RU2087082C1

RU2087082C1 - Multielement resonant sonar antenna

Info

Publication number: RU2087082C1
Authority: RU
Inventors: Г.Х. Голубева; Б.М. Елфимов
Original assignee: Центральный научно-исследовательский институт "Морфизприбор"
Priority date: 1989-07-06
Filing date: 1989-07-06
Publication date: 1997-08-10

Abstract

FIELD: hydroacoustics. SUBSTANCE: antenna has long rod-type piezoids of trapezoidal shape, side and rear reflecting screens. Piezoids are mounted so that their large and small bases alternate and their surfaces facing each other are complanar. EFFECT: improved design. 3 dwg

Description

Изобретение относится к гидроакустике, а более конкретно антенной технике, и может быть использовано при конструировании гидролокационных станций. The invention relates to sonar, and more specifically to antenna technology, and can be used in the design of sonar stations.

Известны многоэлементные гидроакустические антенны, содержащие стержневые электроакустические преобразователи, элементы крепления, экранирования и герметизации, в которых преобразователи выполнены либо не связанными между собой механически, либо закреплены на общей излучающей (приемной) накладке (см. например, Справочник "Подводные электроакустические преобразователи". Л. Судостроение, 1983, с. 98 и 99). Multi-element hydroacoustic antennas are known, containing rod electro-acoustic transducers, fastening, shielding and sealing elements, in which the transducers are either mechanically unconnected or mounted on a common emitting (receiving) patch (see, for example, the Handbook "Underwater Electroacoustic Transducers". L Shipbuilding, 1983, p. 98 and 99).

Выбор геометрии преобразователей производится с учетом всего комплекса требований по электроакустическим параметрам антенны, включая направленность и конструктивное ее оформление. При решении вопроса о наружных размерах преобразователей исходят, с одной стороны, из его направленных свойств, а с другой, из резонансных, оценивая соответственно его размеры относительно длины волны на рабочей частоте антенны в рабочей среде λ_в и в пьезокерамике λ_к, влияющих как на направленные свойства антенны в целом, так и ее эффективность.The choice of the geometry of the transducers is made taking into account the whole range of requirements for the electro-acoustic parameters of the antenna, including directivity and its design. When deciding on the outer dimensions of the transducers, they proceed, on the one hand, from its directional properties and, on the other hand, from resonance ones, evaluating accordingly its dimensions with respect to the wavelength at the antenna working frequency in the medium λ _in and piezoceramic λ _k , which affect both directional properties of the antenna as a whole, and its effectiveness.

Наибольшее распространение в практике проектирования высокочастотных антенн получили остронаправленные антенны, компонуемые из резонансных полуволновых стержневых преобразователей, резонансный размер которых, ориентированный в направлении, перпендикулярном рабочей поверхности антенны, как правило, равен 0,5 λ_к, расположенных с шагом (0,5-0,75)λ_в, при размере антенны в плоскости формирования остронаправленной диаграммы L ≫ 10 λ_в. Указанные многоэлементные антенны, как правило, сложны и трудоемки, особенно работающие в диапазоне мм волн или близкие к нему, что связано с техническими трудностями реализации требований как по точности установки мелких преобразователей в расчетное положение в антенне, так и разбросам амплитудных и фазовых ошибок возбуждения самих преобразователей, возникающих вследствие разброса их параметров: амплитудных из-за неодинаковой эффективности пьезоэлементов, фазовых за счет отклонения резонансных частот от номинальной; все это приводит не только к снижению технологичности таких антенн, но и эффективности.Most common in the practice of designing high frequency received antennas highly directional antennas, composable of half-wave resonance rod transducers, resonant size is oriented perpendicular to the working surface of the antenna is generally equal _to 0,5 λ arranged with a pitch (0,5-0 , 75) λ _in , with the size of the antenna in the plane of formation of a directional diagram L ≫ 10 λ _in . These multi-element antennas, as a rule, are complex and time-consuming, especially operating in the mm wavelength range or close to it, which is associated with technical difficulties in implementing the requirements both in the accuracy of installing small transducers in the design position in the antenna and in the spread of the amplitude and phase errors of excitation themselves converters arising from the scatter of their parameters: amplitude due to the unequal efficiency of the piezoelectric elements, phase due to the deviation of the resonant frequencies from the nominal; all this leads not only to a decrease in the manufacturability of such antennas, but also to efficiency.

