RU2757358C1 - Broadband hydroacoustic antenna - Google Patents
Broadband hydroacoustic antenna Download PDFInfo
- Publication number
- RU2757358C1 RU2757358C1 RU2020139680A RU2020139680A RU2757358C1 RU 2757358 C1 RU2757358 C1 RU 2757358C1 RU 2020139680 A RU2020139680 A RU 2020139680A RU 2020139680 A RU2020139680 A RU 2020139680A RU 2757358 C1 RU2757358 C1 RU 2757358C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- frequency
- transducers
- range
- transducer
- bending
- Prior art date
Links
- 238000005452 bending Methods 0.000 claims abstract description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 5
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 9
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 9
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims description 8
- 239000012736 aqueous medium Substances 0.000 claims description 6
- 229920002635 polyurethane Polymers 0.000 claims description 4
- 239000004814 polyurethane Substances 0.000 claims description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 2
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 abstract 1
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 3
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000002609 medium Substances 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 230000003534 oscillatory effect Effects 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 239000004591 urethane sealant Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
- H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к созданию гидроакустических антенн, предназначенных для работы в составе гидроакустических средств подводных автономных аппаратов и других систем.The invention relates to the field of hydroacoustics, namely to the creation of hydroacoustic antennas designed to work as part of hydroacoustic means of autonomous underwater vehicles and other systems.
Разработка широкополосных гидроакустических антенн связана с решением комплекса вопросов одновременного обеспечения взаимоисключающих требований, таких как - высокие уровни излучения и КПД в широкой полосе частот, устойчивость к внешним воздействующим факторам, минимизацию массогабаритных характеристик, что особенно важно для многоэлементных антенн гидроакустических приемоизлучающих систем морского подводного оружия и автономных подводных аппаратов.The development of broadband hydroacoustic antennas is associated with solving a set of issues of simultaneous provision of mutually exclusive requirements, such as high levels of radiation and efficiency in a wide frequency band, resistance to external influences, minimization of weight and size characteristics, which is especially important for multi-element antennas of hydroacoustic receiving and receiving systems of marine underwater weapons and autonomous underwater vehicles.
В большинстве конструкций антенн используемые преобразователи герметизируются со стороны рабочей поверхности звукопрозрачной резиной, вулканизованной на металлическом корпусе, а между резиной и преобразователями введен слой полиуретана, обеспечивающий акустический контакт преобразователя с резиной и водной средой (см. Л.В. Орлов, А.А. Шабров. Гидроакустическая аппаратура рыбопромыслового флота. Ленинград, Судостроение. 1987, с. 212). Такие конструкции могут обеспечить полосу пропускания не более 10-12% в диапазоне частот, определяемом механической добротностью пьезокерамических преобразователей, комплектующих антенну.In most antenna designs, the used transducers are sealed from the side of the working surface with sound-transparent rubber vulcanized on a metal casing, and a polyurethane layer is introduced between the rubber and the transducers, which provides acoustic contact of the transducer with rubber and an aqueous medium (see L.V. Orlov, A.A. Shabrov. Hydroacoustic equipment of the fishing fleet. Leningrad, Shipbuilding. 1987, p. 212). Such designs can provide a bandwidth of no more than 10-12% in the frequency range determined by the mechanical Q-factor of piezoceramic transducers that complete the antenna.
Известны конструкции гидроакустических антенн, в которых для расширения полосы пропускания вводятся дополнительные согласующие элементы в виде четвертьволнового слоя, или в виде системы слоев, размещаемой между пьезокерамическими преобразователями (см. патент РФ №2303336), и наружным герметизирующим слоем (покрытием). Такие конструкции гидроакустических многоэлементных антенн имеют значительные продольные габариты и массу. Кроме того, в случае использования общей накладки или общего согласующего слоя достаточной жесткости, происходит взаимная завязка пьезокерамических преобразователей, что ограничивает возможности их использования в широкополосных фазированных многолучевых (компенсированных) антеннах.Known designs of hydroacoustic antennas, in which to expand the bandwidth, additional matching elements are introduced in the form of a quarter-wave layer, or in the form of a system of layers placed between piezoceramic transducers (see RF patent No. 2303336) and an outer sealing layer (coating). Such designs of multi-element hydroacoustic antennas have significant longitudinal dimensions and weight. In addition, in the case of using a common patch or a common matching layer of sufficient rigidity, piezoceramic transducers are interconnected, which limits the possibilities of their use in broadband phased multi-beam (compensated) antennas.
