Многоэлементный линейный модуль гидроакустической приемной антенны
Владельцы патента RU 2618961:
Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг) (RU)
Изобретение относится к гидроакустическим антеннам режима шумопеленгования (ШП) и может быть использовано в дискретных линейных или двумерных плоских и криволинейных антенных решетках, в том числе и фазированных. Предложен многоэлементный линейный модуль гидроакустической приемной антенны, содержащий круглые пластинчатые преобразователи, электрически объединенные в каналы и размещенные во внутреннем объеме полимерного шланга, имеющего прямоугольное поперечное сечение, вдоль его оси симметрично относительно нее так, что их плоские поверхности параллельны большим сторонам полимерного шланга, при этом полимерный шланг заполнен компаундом и герметизирован концевыми заглушками; круглые пластинчатые преобразователи по линии симметрии поперечного сечения их цилиндрического корпуса скреплены со стеклотекстолитовой подложкой посредством кольцевых двутавровых резиновых развязок, вклеенных в соответствующие отверстия в стеклотекстолитовой подложке, скрепленной с двумя концевыми заглушками, при этом по ширине полимерного шланга симметрично его оси размещены два круглых пластинчатых преобразователя, причем каждые четыре соседних пластинчатых преобразователя, из которых два являются соседними по длине шланга, а два - по его ширине электрически объединены в один канал так, что размеры канала по длине и ширине шланга примерно равны. При этом улучшаются направленные характеристики многоэлементного линейного приемного модуля, повышается его помехоустойчивость; обеспечиваются широкие углы обзора пространства без искажения ХН в расширенном диапазоне частот. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к гидроакустическим антеннам режима шумопеленгования (ШП) и может быть использовано в дискретных линейных или двумерных плоских и криволинейных антенных решетках, в том числе и фазированных.
Антенны шумопеленгования обычно состоят из пьезоэлектрических преобразователей, акустических экранов и линий электрокоммуникаций, установленных на несущей конструкции. Эффективность антенн шумопеленгования в существенной степени определяется их размерами.
Известны конструкции многоэлементных приемных антенн, составленных из многоэлементных линейных модулей, которые содержат ряд пьезоэлектрических преобразователей конструктивно объединенных в общий корпус, представляющий собой шланг круглого сечения, заполненный эластичным компаундом. Электрические выводы из многоэлементного линейного модуля осуществляются от каждого приемного канала, состоящего из одного или группы преобразователей с помощью многожильного кабеля. В качестве преобразователей использованы цилиндрические преобразователи [1].
Чувствительность цилиндрических преобразователей определяется их диаметром, а в составе антенны, содержащей акустический экран, зависит от расстояния от фазового центра преобразователя до поверхности акустического экрана.
Для обеспечения минимального искажения характеристики направленности расстояние от фазового центра преобразователя до поверхности экрана не должно превышать 0,1÷0,12 длины звуковой волны на верхней границе рабочего диапазона частот. Таким образом, чем меньше толщина антенного модуля, тем при прочих равных условиях он может найти более широкое применение для использования в различных типах гидроакустических антенн, в том числе и бортовых. Это требование входит в противоречие с требованием увеличения радиуса цилиндрических приемников для повышения чувствительности антенны.
С учетом перечисленных выше факторов антенные модули должны иметь минимальную толщину. В связи с этим целесообразно в таких антенных модулях использовать пластинчатые изгибные преобразователи.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению аналогом (прототипом) является многоэлементный линейный модуль гидроакустической приемной антенны, содержащий круглые пластинчатые изгибные преобразователи, установленные вдоль оси плоского полимерного шланга прямоугольного сечения, армированного запрессованной в него металлической сеткой и заполненного эластичным компаундом [2].
Преобразователи внутри модуля расположены в один ряд и закреплены с помощью специально установленных по контуру резиновых держателей на двух металлических тросах, которые натянуты между концевыми заглушками, закрывающими внутреннюю полость полимерного шланга. Плоские поверхности преобразователей параллельны большим поверхностям полимерного шланга. Концевые заглушки имеют специальные технологические отверстия для заливки внутренней полости многоэлементного линейного модуля эластичным компаундом. В одной из концевых заглушек размещена контактная колодка, с одной стороны которой подключены выводы от круглых изгибных пластинчатых преобразователей, а с другой стороны - жилы многожильного экранированного герметичного кабеля.
Конструкция таких линейных модулей при использовании их в многоэлементных антеннах шумопеленгования (ШП) имеет ряд существенных недостатков.
При требуемых высоких значениях чувствительности приемных каналов и заданных поперечных размерах многоэлементного линейного модуля конструкция крепления преобразователей на тросах в многоэлементном модуле-прототипе не позволяет разместить параллельный ряд преобразователей вдоль оси многоэлементного линейного модуля, поэтому единственной возможностью обеспечить высокие значения чувствительности является или увеличение диаметра круглых пластинчатых преобразователей, или увеличение количества преобразователей, входящих в приемный канал.
