3 гидроакустическая антенна
Основной функцией гидроакустического антенного устройства является преобразование электрической энергии в звуковую, последующего излучения ее в водную среду, и обратный процесс: прием звуковой энергии и дальнейшее преобразовании ее в электрическую [2].
В водной среде антенна создает звуковое поле. Это поле характеризируется пространственно-временным потенциалом, который связан со звуковым давлением и колебательной скоростью.
Скорость распространения волны в воде с, м/c, находится в связи с длиной волны λ, м, а также с частотой колебаний f, Гц. Эта связь выражается в следующем соотношении: f*λ= с.
Звуковая энергия, рассеиваемая антенной в единицу времени, называется акустической мощностью Wв (H*м/с; Вт).
Обычно главное требование от антенны – это излучение энергии в определенных направлениях. Направленность антенны обуславливается явлением интерференции волн. Каждая точка антенны излучает расходящиеся сферические волны, причем в свою очередь каждая точка полнового фронта рождает новые элементарные сферические волны. В каких-то направлениях колебания усиливаются, при совпадении фаз колебаний, в каких-то – в той или степени гасятся, если фазы колебаний не совпадают. Таким образом происходит распределение энергии в пространстве. Распределение энергии зависит от конфигурации антенного устройства: его формы, а также частоты, фаз, амплитуд колебаний отдельных точек антенны. Закономерность распределения в водной среде потенциала Ф, звукового давления p или акустической мощности Wа, которые излучаются ГА в зависимости от направления есть ничто иное, как характеристика направленности.
Форма ХН зависит от изменения расстояния от точки наблюдения до антенны. Антенна излучает волны, совпадающие по фронту с формой её поверхности. К примеру, плоская синфазно колеблющаяся антенна с размером раскрыва D излучает плоские волны, которые сохраняют свою форму до расстояния D2/16λ, называемой «Прожекторной» зоной. Дальше начинается расхождение волнового фронта (ближняя зона дифракции). В этой зоне резко выражены интерференционные явления и искажается характеристика направленности. Ближняя зона располагается до расстояния, которое называется критическим, и примерно равно Lк = 2D2/λ, где D – максимальный размер апертуры. На таком расстоянии волны становятся сферическими и ХН практически стабилизируется по форме (дальняя зона дифракции).
3.1. Основные характеристики ГА
Форма характеристики направленности в зависимости от принципа построения станции может быть «игольчатой», «ножевидной», секторной, тороидальной и сферической. У ХН различают основной лепесток, который имеет максимальный уровень по амплитуде, и боковые лепестки с меньшими уровнями.
Ширина основного лепестка ХН 2θR с определяет разрешающую способность антенны и измеряется в градусах на уровне 0.7 от максимального значения по давлению или на уровне 0.5 по мощности.
Уровень боковых лепестков измеряют в процентах либо децибелах по отношению к уровню основного лепестка. Боковые лепестки являются нежелательными элементами ХН, так как могут приводить к возникновению целей и уменьшению помехоустойчивости. Работая над проектированием антенн, максимальный уровень боковых лепестков следует ограничить величиной 10 – 30% по давлению.
Неравномерность ХН – понятие, которое вводят с целью ограничения отклонения формы ХН в пределах основного лепестка от заданной и применяют обычно к широким ХН. Чаще всего неравномерность характеристики направленности ограничивают 3 дБ по давлению и 6 дБ по мощности.
Коэффициент осевой концентрации (КОК) характеризует энергетическую эффективность антенны, как в режиме излучения, так и в режиме приема. В первом случае – это способность антенны концентрировать излученную энергию в заданном направлении, а во втором – выделять полезный сигнал на фоне помех. В режиме излучения КОК определяют, как отношение акустических мощностей, которые излучаются направленной и ненаправленной антеннами, создающими одинаковые интенсивности звука (потоки звуковой энергии через единицу площади в единицу времени) в выбранном направлении на равном удалении от центров излучения. В режиме приема КОК можно определить, как отношение мощностей, которые развивают направленная и ненаправленная антенны, находясь в поле изотропных помех при равных чувствительностях.
