Мощные гидроакустические излучатели
Разработка и изготовление мощных излучателей для исследований в области НЧ-гидроакустики с начала 1980-х годов и до настоящего времени остается одним из основных направлений деятельности ИПФ (руководитель работ – Б. Н. Боголюбов). За это время НЧ-излучатели и созданные на их основе излучающие комплексы были использованы в многочисленных натурных экспериментах на акваториях всех четырех океанов. В этих экспериментах продемонстрированы возможности НЧ-источников по эффективному возбуждению звуковых полей на трассах протяженностью в сотни и даже тысячи километров с интенсивностью, достаточной для решения ряда фундаментальных и прикладных задач акустики океана, в первую очередь задач дистанционного зондирования и освещения подводной обстановки.
В разные годы в ИПФ разрабатывались НЧ гидроакустические излучатели различного типа. Первоначально приоритет отдавался созданию узкополосных электромагнитных и широкополосных электродинамических источников. В последние годы акцент сместился на создание пьезокерамических излучателей нового типа.
Узкополосные излучатели электромагнитного типа предназначены для генерации гидроакустических сигналов высокой интенсивности и создания систем акустического освещения подводной обстановки на больших акваториях. В 1970–1990-х годах им уделялось основное внимание, был создан целый ряд таких излучателей в различных частотных диапазонах, отличающихся высокой удельной мощностью излучения (до 40 Вт/кг), высокой надежностью (ресурс 108–1010 циклов колебаний), высоким КПД (до 80%) и относительно низкой стоимостью. Некоторые из них успешно использовались для создания многоэлементных антенных систем с управляемыми амплитудными и фазовыми распределениями, позволяющих формировать требуемое пространственное распределение акустического поля в подводном звуковом канале (Б. Н. Боголюбов, А. Г. Лучинин, М. М. Славинский, В. И. Таланов).
Широкополосные гидроакустические излучатели электродинамического типа были созданы для работы в составе буксируемых комплексов и антенн, применяемых в целях гидроакустического зондирования морских акваторий в полосе частот 15 Гц–1,5 кГц (уровень излучения 200 Па/м). Магнитная система таких излучателей изготовлена с использованием постоянных магнитов из редкоземельных металлов с большой коэрцитивной силой. Новая технология позволила создать широкополосные излучатели небольших габаритов, способные излучать когерентные акустические сигналы с различными видами частотной и фазовой модуляции.
Пьезокерамические излучатели нового поколения для акустики океана стали активно разрабатываться в последние десять лет. В настоящее время им уделяется основное внимание. Значительный прогресс в проектировании таких источников звука достигнут благодаря широкому использованию конечно-элементного моделирования.
Важными преимуществами пьезокерамических излучателей по сравнению с излучателями электромагнитного и электродинамического типа являются относительная дешевизна их изготовления и простота эксплуатации. При работе в большом интервале глубин (до нескольких сотен метров) пьезокерамические излучатели не требуют компенсации гидростатического давления.
Значительное внимание в ИПФ уделяется проектированию и изготовлению пьезокерамических излучателей продольно-изгибного типа. Разработаны, изготовлены и испытаны в натурных условиях многочисленные образцы таких излучателей с резонансными частотами порядка нескольких сотен герц, обеспечивающих уровень излучения 206–210 дБ с типичными значениями полосы частот излучения, составляющими более 30% несущей частоты, и КПД 60–90%.
Для решения некоторых прикладных задач гидроакустики весьма перспективными представляются пьезокерамические излучатели продольно-поперечного типа. Их главное достоинство – малые размеры при большой удельной мощности излучения. В ИПФ созданы и испытаны излучатели такого типа для работы на несущей частоте порядка 1 кГц с уровнем излучения около 190 дБ, КПД 50–60% и шириной полосы около 20% от несущей частоты.
Низкочастотные гидроакустические излучающие антенны первоначально создавались на базе узкополосных электромагнитных излучателей. Антенны предназначены как для повышения общей излучаемой мощности сигнала, так и для управления пространственным распределением звукового поля в океаническом волноводе. Они использовались в натурных экспериментах по НЧ акустическому зондированию океана, с их помощью получены важные результаты, касающиеся создания систем освещения подводной обстановки на больших акваториях.
В последние годы разработки в этом направлении базируются на использовании мощных и относительно широкополосных пьезокерамических источников. Источники данного типа служат элементами недавно созданной в ИПФ линейной излучающей антенны. Дальнейшее развитие излучающих комплексов связывается с проектированием и изготовлением вертикальных многоэлементных антенных решеток с управляемым амплитудным распределением. В качестве элементов такой антенны рассматриваются пьезокерамические излучатели продольно-изгибного типа. Теоретические оценки и данные натурных экспериментов свидетельствуют о том, что созданные на их базе мощные НЧ излучающие комплексы способны решать широкий класс прикладных задач, связанных с освещением подводной обстановки на обширных акваториях в гидрологических условиях, типичных как для глубокого, так и для мелкого моря.
