RU213214U1

RU213214U1 - High-frequency multi-element hydroacoustic antenna

Info

Publication number: RU213214U1
Application number: RU2022108141U
Authority: RU
Inventors: Сергей Николаевич Галий; Владимир Константинович Доля; Александр Анатольевич Панич
Filing date: 2022-03-28
Publication date: 2022-08-30

Abstract

Полезная модель относится к гидроакустической технике и может быть использована как в излучающих, так и приемоизлучающих антеннах гидролокаторов многолучевых эхолотов. Антенна содержит набор установленных на основании в ряд дуговых пьезоэлектрических элементов с электродами на внешней и внутренней поверхностях, подключенными к источнику рабочего напряжения и образующими активный и пассивный сегменты. Дуговые элементы выполнены из части пьезоэлектрического кольца, составляющего не более его половины. Каждый дуговой элемент имеет активный сегмент, образованный электродами, нанесенными на поверхности дугового элемента, и два пассивных сегмента, расположенные по краям симметрично относительно активного сегмента. Угловой размер активного сегмента равен ширине характеристики направленности антенны, а пассивный сегмент имеет линейный размер не менее длины волны в теле дугового пьезокерамического элемента. Дуговые элементы установлены в антенне с поворотом вдоль центральной оси каждого дугового элемента относительно предыдущего на угол, равный угловому размеру пассивного сегмента, и погружены в герметичный чехол из упругого полимера с образованием на рабочей поверхности дуговых элементов акустически прозрачного слоя, а на остальных их поверхностях образуют акустически непрозрачный слой, демпфирующий паразитные колебания дуговых пьезоэлектрических элементов. Разработанная антенна обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в упрощении конструкции и уменьшении массы и габаритов, возможности регулирования ширины секторной характеристики направленности антенны при высокой чувствительности в режиме приема и излучения. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

The utility model relates to hydroacoustic technology and can be used in both emitting and receiving antennas of sonar multibeam echo sounders. The antenna contains a set of arc piezoelectric elements installed on the base in a row with electrodes on the outer and inner surfaces, connected to the operating voltage source and forming active and passive segments. The arc elements are made of a part of the piezoelectric ring, which is not more than half of it. Each arc element has an active segment formed by electrodes deposited on the surface of the arc element, and two passive segments located at the edges symmetrically with respect to the active segment. The angular size of the active segment is equal to the width of the directivity characteristic of the antenna, and the passive segment has a linear size not less than the wavelength in the body of the arc piezoceramic element. The arc elements are installed in the antenna with rotation along the central axis of each arc element relative to the previous one by an angle equal to the angular size of the passive segment, and are immersed in a sealed cover made of an elastic polymer to form an acoustically transparent layer on the working surface of the arc elements, and on their other surfaces they form an acoustically transparent layer. an opaque layer damping parasitic vibrations of arc piezoelectric elements. The developed antenna provides the achievement of the technical result, which consists in simplifying the design and reducing the weight and dimensions, the possibility of adjusting the width of the sectoral directivity of the antenna at high sensitivity in the reception and emission mode. 5 z.p. f-ly, 4 ill.

Description

Полезная модель относится к гидроакустической технике и может быть использовано как в излучающих, так и приемоизлучающих антеннах гидролокаторов многолучевых эхолотов.The utility model relates to hydroacoustic technology and can be used in both emitting and receiving antennas of sonar multibeam echo sounders.

Из литературы известно, что существующие многоэлементные гидроакустические антенны изготавливают из набора независимых пьезоэлектрических преобразователей, установленных на общем основании (Подводные электроакустические преобразователи. Справочник. Под редакцией В.В. Богородского, Л., Судостроение, 1983, стр. 98-99).[1]. Указанные «классические» антенны для обеспечения широкой диаграммы направленности должны иметь характерный размер в плоскости формирования широкой характеристики направленности (ХН) меньше длины волны в воде. В частности, для обеспечения ХН порядка 90 градусов размер излучающего элемента должен быть менее половины длины волны в воде. Соответственно, излучаемое акустическое давление, пропорциональное площади излучения, будет малым. Известно, что величину раскрыва антенны можно существенно увеличить, выполняя антенну в виде дуги. В этом случае обеспечивается секторная ХН при значительном увеличении активного размера антенны. (М.Д. Смарышев. Направленность гидроакустических антенн.- Л., 1973) [2]. Поэтому антенну с широкой ХН следует изготавливать из набора дугообразных преобразователей.It is known from the literature that existing multi-element hydroacoustic antennas are made from a set of independent piezoelectric transducers installed on a common basis (Underwater electroacoustic transducers. Handbook. Edited by V.V. Bogorodsky, L., Shipbuilding, 1983, pp. 98-99). [ one]. These "classical" antennas to provide a wide radiation pattern should have a characteristic size in the plane of formation of a wide directional characteristic (XH) less than the wavelength in water. In particular, in order to provide a XH of the order of 90 degrees, the size of the radiating element must be less than half the wavelength in water. Accordingly, the emitted acoustic pressure, which is proportional to the radiation area, will be small. It is known that the size of the aperture of the antenna can be significantly increased by making the antenna in the form of an arc. In this case, sectoral HH is provided with a significant increase in the active size of the antenna. (M.D. Smaryshev. Directionality of hydroacoustic antennas. - L., 1973) [2]. Therefore, an antenna with a wide characteristic curve should be made from a set of arc-shaped transducers.

