RU2080743C1

RU2080743C1 - Receiving unit of multiple-element hydroacoustic wide- band antenna array

Info

Publication number: RU2080743C1
Application number: RU94039443A
Authority: RU
Inventors: Г.Д. Гришман; Т.Б. Громова; В.А. Никандров; М.Д. Смарышев; Э.Г. Шмидт; А.Е. Черняховский
Original assignee: Центральный научно-исследовательский институт "Морфизприбор"
Priority date: 1994-10-03
Filing date: 1994-10-03
Publication date: 1997-05-27
Also published as: RU94039443A

Abstract

FIELD: hydroacoustic wide-band antenna arrays. SUBSTANCE: device has flat sealed hydroacoustic receiver and screen which is in symmetry with respect to axis which runs through center of receiver and normal to receiving surface. Screen is shaped as rectangle size of which sides is equal to or slightly less than distance between centers of receivers in antenna array. Terminal from receiver runs through central hole in screen along said axis. Diameter of central hole is limited. EFFECT: increased functional capabilities. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области гидроакустики, а более конкретно к гидроакустическим глубоководным антенным решеткам. The invention relates to the field of hydroacoustics, and more particularly to hydroacoustic deep-sea antenna arrays.

Для решения ряда гидроакустических задач, например для достижения высокой помехоустойчивости антенной решетки, особенно в анизотропном поле помех моря, необходимо уменьшить амплитудно-фазовые искажения, обеспечить максимальную идентичность симметричных характеристик направленности отдельных конструктивных составляющих (приемных блоков) антенной решетки, а также минимальный уровень тыльного приема. To solve a number of hydroacoustic problems, for example, to achieve high noise immunity of the antenna array, especially in the anisotropic sea interference field, it is necessary to reduce phase-amplitude distortions, to ensure maximum identical symmetrical directivity characteristics of the individual structural components (receiving units) of the antenna array, as well as a minimum rear reception level .

Эти характеристики должны сохраняться в диапазоне частот и гидростатических давлений. These characteristics must be maintained in the frequency range and hydrostatic pressures.

Известны (Терминологический словарь-справочник по гидроакустике, под редакцией д-ра техн. наук, проф. А.Е. Колесникова, Л. Судостроение, 1989, с. Г-31, рис. 1) протяженные низкочастотные широкополосные приемные антенные решетки, составленные из N-го количества блоков, состоящих из акустического экрана, электроакустического приемника, расположенного вблизи экрана, и линий электрических коммуникаций. Known (Terminological vocabulary for hydroacoustics, edited by Dr. Tech. Sciences, Prof. A.E. Kolesnikova, L. Sudostroenie, 1989, p. G-31, Fig. 1) long-range low-frequency broadband receiving antenna arrays composed from the N-th number of blocks consisting of an acoustic screen, an electro-acoustic receiver located near the screen, and electric communication lines.

Наряду с хорошими акустическими характеристиками такие глубоководные антенные решетки должны обладать достаточной прочностью и жесткостью, чтобы сохранять свою форму в процессе эксплуатации и иметь минимальный вес. Along with good acoustic characteristics, such deep-sea antenna arrays must have sufficient strength and rigidity to maintain their shape during operation and have a minimum weight.

Прототипом изобретения является приемный блок многоэлементной широкополосной антенной решетки (патент США N 4766575, кл. H 04 R 17/10, 1988), где рассматриваются приемные блоки, состоящие из 2-х рядов плоских приемников, расположенных вблизи металлического экрана на одинаковом расстоянии друг от друга. Электрические выводы, отходящие от приемников, располагаются в промежутке между рядами и присоединяются к кабелю, который выводится на тыльную сторону блока через каждые 4-е пары приемников. Однако, данное конструктивное выполнение блока 2 ряда приемников на одном экране обуславливают такой недостаток, как наличие различных граничных условий для приемников, находящихся в разных рядах. С одной стороны каждого приемника находится водный зазор между соседними блоками, а с другой стороны экран, на котором лежат электрические провода. Кроме того, асимметричность расположения мест вывода кабеля (от 4-х пар приемников) на тыльную сторону также создает различие в граничных условиях. Все перечисленное ведет к асимметричности характеристик направленности отдельных приемников. The prototype of the invention is the receiving unit of a multi-element broadband antenna array (US patent N 4766575, CL H 04 R 17/10, 1988), which considers the receiving units, consisting of 2 rows of flat receivers located near the metal screen at the same distance from each other friend. The electrical leads extending from the receivers are located between the rows and are connected to a cable that is output to the back of the unit every 4 pairs of receivers. However, this constructive implementation of block 2 of the series of receivers on one screen causes such a disadvantage as the presence of different boundary conditions for receivers in different rows. On one side of each receiver there is a water gap between adjacent blocks, and on the other hand there is a screen on which electrical wires lie. In addition, the asymmetric arrangement of the cable outlet points (from 4 pairs of receivers) to the back also creates a difference in the boundary conditions. All of the above leads to asymmetric directivity characteristics of individual receivers.