Указанных недостатков частично лишена остронаправленная антенна по патенту США N 3.359.537, наиболее близкая по технической сущности к изобретению, содержащая протяженные пьезоэлементы прямоугольного сечения в плоскости резонансного размера. Пьезоэлементы установлены в пазу массивного основания из поглощающей резины и попарно поджаты с помощью фиксаторов, перекрывающих приблизительно 10% их рабочей (приемно-излучающей) поверхности, в местах стыка элементов, к кожуху U-образному металлическому желобу, в котором размещено резиновое основание, причем фиксаторы крепятся к боковым стенкам маслозаполненного коробчатого корпуса с резиновой мембраной, а кожух подвешен на этих фиксаторах. Известная антенна формирует диаграммы направленности типа sinx/x соответственно, остро и слабо-направленную по двум взаимно перпендикулярным плоскостям. The aforementioned disadvantages are partially deprived of the pointed antenna according to US patent N 3.359.537, which is closest in technical essence to the invention, containing extended piezoelectric elements of rectangular cross section in the plane of the resonant size. The piezoelectric elements are mounted in the groove of the massive base made of absorbing rubber and pressed in pairs using clamps that cover approximately 10% of their working (receiving-emitting) surface, at the junction of the elements, to the casing of the U-shaped metal groove in which the rubber base is placed, and the clamps attached to the side walls of the oil-filled box-shaped case with a rubber membrane, and the casing is suspended on these clips. The known antenna generates radiation patterns of the sinx / x type, respectively, sharply and weakly directed along two mutually perpendicular planes.

Указанная антенна по своему назначению и построению наиболее близка к заявляемой и выбрана нами за прототип. The specified antenna in its purpose and construction is closest to the claimed one and we have chosen for the prototype.

В антенне-прототипе удается уменьшить количество полуволновых пьезоэлементов путем выполнения их в виде протяженных стержневых пьезоэлементов l_к> λ_к прямоугольного сечения, работающих на толщинном резонансе, однако поскольку длина пьезоэлемента превосходит более чем в два раза его толщину, то на основную моду продольных колебаний по толщине накладываются паразитные высшие моды колебаний по длине, что приводит к искажению распределения колебательной скорости по рабочей поверхности пьезоэлементов и их частотных свойств (см. например, "Ультразвуковые преобразователи" под редакцией Е. Кикучи. М. Мир, 1972, с. 309-352). Отсюда основные недостатки антенны-прототипа порождены его достоинством, поскольку сложное ее конструктивное оформление обусловлено необходимостью выявления основного резонанса протяженных пьезоэлементов (толщинного) на фоне сложного частотного спектра высших мод колебаний вдоль их длин, которые демпфируются при попарном поджатии пьезоэлементов к U-образному желобу через посредство звукопоглотителя, выполненного в виде массивного основания из поглощающей резины, в пазу которого они размещены, что приводит наряду с положительным эффектом демпфированием паразитных колебаний вдоль пьезоэлементов к отрицательным падению более чем в два раза чувствительности антенны в режимах приема-излучения и соответственно усложнению конструкции антенны в целом, и снижению ее технологичности.In the prototype antenna, it is possible to reduce the number of half-wave piezoelectric elements by making them in the form of extended rod piezoelements l _k > λ _{k of} rectangular cross section operating at a thickness resonance, however, since the length of the piezoelectric element is more than twice its thickness, the main mode of longitudinal vibrations in the thickness is superimposed by parasitic higher vibration modes along the length, which leads to a distortion of the distribution of vibrational velocity over the working surface of the piezoelectric elements and their frequency properties (see, for example , "Ultrasonic Transducers" edited by E. Kikuchi. M. Mir, 1972, S. 309-352). Hence the main disadvantages of the prototype antenna are due to its advantage, since its complex design is due to the need to identify the main resonance of extended piezoelectric elements (thick) against the background of a complex frequency spectrum of higher vibration modes along their lengths, which are damped when the piezoelectric elements are paired to the U-shaped trough through sound absorber, made in the form of a massive base of absorbing rubber, in the groove of which they are placed, which leads, along with a positive relationship involved damping spurious oscillations along the piezoelectric elements to drop more negative than twice the sensitivity of the antenna in the receiving mode radiation and accordingly complicates the antenna design in general, and reducing its processability.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков, повышение как эффективности и технологичности антенны, так и упрощение конструкции. The aim of the invention is to eliminate these disadvantages, increasing both the efficiency and manufacturability of the antenna, and simplifying the design.

