Морз "Колебания и звук"), что нагрузка на любой из элементов за счет ступенчатого расположения их в антенне при указанных максимальных смещениях Δh_max не будет изменяться более чем на 20%.

Такое изменение сопротивления излучения на меньше, чем 50% элементов, из общего количества элементов, входящих в антенну, практически не отражается на электроакустических параметрах антенны.

При расчете х.н. следует учитывать, что фазовый сдвиг элементов предлагаемой антенны (в отличие от антенны с фазосдвигающими цепями) изменяется в зависимости от угла прихода волны по закону косинуса что приводит к уменьшению добавочных максимумов и повышению коэффициента концентрации.

К достоинствам предлагаемой антенны следует отнести еще и то, что отказ от фазоуправляющих цепей исключает потери, вносимые последними, упрощает тракт станции, конструкцию и электромонтаж антенны, что приводит в конечном итоге к повышению эксплуатационной надежности станции в целом, при этом не накладывается ограничений на размеры антенны в плоскости формирования х.н. специального (заданного) вида.

Особенно эффективно применение предлагаемой антенны при малых поперечных размерах ее (˜2,5λ) в плоскости формирования несимметричной х.н.

Следует отметить, что в случае закрепления элементов антенны на общей накладке, через которую осуществляется прием (излучение) (см. фиг.1б), накладка должна быть выполнена толщиной не более - длина волны на рабочей частоте в материале накладки) и ступенчатой по профилю.

Реальность предлагаемой антенны подтверждена результатами расчетов и испытаний действующего макета, который представлял собой антенну, набранную из 88 преобразователей, расположенных в пять рядов в соответствии с фиг.1а (λ=1,82 см; Δh=±0,15 см; l=2,9 см; n₀=28; n₁=20; n₂=10) и помещенных в маслонаполненный корпус; электрически все преобразователи были соединены параллельно.

Из сравнения расчетной и экспериментальной х.н., представленных на фиг.2, следует, что наблюдается достаточно хорошее их совпадение.

Остальные экспериментально определенные электроакустические параметры не отличаются от таковых для синфазной равноэлементной плоской антенны, формирующий х.н. заданной формы, посредством использования фазосдвигающих цепей.

Изобретение относится к гидроакустике, в частности к многоэлементным гидроакустическим антеннам, формирующим характеристики направленности заданного вида. Предлагаемая гидроакустическая приемно-излучающая антенна содержит электроакустические преобразователи, расположенные ступенчато друг относительно друга, причем отдельные смежные акустические преобразователи смещены выше и ниже относительно плоскости нулевой фазы на расстояние, не превышающее четверти длины волны в среде, а общая накладка для крепления преобразователей выполнена ступенчатой соответственно профилю ступенчатой рабочей поверхности антенны. Технический результат - расширение возможности формирования характеристик направленности за счет исключения использования фазоуправляющих цепей. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Гидроакустическая приемно-излучающая антенна, содержащая электроакустические преобразователи, расположенные ступенчато относительно друг друга, общую накладку для крепления преобразователей, отличающаяся тем, что, с целью формирования характеристик направленности без использования фазоуправляющих цепей, в ней отдельные смежные акутические преобразователи смещены выше и ниже относительно плоскости нулевой фазы на расстояние, не превышающее четверти длины волны в среде.2. Гидроакустическая антенна по п.1, отличающаяся тем, что, с целью сохранения требуемого фазового распределения по преобразователям, в ней общая накладка выполнена ступенчатой соответственно профилю ступенчатой рабочей поверхности антенны.