Техническим результатом использования изобретения является уменьшение амплитудо-фазовых искажений и создание идентичных характеристик направленности отдельных приемников в антенной решетке при сохранении малого уровня тыльного лепестка в широком диапазоне частот. The technical result of the use of the invention is to reduce amplitude-phase distortions and create identical directivity characteristics of individual receivers in the antenna array while maintaining a small level of the back lobe in a wide frequency range.

Данный результат достигается за счет того, что экран, симметричный относительно оси, проходящей через центр приемника и нормальной его приемной поверхности, в плоскости, параллельной приемной поверхности, имеет форму прямоугольника, при этом размеры сторон прямоугольника a (1 -0,7)l₁ и b (1 0,7)l₂, где l₁ и l₂ расстояние между центрами приемников в антенной решетке, а электрический вывод, выходящий из центра приемника, проходит через центральное отверстие вдоль этой оси. При этом диаметр центрального отверстия в экране не превышает 0,08 λ где l - длина звуковой волны в воде на верхней частоте рабочего диапазона.This result is achieved due to the fact that the screen, symmetrical about the axis passing through the center of the receiver and its normal receiving surface, in the plane parallel to the receiving surface, has the shape of a rectangle, while the dimensions of the sides of the rectangle a (1 -0.7) l ₁ and b (1 0.7) l ₂ , where l ₁ and l _{2 are the} distances between the centers of the receivers in the antenna array, and the electrical outlet emerging from the center of the receiver passes through the central hole along this axis. The diameter of the central hole in the screen does not exceed 0.08 λ where l is the sound wavelength in water at the upper frequency of the operating range.

Симметричное расположение приемника на экране ведет к созданию одинаковых условий на границах блока, что позволяет получить идентичные характеристики направленности различных приемников. The symmetrical arrangement of the receiver on the screen leads to the creation of identical conditions at the block boundaries, which allows one to obtain identical directivity characteristics of different receivers.

Установка приемных блоков на несущей конструкции осуществляется с некоторым зазором между ними. Уменьшение размеров экрана в плане (увеличение зазора) ведет к росту уровня тыльного лепестка характеристики направления. Как показали экспериментальные исследования, небольшие изменения конструктивных размеров приемных блоков в пределах 0,7λ≅l₁<λ и 0,7λ≅l₂≅λ не оказывают существенного влияния на характеристики направленности антенной решетки.Installation of receiving units on a supporting structure is carried out with a certain gap between them. Reducing the size of the screen in the plan (increasing the gap) leads to an increase in the level of the back lobe of the direction characteristic. As experimental studies have shown, small changes in the design dimensions of the receiving units within 0.7λ≅l ₁ <λ and 0.7λ≅l ₂ ≅λ do not significantly affect the directivity characteristics of the antenna array.

Вывод кабеля на тыльную сторону в центре экрана не нарушает однородные граничные условия и тем самым способствует уменьшению искажений характеристик направленности. The output of the cable to the rear side in the center of the screen does not violate the uniform boundary conditions and thereby helps to reduce the distortion of the directivity characteristics.

Ограничение размеров отверстия в центре экрана для вывода кабеля обусловлено тем, что через отверстие (незаэкранированный участок) будет проходить звуковая волна, что естественно увеличивает уровень тыльного лепестка характеристики направленности. Как показали экспериментальные исследования, сквозное отверстие в экране диаметром, меньшим 0,08 λ где l длина звуковой волны в воде на верхней частоте рабочего диапазона, не оказывает существенного влияния на величину тыльного лепестка. При таком конструктивном исполнении все приемники оказываются в одинаковых условиях, что минимизирует искажения полевых характеристик антенной решетки. The limitation of the size of the hole in the center of the screen for cable output is due to the fact that a sound wave will pass through the hole (unshielded area), which naturally increases the level of the back lobe of the directivity characteristic. As experimental studies have shown, a through hole in the screen with a diameter smaller than 0.08 λ where l is the sound wavelength in water at the upper frequency of the operating range does not significantly affect the size of the back lobe. With this design, all receivers are in the same conditions, which minimizes the distortion of the field characteristics of the antenna array.