Из уровня техники известны многоэлементные гидроакустические антенны с широкой ХН (RU 2167496, МПК H04B 13|00, H04R 1|44 (2000.01), опубл.20.05.2001) [3], RU2303336, МПК H04R 1|44, H04R 17|00 (2000.01), опубл. 20.07.2007)[4], содержащие пьезоэлектрические преобразователи, установленные на общем основании цилиндрической формы. Такое решение позволяет формировать протяжённый единый дугообразный активный элемент, расположив пьезоэлектрические преобразователи на поверхности, близкой по форме к дугообразной. Такие антенны сложны в изготовлении, поскольку требуют высокоточного ориентирования одиночных преобразователей, что особенно затруднительно при работе в области высоких частот (более 200 кГц),а также обеспечения минимальных технологических «разбросов» электроакустических преобразователей. The prior art multi-element hydroacoustic antennas with a wide HN (RU 2167496, IPC H04B 13|00, H04R 1|44 (2000.01), publ. (2000.01), publ. 20.07.2007)[4] containing piezoelectric transducers mounted on a common cylindrical base. This solution makes it possible to form an extended single arcuate active element by placing piezoelectric transducers on a surface close in shape to an arcuate one. Such antennas are difficult to manufacture, since they require high-precision orientation of single transducers, which is especially difficult when operating in the high frequency region (more than 200 kHz), as well as ensuring minimal technological “scatter” of electroacoustic transducers.

Наиболее близким техническим решением по назначению и конструктивному выполнению к заявляемой полезной модели является высокочастотная многоканальная гидроакустическая антенна(RU 2440586, МПК G01S 7/521 (2006.01), H01Q1/00 (2006.01), опубл. 20.01.2012).[5], принимаемая за прототип. The closest technical solution in terms of purpose and design to the claimed utility model is a high-frequency multichannel hydroacoustic antenna (RU 2440586, IPC G01S 7/521 (2006.01), H01Q1 / 00 (2006.01), publ. 20.01.2012). [5], adopted for the prototype.

Антенна-прототип содержит установленные в ряд на общем цилиндрическом основании дуговые элементы, каждый из которых образует один канал, симметрично расположенные относительно центральной продольной оси, имеющие защитное покрытие и скрепленные тыльной поверхностью с основанием. Дуговые элементы выполнены в виде набора сплошных пьезоэлектрических колец, причём указанные пьезоэлектрические кольца по отношению к рабочей среде условно разбиты на два дуговых сегмента, первый из которых является активным дуговым элементом антенны, связанным с рабочей средой через акустически прозрачный полимер, а второй сегмент является пассивным, и окружен акустически непрозрачным полимером. Пульсирующие колебания пьезоэлектрических колец, для которых обеспечивается равенство колебаний скорости по всей наружной поверхности, через акустически прозрачный полимер передаются в рабочую среду только в секторе первого дугового сегмента, колебания которого не экранированы от воды. Поскольку пассивный сегмент окружен акустически непрозрачным полимером (экраном), пульсирующие колебания кольца в части второго пассивного сегмента в рабочую среду не передаются. Известное техническое решение позволяет на практике реализовать излучение дуговым элементом, варьируя размеры которого можно управлять ХН элемента и антенны в целом. Известная антенна сложна в изготовлении и имеет большие размеры. Указанные недостатки обусловлены следующими факторами. На практике сектор обзора многолучевого эхолота, как правило, не превышает 160 градусов. Поэтому большая часть пьезоэлектрического кольца не используется по прямому назначению и является пассивной. Следовательно, габариты антенны не менее чем в два раза (360 градусов/160 градусов) завышены относительно необходимого для функционирования активного сегмента. Кроме того, реализация акустических прозрачного и непрозрачного экранов, их сопряжение с остальными элементами конструкции антенны является технически сложной задачей.The prototype antenna contains arc elements installed in a row on a common cylindrical base, each of which forms one channel, symmetrically located relative to the central longitudinal axis, having a protective coating and fastened with the back surface to the base. The arc elements are made in the form of a set of solid piezoelectric rings, and these piezoelectric rings are conditionally divided into two arc segments in relation to the working medium, the first of which is an active arc element of the antenna connected to the working medium through an acoustically transparent polymer, and the second segment is passive, and surrounded by an acoustically opaque polymer. Pulsating oscillations of piezoelectric rings, for which the equality of velocity oscillations is ensured over the entire outer surface, are transmitted through an acoustically transparent polymer to the working medium only in the sector of the first arc segment, the oscillations of which are not shielded from water. Since the passive segment is surrounded by an acoustically opaque polymer (screen), the pulsating vibrations of the ring in the part of the second passive segment are not transmitted to the working medium. The well-known technical solution makes it possible in practice to implement radiation by an arc element, by varying the dimensions of which it is possible to control the characteristic curve of the element and the antenna as a whole. Known antenna is difficult to manufacture and has a large size. These shortcomings are due to the following factors. In practice, the sector of view of a multibeam echo sounder, as a rule, does not exceed 160 degrees. Therefore, most of the piezoelectric ring is not used for its intended purpose and is passive. Therefore, the dimensions of the antenna are at least twice (360 degrees / 160 degrees) overestimated relative to the active segment necessary for the operation. In addition, the implementation of acoustic transparent and opaque screens, their interface with other elements of the antenna design is a technically difficult task.