Указанная цель достигается тем, что в известной многоэлементной резонансной антенне, содержащей протяженные стержневые пьезоэлементы, акустические экраны, введены новые признаки, а именно:
поперечное сечение протяженных пьезоэлементов в плоскости резонансного размера выполнено трапециевидным;
сопредельные боковые поверхности пьезоэлементов компланарны;
пьезоэлементы установлены в антенне с чередованием большего и меньшего оснований трапециевидного сечения;
экраны выполнены отражающими.This goal is achieved by the fact that in the well-known multi-element resonant antenna containing extended rod piezoelectric elements, acoustic screens, new features are introduced, namely:
the cross section of the extended piezoelectric elements in the plane of the resonant size is made trapezoidal;
the adjacent side surfaces of the piezoelectric elements are coplanar;
piezoelectric elements are installed in the antenna with alternating larger and smaller trapezoidal bases;
screens are made reflective.

Экспериментально было установлено, что выполнение сечения протяженных стержневых пьезоэлементов трапециевидным в направлении резонансного размера (по толщине) объединяет спектр их собственных частот, т.е. сводит к минимуму высшие моды колебаний вдоль стержня и позволяет выделить основную резонансную частоту пьезоэлементов в плоскости их резонансного размера. Это позволило отказаться от поглощающих экранов, а в совокупности с предложенными техническими решениями в части взаимного расположения пьезоэлементов повысить эффективность антенны и технологичность и упростить ее конструкцию. It was experimentally established that the execution of the section of extended rod piezoelectric elements trapezoidal in the direction of the resonant size (in thickness) combines the spectrum of their natural frequencies, i.e. minimizes the highest vibrational modes along the rod and allows you to select the main resonant frequency of the piezoelectric elements in the plane of their resonant size. This made it possible to abandon the absorbing screens, and together with the proposed technical solutions regarding the relative position of the piezoelectric elements, increase the antenna efficiency and manufacturability and simplify its design.

Авторам не известны технические решения, содержащие признаки, отличающие предложенное техническое решение от прототипа, что позволяет считать его соответствующим критерию "существенные отличия". The authors are not aware of technical solutions containing features that distinguish the proposed technical solution from the prototype, which allows us to consider it relevant to the criterion of "significant differences".

На фиг. 1 приведена конструкция предложенной антенны; на фиг. 2 - частотные характеристики проводимости: а) преобразователей, б) антенны в целом; на фиг. 3 частотная характеристика потребляемой электрической мощности. In FIG. 1 shows the design of the proposed antenna; in FIG. 2 - frequency characteristics of conductivity: a) converters, b) antenna as a whole; in FIG. 3 frequency response of the consumed electric power.

