Конструкции гидроакустических антенн. Общие требования к размещению гидроакустических антенн. и их технические характеристики

устройство, предназначенное для приема и излучения звука в водной среде и обеспечивающее совместно с электрическими цепями, управляющими его характеристиками, заданную пространственную избирательность излучения или приема. Основными составными частями Гидроакустической Антенны являются: электроакустические преобразователи, обеспечивающие преобразование электрической энергии в звуковую; звукоотражающие экраны, обеспечивающие однонаправленность излучения или приема; линии электрических коммуникаций, соединяющие преобразователи с цепями формирования и управляющие характеристиками направленности; несущая конструкция, обеспечивающая необходимое пространственное расположение преобразователей, и элементы изоляции Гидроакустической Антенны от вибраций и шумов объекта-носителя. По способу создания пространственной избирательности Гидроакустические Антенны можно разделить на интерференционные, фокусирующие, рупорные и параметрические. По конфигурации Гидроакустические Антенны делятся на линейные (отрезок прямой линии, дуги и т.д.), поверхностные (плоские, цилиндрические, сферические и т. д.) и объемные. По режиму работы Гидроакустические Антенны могут быть излучающими, приемными или приемоизлучающими (обратимыми). Излучающие Гидроакустические Антенны входят в состав гидролокационных станций, эхолотов и др. приборов. Основные характеристики излучающей Гидроакустической Антенны: характеристика направленности, коэффициент осевой концентрации, излучаемая мощность и КПД. Характеристика направленности зависит от волновых размеров Гидроакустической Антенны и входящих в нее гидроакустических преобразователей, а также расстояний между их центрами. Шириной основного максимума характеристики направленности антенны, уровнем добавочных максимумов, а также направлением оси характеристики направленности можно управлять путем соответствующего амплитудно-фазового распределения электрических напряжений, возбуждающих преобразователи, входящие в состав Гидроакустической Антенны. Под коэффициентом осевой концентрации Гидроакустической Антенны понимают отношение интенсивностей, создаваемых антенной и ненаправленным излучателем в дальнем поле на одном и том же расстоянии в направлении оси главного максимума характеристики направленности при излучении антенной и ненаправленным излучателем одинаковых активных мощностей. Излучаемая активная мощность Гидроакустической Антенны определяется значениями мощностей, излучаемых каждым преобразователем, и числом преобразователей, входящих в антенну. Электроакустическим КПД Гидроакустической Антенны называется отношение излучаемой активной мощности к активной мощности, подводимой к Гидроакустической Антенне. Приемные Гидроакустические Антенны входят в состав шумопеленгаторных станций. З основных характеристики приемной Гидроакустической Антенны: характеристика направленности, коэффициент осевой концентрации, помехоустойчивость и чувствительность. Под помехоустойчивостью Гидроакустической Антенны в данной помехосигнальной ситуации понимают способность Г.А. выделять сигналы на фоне помех. Помехоустойчивость представляет собой отношение мощностей сигнала и помех на выходе сумматораГидроакустической Антенны. В изотропном (постоянном во всех направлениях) состоянии помехоустойчивость Гидроакустической Антенны равна коэффициенту ее осевой концентрации. Необходимый уровень чувствительности приемной Гидроакустической Антенны определяется из условия заданного превышения на выходе Гидроакустической Антенны напряжения от шумов моря по отношению к напряжению от электрических шумов усилителя. По способу обработки выходных сигналов Гидроакустические Антенны и приемоизлучающие тракты, в состав которых они входят, делятся на аддитивные, мультипликативные, адаптивные (приспосабливающиеся к данной помехосигнальной ситуации).

