RU2110888C1

RU2110888C1 - Преобразователь фазированной антенны для доплеровского лага

Info

Publication number: RU2110888C1
Application number: RU96117419A
Authority: RU
Inventors: Б.А. Касаткин
Original assignee: Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения РАН
Priority date: 1996-08-28
Filing date: 1996-08-28
Publication date: 1998-05-10

Abstract

Изобретение относится к прикладной акустике и может быть использовано при разработке антенны доплеровского лага. Преобразователь содержит корпус с внутренней полостью, в которой размещены упругая пластина, две круглые пьезокерамические пластины, токопроводящая пластина. На фронтальной поверхности одной из пьезокерамических пластин нанесен герметизирующий слой, образующий звукопрозрачное окно. Пьезокерамические пластины жестко соединены с токопроводящей пластиной. Пьезокерамические пластины выполнены разрезанными на 4 • N взаимно параллельных сегментов одинаковой ширины. Электрические шины соединяют соответствующие сегменты в каждой четвертке из полного набора 4 • N сегментов. Электрические тины подключены через антенные коммутаторы к соответствующим трансформаторам, расположенным либо в корпусе преобразователя, либо в отдельном электронном блоке. Преобразователь выполнен с меньшим технологическим разбросом параметров отдельных сегментов, что позволяет повысить направленность антенны, а, следовательно, улучшить точность измерения скорости доплеровским лагом с таким преобразователем. 6 ил.

Description

Изобретение относится к прикладной гидроакустике и может быть использовано при разработке антенны доплеровского лага.

Известен доплеровский лаг, имеющий в своем составе четырехмодульную антенну. Каждый модуль антенны содержит круглую пьезопластину, работающую на толщинной моде колебаний, которая формируют узконаправленный луч, ориентированный под углом ≈30^o к вертикали. Два луча антенны ориентированы в направлении нос-корма (схема Януса), два других - в перпендикулярном направлении [1] . Недостатком такого лага является необходимость иметь четыре отдельных приемоизлучающих модуля.

Известен также доплеровский лаг, имеющий в своем составе двухмодульную антенну. Преобразователь каждого модуля такой антенны формирует два луча, ориентированных под углом 30^o к вертикали либо в направлении нос-корма, либо в перпендикулярном направлении [2], а по принципу формирования характеристики направленности является фазированной антенной. Преобразователь физированной антенны содержит набор плоских прямоугольных пьезокерамических элементов (пластин) с фронтальными и тыльными поверхностями, поляризованных по толщине, совершающих противофазные колебания, изолирующие пластины, помещенные между пьезокерамическими элементами, упругую прокладку, жестко соединенную с тыльной поверхностью пьезокерамических элементов, цилиндрический корпус с внутренней полостью, в которую вставлены пьезокерамические элементы с упругой пластиной, герметизирующий слой, нанесенный на фронтальную поверхность пьезокерамических элементов и образующий звукопрозрачное окно.

Все пьезокерамические элементы параллельны друг другу и имеют общую фронтальную и тыльную поверхности, причем пластины ориентированы таким образом, что каждая антенная пара, поляризованная в положительном направлении, чередуется со смежной парой пьезокерамических элементов, поляризованных в отрицательном направлении, а расстояние между акустическими центрами соседних пьезокерамических элементов равны половине длины волны на рабочей частоте доплеровского сонара (лага).

Для электрического соединения электродов, нанесенных на фронтальную и тыльную поверхности пьезокерамических элементов, используются первая и вторая электрические шины, соединяющие пьезоэлементы нечетных номеров, третья и четвертая электрические шины, соединяющие пьезоэлементы четных номеров, через соответствующие антенные коммутаторы с источником возбуждения в режиме излучения или с предварительными усилителями в режиме приема.

Недостатками такого преобразователя являются: отклонение параметров фазированной антенны от расчетных значений, ухудшение характеристики направленности за счет неидентичности размеров и физических параметров отдельных пьезокерамических элементов и связанная с этим дополнительная погрешность измерения скорости.

Указанный преобразователь является наиболее близким к заявляемому техническому решению.

Целью изобретения является повышение направленности антенны и соответственно точности измерения скорости доплеровским лагом за счет большей идентичности геометрических и физических параметров пьезокерамических элементов преобразователя фазированной антенны.