Антенна содержит протяженные стержневые пьезоэлементы 1 трапециевидного сечения в направлении их толщин (высоты трапеций), отражающие акустические экраны 2 (боковые и тыльные), герметизация осуществлена полимером 3, например полиуретаном. Компланарность боковых поверхностей пьезоэлементов 1 в совокупности с чередованием большего и меньшего оснований трапециевидных пьезоэлементов 1 способствуют усилению эффекта их однорезонансности и достижению положительного эффекта антенны в целом. The antenna contains extended rod piezoelectric elements 1 of a trapezoidal cross section in the direction of their thicknesses (trapezoid height), reflecting acoustic screens 2 (side and rear), sealing is carried out by polymer 3, for example polyurethane. The coplanarity of the lateral surfaces of the piezoelectric elements 1 together with the alternation of the larger and smaller bases of the trapezoidal piezoelectric elements 1 contribute to enhancing the effect of their single-resonance and achieving a positive effect of the antenna as a whole.

Электромонтаж и кабельные вводы на чертеже не указываются. Wiring and cable entries are not indicated on the drawing.

Антенна работает следующим образом. The antenna works as follows.

При подведении к электроакустическим преобразователям 1 электрического напряжения электрическая энергия преобразуется в звуковую, излучаемую в рабочую среду со стороны рабочей поверхности преобразователей, при приеме происходит обратное преобразование. При этом, поскольку частота возбуждения антенны практически совпадает с частотой их собственного ярко выраженного резонанса (по толщине трапецеидальных протяженных стержневых пьезоэлементов), так как паразитные колебания вдоль стержня не проявляются, экраны 2 выполнены отражающими, акустически жесткими, например, из титана (допускается выполнение их акустически мягкими, например, из резины марки 10087 или импедансными), что дает максимум отражения звуковой энергии тыльного излучения (приема) преобразователями, а, как итог, удвоение чувствительности в режимах излучения приема при одновременном упрощении конструкции и повышении технологичности антенны, а значит и трудозатрат на ее изготовление. When a voltage is applied to the electro-acoustic transducers 1, the electrical energy is converted into sound energy emitted into the working medium from the side of the working surface of the transducers, and upon reception, the inverse transformation occurs. Moreover, since the frequency of the antenna’s excitation practically coincides with the frequency of their own pronounced resonance (in the thickness of the trapezoidal extended rod piezoelectric elements), since spurious oscillations along the rod do not appear, the screens 2 are made reflective, acoustically rigid, for example, from titanium (they can be performed acoustically soft, for example, from rubber of brand 10087 or impedance), which gives maximum reflection of the sound energy of the rear radiation (reception) by the transducers, and, as a result, a doubling of feelings performance in the modes of radiation reception while simplifying the design and improving the manufacturability of the antenna, and hence the labor costs for its manufacture.

Для выявления технического эффекта был изготовлен макет, полностью отвечающий заявленному техническому решению. Макет был выполнен из девяти трапецеидальных преобразователей в виде протяженных стержневых трапециевидного сечения пьезоэлементов полуволновой толщины (в направлении резонансного размера), равной 0,5 λ_к, протяженностью l_к≃ 2λ_к≃ 5λ_в каждый, средней шириной трапециевидного сечения, равной полусумме оснований трапеции,

, сгруппированных таким образом, что обеспечивали формирование в одной из плоскостей остронаправленной диаграммы приблизительно 3,3^o, а в другой (взаимоперпендикулярной) типа "cosec θ".To identify the technical effect, a layout was made that fully meets the claimed technical solution. The layout was made of nine trapezoidal transducers in the form of an extended rod trapezoidal cross-section of piezoelectric elements with a half-wave thickness (in the direction of the resonant size) of 0.5 λ _k , length l _to ≃ 2λ _to ≃ 5λ _in each, the average width of the trapezoid section equal to half the base of the trapezoid ,

grouped in such a way that they ensured the formation in one of the planes of a sharply directed diagram of approximately 3.3 ^o , and in the other (mutually perpendicular) type "cosec θ".