Техническим результатом заявляемой полезной модели является упрощение конструкции и уменьшение массы и габаритов высокочастотной многоэлементной гидроакустической антенны за счет исключения акустически прозрачных и акустически не прозрачных экранов и пассивной части кольца, а также исключение необходимости выполнения сложных технологических операций по их установке и юстировке, при сохранении возможности регулирования ширины секторной характеристики направленности антенны, широкой характеристики направленности и высокой чувствительности в режиме излучения и приема.The technical result of the claimed utility model is to simplify the design and reduce the weight and dimensions of a high-frequency multi-element hydroacoustic antenna by eliminating acoustically transparent and acoustically opaque screens and the passive part of the ring, as well as eliminating the need to perform complex technological operations for their installation and alignment, while maintaining the possibility of regulation the width of the sectoral directivity of the antenna, a wide directivity and high sensitivity in the mode of transmission and reception.

Указанный технический результат достигается тем, что высокочастотная многоэлементная гидроакустическая антенна включает расположенный в герметичном чехле набор установленных на основании в ряд дуговых пьезоэлектрических элементов с электродами на внешней и внутренней поверхностях, подключенными к источнику рабочего напряжения и образующими активный и пассивный сегменты.The specified technical result is achieved by the fact that the high-frequency multi-element hydroacoustic antenna includes a set of arc piezoelectric elements arranged in a row on the base with electrodes on the outer and inner surfaces, located in a sealed case, connected to the operating voltage source and forming active and passive segments.

Согласно полезной модели дуговые элементы выполнены из части пьезоэлектрического кольца, составляющего не более его половины, при этом каждый дуговой элемент имеет активный сегмент, образованный электродами, нанесенными на поверхности дугового элемента, и два пассивных сегмента, расположенные по краям симметрично относительно активного сегмента, при этом угловой размер активного сегмента равен ширине характеристики направленности антенны, а пассивный сегмент имеет линейный размер не менее длины волны в теле дугового пьезокерамического элемента, и дуговые элементы установлены в антенне с поворотом вдоль центральной оси каждого дугового элемента относительно предыдущего на угол, равный угловому размеру пассивного сегмента, причем дуговые элементы погружены в герметичный чехол из упругого полимера с образованием на рабочей поверхности дуговых элементов акустически прозрачного слоя, а на остальных их поверхностях с образованием акустически непрозрачного слоя, демпфирующего паразитные колебания дуговых пьезоэлектрических элементов.According to the utility model, the arc elements are made of a part of a piezoelectric ring, which is not more than half of it, while each arc element has an active segment formed by electrodes deposited on the surface of the arc element, and two passive segments located at the edges symmetrically with respect to the active segment, while the angular size of the active segment is equal to the width of the directivity characteristic of the antenna, and the passive segment has a linear size not less than the wavelength in the body of the arc piezoceramic element, and the arc elements are installed in the antenna with rotation along the central axis of each arc element relative to the previous one by an angle equal to the angular size of the passive segment , moreover, the arc elements are immersed in a sealed cover made of an elastic polymer with the formation of an acoustically transparent layer on the working surface of the arc elements, and on their other surfaces with the formation of an acoustically opaque layer damping parasitic swinging of arc piezoelectric elements.

В предпочтительных вариантах осуществления:In preferred embodiments:

- на торцы дугового элемента нанесены электроды для подключения к источнику рабочего напряжения;- electrodes are applied to the ends of the arc element for connection to the operating voltage source;

- герметичный чехол изготовлен методом литья упругого полимера в форму с установленными в ней дуговыми элементами;- the hermetic cover is made by casting an elastic polymer into a mold with arc elements installed in it;

- в качестве упругого полимера использован полиуретан;- polyurethane is used as an elastic polymer;

- толщина акустически прозрачного слоя на рабочей поверхности дугового элемента составляет 1,5-2,5 мм;- the thickness of the acoustically transparent layer on the working surface of the arc element is 1.5-2.5 mm;

- толщина акустически непрозрачного слоя составляет более 5 мм.- the thickness of the acoustically opaque layer is more than 5 mm.

Выполнение высокочастотной многоэлементной антенны из набора дуговых элементов, изготовленных из части пьезокерамического кольца с угловым размером не менее ширины характеристики диаграммы и содержащих активные и пассивные сегменты, сформированные электродами, приводит к значительному упрощению антенны и уменьшению ее массы и габаритов за счет исключения сложных конструктивных узлов – акустически прозрачных и акустически не прозрачных экранов, а также выполнения сложных технологических операций по их установке и юстировке. При этом сохраняется возможность регулирования ширины секторной характеристики направленности антенны в режиме излучения даже при самой широкой ХН в 160 градусов.The implementation of a high-frequency multi-element antenna from a set of arc elements made from a part of a piezoceramic ring with an angular size of at least the width of the diagram characteristic and containing active and passive segments formed by electrodes leads to a significant simplification of the antenna and a decrease in its mass and dimensions due to the elimination of complex structural units - acoustically transparent and acoustically opaque screens, as well as performing complex technological operations for their installation and adjustment. At the same time, the possibility of adjusting the width of the sectoral directional characteristic of the antenna in the radiation mode remains possible even with the widest XH of 160 degrees.

Выделение в дуговом элементе пассивного сегмента и реализация его механического контакта с демпфирующим узлом за счет поворота элемента на угол, равный угловому размеру пассивного сегмента как с торца, так и со стороны боковых поверхностей обеспечивает формированию колебаний дугового элемента близких к теоретически и необходимых для идеального дугового элемента, что и обеспечивает требуемую характеристику направленности.The isolation of the passive segment in the arc element and the implementation of its mechanical contact with the damping unit by rotating the element at an angle equal to the angular size of the passive segment both from the end and from the side surfaces provides the formation of oscillations of the arc element close to theoretically and necessary for an ideal arc element , which provides the required directional characteristic.

Наличие электродов на торцах дугового элемента облегчает доступ к электродам при пайке токовыводов.The presence of electrodes at the ends of the arc element facilitates access to the electrodes when soldering current leads.