Увеличить полосу пропускания антенны до одной октавы без увеличения продольного габарита можно за счет использования в ней широкополосных гидроакустических пьезокерамических преобразователей стержневого типа с изгибно-колеблющимися рабочими накладками, (см. патенты РФ №2071184; 2147797). В этих конструкциях рабочая накладка выполняется таким образом, чтобы резонансная частота изгибных колебаний накладки составляла f=(0,6-0,8)×f1 где f1 - частота полуволнового резонанса стержневого активного элемента. Такой стержневой преобразователь, совершающий продольные колебания, и рабочая накладка, имеющая изгибные колебания, образуют связанную двухмодовую колебательную систему с рабочей полосой частот порядка октавы в диапазоне частот f=(0,5-1,0)×f1.It is possible to increase the antenna bandwidth to one octave without increasing the longitudinal dimension by using in it broadband hydroacoustic piezoceramic rod-type transducers with flexural-vibrating working pads (see RF patents No. 2071184; 2147797). In these designs, the working pad is made in such a way that the resonant frequency of bending vibrations of the pad was f = (0.6-0.8) × f 1 where f 1 is the half-wave resonance frequency of the rod active element. Such a rod transducer performing longitudinal vibrations and an operating pad having bending vibrations form a coupled two-mode oscillatory system with an operating frequency band of the order of an octave in the frequency range f = (0.5-1.0) × f 1 .
Недостатком таких преобразователей является увеличенный поперечный размер (диаметр) рабочей накладки по сравнению с полуволновым (в водной среде), что недопустимо для антенн, у которых для уменьшения взаимного влияния и уровня бокового поля характеристик направленности межцентровые расстояния выбираются близкими к половине длины волны звука в водной среде.The disadvantage of such transducers is the increased transverse size (diameter) of the working pad compared to half-wave (in water), which is unacceptable for antennas in which, to reduce the mutual influence and the level of the lateral field of directivity characteristics, the center-to-center distances are chosen close to half the wavelength of sound in water. environment.
Кроме того, эффективного согласования преобразователя с водной средой, (когда обеспечивается идеальная частотная характеристика с рабочей полосой порядка октавы) удается достигнуть при непосредственном контакте поверхности изгибно-колеблющейся рабочей накладки преобразователя со средой, что недостижимо при его работе в составе реальной конструкции антенного устройства с наружным герметизирующим покрытием со стороны рабочей поверхности. Выбирая материалы покрытия, можно минимизировать сдвиговые потери, которые приводят к недопустимому демпфированию колебаний изгиба рабочих накладок при передаче в водную среду.In addition, effective matching of the transducer with an aqueous medium (when an ideal frequency response with a working band of the order of an octave is provided) can be achieved by direct contact of the surface of the flexural-vibrating working pad of the transducer with the medium, which is unattainable when it works as part of a real design of an antenna device with an external a sealing coating on the side of the working surface. By choosing coating materials, it is possible to minimize shear losses, which lead to unacceptable damping of the bending vibrations of the working pads when transferred to the aquatic environment.
Известна конструкция гидролокационной антенны с полимерным покрытием (см. патент РФ №2528142 - прототип), содержащая пьезокерамические элементы и имеющая наружный герметизирующий слой со стороны ее рабочей поверхности, выполненный из полиуретана, в которой между наружным герметизирующим слоем и рабочей поверхностью пьезокерамических элементов введено дополнительное покрытие, выполненное из уретанового герметика, обладающего сдвиговыми потерями, что приводит к расширению полосы пропускания за счет снижения механической добротности колебательной системы. Это позволяет достигнуть расширения полосы частотной характеристики до 15-20%, но при этом существенно снижаются КПД системы и уровень излучения.The known design of a sonar antenna with a polymer coating (see RF patent No. 2528142 - prototype), containing piezoceramic elements and having an outer sealing layer on the side of its working surface, made of polyurethane, in which an additional coating is introduced between the outer sealing layer and the working surface of the piezoceramic elements , made of a urethane sealant with shear losses, which leads to an increase in the bandwidth due to a decrease in the mechanical Q-factor of the oscillating system. This makes it possible to achieve an expansion of the frequency response band up to 15-20%, but at the same time the efficiency of the system and the level of radiation are significantly reduced.
В этом варианте вносимые в систему потери являются положительным фактором. При необходимости дальнейшего расширения полосы пропускания и использования двухмодовой механической системы преобразователя, работающего на продольно-изгибных колебаниях за счет связанных колебаний основной продольной моды стержневого преобразователя и его изгибно-колеблющейся рабочей накладки, вносимые сдвиговые потери прилегающего к рабочей накладке слоя являются отрицательным фактором.In this case, the losses introduced into the system are a positive factor. If it is necessary to further expand the bandwidth and use a two-mode mechanical system of the transducer operating on buckling vibrations due to coupled vibrations of the main longitudinal mode of the rod transducer and its flexurally vibrating working pad, the introduced shear losses of the layer adjacent to the working pad are a negative factor.