В результате выполнения сечения п/э трапециевидным в направлении резонансного размера существенно уменьшилось количество мод высокочастотных колебаний и снизились их амплитудны в области основного резонанса, что позволило четко выявить основной толщинный резонанс, соответствующий рабочей частоте антенны, см. фиг. 2а, и обеспечить практически их синфазное возбуждение, а тем самым, появилась возможность комплектовать протяженные пьезоэлементы по основной частоте. Следует отметить, что в соответствии с существующими нормативными документами протяженные стержневые пьезоэлементы прямоугольного сечения проверяются и комплектуются по более низкой частоте, соответствующей их длине, в виду того, что при возбуждении таких пьезоэлементов на толщинном резонансе, определение основной частоты на фоне сложного частотного спектра паразитных мод колебаний по длине стержня крайне затруднено, и, как итог, такое комплектование не отражает истинного амплитудно-фазового разброса по преобразователям, что в итоге проявлялось в ухудшении направленных и частотных свойств антенны в целом. Однорезонансность пьезоэлементов в сочетании с компланарностью их сопредельных боковых поверхностей, чередованием большего и меньшего оснований трапециевидных сечений, позволили ввести в антенну отражающие экраны, вместо поглощающих, и тем самым не только увеличить эффективность заявленной антенны, но и упростить существенно ее конструкцию, повысить технологичность по сравнению с антенной-прототипом, все это приводит к конечном итоге к повышению качества антенн, а значит и гидролокационных станций в целом, при меньших трудозатратах на их изготовление. As a result of the polyethylene trapezoidal cross-section in the direction of the resonant size, the number of high-frequency oscillation modes significantly decreased and their amplitudes decreased in the region of the main resonance, which made it possible to clearly identify the main thickness resonance corresponding to the operating frequency of the antenna, see FIG. 2a, and to ensure practically their common-mode excitation, and thereby, it became possible to complete extended piezoelectric elements at the fundamental frequency. It should be noted that in accordance with existing regulatory documents, extended rod piezoelectric elements of rectangular cross section are checked and are equipped with a lower frequency corresponding to their length, since when exciting such piezoelectric elements at a thick resonance, determining the fundamental frequency against the background of a complex frequency spectrum of stray modes fluctuations along the length of the rod is extremely difficult, and, as a result, this acquisition does not reflect the true amplitude-phase spread across the converters, which in total It manifested in the deterioration directional and frequency properties of the antenna as a whole. The single resonance of the piezoelectric elements in combination with the coplanarity of their adjacent side surfaces, alternating the larger and smaller bases of the trapezoidal cross-sections, made it possible to introduce reflective screens into the antenna instead of absorbing ones, and thereby not only increase the efficiency of the claimed antenna, but also simplify its design significantly and increase manufacturability in comparison with a prototype antenna, all this leads to the end result in higher quality antennas, and hence sonar in general, with less labor for their manufacture.

Экспериментальные исследования макета подтвердили достижение положительного результата; четко выраженная однорезонансность антенны, демонстрируемая как частотной характеристикой проводимости фиг. 2б, так и потребляемой электрической мощности фиг. 3, подтверждает сказанное. Experimental studies of the layout confirmed the achievement of a positive result; the pronounced single-resonance of the antenna, demonstrated as the frequency response of the conductivity of FIG. 2b and the consumed electric power of FIG. 3, confirms what was said.

Claims

A multi-element resonant hydroacoustic antenna containing extended rod piezoelectric elements, side and rear screens, characterized in that, in order to increase efficiency, manufacturability and simplify the design, the cross section of the extended rod piezoelectric elements has a trapezoid shape, and the planes of the surfaces of adjacent extended rod piezoelectric faces facing each other coplanar, while extended rod piezoelectric elements are installed with alternating larger and smaller bases, and screens are made s reflective.