Применение упругого полиуретана в слое толщиной 1,5-2,5 мм обеспечивает и герметизацию и звукопрозрачность. При толщине слоя более 5 мм затухание в полиуретане возрастает, что приводит к поглощению паразитных колебаний. Таким образом, использование в антенне полиуретана, в частности, СКУ ПФЛ-100 позволяет в процессе реализации одной технологической операции - заливки полиуретана в форму с установленными в ней дуговыми элементами - обеспечить простоту изготовления антенны.The use of elastic polyurethane in a layer 1.5-2.5 mm thick provides both sealing and sound transmission. With a layer thickness of more than 5 mm, the attenuation in polyurethane increases, which leads to the absorption of parasitic vibrations. Thus, the use of polyurethane in the antenna, in particular, SKU PFL-100, allows, in the process of implementing one technological operation - pouring polyurethane into a mold with arc elements installed in it - to ensure the simplicity of manufacturing the antenna.

Конструкция заявляемой высокочастотной многоэлементной антенны поясняется графическими материалами, приведенными ниже.The design of the inventive high-frequency multi-element antenna is illustrated by the graphics below.

Фиг.1 - дуговой элемент антенны, где а - вид спереди, б - вид сверху, Р - направление вектора поляризации в активном сегменте.Figure 1 - arc element of the antenna, where a - front view, b - top view, P - direction of the polarization vector in the active segment.

Фиг.2 - конструкция антенны, где а - вид спереди, б - вид сбоку.Figure 2 - design of the antenna, where a - front view, b - side view.

Фиг.3 - характеристика направленности антенны.Fig.3 - the directivity of the antenna.

Фиг.4 - частотная зависимость чувствительности в режиме излучения антенны.Fig.4 - frequency dependence of the sensitivity in the radiation mode of the antenna.

Каждый дуговой элемент, представленный на Фиг.1, состоит из части пьезоэлектрического кольца, имеющего угловой размер φ, толщину t и высоту h. Дуговой элемент содержит активный сегмент 1 и два пассивных сегмента 2, 3, расположенных по краям симметрично относительно активного сегмента 1, при этом угловой размер активного сегмента совпадает с шириной характеристики направленности антенны, а пассивный сегмент имеет линейный размер l не менее длины волны в теле дугового пьезокерамического элемента и дуговые элементы установлены в антенне с поворотом вдоль центральной оси каждого дугового элемента относительно предыдущего, равным углу пассивного сегмента φ _n. Активный сегмент 1 имеет угловой размер φ ₀ , а пассивные сегменты 2, 3 имеют угловой размер φ _n и линейный размер l. На внутренней и внешней поверхности дугового элемента нанесен электрод 4, а на внешней поверхности электрод 5. Пассивный сегмент 2 образован внешним электродом 5, который имеет продолжение на его торце, а пассивный сегмент 3 образован внутренним электродом 4, который имеет продолжение на его торце. К электродам на торцах дугового элемента припаяны токовыводы 6, 7 для подключения к источнику рабочего напряжения. Наличие электродов на торцах дугового элемента облегчает доступ к электродам при пайке токовыводов.Each arc element shown in Fig.1 consists of a part of a piezoelectric ring having an angular size φ , a thickness t and a height h . The arc element contains an active segment 1 and two passive segments 2, 3 located at the edges symmetrically with respect to the active segment 1, while the angular size of the active segment coincides with the width of the antenna directivity characteristic, and the passive segment has a linear size l not less than the wavelength in the body of the arc piezoceramic element and arc elements are installed in the antenna with rotation along the central axis of each arc element relative to the previous one, equal to the passive segment angle φ _n . The active segment 1 has an angular dimension φ ₀ , and the passive segments 2, 3 have an angular dimension φ _n and a linear dimension l . An electrode 4 is deposited on the inner and outer surfaces of the arc element, and an electrode 5 is applied on the outer surface. The passive segment 2 is formed by the outer electrode 5, which has a continuation at its end, and the passive segment 3 is formed by the inner electrode 4, which has a continuation at its end. Current leads 6, 7 are soldered to the electrodes at the ends of the arc element for connection to the operating voltage source. The presence of electrodes at the ends of the arc element facilitates access to the electrodes when soldering current leads.

Таким образом, часть дугового элемента, соответствующая угловому размеру φ ₀ имеет электроды и на внешней и на внутренней поверхности, образуя тем самым активный сегмент 1. Пассивный сегмент 2 имеет только один электрод на внешней и торцевой поверхностях дугового элемента, а пассивный сегмент 3 имеет только один электрод на внутренней и на торцевой поверхности.Thus, the part of the arc element corresponding to the angular size φ ₀ has electrodes both on the outer and inner surfaces, thereby forming the active segment 1. The passive segment 2 has only one electrode on the outer and end surfaces of the arc element, and the passive segment 3 has only one electrode on the inner and on the end surface.

На фиг.2а представлена конструкция антенны, вид спереди, содержащая установленные в ряд дуговые пьезокерамические элементы, установленные в антенне с поворотом вдоль центральной оси каждого дугового элемента относительно предыдущего на угол, равный угловому размеру пассивного сегмента. Активные сегменты 1 и пассивные сегменты 2, опираются на демпфирующую акустически непрозрачную часть 8 толщиной слоя более 5 мм, выполненном из слоя полиуретана марки СКУ ПФЛ-100. Толщина акустически прозрачного слоя 9 на рабочей поверхности дугового элемента составляет 1,5-2,5 мм, что обеспечивает герметизацию и акустическую прозрачность. Figure 2a shows the design of the antenna, front view, containing installed in a row arc piezoceramic elements installed in the antenna with rotation along the central axis of each arc element relative to the previous one by an angle equal to the angular size of the passive segment. Active segments 1 and passive segments 2 rest on a damping acoustically opaque part 8 with a layer thickness of more than 5 mm, made of a layer of polyurethane grade SKU PFL-100. The thickness of the acoustically transparent layer 9 on the working surface of the arc element is 1.5-2.5 mm, which ensures sealing and acoustic transparency.

