Конструкции гидроакустических антенн. Делаем простую гидроакустическую антенну из мусора. 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,

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.

ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ АНТЕННА - устройство, обеспечивающее пространственно-избирательное или приём звука в водной среде. Обычно Г. а. состоит из электроакустических преобразователей (элементов антенны), акустич. экранов, несущей конструкции акустич. развязок, амортизаторов и линий электрокоммуникаций. По способу образования пространственной избирательности Г. а. можно разделить на интерференционные, фокусирующие, рупорные и параметрические.

Пространственная избирательность . Г. а. обусловлена интерференцией акустич. , создаваемых в нек-рой точке пространства разл. участками колеблющейся поверхности антенны (режим излучения) или интерференцией электрич. на выходах отд. преобразователей антенны при падении на неё звуковой волны (режим приёма). Интерференц. Г. а. подразделяются на непрерывные, нормальная составляющая колебат. скорости активной поверхности к-рых меняется непрерывно от точки к точке (напр., антенны, излучающие через общую металлич. накладку), и дискретные, на активной поверхности к-рых могут наблюдаться разрывы ф-ции, описывающей распределение нормальной составляющей колебат. скорости. Дискретные антенны часто наз. антенными решётками

Пространственная избирательность фокусирующих Г. а. (см. Фокусировка звука )образуется с помощью отражающих или преломляющих границ или сред, производящих фокусировку звуковой энергии, сопровождающуюся преобразованием фронта волны (напр., из сферического в плоский).

В рупорных антеннах также используются отражающие поверхности, однако преобразования фронта волны не происходит и роль отражающих границ сводится к ограничению части пространства, в к-рую осуществляется излучение звука.

Активные поверхности параметрич. антенн совершают колебания на двух близких частотах; пространственная избирательность образуется в результате разностной частоты, возникающей при нелинейном взаимодействии первичных излучённых волн (т. н. волн накачки).

Осн. параметры, определяющие пространственную избирательность Г. а.,- характеристика направленности и коэф. концентрации (см. Направленность акустических излучателей и приёмников). Способность Г. а. преобразовать энергию (обычно из электрической в акустическую при излучении и акустической в электрическую при приёме) характеризуется чувствительностью, излучаемой мощностью и уд. излучаемой мощностью.

Антенны не только обеспечивают формирование пространственной избирательности, но и позволяют управлять ею. В случае наиб. распространённого типа Г. а.- решёток - такое управление осуществляется введением амплитудно-фазового распределения, т. е. созданием заданного распределения амплитуд и фаз колебат. скоростей активных поверхностей преобразователей в режиме излучения. В режиме приёма введение амплитудно-фазового распределения обеспечивается подбором комплексных коэф. передачи устройств, включённых в каждый канал антенны между приёмником и сумматором. Введением фазового распределения можно обеспечить сложение звуковых давлений, развиваемых отд. преобразователями Г. а. в любом заданном направлении пространства, и тем самым управлять направлением макс. излучения (а в режиме приёма - направлением макс. чувствительности). Антенны, в каналы к-рых введено указанное фазовое распределение, наз. компенсированными.

Управление положением гл. максимума характеристики направленности в пространстве можно осуществлять не только посредством изменения фазового распределения, но и путём механич. поворота Г. а. или путём изменения положения компенсированного рабочего участка криволинейной поверхности (напр., круговой, цилиндрич. Г. а.). Амплитудное распределение позволяет менять форму характеристики направленности, получая желаемые соотношения между разл. элементами характеристики направленности, в частности между шириной её осн. максимума и уровнем добавочных.

Часто термин "антенна" используется в более широком смысле, охватывающем как саму антенну, так и способ обработки сигналов от её отд. элементов. В таком понимании Г. а. подразделяют на аддитивные, мультипликативные, самофокусирующиеся, адаптирующиеся и т. д. Аддитивными наз. антенны, сигналы от элементов к-рых подвергаются линейным операциям (усилению, фильтрации, временному или фазовому сдвигу) и затем складываются на сумматоре. В мультипликативных Г. а. сигналы в каналах отд. приёмников подвергаются не только линейным, но и нелинейным операциям (умножению, возведению в степень и пр.), что при малых помехах увеличивает точность определения положения источника. Самофокусирующимися наз. антенны, приёмный тракт к-рых производит автоматич. введение распределений, обеспечивающих синфазное сложение сигналов на сумматоре антенны при расположении источника звука в произвольной точке пространства. Приёмный или излучающий тракт адаптирующихся антенн производит автоматич. введение амплитудно-фазовых распределений, обеспечивающих максимизацию нек-рого, наперёд заданного параметра (помехоустойчивости, разрешающей способности, точности пеленгования и др.).

