Акустическая система гидролокационной станции с управляемой характеристикой направленности

 

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к проектированию акустических систем для гидролокационных станций. Техническим результатом является упрощение конструкции. Акустическая система выполнена из ряда отдельных кольцевых преобразователей, образующих полый цилиндр, и коммутатора. Указанные кольцевые преобразователи предназначены для работы вне резонанса на радиальных колебаниях нулевого и первого порядка со сдвигом фаз колебаний между соседними преобразователями, равным 180°. Коммутатор подключен к выходным концам преобразователя и предназначен для управления полярностью питающего преобразователя напряжения. 2 табл., 6 ил.

Одним из основных вопросов, стоящих при проектировании акустических систем для гидроакустических станций, является вопрос управления характеристикой направленности. В настоящее время известны следующие основные способы смещения характеристики направленности в пространстве:

1. Механический поворот акустической системы.

2. Создание фазового распределения между отдельными элементами системы.

3. Использование фокусирующих систем с вынесенными из фокуса преобразователями.

Предлагаемая акустическая система обеспечивает поворот характеристики направленности за счет наличия фазовых сдвигов между отдельными элементами без применения фазозадерживающих цепей (как это обычно делается в режиме приема) и без увеличения числа генераторов (в режиме излучения).

Сущность предлагаемого изобретения состоит в использовании для формирования характеристики направленности частотной зависимости фазы колебаний на поверхности преобразователя при наличии нескольких близких резонансов у одного преобразователя или при наличии нескольких преобразователей, имеющих близкие резонансные частоты.

Как известно, при работе на частоте вблизи резонанса амплитуда и фаза колебаний поверхности преобразователя зависят от частоты.

При расстройке, соответствующей уменьшению амплитуды до 0,7, фаза колебаний поверхности преобразователя сдвигается на ±45° по отношению к фазе колебаний на резонансе (или к фазе подводимого напряжения).

Для пояснения принципа формирования характеристики направленности акустической системы рассмотрим два преобразователя, имеющие частотные характеристики, изображенные на фиг.1. Если выбрать рабочую частоту (f_раб ), соответствующую пересечению амплитудных характеристик, то фаза колебаний поверхности первого преобразователя будет отставать на 90° по отношению к фазе колебаний поверхности второго преобразователя (при одинаковой фазе питающего напряжения). При перемене полярности электрического напряжения первого преобразователя фаза колебаний его поверхности изменится на 180°, т.е. будет опережать фазу колебаний второго преобразователя на угол 90°. Подобным же образом можно изменить на 180° и фазу колебаний второго преобразователя. Чередуя в системе первые и вторые преобразователи с одной и с противоположной полярностями, получим одинаковый сдвиг фаз (по 90°) между колебаниями поверхностей соседних преобразователей. Характеристика направленности акустической системы, составленной описанным выше способом, будет повернута относительно оси на угол α, равный где d - расстояние между центрами соседних преобразователей. Зависимость α от показана на фиг.2.

При параллельном включении всех преобразователей характеристика будет направлена перпендикулярно поверхности акустической системы. При переключении полярности питающего напряжения всех преобразователей характеристика направленности повернется на угол -α.

Все сказанное выше справедливо и для акустической системы, составленной из одинаковых двухрезонансных преобразователей, у которых в зависимости от способа приложения электрического поля возбуждаются колебания, имеющие частотные характеристики, аналогичные изображенным на фиг.1.

Если в случае системы, составленной из однорезонансных преобразователей двух типов, путем электрических переключений можно получить всего три характеристики направленности (α, 0, -α), причем величина α определяется конструкцией системы, то в случае акустической системы, состоящей из двухрезонансных преобразователей, можно изменять угол поворота характеристики направленности в широких пределах, при этом, вообще говоря, разность фаз между колебаниями двух соседних преобразователей может быть сделана меньшей чем 90°.

Приведенные соображения будут очевидно справедливы также и в режиме приема.

Ниже рассматриваются различные варианты выполнения предлагаемой акустической системы:

I. Акустическая система представляет собой цилиндр, составленный из колец двух типов, имеющих на радиальных колебаниях частотные характеристики, аналогичные приведенным на фиг.1. В таблице 1 показаны включения колец, обеспечивающие получение трех характеристик направленности, изображенных на фиг.3.

Можно полагать, что при наличии разности фаз в 90° между колебаниями соседних преобразователей добавочные максимумы характеристики направленности будут велики, а коэффициент концентрации снизится по сравнению с таковым при плавном изменении фаз. Расчеты, проведенные для частного случая цилиндра длиной 5λ и 10λ при повороте характеристики направленности на 11°, показали, что добавочный максимум возрастает до 24%, а коэффициент концентрации падает менее чем на 10%. Практически такие искажения, очевидно, можно считать допустимыми.

II. Акустическая система представляет собой цилиндр, составленный из одинаковых колец, которые могут работать на радиальных колебаниях нулевого и первого порядка и имеющих частотные характеристики, аналогичные приведенным на фиг.1. В таблице 2 показаны включения колец, обеспечивающие получение характеристик направленности (А, Б, В) из изображенных на фиг.4.

Акустические системы, рассмотренные в примерах I и II, могут быть использованы при конструировании круговой базы.

III. Акустическая система составлена из плоских преобразователей I и II, расположенных, как показано на фиг.5, имеющих частотные характеристики, аналогичные изображенным на фиг.1.

При размерах элементов акустической системы можно считать, что колебания в дальней точке от пары преобразователей I и II, стоящих в одном ряду, складываются с теми же фазами, которые имеются на поверхности преобразователей. Перераспределяя напряжения между I и II преобразователями, стоящими рядом, можно получить в точке приема колебания с любой промежуточной фазой от 0 до 90°. Включая один или оба преобразователя одного ряда в противофазе, можно получить от пары преобразователей любой фазовый сдвиг от 0 до 360°. Таким образом, путем электрических переключений и перераспределения напряжений можно поворачивать характеристику направленности на любой заданный угол.

Как видно из разобранных примеров, предлагаемая акустическая система состоит из преобразователей, работающих вне резонанса, что приводит к уменьшению эффективности. Однако, как можно показать, относительное снижение эффективности тем меньше, чем выше КПД используемых преобразователей на резонансе. Например, при η_э/м=0,75 снижение эффективности составляет всего 15% (см. фиг.6).

В примере II работу на частоте f_раб при повороте характеристик можно совместить с работой на частоте f_peз при формировании неповернутой характеристики.

Формула изобретения

Акустическая система гидролокационной станции с управляемой характеристикой направленности, выполненная из ряда отдельных преобразователей, отличающаяся тем, что, с целью упрощения конструкции системы, в ней применены кольцевые преобразователи, образующие полый цилиндр и работающие вне резонанса на радиальных колебаниях нулевого и первого порядка со сдвигом фаз колебаний между соседними преобразователями, равным 180°, и коммутатор, подключенный к выходным концам преобразователей, служащий для управления полярностью питающего преобразователи напряжения.

РИСУНКИ