Антенна гидроакустическая. Гидроакустическая волоконно-оптическая антенна и их технические характеристики

Антенна Антенна должна быть хорошо видна на воде. Видимость ее определяется диаметром и цветом. Цвет может быть выбран белым, черным, ярко-красным или ядовито-желтым - в зависимости от времени суток ловли и от погодных условий. Диаметр же нужен, по возможности, маленький,

Изобретение относится к области конструирования гидроакустической аппаратуры, в частности резонансных излучающих гидроакустических антенн, работающих в диапазоне верхних звуковых и ультразвуковых частот. Технический результат от использования изобретения заключается в улучшении направленных свойств антенны, улучшении ее частотных характеристик и обеспечении возможности расширения полосы частот. Для этого в гидроакустической антенне, содержащей стержневые пьезоэлектрические преобразователи, герметично размещенные в общем корпусе, жесткую оболочку на фронтальной поверхности антенны, с которой соединены стержневые преобразователи, электроизоляционный заполнитель и единый тыльный металлический экран, жесткая оболочка выполнена в виде передней части корпуса, имеет цилиндрические отверстия, в которых размещены стержневые преобразователи, каждый из которых содержит переднюю и тыльную накладки цилиндрической формы, при этом каждая накладка по кольцевому контуру через механическую развязку герметично соединена с внутренней поверхностью соответствующего цилиндрического отверстия, а электроизоляционный заполнитель размещен между жесткой оболочкой с тыльными накладками и металлическим экраном. Для расширения рабочей полости антенны у передних накладок преобразователей цилиндрические отверстия образуют цилиндрические полости, которые могут быть заполнены жидкостью или согласующими элементами в виде одного или нескольких согласующих слоев. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к области конструирования гидроакустической аппаратуры, в частности резонансных излучающих гидроакустических антенн, работающих в диапазоне верхних звуковых и ультразвуковых частот. Технический результат от использования изобретения заключается в улучшении направленных свойств антенны, улучшении ее частотных характеристик и обеспечении возможности расширения полосы частот. Для этого в гидроакустической антенне, содержащей стержневые пьезоэлектрические преобразователи, герметично размещенные в общем корпусе, жесткую оболочку на фронтальной поверхности антенны, с которой соединены стержневые преобразователи, электроизоляционный заполнитель и единый тыльный металлический экран, жесткая оболочка выполнена в виде передней части корпуса, имеет цилиндрические отверстия, в которых размещены стержневые преобразователи, каждый из которых содержит переднюю и тыльную накладки цилиндрической формы, при этом каждая накладка по кольцевому контуру через механическую развязку герметично соединена с внутренней поверхностью соответствующего цилиндрического отверстия, а электроизоляционный заполнитель размещен между жесткой оболочкой с тыльными накладками и металлическим экраном. Для расширения рабочей полости антенны у передних накладок преобразователей цилиндрические отверстия образуют цилиндрические полости, которые могут быть заполнены жидкостью или согласующими элементами в виде одного или нескольких согласующих слоев. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

и их технические характеристики

Назначение гидроакустических антенн

Гидроакустические антенны предназначены для излучения или приема гидроакустических сигналов с помощью гидроакустических преобразователœей и для обеспечения пространственной избирательности.

Гидроакустические преобразователи

Гидроакустический преобразователь представляет собой техническое устройство, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ преобразует электрические колебания в механические, или, напротив - механические колебания в электрические.

Существуют два базовых класса гидроакустических преобразователœей:

a) магнитострикционные;

b) пьезоэлектрические.

Принцип действия магнитострикционных преобразователœей

В магнитострикционных преобразователях используется явление магнитострикции. Явление магнитострикции состоит по сути в том, что в некоторых ферромагнитных материалах под воздействием магнитного поля возникает деформация, характеризуемая изменением длины образца при расположении его вдоль магнитных силовых линий. Этот эффект принято называть прямым магнитострикционным эффектом .

В случае если при возрастании напряженности магнитного поля длина стержня увеличивается, то магнитострикцию называют положительной, а если длина стержня уменьшается, то магнитострикцию называют отрицательной.

График зависимости относительного удлинœения различных ферромагнитных материалов от напряженности магнитного поля приведен на рис. 5.

Пермаллой

Кобальт

– Никель

Рис. 5. График зависимости относительной деформации от напряженности поля

Характер и степень деформации зависит от материала образца, способа его обработки, величины предварительного намагничивания и температуры. Из материалов, представленных на рис. 5, пермаллой обладает положительной магнитострикцией, никель – отрицательной, а кобальт имеет переменный знак магнитострикции, зависящий от напряженности магнитного поля.

Деформация любого образца ограничивается пределом, который принято называть магнитострикционным насыщением . Величина деформации насыщения и напряженность магнитного поля, при которой наступает насыщение, зависит от материала. К примеру, величина магитострикционного насыщения у никеля значительно больше, чем у кобальта͵ и насыщение никеля наступает при меньшей напряженности поля, чем насыщение кобальта.

Большое влияние на свойства магнитострикционных материалов оказывает термическая обработка. Отжиг любого материала приводит к повышению величины магнитострикции.