При изготовлении гидроакустических антенн и преобразователей применяют специальные элементы конструкций, выполненные из упругих полимеров. Указанные элементы выполняют следующие функции:In the manufacture of hydroacoustic antennas and transducers, special structural elements made of elastic polymers are used. These elements perform the following functions:

а) герметизация антенны; б) обеспечивают необходимую пространственную ориентацию и закрепление преобразователей в антенне.a) sealing of the antenna; b) provide the necessary spatial orientation and fastening of the transducers in the antenna.

В первом случае герметизирующий слой должен пропускать акустический сигнал, генерируемый антенной, и защищать её от проникновения влаги.In the first case, the sealing layer must pass the acoustic signal generated by the antenna and protect it from moisture penetration.

Во втором случае элемент, на который устанавливается преобразователь, должен надёжно механически фиксировать преобразователь в пространстве и поглощать его паразитные колебания, в частности, поперечные колебания и колебания, отраженные от других узлов антенны. Известно (С. Н. Галий, В. К. Доля и др. Влияние конструктивных элементов высокочастотной гидроакустической линейной антенной решётки на параметры характеристики направленности. / Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики. Труды X1V Всероссийской конференции 2018. С.-Петербургский научный центр РАН, С.-Петербург, 2018г., с 142-145) [6], что состав полимера и его геометрические размеры существенно влияют на его акустические параметры. В частности, широко применяемый в гидроакустике полиуретан СКУ ПФЛ- 100, имеющий добротность порядка 3, обладает необходимыми для выполнения выше сформулированных функций. При применении его в слое толщиной 1,5-2,5 мм обеспечивает и герметизацию и звукопрозрачность. При больших размерах (более 5 мм) затухание в полиуретане возрастает, что приводит к поглощению паразитных колебаний. Таким образом, использование в антенне полиуретана СКУ ПФЛ-100 позволяет в процессе реализации одной технологической операции - заливки полиуретана в форму с установленными в ней дуговыми элементами - обеспечить простоту изготовления антенны. Дуговые элементы установлены в антенне с поворотом вдоль центральной оси каждого дугового элемента относительно предыдущего, равным угловому размеру φ _n пассивного сегмента.In the second case, the element on which the transducer is installed must reliably mechanically fix the transducer in space and absorb its parasitic vibrations, in particular, transverse vibrations and vibrations reflected from other antenna nodes. It is known (S. N. Galiy, V. K. Dolya et al. The influence of structural elements of a high-frequency hydroacoustic linear antenna array on the parameters of the directivity characteristic. / Applied technologies of hydroacoustics and hydrophysics. Proceedings of the X1V All-Russian Conference 2018. St. Petersburg Scientific Center of the Russian Academy of Sciences, St. Petersburg, 2018, pp. 142-145) [6], that the composition of the polymer and its geometric dimensions significantly affect its acoustic parameters. In particular, the polyurethane SKU PFL-100, which is widely used in hydroacoustics and has a quality factor of about 3, has the functions necessary to perform the above formulated functions. When applied in a layer with a thickness of 1.5-2.5 mm, it provides both sealing and sound transparency. At larger sizes (more than 5 mm), the attenuation in polyurethane increases, which leads to the absorption of parasitic vibrations. Thus, the use of polyurethane SKU PFL-100 in the antenna allows, in the process of implementing one technological operation - pouring polyurethane into a mold with arc elements installed in it - to ensure ease of manufacturing the antenna. The arc elements are installed in the antenna with rotation along the central axis of each arc element relative to the previous one, equal to the angular size φ _n of the passive segment.

На фиг.2б, представлена конструкция антенны, вид сбоку, где 1 - активный сегмент, 2, 3 - пассивные сегменты, на торцах которых припаяны токовыводы 6, 7 для подключения к источнику рабочего напряжения. On figb, shows the design of the antenna, side view, where 1 - active segment, 2, 3 - passive segments, at the ends of which are soldered current leads 6, 7 for connection to a source of operating voltage.

Размеры дугового элемента и его сегментов выбраны из следующих соображений. По заданной ширине φ ₀ характеристики направленности антенны выбирается угловой размер, равный φ ₀ активного сегмента. На его боковые поверхности в соответствии с угловыми размером φ ₀ наносятся электроды 4, 5. Линейный размер пассивных сегментов 2, 3 должен быть не менее длины волны в используемой пьезокерамике, т.е.

где

– скорость звука в пьезокерамике;

– частота излучения. Из простых вычислений следует, что участки

расширяют общий угловой размер φ дугового элемента на угол, занимаемый пассивным сегментом

где

– средний радиус дугового элемента (пьезоэлектрического кольца, из которого изготовлен дуговой элемент). Таким образом общий угловой размер дугового элемента должен быть не менее

Толщина t пьезоэлектрического элемента в силу равенства рабочей частоты частоте резонанса по толщине пьезоэлемента равна

Поэтому

. Высота дугового элемента h должна быть не более половины длинны волны в воде. Поскольку скорость звука в керамике больше скорости звука в воде практически в два раза, то высота элемента должна быть не более половины ширины

The dimensions of the arc element and its segments are chosen from the following considerations. According to the given width φ ₀ of the directivity of the antenna, the angular size equal to φ ₀ of the active segment is selected.

