Многоэлементная гидроакустическая антенна
Владельцы патента RU 2363115:
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" (RU)
Изобретение относится к гидроакустической антенной технике и может быть использовано при конструировании гидроакустических систем. Технический результат изобретения заключается в упрощении конструкции и повышении эффективности антенны в режимах излучения и приема. Антенна содержит протяженные стержневые пьезоэлектрические преобразователи 1 трапециевидного сечения, укрепленные на основании 2, по бокам и с их тыльной стороны расположены отражающие акустические экраны 3 и 4, заключенные в корпус 5 и залитые герметизирующим полимером 6. Преобразователи широкой гранью ориентированы в сторону излучения - приема акустических сигналов, а их размеры выбирают исходя из выражения:
где А - полуволновая высота преобразователей, В и С - соответственно рабочая (широкая) и тыльная (узкая) ширина преобразователей, υ - коэффициент Пуассона пьезокерамики преобразователя. 2 ил.
Изобретение относится к гидроакустической антенной технике и может быть использовано при конструировании гидроакустических систем различного названия. Преимущественная область использования - гидроакустика.
Известны многоэлементные гидроакустические антенны, содержащие корпус, основание, стержневые электроакустические преобразователи, элементы электрической коммутации, элементы крепления, экранирования и герметизации, в которых преобразователи выполнены либо несвязанными между собой механически, либо закреплены на общей излучающей (приемной) накладке (см., например, справочник «Подводные электроакустические преобразователи». Л., Судостроение, 1983, с.98 и 99).
Выбор геометрии преобразователей производится с учетом всего комплекса требований по электроакустическим параметрам антенны, включая направленность и конструктивное ее оформление. При решении вопроса о наружных размерах преобразователей исходят, с одной стороны, из его направленных свойств, а с другой, из резонансных, оценивая соответственно его размеры относительно длины волны на рабочей частоте антенны в рабочей среде λв и в пьезокерамике λк, влияющих как на направленные свойства антенны в целом, так и на ее эффективность.
Наибольшее распространение в практике проектирования высокочастотных антенн получили остронаправленные антенны, компонуемые из резонансных полуволновых стержневых преобразователей, резонансный размер которых, ориентированный в направлении, перпендикуляром рабочей поверхности антенны, как правило, равен 0,5 λк, расположенных с шагом (0,5-0,75) λв, при размере антенны в плоскости формирования остронаправленной диаграммы L>>10 λв.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются сложность и трудоемкость конструкции таких антенн, особенно работающих в высокочастотном диапазоне, трудность достижения оптимальных характеристик, вызванная сложностью установки отдельных преобразователей в расчетное положение в антенне, а также разбросами амплитудных и фазовых ошибок возбуждения самих преобразователей, возникающих вследствие разбросов их параметров: амплитудных из-за неодинаковой эффектности пьезоэлементов, фазовых за счет отклонения резонансных частот от номинальной. Все это приводит не только к снижению технологичности таких антенн, но и их эффективности. Кроме того, неравномерное распределение преобразователей по поверхности антенны вызывает их различное влияние друг на друга, что также приводит к дополнительным фазовым погрешностям преобразователей, причем это взаимное влияние обусловлено как воздействием на рабочие излучающие поверхности преобразователей, так и на их боковые поверхности за счет поперечных деформаций преобразователей (см. «Ультразвуковые преобразователи», под ред. Е.Кикучи. М., Мир, 1972, с.314-316). Так как все преобразователи в антенне колеблются синфазно, то их поперечные деформации через связывающую среду (например, полиуретан) взаимно демпфируют друг друга, что ухудшает эффективность антенны в режиме излучения. Кроме того, преобразователи антенны имеют значительное тыльное излучение, которое необходимо устранять, что усложняет конструкцию антенны.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: электроакустические преобразователи, элементы экранирования и герметизации, корпус, основание, элементы электрической коммутации.
Известна также антенна по патенту США №3359537, кл. H04R 17/00,
1971 г., содержащая корпус, протяженные преобразователи прямоугольного сечения в плоскости резонансного размера, установленные в пазу массивного основания из поглощающей резины и попарно поджатые с помощью фиксаторов, перекрывающих приблизительно 10% их рабочей излучающей поверхности, в местах стыка элементов, к кожуху U-образному металлическому желобу, в котором размещено резиновое основание, причем фиксаторы крепятся к боковым стенкам маслонаполненного коробчатого корпуса с резиновой мембраной, а кожух подвешен на этих фиксаторах.
