Гидроакустическая антенна: устройство и типы¶

Гидроакустическая антенна — это устройство, предназначенное для преобразования электрических колебаний в акустические волны в водной среде (режим излучения) и обратного преобразования акустических сигналов в электрические (режим приёма). Гидроакустические антенны являются основным чувствительным элементом гидролокаторов, эхолотов, сонаров и систем гидроакустической связи, обеспечивая формирование и сканирование диаграммы направленности в толще воды.

¶Основные функции и принцип действия

В отличие от радиоантенн, работающих с электромагнитными волнами, гидроакустические антенны взаимодействуют с упругими колебаниями водной среды (продольными звуковыми волнами). Принцип действия основан на пьезоэлектрическом или магнитострикционном эффекте. В режиме излучения на пьезоэлементы подаётся электрическое напряжение переменного тока, вызывающее механическую деформацию и генерацию акустической волны. В режиме приёма давление звуковой волны деформирует чувствительные элементы, что приводит к возникновению электрического заряда на их обкладках.

Ключевой характеристикой антенны является диаграмма направленности — пространственное распределение чувствительности или интенсивности излучения. Ширина главного лепестка диаграммы направленности зависит от отношения размеров антенны к длине волны сигнала: чем больше апертура (рабочая поверхность) антенны относительно длины волны, тем уже и острее луч.

¶Устройство

Конструктивно гидроакустическая антенна состоит из следующих основных элементов:

• Акустическая решётка — совокупность отдельных пьезоэлектрических преобразователей (элементов), расположенных в определённом геометрическом порядке (линейном, плоском, цилиндрическом, сферическом или конформном).
• Экранирующая конструкция — акустический экран, обеспечивающий одностороннюю направленность и подавление сигналов, приходящих с тыльного направления.
• Коммутационная схема — система электрических соединений, позволяющая суммировать сигналы отдельных элементов с заданными фазовыми соотношениями.
• Звукопрозрачный обтекатель — защитный кожух, предохраняющий элементы от механических повреждений и гидростатического давления, при этом минимально искажающий акустическое поле.
• Герметизирующие элементы — уплотнения, кабельные вводы и компенсаторы давления, обеспечивающие работоспособность на глубинах.

В качестве активного материала преобразователей чаще всего применяются пьезокерамика (цирконат-титанат свинца, ЦТС) и пьезокомпозиты. Для низкочастотных антенн большого размера иногда используются магнитострикционные материалы (никель, пермендюр).

¶Типы гидроакустических антенн

¶По режиму работы

• Активные антенны — работают как на излучение, так и на приём. Используются в активных гидролокаторах для обзора пространства и определения расстояния до объекта по времени задержки эхо-сигнала.
• Пассивные антенны — работают только на приём. Применяются в системах шумопеленгования для обнаружения подводных лодок, надводных кораблей и других источников шума по их собственному излучению.

¶По частотному диапазону

• Низкочастотные (до 1–2 кГц) — обладают большой дальностью действия (десятки километров), имеют значительные габариты (десятки метров) и используются в противолодочных системах и сейсморазведке.
• Среднечастотные (2–20 кГц) — универсальный диапазон для гидролокаторов бокового обзора и рыбопоисковых приборов.
• Высокочастотные (свыше 20 кГц) — обеспечивают высокое разрешение на малых дистанциях (десятки — сотни метров), применяются в эхолотах, гидролокаторах переднего обзора и системах навигации.

¶По типу решётки

• Линейные — одномерные решётки, обеспечивающие направленность в одной плоскости (по азимуту). Используются в буксируемых антеннах.
• Плоские — двумерные решётки, формирующие веер лучей. Применяются в гидролокаторах бокового обзора и стационарных сонарах.
• Цилиндрические и сферические — обеспечивают круговой обзор (360°) без механического поворота. Широко применяются в носовых антеннах подводных лодок и надводных кораблей.
• Конформные — повторяют форму корпуса носителя, что снижает гидродинамическое сопротивление. Используются на кораблях и торпедах.

¶По способу размещения

• Забортные — устанавливаются на корпусе судна (в носовой части, днище) или на подводной лодке.
• Буксируемые — размещаются на гибком кабель-тросе, буксируемом за кормой. Позволяют опускать антенну ниже слоя температурного скачка, существенно повышая дальность обнаружения.
• Донные (стационарные) — устанавливаются на морском дне для охраны акваторий или сейсмического мониторинга.
• Голографические (параметрические) — используют нелинейные эффекты для формирования узких низкочастотных лучей антеннами малого размера.

¶Применение

Гидроакустические антенны применяются в военно-морских гидроакустических станциях (корабельных, буксируемых, опускаемых), в гидролокаторах бокового обзора для поиска затонувших объектов и картографирования дна, в рыбопоисковых эхолотах, в системах подводной навигации и связи, а также в океанологических исследованиях и сейсморазведке. В России производство гидроакустических антенн ведётся, в частности, на предприятиях концерна «Океанприбор» и АО «Концерн „Моринсис-Агат“».

¶См. также

• Гидролокатор
• Пьезоэлектрический эффект
• Эхолот