Изобретение относится к области конструирования гидроакустической аппаратуры, в частности резонансных излучающих гидроакустических антенн, работающих в диапазоне верхних звуковых и ультразвуковых частот. Технический результат от использования изобретения заключается в улучшении направленных свойств антенны, улучшении ее частотных характеристик и обеспечении возможности расширения полосы частот. Для этого в гидроакустической антенне, содержащей стержневые пьезоэлектрические преобразователи, герметично размещенные в общем корпусе, жесткую оболочку на фронтальной поверхности антенны, с которой соединены стержневые преобразователи, электроизоляционный заполнитель и единый тыльный металлический экран, жесткая оболочка выполнена в виде передней части корпуса, имеет цилиндрические отверстия, в которых размещены стержневые преобразователи, каждый из которых содержит переднюю и тыльную накладки цилиндрической формы, при этом каждая накладка по кольцевому контуру через механическую развязку герметично соединена с внутренней поверхностью соответствующего цилиндрического отверстия, а электроизоляционный заполнитель размещен между жесткой оболочкой с тыльными накладками и металлическим экраном. Для расширения рабочей полости антенны у передних накладок преобразователей цилиндрические отверстия образуют цилиндрические полости, которые могут быть заполнены жидкостью или согласующими элементами в виде одного или нескольких согласующих слоев. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Гидроакустическая антенна, содержащая стержневые пьезоэлектрические преобразователи, герметично размещенные в общем корпусе, жесткую оболочку на фронтальной поверхности антенны, с которой соединены стержневые пьезоэлектрические преобразователи, электроизоляционный заполнитель и единый тыльный металлический экран, отличающаяся тем, что жесткая оболочка выполнена в виде передней части корпуса, имеет цилиндрические отверстия, в которых размещены стержневые пьезоэлектрические преобразователи, каждый из которых содержит переднюю и тыльную накладки цилиндрической формы, при этом каждая накладка по кольцевому контуру через механическую развязку герметично соединена с внутренней поверхностью соответствующего цилиндрического отверстия, а электроизоляционный заполнитель размещен между жесткой оболочкой с тыльными накладками стержневых пьезоэлектрических преобразователей и металлическим экраном. 2. Гидроакустическая антенна по п.1, отличающаяся тем, что у передних накладок стержневых пьезоэлектрических преобразователей цилиндрические отверстия образуют цилиндрические полости. 3. Гидроакустическая антенна по п.2, отличающаяся тем, что цилиндрические полости у передних накладок стержневых пьезоэлектрических преобразователей заполнены жидкостью. 4. Гидроакустическая антенна по п.2, отличающаяся тем, что в цилиндрических полостях у передних накладок стержневых пьезоэлектрических преобразователей размещены согласующие элементы в виде одного или нескольких упругих слоев. 5. Гидроакустическая антенна по п.1, отличающаяся тем, что металлический экран выполнен в виде тыльной части корпуса. 6. Гидроакустическая антенна по п.1, отличающаяся тем, что свободные торцевые поверхности тыльных накладок стержневых пьезоэлектрических преобразователей установлены заподлицо с внутренней поверхностью жесткой оболочки, при этом слой заполнителя имеет постоянную волновую толщину.

ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ АНТЕННА - устройство, обеспечивающее пространственно-избирательное или приём звука в водной среде. Обычно Г. а. состоит из электроакустических преобразователей (элементов антенны), акустич. экранов, несущей конструкции акустич. развязок, амортизаторов и линий электрокоммуникаций. По способу образования пространственной избирательности Г. а. можно разделить на интерференционные, фокусирующие, рупорные и параметрические.

Пространственная избирательность . Г. а. обусловлена интерференцией акустич. , создаваемых в нек-рой точке пространства разл. участками колеблющейся поверхности антенны (режим излучения) или интерференцией электрич. на выходах отд. преобразователей антенны при падении на неё звуковой волны (режим приёма). Интерференц. Г. а. подразделяются на непрерывные, нормальная составляющая колебат. скорости активной поверхности к-рых меняется непрерывно от точки к точке (напр., антенны, излучающие через общую металлич. накладку), и дискретные, на активной поверхности к-рых могут наблюдаться разрывы ф-ции, описывающей распределение нормальной составляющей колебат. скорости. Дискретные антенны часто наз. антенными решётками

Пространственная избирательность фокусирующих Г. а. (см. Фокусировка звука )образуется с помощью отражающих или преломляющих границ или сред, производящих фокусировку звуковой энергии, сопровождающуюся преобразованием фронта волны (напр., из сферического в плоский).

В рупорных антеннах также используются отражающие поверхности, однако преобразования фронта волны не происходит и роль отражающих границ сводится к ограничению части пространства, в к-рую осуществляется излучение звука.

Активные поверхности параметрич. антенн совершают колебания на двух близких частотах; пространственная избирательность образуется в результате разностной частоты, возникающей при нелинейном взаимодействии первичных излучённых волн (т. н. волн накачки).

Осн. параметры, определяющие пространственную избирательность Г. а.,- характеристика направленности и коэф. концентрации (см. Направленность акустических излучателей и приёмников). Способность Г. а. преобразовать энергию (обычно из электрической в акустическую при излучении и акустической в электрическую при приёме) характеризуется чувствительностью, излучаемой мощностью и уд. излучаемой мощностью.

Антенны не только обеспечивают формирование пространственной избирательности, но и позволяют управлять ею. В случае наиб. распространённого типа Г. а.- решёток - такое управление осуществляется введением амплитудно-фазового распределения, т. е. созданием заданного распределения амплитуд и фаз колебат. скоростей активных поверхностей преобразователей в режиме излучения. В режиме приёма введение амплитудно-фазового распределения обеспечивается подбором комплексных коэф. передачи устройств, включённых в каждый канал антенны между приёмником и сумматором. Введением фазового распределения можно обеспечить сложение звуковых давлений, развиваемых отд. преобразователями Г. а. в любом заданном направлении пространства, и тем самым управлять направлением макс. излучения (а в режиме приёма - направлением макс. чувствительности). Антенны, в каналы к-рых введено указанное фазовое распределение, наз. компенсированными.

Управление положением гл. максимума характеристики направленности в пространстве можно осуществлять не только посредством изменения фазового распределения, но и путём механич. поворота Г. а. или путём изменения положения компенсированного рабочего участка криволинейной поверхности (напр., круговой, цилиндрич. Г. а.). Амплитудное распределение позволяет менять форму характеристики направленности, получая желаемые соотношения между разл. элементами характеристики направленности, в частности между шириной её осн. максимума и уровнем добавочных.