Electrodes

4, 5 are applied to its side surfaces in accordance with the angular size φ _0. The linear size of the

passive segments

2, 3 must be at least the wavelength in the piezoceramic used, i.e.

where

is the speed of sound in piezoceramics;

is the radiation frequency. From simple calculations it follows that the sections

expand the total angular size φ of the arc element by the angle occupied by the passive segment

where

- the average radius of the arc element (piezoelectric ring from which the arc element is made). Thus, the total angular size of the arc element must be at least

The thickness t of the piezoelectric element due to the equality of the operating frequency to the resonance frequency over the thickness of the piezoelectric element is equal to

That's why

. The height of the arc element h should be no more than half the wavelength in water. Since the speed of sound in ceramics is almost twice the speed of sound in water, the height of the element should be no more than half the width.

На фиг.3 приведена характеристика направленности каждого дугового элемента в составе антенны, измеренная на рабочей частоте 420 кГц.Figure 3 shows the directional characteristic of each arc element in the composition of the antenna, measured at an operating frequency of 420 kHz.

На фиг.4 – частотная характеристика чувствительности в режиме излучения. Анализ представленных экспериментальных результатов показывает, что предлагаемая антенна обеспечивает секторную характеристику направленности с заданным углом раскрытия 160 градусов для рабочей частоты 420 кГц, а также обеспечивает приемлемую, не более 3 дБ, неравномерность чувствительности в полосе частот порядка 15% относительно рабочей частоты. Таким образом, предлагаемая антенна выполняет свою основную функцию - излучение и приём акустического сигнала на высокой частоте и имеет широкую ХН при упрощении конструкции, уменьшении массы и габаритов.Figure 4 - the frequency response of the sensitivity in the radiation mode. An analysis of the presented experimental results shows that the proposed antenna provides a sectoral directivity characteristic with a given opening angle of 160 degrees for an operating frequency of 420 kHz, and also provides an acceptable, no more than 3 dB, sensitivity unevenness in the frequency band of about 15% relative to the operating frequency. Thus, the proposed antenna performs its main function - the emission and reception of an acoustic signal at a high frequency and has a wide frequency range while simplifying the design, reducing weight and dimensions.

Покажем, что описанная антенна обеспечивает требуемую ширину

характеристики направленности. Известно, что при возбуждении механических колебаний в пьезоэлектрическом дуговом элементе возникает набор механических волн: колебания вдоль толщины

(это основная полезная мода колебаний) и две поперечных волны (это паразитные колебания). Первая обусловлена колебаниями вдоль высоты дугового элемента, вторая в плоскости дугового элемента, перпендикулярно радиусу. Поскольку высота пьезоэлемента более чем в два раза меньше его ширины, резонансная частота колебаний по высоте более чем в два раза больше резонансной (рабочей) частоты по ширине. Поэтому колебаниями вдоль высоты можно пренебречь. Колебания в плоскости дуги перпендикулярно радиусу обусловлены отражениями от торцов дугового элемента и существенно влияют на характер колебаний на рабочей частоте. Поэтому в прототипе в качестве рабочего преобразователя используют замкнутое сплошное кольцо, т.е. тело, имеющее полную симметрию по углу

и не приводит к генерированию нежелательной паразитной моды колебаний. Для подавления отражений от торцов в предлагаемой конструкции реализовано механическое демпфирование колебаний пассивного сегмента дугового элемента, механически нагруженного на полиуретановый элемент конструкции. Большие потери в полиуретане обусловлены тем, что пассивный сегмент дугового элемента нагружен не только с его торца, но и со стороны боковых поверхностей. Последнее приводит к значительному возрастанию потерь в демпфирующем слое полиуретана за счет возбуждения в нем сдвиговых напряжений. Таким образом, выделение в дуговом элементе пассивного сегмента и реализация его механического контакта с демпфирующим узлом за счет поворота элемента на

как с торца, так и со стороны боковых поверхностей приводит к формированию колебаний дугового элемента близких к теоретически необходимых для идеального дугового элемента, что и обеспечивает требуемую характеристику направленности.Let us show that the described antenna provides the required width

directional characteristics. It is known that when mechanical oscillations are excited in a piezoelectric arc element, a set of mechanical waves arises: oscillations along the thickness

(this is the main useful mode of oscillation) and two transverse waves (these are parasitic oscillations). The first is due to fluctuations along the height of the arc element, the second in the plane of the arc element, perpendicular to the radius. Since the height of the piezoelectric element is more than two times less than its width, the resonant frequency of oscillations in height is more than twice the resonant (working) frequency in width. Therefore, fluctuations along the height can be neglected. Oscillations in the plane of the arc perpendicular to the radius are due to reflections from the ends of the arc element and significantly affect the nature of the oscillations at the operating frequency. Therefore, in the prototype, a closed solid ring is used as a working transducer, i.e. a body that is completely symmetrical in angle

and does not lead to the generation of an undesirable parasitic oscillation mode. To suppress reflections from the ends, the proposed design implements mechanical vibration damping of the passive segment of the arc element, mechanically loaded on the polyurethane structural element. Large losses in polyurethane are due to the fact that the passive segment of the arc element is loaded not only from its end, but also from the side surfaces. The latter leads to a significant increase in losses in the damping layer of polyurethane due to the excitation of shear stresses in it. Thus, the selection of a passive segment in the arc element and the implementation of its mechanical contact with the damping node due to the rotation of the element by

both from the end and from the side surfaces leads to the formation of oscillations of the arc element close to theoretically necessary for an ideal arc element, which provides the required directional characteristic.