Для работы в заданном для антенн ШП диапазоне частот частота резонанса многоэлементного линейного модуля должна быть выше верхней границы рабочего диапазона частот, вследствие этого, кроме радиуса пластинчатого преобразователя, используемого в модуле-прототипе, необходимо также увеличивать его толщину, а это требование входит в противоречие с требованием обеспечения минимального расстояния от фазового центра преобразователя до поверхности экрана. Зависимость частоты резонанса от габаритов пластинчатого преобразователя описывается выражением [3]
При формировании приемного канала многоэлементного линейного модуля из нескольких пластинчатых преобразователей увеличивается продольный размер канала. Продольный и поперечный размеры приемного канала такого модуля будут значительно отличаться друг от друга. Это обстоятельство накладывает ограничения на возможность обеспечения антенной широких углов обзора пространства, осуществляемого посредством формирования статического веера характеристик направленности (ХН) в рабочем диапазоне частот, характерном для антенн ШП в горизонтальной плоскости.
Это относится в первую очередь к линейным плоским и цилиндрическим антеннам с горизонтальным расположением линейных приемных модулей, поскольку отсутствие в ХН добавочных максимумов, равных основному, определяется выражением [3]
где n - количество приемных каналов в антенне по горизонту,
d - расстояние между центрами каналов в приемном модуле,
α0max - максимальное значение угла компенсации антенны в горизонтальной плоскости, отсчитываемое от вертикальной плоскости к поверхности антенны,
λв - длина волны в воде на верхней частоте,
при этом верхняя частота
где с - скорость звука в воде.
Так, например, для обеспечения углов обзора в горизонтальной плоскости α0=±60°, волновое расстояние между центрами каналов должно быть 
а 
Конструкция разработанных ранее многоэлементных линейных модулей не позволяет обеспечить данное требование в верхней области рабочего диапазона частот, что существенно ограничивает возможности их применения.
Круглые изгибные пластинчатые преобразователи в данном многоэлементном линейном модуле закреплены на гибких металлических тросах, которые не могут обеспечить отсутствие перемещений преобразователей внутри него в процессе изготовления, особенно в процессе его заливки компаундом.
Невозможность обеспечения стабильного положения преобразователей внутри модуля приводит к росту фазовых и амплитудных ошибок приемных каналов и, следовательно, к уменьшению помехоустойчивости и росту бокового поля антенны, составленной из таких многоэлементных линейных модулей.
Задачей изобретения является улучшение направленных свойств и повышение помехоустойчивости многоэлементных линейных модулей, входящих в состав гидроакустических антенн ШП.
Техническим результатом изобретения являются снижение уровней бокового поля, расширение углов обзора пространства в широком диапазоне частот, повышение помехоустойчивости многоэлементного линейного модуля гидроакустической антенны ШП, использующей в составе круглые пластинчатые преобразователи, практически без увеличения поперечного размера модуля и при обеспечении высокой величины чувствительности его приемных каналов. Достижение этих результатов обеспечивает решение задачи.
Для достижения указанных технических результатов в многоэлементный линейный модуль гидроакустической приемной антенны, содержащий круглые пластинчатые преобразователи, размещенные симметрично вдоль его оси во внутреннем объеме полимерного шланга по его длине так, что их плоские поверхности параллельны большим сторонам полимерного шланга, имеющего прямоугольное сечение, заполненного компаундом, герметизированного концевыми заглушками, а также линии электрических коммуникаций; введены новые признаки, а именно круглые пластинчатые преобразователи скреплены со стеклотекстолитовой подложкой, соединенной с двумя концевыми заглушками, при этом по ширине полимерного шланга симметрично его оси размещены два круглых пластинчатых преобразователя, меньшие по диаметру, причем каждые четыре соседних пластинчатых преобразователя, из которых два являются соседними по длине шланга, а два - по его ширине электрически объединены в один канал так, что размеры канала по длине и ширине шланга примерно равны.
Наиболее технологичным является крепление круглых пластинчатых преобразователей к текстолитовой подложке посредством кольцевых двутавровых резиновых развязок, вклеенных в соответствующие отверстия в стеклотекстолитовой подложке.
Стеклотекстолитовая подложка придает жесткость конструкции многоэлементного линейного модуля, обеспечивает точную установку круглых пластинчатых преобразователей и исключает их смещение при монтаже модуля, что повышает помехоустойчивость антенны и приводит к уменьшению уровней ее бокового поля. Кроме того, наличие стеклотекстолитовой подложки позволяет установить пару круглых пластинчатых преобразователей по ширине плоского шланга, сократив в 2 раза их диаметр и толщину, что невозможно при использовании для крепления преобразователей двух тросов. А это в свою очередь позволяет уменьшить толщину многоэлементного антенного модуля и, таким образом, приблизить фазовые центры приемников к экрану, что оптимизирует направленные свойства.
