Гидроакустическая антенна

 

Изобретение относится к области гидроакустики. Технический результат заключается в снижении уровня боковых лепестков в широком диапазоне частот. Для этого антенна содержит закрепленные на общей приемоизлучающей накладке стержневые электроакустические преобразователи, также снабжена дополнительной металлической пластиной, адгезионно скрепленной с приемоизлучающей накладкой по всей ее наружной поверхности промежуточным слоем из полимерного материала, при этом толщина металлической пластины составляет 0,01-0,02 длины волны на центральной рабочей частоте, а толщина промежуточного слоя связана с толщиной металлической пластины следующим соотношением:

где i=0, 1, 2 - индексы, относящиеся соответственно к среде, металлической пластине и промежуточному слою,

- волновое число;

λ_i - длина волны на центральной рабочей частоте;

l_i - толщина слоя

ρ_i - плотность материала слоя;

c_i - скорость звука в материале слоя. 3 ил.

Настоящее изобретение относится к области гидроакустики и может найти применение при разработке гидроакустических станций, осуществляющих обзор пространства в заданном секторе углов сканируемой диаграммой направленности или веером статических диаграмм.

В настоящее время в гидроакустике нашли широкое применение антенны, содержащие набор стержневых электроакустических преобразователей, закрепленных на общей накладке-пластине или оболочке (см., например, Л.В.Орлов. А.А.Шабров. Расчет и проектирование антенн гидроакустических рыбопоисковых станций". М.: Пищевая промышленность, 1974, с.244-246).

Указанные антенны обладают целым рядом достоинств по сравнению с дискретными антеннами, состоящими из набора отдельно герметизированных преобразователей - они проще по конструкции и технологичнее в изготовлении, более надежны, обладают более высоким коэффициентом использования поверхности.

Однако наряду с указанными достоинствами эти антенны обладают и существенным недостатком, затрудняющим их использование в качестве фазированных антенных решеток - сильной взаимной связью между преобразователями. Наличие последней приводит к значительному искажению диаграмм направленности и разбросу входных сопротивлений фазируемых каналов.

Указанная антенна по своему назначению и конструктивному выполнению наиболее близка к заявляемой гидроакустической антенне и выбрана нами за прототип.

Целью настоящего изобретения является улучшение в широкой полосе частот направленных свойств антенны, содержащей набор стержневых электроакустических преобразователей, закрепленных на общей приемно-излучающей накладке за счет уменьшения взаимной связи между преобразователями.

Поставленная цель достигается введением в антенну дополнительно металлической пластины, адгезионно скрепленной с общей накладкой по всей ее наружной поверхности слоем из полимерного материала, при этом толщины промежуточного слоя и металлической пластины связаны соотношением:

где 0, 1, 2 - индексы, обозначающие воду, металлическую пластину и промежуточный слой, соответственно;

- волновое число;

λ_i - длина звуковой волны на центральной рабочей частоте;

l - толщина соответствующего слоя;

ρ - плотность;

c - скорость звука;

причем l₁=(0,01-0,02)λ₁.

Данное соотношение соответствует условию равенства нулю на центральной рабочей частоте антенны реактивной составляющей входного сопротивления системы, состоящей из наружной металлической пластины и промежуточного полимерного слоя. Тем самым достигается необходимый положительный эффект при сохранении той же самой, что и в известной антенне, резонансной частоты. На толщину общей накладки, на которой устанавливаются преобразователи, ограничений не налагается. Промежуточный полимерный слой может быть выполнен из резины, обладающей большими потерями. Выбор толщины наружной пластины в указанных выше пределах в совокупности с приведенным соотношением, связывающим ее толщину с толщиной промежуточного слоя, обеспечивает оптимальное согласование антенны со средой - при l₁<0,01λ₁ величина активной составляющей входного сопротивления антенны из наружной пластины и промежуточного слоя недостаточна для существенного расширения рабочей полосы частот антенны, при l₁>0,02λ₁ частотная характеристика антенны за счет резкого роста указанного сопротивления искажается и становится неравномерной. Таким образом, введение в колебательную систему указанных слоев, толщины которых определяются приведенным соотношением, позволяет осуществить оптимальное согласование преобразователей со средой за счет более полного нагружения колебательной системы. Тем самым расширяется полоса пропускания антенны и увеличивается ее КПД.