Для проверки технического решения по настоящей заявке была изготовлена шестнадцати-элементная гидроакустическая антенна. Дуговые элементы были изготовлены из части пьезокерамического кольца из материала ЦТСБ-3 и имели следующие размеры: R=38 мм; t=4 мм; h=1,8 мм,

Активный и пассивные сегменты формировались методом вжигания электродов на внутреннюю и внешнюю поверхность заготовки дугового элемента и на его торцы. Затем полученную заготовку поляризовали путем подачи на электроды постоянного электрического поля напряженностью не менее 1000 В/мм и производили распайку токовыводов каждого дугового элемента для подключения к источнику рабочего напряжения. При сборке многоэлементной антенны дуговые элементы устанавливали в ряд в заливочной форме, которую заполняли подготовленным к полимеризации полиуретаном, н СКУ ПФЛ-100. После заливки происходит полимеризация (отверждение) полиуретана в режиме, обеспечивающем его адгезию к дуговому элементу. Установка дуговых элементов в заливочной матрице выполняется с взаимным смещением по углу каждого элемента относительно предыдущего. В частности, второй дуговой элемент смещен относительно центральной оси дуги на угол равный

. Как показано на фиг.2а - это поворот второго дугового элемента на угол

по часовой стрелке. Критерием обеспечения требуемого угла поворота является совмещение границы активного сегмента с плоскостью торца дугового элемента, который является свободным торцом пассивного сегмента. Следующий третий дуговой элемент устанавливается с поворотом на угол

против часовой стрелки, т.е. обеспечивается идентичная пространственная ориентация первого и третьего дуговых элементов. Следующий четвертый элемент устанавливается с поворотом на

по часовой стрелке, т.е. обеспечивается идентичная пространственная ориентация второго и четвертого элемента. В результате установка всех дуговых элементов антенны обеспечивает поочередный пространственный поворот рядом расположенных элементов на угол

.To test the technical solution according to the present application, a sixteen-element hydroacoustic antenna was manufactured. The arc elements were made from a part of a piezoceramic ring made of TsTSB-3 material and had the following dimensions: R = 38 mm; t =4 mm; h = 1.8 mm,

The active and passive segments were formed by burning electrodes onto the inner and outer surfaces of the arc element workpiece and onto its ends. Then, the resulting workpiece was polarized by applying a constant electric field of at least 1000 V/mm to the electrodes, and the current leads of each arc element were unsoldered for connection to a working voltage source. When assembling a multi-element antenna, arc elements were installed in a row in a casting mold, which was filled with polyurethane prepared for polymerization, n SKU PFL-100. After pouring, the polymerization (curing) of the polyurethane occurs in a mode that ensures its adhesion to the arc element. The installation of arc elements in the casting matrix is performed with a mutual offset in the angle of each element relative to the previous one. In particular, the second arc element is displaced relative to the central axis of the arc by an angle equal to

. As shown in figa - this is the rotation of the second arc element at an angle

clockwise. The criterion for providing the required angle of rotation is the alignment of the boundary of the active segment with the plane of the end of the arc element, which is the free end of the passive segment. The next third arc element is installed with rotation by an angle

counterclockwise, i.e. identical spatial orientation of the first and third arc elements is provided. The next fourth element is installed with a rotation of

clockwise, i.e. an identical spatial orientation of the second and fourth element is provided. As a result, the installation of all arc elements of the antenna provides an alternate spatial rotation of adjacent elements at an angle

.

Таким образом, достигается упрощение конструкции и уменьшение массы и габаритов высокочастотной многоэлементной гидроакустической антенны за счет исключения акустически прозрачных и акустически не прозрачных экранов и пассивной части кольца, а также исключение необходимости выполнения сложных технологических операций по их установке и юстировке, при сохранении возможности регулирования ширины секторной характеристики направленности антенны, широкой характеристики направленности и высокой чувствительности в режиме излучения.Thus, it is possible to simplify the design and reduce the weight and dimensions of a high-frequency multi-element hydroacoustic antenna by eliminating acoustically transparent and acoustically opaque screens and the passive part of the ring, as well as eliminating the need to perform complex technological operations for their installation and adjustment, while maintaining the ability to control the width of the sector antenna directivity characteristics, wide directivity and high sensitivity in radiation mode.

Работа антенны происходит следующим образом. При подаче электрического напряжения рабочей частоты на токовыводы 6, 7 дуговых элементов антенны в их поляризованной области, т.е. в активных сегментах 1 каждого элемента вдоль толщины t и вектора поляризации Р в силу закона пьезоэффекта возникают резонансные механические колебания. Одновременно с этими колебаниями на границе поляризованной и неполяризованных областях элементов – на границах активного и пассивных сегментов возникают поперечные затухающие колебания, которые распространяются в тело пассивных элементов, где происходит их затухание. Это затухание обусловлено двумя факторами: распространением колебаний в неполяризованной пьезокерамике, обладающей собственными потерями, а также дополнительным демпфированием колебаний в пассивных сегментах за счёт обеспечения торможения у торцов и боковых поверхностях пассивных сегментов полиуретаном. Последнее конструктивно обеспечено путём установки в антенне дуговых элементов с поочерёдным поворотом друг относительно друга на размер пассивного сегмента, что позволило значительно увеличить площадь соприкосновения пассивного сегмента и поглощающего колебания слоя полиуретана.The antenna works in the following way. When an electric voltage of the operating frequency is applied to the current leads 6, 7 of the arc elements of the antenna in their polarized region, i.e. in the active segments 1 of each element along the thickness t and the polarization vector P, due to the law of the piezoelectric effect, resonant mechanical vibrations arise. Simultaneously with these oscillations, at the border of the polarized and non-polarized regions of the elements - at the boundaries of the active and passive segments, transverse damped oscillations arise, which propagate into the body of the passive elements, where they are attenuated. This attenuation is due to two factors: the propagation of vibrations in non-polarized piezoceramics, which has its own losses, as well as additional damping of vibrations in the passive segments by providing deceleration at the ends and side surfaces of the passive segments with polyurethane. The latter is structurally provided by installing arc elements in the antenna with alternate rotation relative to each other by the size of the passive segment, which made it possible to significantly increase the contact area of the passive segment and the polyurethane layer absorbing vibrations.