Задачей настоящего изобретения является создание конструкции гидроакустической антенны, обеспечивающей работу стержневых пьезокерамических преобразователей с изгибно-колеблющимися рабочими накладками в полосе частот не менее октавы за счет оптимального согласования с водной средой путем создания двугорбой частотной характеристики без подавления резонанса изгибных колебаний.The objective of the present invention is to create a hydroacoustic antenna design that ensures the operation of rod piezoceramic transducers with bending-vibrating working pads in a frequency band of at least an octave due to optimal matching with an aqueous medium by creating a two-humped frequency response without suppressing bending vibration resonance.
Технический результат изобретения заключаются в расширении рабочей полосы частот антенны при сохранении удельной акустической мощности и КПД.The technical result of the invention consists in expanding the operating frequency band of the antenna while maintaining the specific acoustic power and efficiency.
Технический результат достигается тем, что промежуточный слой, расположенный на поверхности, образованной изгибно-колеблющимися рабочими накладками пьезокерамических составных преобразователей стержневого типа, выполнен из материала с малым коэффициентом сдвиговых потерь толщиной в интервале от 0,1 до 0,3 длины волны звука в нем, при этом частота fи резонанса преобразователя, обусловленного их изгибными колебаниями в водной среде, должна быть в диапазоне fи=(1,7-1,9)×f0, где f0 - частота основного продольного резонанса преобразователя.The technical result is achieved by the fact that the intermediate layer located on the surface formed by the bending-vibrating working pads of piezoceramic composite rod-type transducers is made of a material with a low shear loss coefficient with a thickness in the range from 0.1 to 0.3 of the sound wavelength in it, in this case, the frequency f and the resonance of the transducer, due to their bending vibrations in an aqueous medium, should be in the range f and = (1.7-1.9) × f 0 , where f 0 is the frequency of the main longitudinal resonance of the transducer.
Сущность изобретения поясняется на фигуре «Конструктивная схема широкополосной гидроакустической антенны».The essence of the invention is illustrated in the figure "Structural diagram of a broadband hydroacoustic antenna".
Широкополосная гидроакустическая антенна содержит набор составных пьезокерамических преобразователей (4) стержневого типа, между изгибно-колеблющимися рабочими накладками (3) которых и наружным герметизирующим покрытием (1) из звукопрозрачного полиуретана помещен промежуточный слой (2), выполненный из материала, обладающего малыми сдвиговыми потерями. С тыльной стороны антенны пьезопреобразователи устанавливаются элементами крепления через промежуточную плату (5) на силовой корпус (6). Электрические монтажные провода пьезопреобразователей распаяны на промежуточную плату (5) с последующим выводом на кабель (7).The broadband hydroacoustic antenna contains a set of composite piezoceramic transducers (4) of the rod type, between the bending-vibrating working pads (3) of which and the outer sealing coating (1) of sound-transparent polyurethane there is an intermediate layer (2) made of a material with low shear losses. On the rear side of the antenna, the piezoelectric transducers are installed with fastening elements through the intermediate plate (5) on the power housing (6). The electrical mounting wires of the piezoelectric transducers are soldered to the intermediate board (5) with subsequent output to the cable (7).
Функционирование антенны осуществляется следующим образом.The antenna functions as follows.
В динамическом режиме антенна осуществляет излучение и прием сигналов преобразователями (4) путем передачи колебаний рабочими накладками (3) через промежуточный слой (2) с герметизирующим покрытием (1). Наилучший результат достигается, если размеры накладок (3) преобразователей (4) выбираются из условия, чтобы частота fи резонанса, обусловленного изгибными колебаниями в водной среде, лежала в диапазоне fи=(1,7-1,9)×f0, где f0 - частота основного продольного резонанса преобразователя. В этом случае обеспечивается рабочий диапазон антенны с полосой частот не менее октавы.In dynamic mode, the antenna emits and receives signals by transducers (4) by transmitting vibrations by working pads (3) through an intermediate layer (2) with a sealing coating (1). The best result is achieved if the dimensions of the overlays (3) of the transducers (4) are selected from the condition that the frequency f and resonance caused by bending vibrations in an aqueous medium lie in the range f and = (1.7-1.9) × f 0 , where f 0 is the frequency of the main longitudinal resonance of the transducer. In this case, the operating range of the antenna is provided with a frequency band of at least an octave.