С другой стороны, изгибные колебания общей накладки приводят к смещению металлической пластины параллельно поверхности накладки, вызывая тем самым деформацию сдвига промежуточного вязкоупругого слоя. Имеющие при этом место потери энергии ослабляют указанные колебания и уменьшают обусловленную ими связь между закрепленными на общей накладке преобразователями. При этом ослабление колебаний нормальной моды практически не наблюдается, поскольку толщины общей накладки, промежуточного слоя и металлической пластины малы по отношению к длине распространяющейся в них звуковой волны в рабочем диапазоне частот.

На фиг.1 приведена конструкция предлагаемой антенны. На фиг.2, 3 приведены диаграммы направленности антенны-прототипа и макета, изготовленного в соответствии с предложенным техническим решением. Антенна содержит электроакустические преобразователи 1, закрепленные на общей приемно-излучающей накладке 2. Металлическая пластина 3 адгезионно связана с общей накладкой по всей наружной поверхности последней слоем полимерного материала 4. Накладка с преобразователями установлена в корпусе 5, обеспечивающем герметичность антенны. Преобразователи электрически объединены в каналы посредством монтажа 6. Вывод осуществлен с помощью кабеля 7. Для сравнения приведены экспериментальная диаграмма направленности антенны-прототипа на частоте резонанса 8 и экспериментальные диаграммы направленности макета предлагаемой конструкции на частотах резонанса f_рез. и f=1,1f_рез. - кривые 9 и 10 соответственно.

Предлагаемый макет представляет собой многоканальную цилиндрическую антенну диаметром 1400 мм. Стержневые электроакустические преобразователи наклеены на общую накладку, выполненную из АМГ толщиной 6 мм, и объединены по образующей в каналы. Толщина выполненных в соответствии с приведенным выше соотношением наружной титановой пластины - 3 мм, промежуточного слоя, изготовленного из резины ИРП-1074, 6 мм. Диаграммы направленности, представленные на фиг.2, 3, измерены в режиме приема комплексированным сектором. Сравнение приведенных диаграмм направленности показывает, что в предлагаемой антенне уровень добавочных максимумов составляет 16 дБ (кривые 9 и 10), в то время как у антенны прототипа они доходят до 8 дБ (кривая 8).

В качестве базового объекта для выявления технического эффекта выбрана гидроакустическая антенна, в которой антенне улучшение направленных свойств достигается с помощью механических резонаторов, установленных в промежутках между преобразователями.

Как уже было отмечено выше, такую конструкцию невозможно реализовать в высокочастотном диапазоне (начиная с частот 2-2,5) f_рез. , где f_рез. - резонансная частота базового объекта). Кроме того, предлагаемая антенна обладает следующими преимуществами:

а) позволяет улучшить направленные свойства в более широкой полосе частот;

б) проще и технологичнее в изготовлении по сравнению с базовым объектом, поскольку механические резонаторы должны быть тщательно изготовлены и настроены на требуемую частоту;

в) позволяет осуществить оптимальное согласование каналов антенны с излучающим трактом в более широкой полосе частот.

Формула изобретения

Гидроакустическая антенна, содержащая закрепленные на общей приемоизлучающей накладке стержневые электроакустические преобразователи, отличающаяся тем, что, с целью снижения уровня боковых лепестков в широком диапазоне частот, она снабжена дополнительной металлической пластиной, адгезионно скрепленной с приемоизлучающей накладкой по всей ее наружной поверхности промежуточным слоем из полимерного материала, при этом толщина металлической пластины составляет 0,01-0,02 длины волны на центральной рабочей частоте, а толщина промежуточного слоя связана с толщиной металлической пластины следующим соотношением:

где i=0, 1, 2 - индексы, относящиеся соответственно к среде, металлической пластине и промежуточному слою,

- волновое число;

λ_i - длина волны на центральной рабочей частоте;

l_i - толщина слоя

ρ_i - плотность материала слоя;

c_i - скорость звука в материале слоя.

РИСУНКИ