С повышением температуры магнитострикционный эффект ослабевает вплоть до полного исчезновения.

С молекулярно-кинœетической точки зрения явление магнитострикции объясняется следующим образом:

Кристаллографические оси малых однородных кристаллов ферромагнитного материала имеют беспорядочную ориентацию в пространстве. При этом, отдельные кристаллы объединяются в так называемые домены . Магнитные моменты каждого домена имеют определœенную ориентацию. К примеру, в никелœе магнитные моменты доменов ориентируются в восьми направлениях – по четырем диагоналям куба. Эти направления называют направлениями легчайшего намагничивания . В случае если образец не намагничен, то магнитные моменты доменов ориентированы беспорядочно, и суммарный магнитный момент равен нулю.

Под воздействием внешнего магнитного поля происходит переориентация магнитных доменов. Οʜᴎ ориентируются в тех направлениях, которые совпадают с направлением внешнего поля. При этом происходит деформация кристаллической решетки, что приводит к изменению размеров образца.

Наряду с прямым магнитострикционным эффектом существует и обратный магнитострикционный эффект , сущность которого состоит в изменении магнитного состояния образца под воздействием механического напряжения. При механическом воздействии на ферромагнитный материал кристаллическая решетка деформируется, благодаря чему ориентировка магнитных моментов доменов по отношению к внешнему магнитному полю изменяется.

Магнитострикция является четным эффектом. Это означает, что при изменении полярности магнитного поля знак деформации не меняется. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, в случае если через соленоид, внутри которого находится стержень, пропускать переменный электрический ток, то стержень будет совершать периодические колебания с частотой, равной удвоенной частоте возбуждающего электромагнитного поля. Указанный эффект можно устранить, в случае если применить предварительное подмагничивание преобразователя. В преобразователях поисковых гидроакустических приборов подмагничивание осуществляется путем установки постоянных магнитов или введением специального источника постоянного тока.

Характеристика работы магнитострикционного преобразователя без подмагничивания приведена на рис. 6, а с подмагничиванием – на рис. 7.

–H +H

Рис. 6. Характеристика работы

магнитострикционного преобразователя без подмагничивания

Рис. 7. Характеристика работы

магнитострикционного преобразователя с подмагничиванием

Для повышения эффективности преобразователœей частота внешнего возбуждения должна быть равна частоте его собственных колебаний. Частота собственных упругих колебаний стержня зависит от его длины и материала, из которого он изготовлен.

Собственная частота стержня определяется по формуле:

где n – номер гармоники (обычно n = 1);

l – длина стержня, см ;

E – модуль упругости материала, н/м 2 ;

ρ – плотность, кг/м 3 .

Конструкции магнитострикционных преобразователœей

Любой магнитострикционный преобразователь представляет собой сердечник из магнитострикционного материала, на котором расположена обмотка из гибкого медного провода с водостойкой изоляцией. Сердечник набирается из тонких штампованных пластин. После штамповки пластины отжигаются. Слой окиси, образующийся на поверхности пластин при отжиге, является хорошим изолятором. Изоляция между пластинами препятствует появлению вихревых токов в сердечнике, и таким образом уменьшает потери энергии на нагрев сердечника.

В поисковых приборах наибольшее распространение получили стержневые магнитострикционные преобразователи. Пластины, из которых набирается стержневые преобразователи, имеют прямоугольную форму с прорезями. Пластины набираются в пакет, представляющий собой замкнутый магнитопровод, на стержнях которого уложена обмотка. Для установки постоянных магнитов, с помощью которых осуществляется постоянное подмагничивание преобразователя, в сердечнике предусматриваются продольные пазы. Конструкция стержневого магнитострикционного преобразователя приведена на рис. 8.

Рис. 8. Стержневой магнитострикционный преобразователь

Излучение и прием акустических колебаний осуществляется торцевыми поверхностями пакета. На одну из торцевых поверхностей обычно наклеивается экран из пористой резины. В таком случае излучение и прием акустических колебаний осуществляется второй торцевой поверхностью, контактирующей с водой. Для того, чтобы развязать колебательную систему от корпуса антенны, между пакетом и корпусом прокладываются резиновые манжеты. Корпус антенны герметически закрывается крышкой, через которую с помощью сальников выводятся провода обмотки.

Иногда в гидроакустических приборах применяются цилиндрические магнитострикционные преобразователи с тороидальной обмоткой. Пакет цилиндрического преобразователя также набирается из тонких отожженных колец с отверстиями. Провод обмотки проходит сквозь отверстия и внутреннюю полость пакета. Переменный ток в обмотке создает магнитное поле, силовые линии которого располагаются по окружности с центром на оси кольца. В результате этого, в кольце возникают усилия, направленные по касательным к силовым линиям и вызывающие радиальные колебания кольца. Для того, чтобы направить колебания в заданном направлении, пакет устанавливается в центре отражателя, имеющего форму конуса с углом раствора 45º.

Устройство кольцевого магнитострикционного преобразователя и способ его установки приведены на рис. 9.