В описанной выше конструкции антенного устройства реализованы все отличительные признаки, благодаря которым и достигается заявленный положительный эффект, а именно: обеспечение эффективного излучения в полосе частот порядка октавы. Такие антенны могут быть реализованы для гидроакустических средств подводных автономных аппаратов и других систем работающих в интервале частот 5…50 кГц.In the above-described design of the antenna device, all the distinctive features are implemented, due to which the claimed positive effect is achieved, namely: ensuring effective radiation in a frequency band of the order of an octave. Such antennas can be implemented for hydroacoustic means of autonomous underwater vehicles and other systems operating in the
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020139680A RU2757358C1 (en) | 2020-12-01 | 2020-12-01 | Broadband hydroacoustic antenna |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020139680A RU2757358C1 (en) | 2020-12-01 | 2020-12-01 | Broadband hydroacoustic antenna |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2757358C1 true RU2757358C1 (en) | 2021-10-14 |
Family
ID=78286350
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020139680A RU2757358C1 (en) | 2020-12-01 | 2020-12-01 | Broadband hydroacoustic antenna |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2757358C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU211686U1 (en) * | 2022-03-25 | 2022-06-17 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" | Piezoelectric transducer for multi-element hydroacoustic antenna |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2071184C1 (en) * | 1993-12-22 | 1996-12-27 | Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения РАН | Wide-pulse hydroacoustic emitter |
| RU2267235C1 (en) * | 2004-05-19 | 2005-12-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Таганрогский завод "Прибой" | Broadband electro-acoustic transformer |
| RU2303336C1 (en) * | 2005-12-26 | 2007-07-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Морфизприбор" | Hydro-acoustic multi-element antenna and piezo-electric rod transformer for such an antenna |
| RU2393645C1 (en) * | 2009-06-09 | 2010-06-27 | Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный университет | Broadband hydroacoustic transducer |
| RU2528142C1 (en) * | 2013-05-07 | 2014-09-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг) | Polymer-coated sonar phased antenna array |
| RU2647992C1 (en) * | 2016-11-21 | 2018-03-21 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг) | Deep-water broadband hydroacoustic transducer |
-
2020
- 2020-12-01 RU RU2020139680A patent/RU2757358C1/en active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2071184C1 (en) * | 1993-12-22 | 1996-12-27 | Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения РАН | Wide-pulse hydroacoustic emitter |
| RU2267235C1 (en) * | 2004-05-19 | 2005-12-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Таганрогский завод "Прибой" | Broadband electro-acoustic transformer |
| RU2303336C1 (en) * | 2005-12-26 | 2007-07-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Морфизприбор" | Hydro-acoustic multi-element antenna and piezo-electric rod transformer for such an antenna |
| RU2393645C1 (en) * | 2009-06-09 | 2010-06-27 | Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный университет | Broadband hydroacoustic transducer |
| RU2528142C1 (en) * | 2013-05-07 | 2014-09-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг) | Polymer-coated sonar phased antenna array |
| RU2647992C1 (en) * | 2016-11-21 | 2018-03-21 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг) | Deep-water broadband hydroacoustic transducer |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU211686U1 (en) * | 2022-03-25 | 2022-06-17 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" | Piezoelectric transducer for multi-element hydroacoustic antenna |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4706230A (en) | Underwater low-frequency ultrasonic wave transmitter | |
| CN101964185B (en) | Ultra-wideband underwater acoustic transducer | |
| CN103841499B (en) | One kind application is prestressed to stack piezoelectric circular transducer | |
| CN101909230A (en) | Broadband underwater acoustic transducer using composite material of metal, piezoelectric ceramics and polymer | |
| CN104217710A (en) | 32-mode monocrystal longitudinal vibration transducer and manufacturing method | |
| CN105702243B (en) | Double-shell series IV-type flextensional transducer | |
| US8780674B2 (en) | Acoustic wave transducer and sonar antenna with improved directivity | |
| CA2962492C (en) | Omnidirectional antenna | |
| RU2757358C1 (en) | Broadband hydroacoustic antenna | |
| CN101718869B (en) | Planar acoustic array with wideband and super-wide covering property | |
| KR102267439B1 (en) | Wide band tonpilz type transducer | |
| CN110639784B (en) | Low-frequency narrow-beam transducer, transduction method and application | |
| US20210389440A1 (en) | Acoustic transmitting antenna | |
| US7542378B2 (en) | Electroacoustic transducer arrangement for underwater antennas | |
| RU2536782C1 (en) | Hydroacoustic directional waveguide converter | |
| US7535801B1 (en) | Multiple frequency sonar transducer | |
| RU2267866C1 (en) | Hydro-acoustic rod-type transformer | |
| CN107274877B (en) | Phase inversion type deep sea bending and stretching underwater acoustic transducer | |
| RU2712924C1 (en) | Electroacoustic non-directional transducer | |
| US8817575B1 (en) | Transducer for high pressure environment | |
| KR20010092834A (en) | Sonic piezoelectric ceramic transducer | |
| RU2583131C1 (en) | Hydroacoustic broadband converter | |
| RU196335U1 (en) | LONG-BENDING HYDROACOUSTIC CONVERTER | |
| RU2270533C2 (en) | Hydro-acoustic rod transformer | |
| Woollett | Ultrasonic transducers: 2. Underwater sound transducers |