Преобразователи с помощью элементов электрической коммутации соединены с электронными блоками гидроакустической системы.
В антенне уменьшено количество полуволновых пьезоэлементов путем выполнения их в виде протяженных стержневых пьезоэлементов прямоугольного сечения, работающих на толщинном резонансе, однако поскольку длина пьезоэлемента превосходит более чем в два раза его толщину, то на основную моду продольных колебаний по толщине накладываются паразитные высшие моды колебаний по длине, что приводит к искажению распределения колебательной скорости по рабочей поверхности пьезоэлементов и их частотных свойств (см., например, «Ультразвуковые преобразователи» под редакцией Е.Кикучи. М., Мир, 1972, с.309-352). Кроме того, поперечные деформации синфазно колеблющихся преобразователей через связывающую среду взаимно демпфируют друг друга, что ухудшает эффективность антенны в режиме излучения. Преобразователи антенн имеют значительное тыльное излучение, для устранения которого существенно усложнена конструкция антенны.
Признаки, совпадающие с заявленным объектом: корпус, протяженные пьезоэлементы, основание, элементы электрической коммутации.
От ряда перечисленных недостатков свободна «Многоэлементная резонансная гидроакустическая антенна» по патенту RU 2087082, МПК H04R 17/00, H04R 1/44, опубл. 08.10.1997, содержащая протяженные стержневые пьезоэлектрические преобразователи трапециевидного сечения в направлении их толщин, отражающие акустические экраны (боковые и тыльные), основание, корпус, герметизирующий полимер (например, полиуретан) и элементы электрической коммутации преобразователей. Преобразователи закреплены на основании так, что их боковые поверхности компланарны, с тыльной и боковых сторон окружены акустическими экранами, помещены в корпус и залиты герметизирующим полимером (например, полиуретаном). Преобразователи электрически соединены необходимым образом. Компланарность боковых поверхностей преобразователей в совокупности с чередованием большего и меньшего оснований трапециевидных пьезоэлементов способствуют усилению эффекта их однорезонансности и достижению положительного эффекта антенны в целом. Паразитные колебания вдоль стержня при этом не проявляются.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются сложность конструкции и недостаточная эффективность антенны, обусловленная тем, что поперечные деформации синфазно колеблющихся рядом расположенных преобразователей через связывающую их герметизирующую среду (например, полиуретан) взаимно демпфируют друг друга, что ухудшает эффективность антенны в режиме излучения. Преобразователи антенн имеют значительное тыльное излучение, для устранения которого дополнительно устанавливают тыльный акустический экран, что усложняет конструкцию антенн.
Признаки, совпадающие с заявленным объектом: протяженные стержневые преобразователи трапециевидного сечения, основание, отражающие акустические экраны, корпус, герметизирующий полимер, элементы электрической коммутации.
Задачей данного изобретения является упрощение конструкции и повышение эффективности антенны.
Для достижения технического результата в известном устройстве преобразователи расположены широкими гранями в сторону излучения - приема акустического сигнала, а размеры преобразователей выбраны исходя из выражения
где А - полуволновая высота преобразователя,
В и С - соответственно рабочая (широкая) и тыльная (узкая) ширина преобразователя,
υ - коэффициент Пуассона пьезокерамики преобразователя.
Технический результат достигается тем, что в многоэлементной гидроакустической антенне, содержащей протяженные стержневые пьезоэлектрические преобразователи трапециевидного сечения, отражающие акустические экраны, основание, корпус, герметизирующий полимер и элементы электрической коммутации, преобразователи расположены широкой гранью в сторону излучения - приема акустического сигнала, а размеры преобразователей выбирают исходя из выражения
где А - полуволновая высота преобразователя,
В и С - соответственно рабочая (широкая) и тыльная (узкая)
ширина преобразователя,
υ - коэффициент Пуассона пьезокерамики
преобразователя.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 показано устройство заявляемой антенны, на фиг.2 показаны деформации, происходящие в герметизирующем полимере и в преобразователях при их работе.