Рис. 9. Кольцевой магнитострикционный преобразователь с отражателœем

Технические характеристики магнитострикционных преобразователœей

Магнитострикционные преобразователи широко применяются в гидроакустической рыбопоисковой аппаратуре благодаря их простоте и надежности. Эти преобразователи имеют высокую механическую прочность и не подвергаются коррозии в морской воде. При изготовлении преобразователœей легко обеспечивается необходимая изоляция обмоток, т. к. для их работы не требуется применение высоких напряжений.

К недостаткам магнитострикционных преобразователœей относятся следующие:

a) невозможность использования высоких рабочих частот: верхний предел излучаемых частот ограничен частотой 60 кГц;

b) сравнительно невысокий КПД (20% – 30 %);

c) низкая чувствительность в режиме приема;

d) зависимость собственной частоты от температуры.

Принцип действия пьезоэлектрических преобразователœей

Работа пьезоэлектрических преобразователœей основана на использовании прямого и обратного пьезоэлектрического эффекта.

Прямой пьезоэлектрический эффект состоит по сути в том, что под действием механических сил, приложенных к кристаллам некоторых веществ, на поверхностях этих кристаллов появляются электрические заряды, величина которых пропорциональна степени деформации.

В случае если кристалл поместить между двумя электродами, подключенными к источнику переменного напряжения, то он будет претерпевать деформацию, величина и знак которой зависит от напряженности электрического поля и его полярности. Появление механической деформации под действием электрического поля принято называть обратным пьезоэлектрическим эффектом .

Пьезоэлектрическим эффектом обладают многие вещества, как из числа существующих в природе, так и полученных искусственным путем. Из природных материалов наиболее ярко выраженным пьезоэлектрическим эффектом обладают кристаллы кварца (SiO 2).

Для изготовления антенн гидроакустических приборов наиболее часто применяется титанат бария (BaTiO 3 ). Этот материал представляет собой пьезокерамику, получаемую путем обжига смеси порошков двуокиси титана и углекислого бария при температуре 1400º.

Затем образцы шлифуются, и на них наносятся электроды путем вжигания серебра в рабочие грани керамики. После этого керамику поляризуют.

В неполяризованной керамике отдельные хаотически расположенные кристаллики имеют области (домены) с различным направлением электрических моментов. Под воздействием сильного электрического поля (напряженностью 15 – 20 кВ/см 2) происходит переориентация электрических моментов отдельных доменов кристалликов и появляется результирующая поляризация образца. Эта поляризация сохраняется после снятия внешнего электрического поля.

Кроме титаната бария, для изготовления акустических антенн применяется цирконат–титанат свинца, а также синтетические кристаллы сегнетовой соли (NaKC 4 H 4 O 6 · 4H 2 O ) и дигидрофосфата аммония (NH 4 H 2 PO 4 ).

Форма естественного кристалла кварца приведена на рис. 10. Ось z–z , проходящая через вершины кристалла, принято называть его оптической осью.

z z

Рис. 10. Кристалл кварца

Кроме оптической оси, у кристаллов существуют электрические и механические оси.

В случае если вырезать из кристалла кварца восьмигранную пластину перпендикулярно его оптической оси, то ось x–x , перпендикулярная оси через z–z и проходящая через взаимно противоположные вертикальные ребра кристалла, принято называть электрической осью . Ось y–y, перпендикулярная оси z–z и двум противоположным боковым граням кристалла, принято называть механической осью. Полученная таким образом восьмигранная пластина имеет три электрических и три механических оси.

В случае если теперь из полученной восьмигранной пластины вырезать прямоугольную пластинку таким образом, чтобы ее грани были перпендикулярны трем указанным осям, а наибольшая грань была перпендикулярна оси x–x , то такая пластинка будет обладать пьезоэлектрическим эффектом. Эта пластинка принято называть пластинкой X -cреза или среза Кюри.

При воздействии механической силой F x , на грани, перпендикулярные оси x–x , возникает прямой продольный пьезоэффект (направление давления совпадает с электрической осью). В таком случае между этими гранями появляется напряжение:

где l, b, h – длина, ширина и толщина пластины;

ε – диэлектрическая проницаемость материала;

d x – коэффициент пропорциональности, который принято называть

пьезоэлектрическим модулем.

В случае если приложить механическую силу F y к граням, перпендикулярным оси y–y , то возникает прямой поперечный пьезоэффект (направление внешнего усилия перпендикулярно к оси x–x ). В этом случае появляется напряжение противоположной полярности:

U = – ;

Для получения обратного пьезоэффекта эту же пластинку Х -среза крайне важно поместить в электрическое поле так, чтобы ось х– х совпадала с направлением силовых линий поля. При этом пластинка деформируется как в направлении оси х– х , так и в направлении оси y–y . Под воздействием обратного продольного пьезоэффекта толщина пластины h увеличится на величину:

Δ h = d x · U ;

Одновременно под воздействием обратного поперечного пьезоэффекта длина пластины l уменьшится на величину:

Δ l = – d x U .

В любом случае частота механических колебаний равна частоте электрических колебаний.