Чувствительность характеризует способность антенны преобразовывать звуковую энергию в электрическую и выражается отношением напряжения, которое возникает на выходе антенны, к звуковому давлению, воздействующему на нее. В системе СГС чувствительность измеряется в мкВ/Па.
Электроакустический коэффициент полезного действия (КПД) характеризует излучающую способность антенны и является отношением излучаемой акустической мощности к подведенной к антенне электрической мощности. Считается, что антенны с КПД 40-60% обладают хорошей излучающей способностью. Остальная часть энергии расходуется на механические и электрические потери.
Частотная характеристика (ЧХ). Данный параметр характеризует эффективность антенны как электроакустического преобразователя в диапазоне частот. Антенны эхолокационных станции, как правило, состоят из резонансных преобразователей. Вне резонанса их эффективность снижается.
Полоса пропускания (ПП) определяет частотный диапазон эффективного преобразования энергии. Данный параметр измеряется на уровне 0.7 от максимального значения давления и чувствительности и на уровне 0.5 по мощности в процентах от резонансной частоты. ПП антенн обычно колеблется в предела ±(2.5-15)% от f резонансной.
Удельная акустическая мощность. В системе СГС измеряется в Вт/см2. Данный параметр представляет собой мощность, приходящуюся на единицу излучающей поверхности. Максимально допустимая удельная акустическая мощность ограничивается конструктивными особенностями преобразователей таких, как механическая прочность, а также кавитационной прочностью воды, которая зависит от ее загазованности, частоты акустических колебаний, гидростатического давления, длительности излучаемого импульса. Допустимая удельная акустическая мощность может лежать в пределах 0.5-10 Вт/см2.
Раскрыв антенны – это проекция излучающей либо принимающей поверхности на плоскости, перпендикулярную излучения (приема). Чем больше волновые размеры раскрыва антенны, тем острее может быть ее ХН.
Сопротивление антенны. В общем случае данный параметр представляет собой комплексную величину, которая складывается из внутреннего сопротивления (сопротивления гидроакустической антенны, находящейся в воздухе) и сопротивления излучения, характеризующего реакцию среды. Сопротивление излучения антенны можно найти, составив произведение из акустического произведения волны соответствующей формы и площади излучающей поверхности.
Так, например, для плоских волн, у которых акустическое сопротивление чисто активное и равно ρc, сопротивление излучения антенны будет находится по формуле: zп = ρcS, где ρ – плотность среды, с – скорость звука в водной среде, S – площадь излучающей поверхности [2].
3.2. Сферическая антенна
Наиболее перспективным классом выпуклых антенн антенн после цилиндрических являются сферические антенны. Такие устройства позволяют осуществлять поворот диаграммы направленности по всем углам только за счет коммутации ее элементов. Число преобразователей, необходимых для обеспечения такого широкоугольного обзора пространства, должно быть приблизительно в пять раз больше, чем у той же антенны с механическим поворотом. Основные трудности возникают при разработке конструкции антенного устройства, который должен обеспечивать форму сферы из преобразователей при достаточно большом количестве электрических выводов. Один из вариантов осуществления сферической конструкции приведен на рисунке 3.1. [8]. Управление ДН таких антенн должно управляться ЭВМ или микропроцессором.
Гидролокационное устройство со сферической антенной позволяет производить быстрый и эффективный поиск в полусферическом объеме воды в пределах дальности действия самого гидролокатора. Этого можно достичь двумя режимами его работы: круговым и комбинированным.
В режиме кругового обзора антенна излучает луч в тонком слое горизонтального кругового сектора. Этот сектор может наклоняться электронным способом по вертикали в интервале от -10о до 90о с очень узким угловым шагом, значение шага может доходить порядка 1.5о. Данный режим управления лучом полностью решает проблему «слепых зон» под судном и вблизи его, которые имеются даже при использовании гидролокаторов с цилиндрическими антеннами.
