ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ АНТЕННА Советский патент 2007 года по МПК G01S7/52 

Изобретение относится к области гидроакустики, а более конкретно к антенной технике, и может быть использовано при конструировании гидроакустических станций, а также в технике акустических измерений.

Известны антенны, так называемого "разгруженного" типа, в которых колебательная система представляет собой решетку стержневых преобразователей, закрепленных на общей рабочей накладке, являющейся частью прочного металлического воздухозаполненного корпуса, в котором они размещены (см., например, А.М.Тюрин и др. Основы гидроакустики, Л-д.: Судостроение, 1966 г., стр.128-129).

Основным недостатком известной конструкции антенны является увеличение ореола диаграммы направленности (ДН) за счет паразитного возбуждения преобразователями корпуса антенны, благодаря жесткой связи колеблющейся рабочей накладки с корпусом. Наряду со звуковым полем, обусловленным излучением рабочей поверхностью антенны, создается дополнительное поле, увеличивающее ореол ДН антенны. Как известно из специальной литературы, ореол ДН увеличивает демаскирование носителя антенны при работе в активном режиме, а в режиме приема - уменьшает помехоустойчивость, возможность разрешения и классификации целей, отмеченный недостаток в значительной степени устраняется путем введения механической развязки рабочей накладки от корпуса, выполненной в виде резинового слоя, адгезионно соединенного с накладкой и корпусом (см., например, Л.В.Орлов, А.А.Шабров Расчеты проектирования антенн гидроакустических рыбопоисковых станций. Москва: Пищевая промышленность, 1974 г., стр.242-246). Однако такая конструкция может надежно работать при давлениях не более, чем (20-30) 10⁵ н/м².

На большие давления конструкцию антенны с резиновой развязкой колебательной системы преобразователей, закрепленных на общей рабочей накладке, выполнить не удается по причине малой прочности резины на срез и смятие. Кроме того, в указанных пределах гидростатических давлений из-за изменения упругих свойств резины от давления электроакустические параметры такой антенны будут существенно изменяться. Антенна, известная из книги Тюрина и др. "Основы гидроакустики", колебательная система которой жестко связана с корпусом, по своей технической сущности наиболее близка к заявляемому изобретению и выбрана нами за прототип.

Целью настоящего изобретения является улучшение направленных свойств антенны, путем уменьшения ореола ДН, и тем самым повышена скрытности, разрешающей способности, помехозащищенности и эффективности классификации целей.

Для достижения поставленной цели стенки корпуса облицованы со стороны рабочей среды звукопоглощающими экранами, выполненными, преимущественно, из полимерного материала, обладающего механическими потерями и акустическим импедансом, равным по порядку величины акустическому импедансу рабочей среды, при этом толщина экрана d связана с коэффициентом механических потерь η и величиной уменьшения ореола ДН ΔR, выраженной в дБ следующим соотношением:

где λ - длина волны в материале экрана на рабочей частоте.

Указанное соотношение получено авторами для инженерных расчетов звукоизоляции из известного в технической акустике определения для звукоизоляции конструкции (по давлению) применительно к предложенному техническому решению, при условии, что , полученном авторами в результате обобщения экспериментальных данных. (см., например, Справочник по технической акустике, под редакцией М.Хекла и Х.А.Мюллера. Ленинград: Судостроение, 1960 г., стр.360; и Е.Л.Шендеров "Волновые задачи гидроакустики, Ленинград: Судостроение, 1972 г., стр.206-212).

Звуковые волны практически не отражаются от поверхности экрана, благодаря примерному равенству акустических импедансов материала экрана и рабочей среды (воды), при этом звук проникает в экран и затухает, благодаря механическим потерям в материале экрана в пределах толщины, определенной из соотношения (1) при требуемом уменьшении уровня ореола ДН антенны. Здесь необходимо отметить, что хотя покрытия из полимерного материала и известны, например, в виде резиновых чехлов, толщиной, как правило, 2-3 мм (см., например, Г.М.Свердлин "Гидроакустические преобразователи и антенны", Ленинград: Судостроение, 1960 г., стр.179), но они являются чисто герметизирующим покрытием, защищающими антенну, в том числе и рабочую поверхность, от проникновения воды, и являющимися, в этой связи, монолитными, не обладающими механическими потерями, т.е. известное покрытие не обладает свойствами обеспечивать затухание звука, а это свойство обеспечивается только всей совокупностью признаков, указанных в формуле изобретения. Устройство с такой совокупностью признаков авторам не известно, что позволяет считать его отвечающим критерию "существенные отличия".

На фиг.1 приведена конструкция предлагаемой антенны, на фиг.2 - экспериментальные ДН, полученные на макете антенны, изготовленном в полном соответствии с предложенным техническим решением - кривая 2, кривая 1 - с макета до облицовки звукопоглощающим экраном, т.е. по типу антенны-прототипа.

Антенна содержит пьезоэлектрические преобразователи 1, размещенные внутри воздухозаполненного корпуса 2 и закрепленные на общей рабочей накладке 3, механически скрепленный посредством винтов 4 с корпусом 2 посредством винтов 4, уплотнительное кольцо 5 для обеспечения герметизации (электрическое соединение преобразователей и выводы на чертеже не показаны), звукопоглощающие экраны 6 скреплены с корпусом посредством хомутов 7.

Антенна работает следующим образом.