Таким образом при подаче электрического сигнала на токовыводы 6, 7 в активных сегментах генерируются продольные механические колебания. Эти колебания через герметизирующий слой 9 передаются в рабочую среду, и антенна начинает излучать акустическое поле в среду, ограниченную зоной, конфигурация которой соответствует конфигурации активного сегмента. Следовательно, антенна начинает генерировать акустическое поле в пространственном угле, равном пространственному углу активного сегмента φ _0.Таким образом, задача формирования секторной диаграммы направленности с заданным пространственным углом φ ₀ решена. При этом технически сложные узлы – акустические экраны не используются.Thus, when an electrical signal is applied to the current leads 6, 7, longitudinal mechanical vibrations are generated in the active segments. These vibrations are transmitted through the sealing layer 9 to the working environment, and the antenna begins to radiate an acoustic field into the environment, limited by the zone, the configuration of which corresponds to the configuration of the active segment. Consequently, the antenna begins to generate an acoustic field in a spatial angle equal to the spatial angle of the active segment φ _0. Thus, the problem of forming a sector radiation pattern with a given spatial angle φ ₀ is solved. At the same time, technically complex units - acoustic screens are not used.

Источники информации:Sources of information:

1. Подводные электроакустические преобразователи. Справочник. Под редакцией В.В. Богородского, Л., Судостроение, 1983 г.1. Underwater electroacoustic transducers. Directory. Edited by V.V. Bogorodsky, L., Shipbuilding, 1983

2. М.Д. Смарышев. Направленность гидроакустических антенн.- Л., 1973г.2. M.D. Smaryshev. Directionality of hydroacoustic antennas. - L., 1973.

3. RU 2167496, МПК H04B 13|00, H04R 1|44 (2000.01), опубл.20.05.2001.3. RU 2167496, IPC H04B 13|00, H04R 1|44 (2000.01), publ. 20.05.2001.

4. RU 2303336, МПК H04R 1|44, H04R 17|00 (2000.01), опубл. 20.07.2007.4. RU 2303336, IPC H04R 1|44, H04R 17|00 (2000.01), publ. 07/20/2007.

5. RU 2440586, МПК G01S 7/521 (2006.01), H01Q1/00 (2006.01), опубл. 20.01.2012 – прототип.5. RU 2440586, IPC G01S 7/521 (2006.01), H01Q1/00 (2006.01), publ. 01/20/2012 - prototype.

6. С. Н. Галий, В. К. Доля и др. Влияние конструктивных элементов высокочастотной гидроакустической линейной антенной решётки на параметры характеристики направленности. / Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики. Труды X1V Всероссийской конференции 2018. С.-Петербургский научный центр РАН, С.-Петербург, 2018г., с 142-145.6. S. N. Galiy, V. K. Dolya et al. Influence of structural elements of a high-frequency hydroacoustic linear antenna array on the parameters of the directivity characteristic. / Applied technologies of hydroacoustics and hydrophysics. Proceedings of the X1V All-Russian Conference 2018. St. Petersburg Scientific Center of the Russian Academy of Sciences, St. Petersburg, 2018, pp. 142-145.

Claims

1. A high-frequency multi-element hydroacoustic antenna, which includes a set of arc piezoelectric elements located in a sealed case, installed on the base in a row with electrodes on the outer and inner surfaces, connected to an operating voltage source and forming active and passive segments, characterized in that the arc elements are made of part piezoelectric ring, which is not more than half of it, while each arc element has an active segment formed by electrodes deposited on the surface of the arc element, and two passive segments located at the edges symmetrically with respect to the active segment, while the angular size of the active segment is equal to the width of the directivity characteristic antenna, and the passive segment has a linear size not less than the wavelength in the body of the arc piezoceramic element, and the arc elements are installed in the antenna with rotation along the central axis of each arc element relative to the previous at an angle equal to the angular size of the passive segment, wherein the arc elements are immersed in a sealed cover made of an elastic polymer with the formation of an acoustically transparent layer on the working surface of the arc elements, and on their other surfaces with the formation of an acoustically opaque layer damping parasitic vibrations of the arc piezoelectric elements.

2. The antenna according to claim 1, characterized in that electrodes are applied to the ends of the arc element for connection to a source of operating voltage.

3. The antenna according to claim 1, characterized in that the hermetic cover is made by casting an elastic polymer into a mold with arc elements installed in it.

4. An antenna according to claim 1 or 3, characterized in that polyurethane is used as an elastic polymer.

5. The antenna according to claim 1 or 3, characterized in that the thickness of the acoustically transparent layer on the working surface of the arc element is 1.5-2.5 mm.

6. An antenna according to claim 1 or 3, characterized in that the thickness of the acoustically opaque layer is more than 5 mm.