Для достижения поставленной цели в преобразователь фазированной антенны для доплеровского лага, содержащий набор пьезокерамических элементов с фронтальными и тыльными поверхностями, совершающих противофазные колебания, изолирующие пластины, помещенные между пьезокерамическими элементами, упругую прокладку, жестко соединенную с тыльной поверхностью пьезокерамических элементов, цилиндрический корпус с внутренней полостью, в которую вставлены пьезокерамические элементы с упругой прокладкой, герметизирующий слой, нанесенный на фронтальную поверхность пьезокерамических элементов и образующий звукопрозрачное окно, первые и вторые электрические шины, соединяющие между собой электроды, нанесенные на фронтальные и тыльные поверхности пьезокерамических элементов четных и нечетных номеров, источник возбуждения, антенные коммутаторы и предварительные усилители, введены первый трансформатор с симметричным выходом, первичная обмотка которого подключена к источнику возбуждения, второй и третий трансформаторы с симметричными входами, вторичные обмотки которых подключены ко входам предварительных усилителей, набор пьезокерамических элементов выполнен в виде круглых поляризованных по толщине пьезокерамических пластин одинаковых размеров, жестко соединенных одноименными относительно направления поляризации поверхностями с противоположными поверхностями круглой токопроводящей пластины толщиной 0,5 - 1,0 мм, пьезокерамические пластины выполнены размерами на 4•N взаимно параллельных сегментов одинаковой ширины, симметрично распложенных относительно токопроводящей пластины, наружные электроды которых электрически соединены попарно, наружные электроды первых, вторых, третьих и четвертых пьезокерамических элементов каждой четверки элементов объединены первой, второй, третьей и четвертой электрическими шинами соответственно, первая и вторая шины через соответствующие антенные коммутаторы подключены в режиме излучения к одному концу выходной обмотки первого трансформатора, а третья и четвертая шины через соответствующие антенные коммутаторы подключены в режиме излучения к противофазному концу выходной обмотки первого трансформатора. В режиме приема первая и третья электрические шины подключены к первой и третьей симметричным входным обмоткам второго трансформатора, а вторая и четвертая шины - ко второй и четвертой обмоткам третьего трансформатора. Выходные обмотки второго и третьего трансформаторов соединены со входами первого и второго предварительных усилителей. Средние точки выходной обмотки первого трансформатора и входных обмоток второго и третьего трансформаторов соединены с токопроводящей пластиной, а отношение толщины пьезокерамической пластины h к расстоянию между акустическими центрами сегментов 1 определяется соотношением h/1 = c_k/2c_в (c_k, c_в - скорость звука в пьезокерамике в воде соответственно).

Технология выполнения отделенных пьезокерамических сегментов активного элемента преобразователя фазированной антенны из цельных круглых пьезопластин, например, путем их разрезания, позволяет обеспечить лучшую идентичность их размеров и физических параметров, а в конечном счете улучшить направленность антенны доплеровского лага и его точностные характеристики.

Для получения противофазного распределения колебаний соответствующих сегментов активного элемента преобразователя фазированной антенны без изменения направления их поляризации в предлагаемом изобретении использовано их подключение к противофазным концам симметричной выходной обмотки первого трансформатора, первичная обмотка которого включена в цепь источника возбуждения. Аналогичным образом в режиме приема возбуждаемые падающей звуковой полной противофазные колебания соответствующих сегментов активного элемента преобразователя фазированной антенны подключаются к противофазным концам симметричных обмоток второго и третьего трансформаторов, выходные обмотка которых подключены ко входу первого и второго предварительных усилителей.

На фиг. 1 показан разрез преобразователя (трансформаторы не показаны); на фиг. 2 - вид сверху активного элемента преобразователя; на фиг. 3 - вид активного элемента преобразователя в аксонометрии с поперечным размером; на фиг. 4 - попарное соединение наружных поверхностей пьезокерамических сегментов (n, n'), двух пластин, подключенных к соответствующим шинам 10', 22', 33', 44', на фиг. 5 - электрическая схема подключения шин через соответствующие антенные коммутаторы A1-4 к выходным симметричным обмоткам первого трансформатора в режиме излучения и к входным обмоткам 1, 3 второго трансформатора и к обмоткам 2, 4 третьего трансформатора в режиме приема; на фиг. 6 поясняется формирование двух лучей доплеровского лага в плоскости нос-корма в направлениях, для которых разность хода между соседними лучами, соответствующими соседним сегментам, составляет четверть длины волны.

Преобразователь содержит корпус 1 с внутренней полостью, в которой размещены упругая пластина 2, две круглые пьезокерамические пластины 3, токопроводящая пластины 4. На фронтальной поверхности пьезокерамической пластины 3 нанесен герметизирующий слой 5, образующий звукопрозрачное окно. Пьезокерамические пластины 3 жестко соединены с пластиной 4, которая изготовлена, например, из латуни толщиной 0,5 - 1,0 мм, это необходимо для обеспечения электрического соединения одноименных относительно вектора поляризации поверхности пьезокерамических пластин. Пьезокерамические пластины 3 выполнены разрезанными (см. фиг. 3) на 4•N взаимно параллельных сегментов одинаковой ширины. Пьезокерамические сегменты образуют активный элемент преобразователя фазированной антенны, в которой постоянство расстояний между акустическими центрами отдельных сегментов обеспечено с высокой точностью. Электрические шины 11', 22', 33' и 44' соединяют соответствующие сегменты 1-4 в каждой четверке из полного набора 4•N сегмента. Электрические шины подключены через антенные коммутаторы к соответствующим трансформаторам, расположенным либо в корпусе преобразователя, либо в отдельном электронном блоке.