Многоэлементная гидроакустическая антенна содержит пьезоэлектрические преобразователи 1, укрепленные на основании 2, с их боковой и тыльной сторон расположены акустические экраны 3 и 4, помещенные в корпус 5 и залитые герметизирующим полимером 6. С помощью элементов электрической коммутации (на фиг.1 не показаны) выполнено соединение преобразователей с электронными блоками гидроакустической системы. Преобразователи установлены широкой гранью в сторону излучения - приема акустического сигнала. Противоположная тыльная узкая грань преобразователя выбрана такой ширины, чтобы тыльное излучение антенны было минимальным. Это имеет место, если деформации участков преобразователей и участков герметизирующего полимера, прилегающих к основанию, будут противофазны и акустические поля, сформированные этими участками, будут компенсировать друг друга. Рассмотрим процессы, происходящие при деформации преобразователей (фиг.2).
При уменьшении размера А пьезоэлектрических преобразователей 1 на величину ΔА будет происходить увеличение их поперечных размеров, приближенно определяемое как
где R - средний размер преобразователя, υ - коэффициент Пуассона (см. А.В.Дарков, Г.С.Шпиро. «Сопротивление материалов». М.: Высшая школа, 1969, с.29-31). До деформации величина единичного объема клинового участка герметизирующего полимера 6, расположенного между двумя преобразователями, равна
после деформации преобразователей величина объема уменьшается на величину ΔV
Подставляя в выражение (1) значение ΔR, получим, что
Считая, что основание 2 податливо, а герметизирующий компаунд 6 имеет малую сжимаемость, изменение объема участка между преобразователями вызовет деформацию компаунда в направлении стрелки 7 (фиг.2). Величину этой деформации примерно можно определить как
Таким образом, в плоскости Y=0 получим участки 7 и 8 с противофазными деформациями, причем участки 8 будут иметь амплитуду деформации примерно ΔА/2, а участки 7 - деформацию ΔK.
При равенстве
будем наблюдать значительное ослабление тыльного излучения, что позволяет упростить конструкцию акустического экрана 4, расположенного с тыльной стороны преобразователей. Это будет выполняться при следующих соотношениях между размерами преобразователей
Следует отметить, что выражение (4) имеет качественный характер и для определения более точного соотношения между размерами А, В и С необходимо учитывать экспериментальные данные для конкретных типов преобразователей. Акустические экраны 3 бокового излучения устанавливают отражающими, акустически жесткими с тем, чтобы выполнялась передача поперечных деформаций крайних преобразователей 1 на клиновые участки компаунда, расположенные между экранами 3 и преобразователями 1. Они могут выполняться, например, из титана или стали.
Наличие промежутка 6 между преобразователями 1 со значительно большими поперечными размерами по сравнению с прототипом позволяет значительно ослабить взаимное поперечное демпфирование преобразователей и повысить эффективность антенны в режиме излучения.
Акустический экран 4 может также выполняться акустически жестким. При достаточной компенсации тыльного излучения экран 4 может отсутствовать. Основание 2 может быть выполнено из текстолитового перфорированного листа с незаполненными газовыми полостями. В качестве герметизирующего полимера может быть использован полиуретан или какой-либо другой герметик.
В режиме приема трапецеидальные пьезоэлектрические преобразователи работают как акустические трансформаторы, что повышает чувствительность антенны в режиме приема.
Для выявления технического эффекта были изготовлены макеты антенн в соответствии с заявляемыми техническими решениями и в соответствии с техническими решениями прототипа.
Заявляемое устройство имело лучшие характеристики по эффективности в режиме излучения и по чувствительности в режиме приема соответственно на 30 и 24%.
Таким образом, в предлагаемой антенне в результате новой компоновки пьезоэлектрических преобразователей была повышена эффективность антенны, снижен уровень тыльного излучения, упрощена конструкция антенны.
Многоэлементная гидроакустическая антенна, содержащая протяженные стержневые пьезоэлектрические преобразователи трапециевидного сечения, отражающие акустические экраны, основание, корпус, герметизирующий полимер и элементы электрической коммутации, отличающаяся тем, что преобразователи расположены широкими гранями в сторону излучения - приема акустического сигнала, а размеры преобразователей выбирают, исходя из выражения:
где А - полуволновая высота преобразователя, В и С - соответственно рабочая (широкая) и тыльная (узкая) ширина преобразователя, υ - коэффициент Пуассона пьезокерамики преобразователя.