На фиг. 1 показан пример конкретного выполнения блока; на фиг. 2 - компоновка антенной решетки: а из блоков конструкции, описанной в патенте США N 4766575, б из блоков прелагаемой конструкции; на фиг. 3 - характеристики направленности приемника, расположенного на экранах с разными размерами центрального отверстия и находящегося в составе плоской антенной решетки размером 5 x 5 приемных блоков. In FIG. 1 shows an example of a specific implementation of the block; in FIG. 2 - layout of the antenna array: a from the blocks of the structure described in US patent N 4766575, b from the blocks of the proposed design; in FIG. 3 - directivity characteristics of a receiver located on screens with different sizes of the central hole and located in a 5 x 5 receiver array flat antenna array.

Блок (фиг. 1) содержит герметичный широкополосный приемник 1, состоящий из 4-х пьезокерамических приемных элементов изгибного типа 2, электрически соединенных между собой. Приемные элементы расположены в плоскости, параллельной экрану 3, симметрично относительно оси, проходящей через его центр и нормальной его поверхности. Этим обеспечивается симметрия приемника 1 относительно экрана 3. The block (Fig. 1) contains a sealed broadband receiver 1, consisting of 4 piezoceramic receiving elements of a bending type 2, electrically connected to each other. The receiving elements are located in a plane parallel to the screen 3, symmetrically with respect to the axis passing through its center and its normal surface. This ensures the symmetry of the receiver 1 relative to the screen 3.

Широкополосный экран 3 состоит из массивной металлической пластины 4 и податливой конструкции 5. The broadband screen 3 consists of a massive metal plate 4 and a compliant structure 5.

В центре экрана 3 находится сквозное отверстие, проходящее через металлическую пластину 4 и конструкцию 5, диаметр которого d 18 мм, что соответствует заявленному соотношению. Через это сквозное отверстие проходит кабель 6, который является электрическим выводом, выходящим из центра приемника. In the center of the screen 3 there is a through hole passing through the metal plate 4 and structure 5, the diameter of which is d 18 mm, which corresponds to the stated ratio. A cable 6 passes through this through hole, which is an electrical terminal exiting the center of the receiver.

Приемные элементы залиты звукопрозрачным компаундом 7. The receiving elements are filled with a translucent compound 7.

Приемные элементы соединены между собой последовательно-параллельно и два электрических вывода присоединены к кабелю марки СМПВЭГ. The receiving elements are interconnected in series and parallel, and two electrical terminals are connected to the SMPVEG cable.

Размеры прямоугольного приемного блока равны 0,96 l₁ x 0,92 l₂, где l₁ и l₂ расстояние между центрами приемников в исследуемой плоской антенной решетке размером 5 x 5 блоков.The dimensions of the rectangular receiving unit are 0.96 l ₁ x 0.92 l ₂ , where l ₁ and l _{2 are the} distance between the centers of the receivers in the investigated flat antenna array measuring 5 x 5 blocks.

Работа приемного блока осуществляется следующим образом: при падении звуковой волны на приемную поверхность блока приемные элементы 2 возбуждаются в фазе и электрические сигналы, вырабатываемые приемными элементами при их электрическом соединении, суммируются и поступают на кабель 6. The operation of the receiving unit is as follows: when a sound wave is incident on the receiving surface of the unit, the receiving elements 2 are excited in phase and the electrical signals generated by the receiving elements during their electrical connection are summed up and fed to cable 6.

В антенной решетке (фиг. 2б) электрические сигналы снимаются независимо с каждого блока 1 посредством кабеля 6 и поступают в приемный тракт для последующей обработки. In the antenna array (Fig. 2b), electrical signals are removed independently from each block 1 via cable 6 and fed to the receiving path for subsequent processing.