При подведении к электроакустическим преобразователям 1 электрического напряжения в рабочей накладке 3, выполненной из металла, создаются механические колебания, которые, с одной стороны, возбуждают рабочую среду - антенна излучает рабочей накладкой 3 в воду акустические сигналы, а, с другой стороны, - стенки металлического корпуса 2 из-за сильной акустической (механической) связи с ними, обладающие спектром собственных частот, ввиду ограниченности размеров корпуса, часть из которых, совпадающая с областью рабочих частот антенны, создает дополнительное звуковое поле, оказывающее существенное влияние на направленные свойства антенны, приводящее к возрастанию ореола ДН, причем амплитуда колебаний рабочей накладки 2 максимальна на частоте подводного напряжения, совпадающей с резонансной частотой продольных колебаний преобразователей (совместно с рабочей накладкой 3 и на частоте изгибных колебаний рабочей накладки). Проходя через звукопоглощающие экраны 6, выполненные, например, из резины ШП1074, акустический импеданс которой (ρc)_э близок к таковому рабочей среды - воды (ρc)_в, (ρc)_э=1,4(ρc)_в, где ρ - плотность, с - скорость звука, соответственно, в материале экрана, а коэффициент потерь η=0,2-0,4, которыми облицованы стенки корпуса 2 путем поджатия с помощью резиновых хомутов 7, звуковая энергия, излучаемая стенками корпуса 2; практически полностью затухает в экранах 6 из-за указанных механических потерь в пределах толщины экрана 6, определенной из соотношения (1), при требуемой величине уменьшения ореола ДН.

В режиме приема преобразователи 1 дают максимальное напряжение на электрических выводах при воздействии на рабочую накладку 3 акустического давления с частотой, равной частоте электромеханического резонанса продольных колебаний механической колебательной системы и изгибных колебаний рабочей накладки.

Поджатие экранов 6 к стенкам корпуса 2 необходимо выполнять для обеспечения акустического контакта между контактирующими поверхностями, необходимого для передачи звуковой энергии непосредственно в экран 6, при этом акустический контакт может быть обеспечен иначе, например, через водяную прослойку (рабочую среду) при механическом закреплении экранов на стенках корпуса, либо адгезионным путем - приклейкой или вулканизацией и т.п. Экраны 6 могут быть составными, состоять из отдельных, установленных встык частей, при этом линейные размеры каждой из частей должны быть больше длины волны в воде на нижней частоте рабочего диапазона частот; по толщине экран 6 может также набираться из нескольких слоев, скрепленных между собой, вплотную установленных друг к другу с обеспечением акустического контакта между слоями. Экранами 6 допускается звукоизолировать корпус локально, т.е. только те из его частей, которые вносят наибольшие искажения в ДН.

Технический эффект от использования предложенного технического решения заключается в следующем.

Электроакустические преобразователи антенны прототипа, благодаря жесткой связи рабочей накладки, на который они закреплены, с металлическим корпусом, возбуждают стенки корпуса, создавая дополнительное поле, приводящее к увеличению ореола ДН на величину ΔR дБ. В результате применения предложенного технического решения - облицовки стенок корпуса со стороны рабочей среды звукопоглощающими экранами, выполненными из полимерного материала, обладающего механическими потерями и акустическим импедансом, равным по порядку величины таковому рабочей среды, толщиной, соответствующей соотношению (1), удается существенно снизить ореол ДН (на величину ΔR дБ).

На фиг.2 приведена ДН, полученная на макете, выполненном на рабочую частоту несколько сотен кГц в полном соответствии с предложенным техническим решением. Корпус и рабочая накладка были выполнены из титана, звукопоглощающий экран из резины ИРП 1074, толщиной более 10 мм. Снижение ореола при этом составляет 14дБ.

Предложенное техническое решение позволяет существенно расширить практические возможности использования антенн, в частности в гидроакустических станциях бокового обзора, формирующих в одной из плоскостей ДН специальной формы, например, секторную, поскольку позволяет реализовать не только продольные колебания рабочей накладки но и изгибные. Уменьшением ореола достигается повышение скрытности работы антенны, разрешающей способности, помехоустойчивости и классификаций целей.

Изобретение относится к области гидроакустики, а более конкретно к антенной технике, и может быть использовано при конструировании гидроакустических станций, а также в технике акустических измерений. Сущность: гидроакустическая антенна содержит решетку электроакустических преобразователей, установленную в герметичном металлическом корпусе на общей излучающей накладке. Стенки корпуса со стороны рабочей среды облицованы звукопоглощающими экранами, выполненными, преимущественно, из полимерного материала, акустический импеданс которого близок к акустическому импедансу рабочей среды. При этом толщина звукопоглощающих экранов d связана с коэффициентом механических η и величиной уменьшения побочных максимумов ΔR, выраженной в дБ соотношением: dη/λ>0,24(1+ΔR/12), где λ - длина волны в материале экрана на рабочей частоте антенны. Технический результат: улучшение направленных свойств антенны путем уменьшения величины побочных максимумов. 2 ил.

Гидроакустическая антенна, содержащая установленную в герметичном металлическом корпусе на общей излучающей накладке решетку электроакустических преобразователей, отличающаяся тем, что, с целью улучшения направленных свойств антенны путем уменьшения величины побочных максимумов, стенки корпуса со стороны рабочей среды облицованы звукопоглощающими экранами, выполненными, преимущественно, из полимерного материала, акустический импеданс которого близок акустическому импедансу рабочей среды, при этом толщина звукопоглощающих экранов d связана с коэффициентом механических потерь η и величиной уменьшения побочных максимумов ΔR, выраженной в дБ, соотношением:

где λ - длина волны в материале экрана на рабочей частоте антенны.