Рисунок 3.1 - Конструкция сферического антенного устройства
В комбинированном режиме поиска гидролокатор излучает луч как способом, аналогичным описанное выше, но в секторе 180о, так и в вертикальном полусекторе обзора эхолотного режима, при котором луч сканируется электронным способом в вертикальной плоскости в пределах 180о за определенное количество шагов. При этом ориентация вертикального сектора изменяется шагами также и в горизонтальной плоскости. Таким способом за несколько импульсов посылки просматривается вся полусфера под судном. Помимо этого, сферическая антенна в данном случае позволяет осуществить электронную стабилизацию гидроакустического луча в пространстве сразу в двух плоскостях. Показ целей в этом режиме можно производить на одном электронном индикаторе, разделяя поля для информации гидролокатора и информации эхолота [4].
3.3. Пьезоэлектрические преобразователи
Основным конструкционным элементом гидроакустической антенны является электроакустический преобразователь. За счет этого элемента происходит преобразование акустической энергии в электрическую и обратно. В основу работы преобразователей лежит пьезоэлектрический эффект, открытый братьями Кюри. В ГА технике задействуются преобразователи, работа которых основана на различных физических принцип, но тем не менее наибольшее распространение ввиду высокой эффективности конструктивных удобств получили пьезоэлектрические и пьезомагнитные.
В данной работе ввиду интересующих нас диапазонов частот, геометрических размеров и ряда других факторов будут задействованы пьезоэлектрические преобразователи, сделанные из пьезокерамики – материала, который обладает высоким пьезоэлектрическим эффектом, достаточно большой прочностью, что в свою очередь позволяет допускать прессование деталей практически любой формы.
Детали для пьезокерамических преобразователей изготавливают путем обжига соответствующего материала под давлением в специальных прессформах. Далее детали шлифуют, тем самым подгоняют их под нужные размеры. Затем пьезоэлементы подвергают поляризации в постоянном поле напряженность. 10-20 кВ/см, после чего полученный пьезоэлемент задействуют в конструкцию преобразователя.
Для проектирования антенны будет задействован ЦТС-24 (цирконат-титанат свинца) из группы сегнетожестских материалов. Данный материал выбран ввиду того, что преобразователи этой группы способны работать в режиме приема и (или) излучения в условиях воздействия сильных электрических и (или) механических напряжений.
Основные характеристики ЦТС-24:
• Модуль Юнга: E = 0.75*1011 Па;
• Плотность, ρ = 7400 кг/м3;
• Скорость звука, Сзв = 3350 м/с;
• Относительная диэлектрическая проницаемость, ε/ε0 =1075;
• Тангенс угла диэлектрических потерь, tg δ = 0.0075;
• Коэффициент электромеханической связи kзз = 0.45;
• Температура точки Кюри Tк = 543 (270оС);
• Пьезоэлектрический модуль d33 
;
• Пьезоэлектрический модуль d31 
.
4 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Формируемая приемно-излучающая сферическая антенна должна обеспечивать круговой обзор подводного пространства вокруг своего судна.
Сектор обзора при горизонтальном сканировании – 360о.
Ширина ХН в режиме:
• Излучения – 360о
• Приема – 18о при максимально допустимом уровне бокового лепестка не более 25%.
Сектор обзора при вертикальном сканировании – 120о.
Ширина ХН в режиме:
• Излучения – 120о
• Приема – 6о при максимально допустимом уровне бокового лепестка не более 25%.
Рисунок 4.1 - Графическое пояснения к заданию.
Антенна должна обеспечивать поворот ХН в секторе 360 при горизонтальном сканировании и 120 – при вертикальном сканировании.
Исходные данные и требования:
• Требования по сектору обзора;
• Работа в режиме приема-излучения;
• ПП Δf ≥ 5%;
• Давление , развиваемое антенной на расстоянии 1 м, p = 200 кПА;
• Заглубление антенны H = 5 м;
• Рабочая частота f0 = 27 кГц;
• Преобразователь пьезоэлектрический.