Часто термин "антенна" используется в более широком смысле, охватывающем как саму антенну, так и способ обработки сигналов от её отд. элементов. В таком понимании Г. а. подразделяют на аддитивные, мультипликативные, самофокусирующиеся, адаптирующиеся и т. д. Аддитивными наз. антенны, сигналы от элементов к-рых подвергаются линейным операциям (усилению, фильтрации, временному или фазовому сдвигу) и затем складываются на сумматоре. В мультипликативных Г. а. сигналы в каналах отд. приёмников подвергаются не только линейным, но и нелинейным операциям (умножению, возведению в степень и пр.), что при малых помехах увеличивает точность определения положения источника. Самофокусирующимися наз. антенны, приёмный тракт к-рых производит автоматич. введение распределений, обеспечивающих синфазное сложение сигналов на сумматоре антенны при расположении источника звука в произвольной точке пространства. Приёмный или излучающий тракт адаптирующихся антенн производит автоматич. введение амплитудно-фазовых распределений, обеспечивающих максимизацию нек-рого, наперёд заданного параметра (помехоустойчивости, разрешающей способности, точности пеленгования и др.).

От выбора места установки антенн эхолотов зависит уровень шумов, сопрово-ждающих полезный сигнал, коэффициент полезного действия антенны, максималь-ная глубина, которую практически можно измерить в существующих условиях пла-вания, а порой и сама возможность проведения измерений.

Основными источниками гидроакустических помех, воздействующих на антен-ны, являются судовые машины и механизмы, гребные винты, турбулентный погра-ничный слой, а также другие гидроакустические системы, одновременно работаю-щие на судне. Каждый из источников помех создает шумы определенного спектра, которые попадают на антенну, распространяясь непосредственно по корпусу судна, в воде вдоль корпуса судна, отражаясь от объектов рассеяния в морской среде или от дна. Особое влияние на работу антенн оказывают пузырьки воздуха, рассеянные в слое воды, омывающей антенну. Неоднократно было замечено на практике, что при движении судна в балласте, когда в его придонной области имело место интен-сивное образование пузырьков, эхолот переставал измерять даже относительно не-большие глубины. При снижении скорости перемещения судна или его остановке работа эхолота восстанавливалась. Это явление можно объяснить тем, что пузырьки воздуха с одной стороны интенсивно рассеивают и поглощают энергию, с другой – изменяют физические свойства среды, непосредственно соприкасающейся с антен-нами, снижая ее эквивалентную жесткость, что, в свою очередь, влияет на настройку системы антенна – среда, снижая эффективность преобразования электрического сигнала в механический и обратно.

С целью уменьшения влияния возмущающих факторов на работу эхолота антен-ны следует устанавливать в местах, удовлетворяющих следующим требованиям :

изменение гидродинамического давления в месте установки антенны при изме-нении скорости судна должно быть минимальным;
место установки антенны должно располагаться как можно дальше от машинного отделения, гребных винтов, подруливающих устройств, а также от помещений, в которых расположены сильно шумящие машины и механизмы;
в районе размещения антенн (на расстоянии до 3-5 м) не должно быть водоза-борных и отливных устройств, так как это может вызвать резкое увеличение пропусков или полное пропадание показаний эхолотов, особенно работающих на низкой частоте;
в непосредственной близости от антенны, в особенности в направлении к носу судна, не должно быть выступающих судовых конструкций и выстреливающих устройств, которые могут мешать работе эхолота;
на пути излучения и приема сигнала, в пределах 60° от вертикали, не должно быть частей, которые могут создавать отражение акустических колебаний;
место установки антенны должно быть максимально удалено от других гидро-акустических систем, имеющихся на судне;
рекомендуется обеспечивать удобный доступ к антенне для ее осмотра, проведе-ния профилактических работ и замены.
После определения возможных мест установки антенн эхолота с учетом выше-перечисленных требований необходимо на основании предварительной оценки уровня шумов в местах предполагаемого расположения антенн выбрать место с наименьшим уровнем акустического шума.
При выборе места размещения антенны эхолота необходимо учитывать на-правление вращения судового винта. Так, при использовании винта правого шага в левую часть кормовых обводов судна ударяет возмущенный им поток воды. Вследствие этого возникает вибрация обшивки, распространяющаяся главным образом в левой части днища судна. Эта вибрация корпуса судна вызывает до-полнительные акустические помехи. В связи с этим при гребном винте право-го шага антенну эхолота рекомендуется устанавливать по правому борту, а при гребном винте левого шага - по левому борту.

Результаты замеров уровней шумов в различных точках корпуса свидетельству-ют о том, что наименьший уровень шумов, как правило, наблюдается в носовой час-ти судна . Поэтому антенну эхолота рекомендуется устанавливать возмож-но ближе к носу судна (в области положительного давления) с учетом недо-пустимости ее оголения при качке. Антенну рекомендуется устанавливать возможно ближе к диаметральной плоскости судна.

Уменьшить влияние помех можно с помощью установки специальных экранов.

Монтаж остальных приборов комплекта эхолота осуществляется в соответствии с требованиями технической документации на изделие и с учетом удобства работы с прибором.