Эволюция гидроакустических антенн: от пьезокерамики к фазированным решёткам

Автор: Куприк Игорь Геннадьевич

Организация: ЕМРПТ филиал ФГБОУ ВО АГТУ

Населенный пункт: Краснодарский край, г. Ейск

Аннотация

Прослежена история развития гидроакустических антенн от первых кварцевых преобразователей Поля Ланжевена до современных фазированных антенных решёток. Рассмотрены ключевые этапы: переход от кварца к пьезокерамике на основе титаната бария и цирконата-титаната свинца, различия в подходах к проектированию антенн в СССР и США, внедрение цифровой обработки сигналов. Обозначены современные тенденции: многоэлементные решётки, программно-определяемые сонары, новые пьезоматериалы.

Ключевые слова: гидроакустика, пьезоэлектричество, пьезокерамика, титанат бария, цирконат-титанат свинца, фазированная антенная решётка, гидрофон, сонар.

1. Введение

Гидроакустическая антенна — это устройство, которое превращает электрический сигнал в звуковую волну в воде и обратно. Без неё невозможны ни эхолот на рыбацком судне, ни противолодочная система на боевом корабле, ни подводный модем для связи с необитаемым аппаратом.

За сто с лишним лет своего существования гидроакустические антенны прошли путь от простейших кварцевых пластин до многотысячеэлементных фазированных решёток, управляемых процессорами. Этот путь не был прямолинейным: технические решения диктовались доступными материалами, потребностями флота и уровнем электроники.

Цель статьи — систематизировать основные этапы эволюции гидроакустических антенн и показать, как смена материалов и технологий меняла облик гидроакустических систем.

 

2. Схема эволюции гидроакустических антенн

1915–1917 ─── Кварц (Поль Ланжевен)

Первый практический преобразователь

Хрупкий, дорогой, низкая мощность

▼

1944–1954 ─── Титанат бария (BaTiO₃)

Технологичная керамика, формование сложной геометрии

Пьезомодуль d₃₃ ≈ 190 пКл/Н

▼

1950–1970 ─── ЦТС (PZT) — цирконат-титанат свинца

Высокая пьезочувствительность, температурная стабильность

d₃₃ = 200–600 пКл/Н, температура Кюри 230–300 °C

▼

1990–2000 ─── Пьезокристаллы (релаксорные сегнетоэлектрики)

Рекордные пьезомодули (PMN-PT: d₃₃ > 2000 пКл/Н)

Ограничены военным применением из-за стоимости

▼

2000–наст. ── Фазированные антенные решётки (ФАР)

Электронное сканирование без механики

32–256+ элементов, переключение лучей за микросекунды

▼

2020–наст. ── Пьезокомпозиты 1–3, бессвинцовые керамики

NBT-BT, KNN, аддитивные технологии

Пояснение к схеме: каждый переход означал расширение возможностей. Кварц дал первое практическое решение. Пьезокерамика сделала антенны технологичными и мощными. ЦТС стал стандартом на десятилетия. Пьезокристаллы дали рекордные характеристики, но остались дорогими. ФАР убрали механику. Пьезокомпозиты и бессвинцовые материалы — современный этап.

3. Рождение: кварц и Поль Ланжевен

Пьезоэлектричество открыли братья Жак и Пьер Кюри в 1880 году. Но практическое применение пришло позже.

В 1915–1917 годах французский физик Поль Ланжевен, работая над задачей обнаружения немецких подводных лодок, создал первый гидроакустический преобразователь на кварцевых пластинах. Конструкция представляла собой «сэндвич»: кварцевые пластины зажимались между стальными накладками. Такой преобразователь излучал звук в воду и принимал отражённое эхо.

Кварц (SiO₂) обладает температурой Кюри 573 °C и пьезомодулем d₃₃ ≈ 2,3 пКл/Н. Стабильность характеристик — его главное преимущество. Но кварц хрупок, дорог и не позволяет получать высокую мощность. Тем не менее именно система Ланжевена стала прообразом первого сонара, применённого французским и американским флотами в Первую мировую войну.

После войны сонары Ланжевена устанавливались на французских океанских лайнерах — для навигации и предупреждения о столкновениях.

4. Пьезокерамика: революция 1940–1950-х

4.1. Титанат бария

Перелом наступил в середине 1940-х. В США и СССР независимо пришли к идее использовать вместо кварца поляризованную керамику. В 1944–1954 годах была обнаружена пьезоэлектрическая активность у поляризованного титаната бария (BaTiO₃).