Уменьшение продольного размера канала предлагаемого многоэлементного модуля в 1,5-2 раза по сравнению с антенным модулем-прототипом, в котором для обеспечения тех же параметров круглые изгибные преобразователи в два раза большего диаметра установлены по его оси и объединены по два в один канал и, как следствие, уменьшение расстояния между центрами каналов (d) в предлагаемом многоэлементном линейном модуле до 
позволяет обеспечить широкие углы обзора пространства (α0=±60°) в горизонтальной плоскости антенны посредством формирования статического веера характеристик направленности (ХН) в рабочем диапазоне частот, характерном для антенн ШП.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1 и 2, где на фиг. 1 приведена конструкция предлагаемого изобретения, а на фиг. 2 - характеристика чувствительности в режиме приема одного канала многоэлементного модуля-прототипа, состоящего из двух пластинчатых преобразователей, соединенных последовательно (кривая А) и одного канала предлагаемого многоэлементного модуля, состоящего из четырех пластинчатых преобразователей уменьшенных габаритов (кривая Б).
Предложенный многоэлементный линейный модуль (фиг. 1) содержит набор круглых пластинчатых преобразователей 1, работающих на колебаниях изгиба. Преобразователи 1 установлены на оси полимерного шланга 2 прямоугольного сечения с запрессованной металлической сеткой 3. Шланг 2 заполнен эластичным компаундом. Круглые пластинчатые преобразователи 1 закреплены с помощью двутавровых резиновых развязок 4, вклеенных в стеклотекстолитовую подложку 5, которая закреплена между двумя концевыми заглушками 6, закрывающими внутреннюю полость полимерного шланга 2. Преобразователи 1 установлены попарно по ширине шланга, при этом каждые четыре преобразователя 1 соединены между собой в один канал. Концевые заглушки 6 имеют специальные технологические отверстия 7 для заливки внутренней полости многоэлементного линейного модуля эластичным компаундом. Линии электрических коммуникаций 8 внутри многоэлементного линейного модуля выполнены в виде жгутов проводов, имеющих попарный повив. Электрические выводы от приемных каналов многоэлементного линейного модуля осуществляются попарно витыми парами проводов, объединенных в жгуты, и подсоединяются к контактной колодке, помещенной в одной из концевых заглушек 6. Контактная колодка соединяется с кабелем 9 или непосредственно с аппаратурой для усиления приемного сигнала посредством герметичного разъемного соединителя.
Работа многоэлементного линейного модуля гидроакустической приемной антенны происходит следующим образом. Под действием акустической волны в водной среде пластины преобразователя 1 совершают изгибные колебания, которые вследствие прямого пьезоэффекта преобразуются в электрический сигнал, который по проводам 8 и кабелю 9 поступает на вход усилительного тракта
Как видно из фиг. 2, приемный канал предлагаемого многоэлементного линейного модуля обеспечивает чувствительность в режиме приема, аналогичную чувствительности приемного канала модуля-прототипа, в котором два пластинчатых преобразователя образуют один приемный канал. Но продольный размер предлагаемого многоэлементного модуля в два раза меньше продольного размера приемного канала модуля-прототипа, что позволяет обеспечить широкие углы обзора пространства (α0=±60°) в горизонтальной плоскости антенны в верхней области рабочего диапазона частот. Кроме того, толщина предлагаемого многоэлементного линейного модуля в 2 раза меньше толщины модуля-прототипа, что позволяет приблизить фазовые центры преобразователей к акустическому экрану, а это, в свою очередь, позволит повысить помехоустойчивость и уменьшить уровни бокового поля антенны ШП.
Из изложенного следует, что предложенная конструкция многоэлементного широкополосного линейного модуля гидроакустической антенны предложенной конструкции решает поставленные задачи улучшения акустических характеристик антенны (высокая помехоустойчивость, чувствительность) и обеспечения малых уровней бокового поля антенны, позволяющих без искажения ХН проводить обзор широких углов пространства в широком диапазоне частот, что приводит в результате к повышению эффективности гидроакустической антенны.
Источники информации
1. Патент РФ №2167499, кл H04R1/44.
2. Патент РФ №2269875, кл H04R1/44 (прототип).
3. Справочник по гидроакустике. - Л.: Судостроение, с. 150, 191.
1. Многоэлементный линейный модуль гидроакустической приемной антенны, содержащий круглые пластинчатые преобразователи, электрически объединенные в каналы и размещенные во внутреннем объеме полимерного шланга по его длине так, что их плоские поверхности параллельны большим сторонам полимерного шланга, имеющего прямоугольное сечение, заполненного компаундом, герметизированного концевыми заглушками, а также линии электрических коммуникаций, отличающийся тем, что круглые пластинчатые преобразователи скреплены со стеклотекстолитовой подложкой, соединенной с двумя концевыми заглушками, при этом по ширине полимерного шланга симметрично его оси размещены два круглых пластинчатых преобразователя, причем каждые четыре соседних пластинчатых преобразователя, из которых два являются соседними по длине шланга, а два - по его ширине электрически объединены в один канал так, что размеры канала по длине и ширине шланга примерно равны.
2. Линейный модуль по п. 1, отличающийся тем, что крепление круглых пластинчатых преобразователей к текстолитовой подложке выполнено по линии симметрии поперечного сечения их цилиндрического корпуса посредством кольцевых двутавровых резиновых развязок, вклеенных в соответствующие отверстия в стеклотекстолитовой подложке.