Для увеличения эффективности приемников используется массивная металлическая пластина 4. Малый уровень тыльного лепестка обеспечивается податливой конструкцией 5 акустического экрана 3. Ее толщина выбирается из условия: s₁₈₀≅0,1σ_max где σ₁₈₀ уровень тыльного лепестка на нижней частоте рабочего диапазона. В рассматриваемом примере толщина податливой конструкции в экране равна 80 мм. Наличие в центре экрана сквозного отверстия для вывода электрического кабеля 6 создает условия для свободного прохождения звуковой волны через этот участок. Поэтому на основе экспериментальных исследований введено ограничение отверстия d≅0,08λ, где l длина звуковой волны в воде на верхней частоте рабочего диапазона, d диаметр отверстия, при котором не наблюдаются существенные изменения тыльного лепестка.To increase the efficiency of the receivers, a massive metal plate is used 4. A small back lobe level is ensured by the compliant design 5 of the acoustic screen 3. Its thickness is selected from the condition: s ₁₈₀ ≅ 0.1σ _max where σ _{180 is} the back lobe level at the lower frequency of the operating range. In this example, the thickness of the compliant structure in the screen is 80 mm. The presence in the center of the screen of the through hole for the output of the electric cable 6 creates the conditions for the free passage of the sound wave through this section. Therefore, based on experimental studies, a hole restriction d≅0.08λ was introduced, where l is the sound wavelength in water at the upper frequency of the operating range, d is the diameter of the hole at which no significant changes in the back lobe are observed.

Водные зазоры в антенной решетке соседними экранами (приемными блоками) также создают условия для свободного прохождения звуковой волны через этот участок, что ведет к увеличению уровня тыльного лепестка. Экспериментальные исследования показали, что размеры прямоугольного блока должны быть ограничены следующими соотношениями: a (0,7 -1,0)l₁ и b (0,7 1,0)l₂, где l₁ и l₂ расстояния между центрами приемников в антенной решетке. В этом случае не наблюдается существенного изменения уровня тыльного лепестка.Water gaps in the antenna array by adjacent screens (receiving units) also create conditions for the free passage of the sound wave through this section, which leads to an increase in the level of the back lobe. Experimental studies have shown that the dimensions of a rectangular block should be limited by the following relationships: a (0.7 -1.0) l ₁ and b (0.7 1.0) l ₂ , where l ₁ and l _{2 are the} distances between the centers of the receivers in antenna array. In this case, there is no significant change in the level of the back lobe.

Характеристики направленности приемника, находящегося в составе плоской антенной решетки, составленной из рассмотренных блоков, показаны на фиг. 3. The directivity characteristics of the receiver, which is part of a flat antenna array, composed of the considered blocks, are shown in FIG. 3.

Если размеры центрального отверстия в акустическом экране малы: d≅0,08λ, то практически нет никакого различия в характеристиках направленности приемника (кривая 8 d=0,08λ и кривая 9(d=0,05λ) на фиг. 3). При увеличении диаметра отверстия (d=0,16λ) уровень тыльного лепестка возрастает до ~0,25σ_max (кривая 10).If the dimensions of the central hole in the acoustic screen are small: d≅0.08λ, then there is practically no difference in the directional characteristics of the receiver (curve 8 d = 0.08λ and curve 9 (d = 0.05λ) in Fig. 3). With increasing hole diameter (d = 0.16λ), the level of the back lobe increases to ~ 0.25σ _max (curve 10).

При изменении положения приемника относительно центра экрана сдвигается в сторону главный максимум и при этом наблюдается асимметрия характеристик направленности, причем для одного блока эта асимметрия заметно мала, но при суммировании сигналов с таких блоков, составляющих антенную решетку, асимметрия возрастает. Поэтому установка приемника симметрично относительно оси, проходящей через центр экрана и перпендикулярной к приемной поверхности, позволяет избавиться от амплитудно-фазовых искажений характеристик антенной решетки. When the position of the receiver relative to the center of the screen changes, the main maximum shifts to the side and the asymmetry of directional characteristics is observed, moreover, for one block this asymmetry is noticeably small, but when summing the signals from such blocks making up the antenna array, the asymmetry increases. Therefore, the installation of the receiver is symmetrical about the axis passing through the center of the screen and perpendicular to the receiving surface, eliminating the amplitude-phase distortion of the characteristics of the antenna array.

Claims

1. The receiving unit of a multi-element broadband sonar antenna array containing a flat sealed electro-acoustic receiver with an electrical output and an acoustic screen, characterized in that the screen, symmetrical about the axis passing through the center of the receiver and its normal receiving surface, in a plane parallel to the receiving surface has the shape of the rectangle, while the dimensions of the sides of the rectangle
d (1 ^o C 0.7) • l ₁ ,
b (1 ^o C 0.7) • l ₂ ,
where l ₁ and l _{2 the} distance between the centers of the receivers in the antenna array,
and the electrical outlet extending from the center of the receiver passes through a central hole along this axis.

2. The block according to claim 1, characterized in that the diameter of the central hole in the screen does not exceed 0.08 λ, where λ is the sound wavelength in water at the upper frequency of the operating range.