Титанат бария имеет пьезомодуль d₃₃ ≈ 190 пКл/Н и температуру Кюри около 120 °C. Это значительно выше, чем у кварца, но температура Кюри относительно низкая, что ограничивает рабочий диапазон температур.

Титанат бария обладал важными достоинствами: технологичностью — керамику можно было формовать в изделия сложной геометрии, более высоким пьезомодулем по сравнению с кварцем, относительной дешевизной.

В СССР экспериментальный участок производства пьезокерамических элементов из титаната бария был организован в НИИ-400 (предшественнике «Гидроприбора») в середине 1950-х годов. До этого в институте пытались делать преобразователи на магнитострикции и на кристаллах дигидрофосфата аммония, но эти разработки практического применения не нашли.

4.2. Цирконат-титанат свинца (ЦТС)

К 1950-м годам титанат бария почти повсеместно был вытеснен цирконатом-титанатом свинца (PZT, в русской терминологии — ЦТС). Этот материал обладал более высокой пьезочувствительностью, лучшей температурной стабильностью и позволял работать в широком диапазоне частот.

Для ЦТС-19 (сегнетомягкий состав) пьезомодуль d₃₃ составляет 360 ± 12 пКл/Н, температура Кюри — 290 °C, относительная диэлектрическая проницаемость ε₃₃/ε₀ = 1750 ± 40. По другим данным, температура Кюри ЦТС-19 составляет 300 °C. Для ЦТС-26 температура Кюри — 350 °C, пьезомодуль d₃₃ — 330 пКл/Н.

Важное примечание: значения пьезомодулей и температур Кюри сильно зависят от марки материала, технологии изготовления и легирующих добавок. Для точных расчётов необходимо обращаться к справочникам по конкретным маркам пьезокерамики.

С освоением промышленного производства ЦТС в СССР (с 1970-х годов) практически все разработки гидроакустических преобразователей, антенн и гидрофонов были переведены на серийную пьезокерамику.

4.3. Два пути: США и СССР

После внедрения пьезокерамики в 1950-х годах пути проектирования антенных решёток в США и СССР разошлись.

В США ставку сделали на стержневые преобразователи классической конструкции Tonpilz — «сэндвич» из пьезокерамических шайб, зажатых между накладками. Такая схема удобна для создания плоских и линейных решёток.

В СССР предпочтение отдали цилиндрическим преобразователям. Цилиндрическая геометрия позволяла формировать круговой обзор без механического вращения антенны — важное преимущество для корабельных и подводных гидроакустических комплексов.

Это различие сохранялось десятилетиями и определило облик гидроакустической аппаратуры двух стран.

 

5. Таблица сравнения параметров преобразователей разных поколений

Параметр	Кварц (SiO₂)	Титанат бария (BaTiO₃)	ЦТС-19 (PZT)	Пьезокристаллы (PMN-PT)	ФАР (на ЦТС)
Годы активного применения	1917–1950-е	1944–1960-е	1950-е — наст.	1990-е — наст.	2000-е — наст.
Пьезомодуль d₃₃, пКл/Н	~2,3	~190	360 ± 12	> 2000	Зависит от элемента
Температура Кюри, °C	573	~120	290–300	< 140 (PMN-PT); > 210 (PIN-PMN-PT)	230–300
Относительная диэлектрическая проницаемость ε₃₃/ε₀	~4,5	~1700	1750 ± 40	3000–6000	1700–3400
Коэффициент электромеханической связи k₃₃	~0,1	0,50	0,60	0,85–0,95	0,60–0,75
Технологичность	Низкая	Высокая	Высокая	Низкая	Высокая
Стоимость	Высокая	Средняя	Низкая	Очень высокая	Высокая
Основное ограничение	Хрупкость, низкая мощность	Низкая температура Кюри	Относительно узкая полоса	Стоимость, низкая T_rt	Вычислительная мощность, цена
Типичное применение	Первые сонары	Ранние гидрофоны	Гидролокаторы, эхолоты	Военные сонары	Современные ГАК

 

Примечания к таблице:

