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 альнейшее преобразовании ее в электрическую [Орлов Шабров 1974].

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 2θ_R 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: z_п = ρcS, где ρ – плотность среды, с – скорость звука в водной среде, S – площадь излучающей поверхности [Орлов Шабров 1974].