Преобразователь работает следующим образом. В режиме излучения напряжение с выходной обмотки первого трансформатора подается через антенные коммутаторы и соответствующие электрические шины на отдельные сегменты активного элемента преобразователя, возбуждая в них колебания, причем фаза колебаний сегментов, подключенных к шинам 11', 22', противоположна фазе колебаний элементов, подключенных к шинам 33', 44'. При таком чередовании фазы колебаний формируется двухлучевая характеристика направленности.

Обычно в доплеровском лаге расстояние между соседними элементами в антенне составляет половину длины волны, тогда угол излучения θ = 30^° .

В режиме приема падающая под углом θ звуковая волна возбуждает в пьезокерамическом сегменте противофазные колебания с тем же чередованием фазы, что и в режиме излучения. Соответствующие им электрические сигналы синфазно суммируются на выходе трансформаторов Тр.2, Тр.3, подключенных к входу соответствующих предварительных усилителей ПУ1, ПУ2. Разделение лучей, носового и кормового, осуществляется с помощью схемы суммирования с поворотом на 90^o одного из сигналов, как показано на фиг. 6.

При работе на толщинном резонансе пьезокерамических сегментов, который определяется толщинным размером 2h, и при выполнении соотношения h/1 = с_k/C_в (с_k, C_в - скорость звука в пьезокерамике и воде соответственно), угол излучения составляет примерно 30^o, а расстояние между смежными пьезокерамическими сегментами составляет половину длины волны.

Таким образом, в сравнении с прототипом, в заявленном изобретении преобразователь фазированной антенны выполнен с меньшим технологическим разбросом параметров отдельных сегментов, что позволяет повысить направленность антенны, а, следовательно, улучшить точность измерения скорости доплеровским лагом с таким преобразователем.

Источники:
1. Милн П.Х. Гидроакустические системы позиционирования. Л.: Судостроение, 1989, с.87-88.

2. Патент США N 4641291 от 03.02.87 г.

Claims

Преобразователь фазированной антенны для доплеровского лага, содержащий набор пьезокерамических элементов с фронтальными и тыльными поверхностями, совершающих противофазные колебания, изолирующие пластины, помещенные между пьезокерамическими элементами, упругую пластину, жестко соединенную с тыльной поверхностью пьезокерамических элементов, цилиндрический корпус с внутренней полостью, в которую вставлены пьезокерамические элементы с упругой прокладкой, герметизирующий слой, нанесенный на фронтальную поверхность пьезокерамических элементов и образующий звукопрозрачное окно, первые и вторые электрические шины, соединяющие между собой электроды, нанесенные на фронтальные и тыльные поверхности пьезокерамических элементов четных и нечетных номеров, источники возбуждения, антенные коммутаторы и предварительные усилители, отличающийся тем, что в него введены первый трансформатор с симметричным выходом, первичная обмотка которого подключена к источнику возбуждения, второй и третий трансформаторы с симметричными входами, вторичные обмотки которых подключены к входам предварительных усилителей, набор пьезокерамических элементов выполнен в виде двух круглых поляризованных по толщине пьезокерамических пластин одинаковых размеров, жестко соединенных одноименными относительно направления поляризации поверхностями с противоположными поверхностями круглой токопроводящей пластины толщиной 0,5 - 1,0 мм, пьезокерамические пластины выполнены разрезанными на 4 • N взаимно параллельных сегментов одинаковой ширины, симметрично расположенных относительно токопроводящей пластины, наружные электроды которых электрически соединены попарно, причем наружные электроды первых - четвертых пьезокерамических элементов каждой четверки элементов объединены первой - четвертой электрическими шинами соответственно, первая и вторая электрические шины через соответствующие антенные коммутаторы подключены в режиме излучения к одному концу выходной обмотки первого трансформатора, а третья и четвертая электрические шины через соответствующие антенные коммутаторы подключены в режиме излучения к противоположному концу выходной обмотки первого трансформатора, первая и третья электрические шины подключены в режиме приема к первой и третьей симметричным входным обмоткам второго трансформатора, вторая и четвертая электрические шины подключены в режиме приема к второй и четвертой симметричным входным обмоткам третьего трансформатора, выходные обмотки второго и третьего трансформаторов соединены с входами первого и второго предварительных усилителей, средние точки выходной обмотки первого трансформатора и входных обмоток второго и третьего трансформаторов соединены с токопроводящей пластиной, а отношение толщины h пьезокерамической пластины к расстоянию l между акустическими центрами сегментов определяется соотношением h/l = c_k / 2c_b (c_k, c_b - скорость звука в пьезокерамике и воде соответственно).