5.2.2. Направленное действие гидроакустических антенн

Гидроакустические излучатели и приемники обладают свойством направленности действия. Это свойство проявляется в том, что излучатель концентрирует энергию в некотором телесном угле, а выходной сигнал приемника зависит от направления на источник. В результате этого повышается интенсивность излучения, появляется возможность определения направления на объект.

Рассмотрим физическую сущность направленного действия вибратора-излучателя.

На излучающей линии плоского излучателя выберем две точки А и В, расположенные симметрично относительно центра О на расстоянии (рис. 5.4, а). Эти точки колеблются синфазно и синхронно и в соответствии с принципом Гюйгенса являются самостоятельными источниками сферических волн, как и всякие другие точки излучающей поверхности. То есть в нашем случае каждая точка вибратора посылает колебания в окружающее пространство по всем направлениям.

Однако, два одинаковых синфазных излучателя А и В с базой между ними большей, чем длина волны , создают вследствие интерференции излучение, в котором амплитуда колебаний (скоростей, давлений, мощности) будет зависеть от направления к нормали nО. Действительно, путь звукового луча от источника А в удаленную точку М будет длиннее пути луча из центра базы О на величину Ob, а для луча из точки В - короче на величину Ос. То есть, лучи в точку М придут разными путями, которые по сравнению с лучом из центра базы О длиннее или короче на величину .

Следовательно, задержка и опережение по времени этих лучей будет определяться равенством

,

где - скорость звука в морской воде.

В этом случае с учетом того, что и , общий сдвиг колебаний по фазе

(5.2)

где - круговая частота колебаний; T – период колебаний.

Рис. 5.4 Направленность действия гидроакустических антенн:

а) – интерференция акустического поля излучателя; б) – полярная диаграмма направленности излучателя

Если исследуемую точку звукового поля М разместить на нормали nО, то звуковые лучи придут в нее с одинаковой фазой, т.е. сдвиг по фазе равен нулю. Результирующая амплитуда звукового давления будет максимальна. Следовательно, в точках, лежащих на оси излучателя (α=0) существует максимум звукового давления. Это направление получило название основного максимума.

По мере дальнейшего отклонения от нормали разность хода лучей увеличивается, а амплитуда звукового давления уменьшается. Как только колебания будут в противофазе ( , что соответствует разности хода лучей равной 0,5), результирующая амплитуда обращается в нуль.

Из формулы (5.2) можно найти углы и , соответствующие максимальной амплитуде звукового давления при условии (четное число 2πn) и минимальной амплитуде звукового давления при условии - нечетное число . Здесь принимает значения 0, 1, 2, .... Тогда соответственно получим:

;

; . (5.3)

Из полученных выражений видно, что кроме основного максимума ( , ) возможно существование еще нескольких боковых максимумов излучения, когда разность хода лучей достигает целого значения . Аналогично после первого минимума ( , ) последующие минимумы возможны при разности хода лучей кратной /2 - это направления нулевой интенсивности.

Таким образом, энергия ультразвуковой волны в основном распределяется в пределах угла направленности 2α. Распределение акустической энергии в пределах угла 2 α определяет характеристику направленности излучателя, которая графически изображается в виде диаграммы в полярной системе координат (рис. 5.4, б).

Направленность действия вибратора зависит от соотношения между длиной излучаемой волны  и линейными размерами вибратора l, рабочая поверхность которого представляет собой плоскость. Подбирая эти параметры с использованием формул (5.3), можно сконцентрировать звуковую энергию в пределах желаемого телесного угла. Число боковых максимумов и минимумов также определяется соотношением между длиной волны  и размерами вибратора l.

Направленность действия вибраторов-приемников проявляется в том, что они обладают различной чувствительностью к акустическим колебаниям, приходящих из разных точек, не лежащих на нормали к центру принимающей поверхности вибратора. Характеристика направленности вибратора приемника имеет такой же вид, как и характеристика вибратора-излучателя [6,7].