От выбора места установки антенн эхолотов зависит уровень шумов, сопрово-ждающих полезный сигнал, коэффициент полезного действия антенны, максималь-ная глубина, которую практически можно измерить в существующих условиях пла-вания, а порой и сама возможность проведения измерений.

Основными источниками гидроакустических помех, воздействующих на антен-ны, являются судовые машины и механизмы, гребные винты, турбулентный погра-ничный слой, а также другие гидроакустические системы, одновременно работаю-щие на судне. Каждый из источников помех создает шумы определенного спектра, которые попадают на антенну, распространяясь непосредственно по корпусу судна, в воде вдоль корпуса судна, отражаясь от объектов рассеяния в морской среде или от дна. Особое влияние на работу антенн оказывают пузырьки воздуха, рассеянные в слое воды, омывающей антенну. Неоднократно было замечено на практике, что при движении судна в балласте, когда в его придонной области имело место интен-сивное образование пузырьков, эхолот переставал измерять даже относительно не-большие глубины. При снижении скорости перемещения судна или его остановке работа эхолота восстанавливалась. Это явление можно объяснить тем, что пузырьки воздуха с одной стороны интенсивно рассеивают и поглощают энергию, с другой – изменяют физические свойства среды, непосредственно соприкасающейся с антен-нами, снижая ее эквивалентную жесткость, что, в свою очередь, влияет на настройку системы антенна – среда, снижая эффективность преобразования электрического сигнала в механический и обратно.

С целью уменьшения влияния возмущающих факторов на работу эхолота антен-ны следует устанавливать в местах, удовлетворяющих следующим требованиям :

изменение гидродинамического давления в месте установки антенны при изме-нении скорости судна должно быть минимальным;
место установки антенны должно располагаться как можно дальше от машинного отделения, гребных винтов, подруливающих устройств, а также от помещений, в которых расположены сильно шумящие машины и механизмы;
в районе размещения антенн (на расстоянии до 3-5 м) не должно быть водоза-борных и отливных устройств, так как это может вызвать резкое увеличение пропусков или полное пропадание показаний эхолотов, особенно работающих на низкой частоте;
в непосредственной близости от антенны, в особенности в направлении к носу судна, не должно быть выступающих судовых конструкций и выстреливающих устройств, которые могут мешать работе эхолота;
на пути излучения и приема сигнала, в пределах 60° от вертикали, не должно быть частей, которые могут создавать отражение акустических колебаний;
место установки антенны должно быть максимально удалено от других гидро-акустических систем, имеющихся на судне;
рекомендуется обеспечивать удобный доступ к антенне для ее осмотра, проведе-ния профилактических работ и замены.
После определения возможных мест установки антенн эхолота с учетом выше-перечисленных требований необходимо на основании предварительной оценки уровня шумов в местах предполагаемого расположения антенн выбрать место с наименьшим уровнем акустического шума.
При выборе места размещения антенны эхолота необходимо учитывать на-правление вращения судового винта. Так, при использовании винта правого шага в левую часть кормовых обводов судна ударяет возмущенный им поток воды. Вследствие этого возникает вибрация обшивки, распространяющаяся главным образом в левой части днища судна. Эта вибрация корпуса судна вызывает до-полнительные акустические помехи. В связи с этим при гребном винте право-го шага антенну эхолота рекомендуется устанавливать по правому борту, а при гребном винте левого шага - по левому борту.

Результаты замеров уровней шумов в различных точках корпуса свидетельству-ют о том, что наименьший уровень шумов, как правило, наблюдается в носовой час-ти судна . Поэтому антенну эхолота рекомендуется устанавливать возмож-но ближе к носу судна (в области положительного давления) с учетом недо-пустимости ее оголения при качке. Антенну рекомендуется устанавливать возможно ближе к диаметральной плоскости судна.

Уменьшить влияние помех можно с помощью установки специальных экранов.

Монтаж остальных приборов комплекта эхолота осуществляется в соответствии с требованиями технической документации на изделие и с учетом удобства работы с прибором.