1. Данные по кварцу: температура Кюри 573 °C, пьезомодуль d₃₃ = 2,3 пКл/Н, ε_r = 4,5, k = 0,095.
2. Данные по титанату бария: d₃₃ ≈ 190 пКл/Н, Tc ≈ 120 °C. Значения d₃₃ могут варьироваться от 190 до 788 пКл/Н в зависимости от технологии спекания.
3. Данные по ЦТС-19: ε₃₃/ε₀ = 1750 ± 40, tgδ = 1,5–2,4 %, d₃₃ = 360 ± 12 пКл/Н, d₃₁ = 160 ± 7 пКл/Н, TK = 290 °C. По другим данным, TK = 300 °C, k = 0,60.
4. Данные по пьезокристаллам: PMN-PT имеет d₃₃ > 2000 пКл/Н и k₃₃ > 0,9, но температура фазового перехода T_rt ≈ 85–95 °C и температура Кюри Tc < 140 °C. Тройные кристаллы PIN-PMN-PT имеют Tc > 210 °C.
5. Значения параметров приведены по обзорным публикациям и справочникам. Для точных расчётов необходим справочник по конкретным маркам пьезокерамики.

 

6. Фазированные решётки: электронное сканирование

6.1. Принцип

В фазированной решётке каждый элемент излучает (или принимает) сигнал с определённой фазовой задержкой. Суммируя сигналы от всех элементов с нужными задержками, можно сформировать луч в заданном направлении — без механического движения.

Переключение между лучами занимает микросекунды. Антенна может «обшаривать» пространство практически мгновенно.

6.2. Почему это важно для гидроакустики

На движущемся носителе — корабле, подводной лодке, необитаемом аппарате — механическое сканирование даёт «смазанную» картину: пока антенна поворачивается, цель смещается. ФАР свободна от этого недостатка.

Кроме того, ФАР позволяет формировать несколько лучей одновременно, что повышает темп обзора.

6.3. Ограничения

ФАР требует вычислительной мощности. Управление решёткой из 64–256 элементов означает расчёт задержек и суммирование сигналов в реальном времени. Только с появлением быстродействующих процессоров и ПЛИС (программируемых логических интегральных схем) такие системы стали практически реализуемыми.

Второе ограничение — стоимость. Каждый элемент решётки — это отдельный преобразователь со своим трактом. Решётка на тысячу элементов стоит на порядок дороже одиночной антенны.

 

7. Цифровая обработка сигналов: следующий шаг

С 1980-х годов аналоговая обработка в гидроакустике постепенно уступает место цифровой.

Современный тракт выглядит так: сигнал с гидрофона оцифровывается непосредственно после предусилителя, и дальше все операции — фильтрация, формирование лучей, накопление — выполняются программно.

Это даёт:

• адаптивную фильтрацию — подавление помех, меняющихся во времени;
• согласованную фильтрацию — сжатие длинных импульсов с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ), что повышает разрешение по дальности без потери энергии;
• классификацию целей по спектральным признакам.

Исследования в области цифровой пространственно-временной обработки сигналов для многолучевых гидролокаторов активно ведутся в российских университетах. Компьютерное моделирование согласованной со средой обработки гидроакустических сигналов представлено в работе Сергеева, Родионова, Малеханова и др. на конференции ГА-2024.

 

8. Современное состояние

8.1. Программно-определяемые сонары

Концепция software-defined sonar — это гидроакустическая система, где большая часть обработки выполняется программно. Аппаратная часть максимально унифицирована, а функциональность определяется алгоритмами.

8.2. Пьезокомпозиты и новые материалы

Подробный обзор современных пьезоэлектрических широкополосных композиционных элементов представлен в работе Мухсина, Пивнева и Калюты. В статье описаны структура и принцип действия пьезокомпозитных преобразователей, включая анализ конструктивных особенностей, геометрических параметров и материалов — керамических пьезоэлектриков и полимерных матриц. Рассмотрены перспективы использования наноструктурированных композитов и аддитивных технологий.

Исследуются бессвинцовые пьезокерамики. В 2026 году в журнале Sensors and Actuators A: Physical опубликована работа о кольцевом преобразователе на основе KNN (калий-натрий-ниобат), который обеспечивает снижение массы на 37,8 % по сравнению с аналогом на PZT.

8.3. Российские разработки

В 2026 году в Передовой инженерной школе Южного федерального университета создана уникальная антенна параметрического донного низкочастотного профилографа, позволяющая получать профили морского дна на глубинах до 6 км. Антенна не имеет аналогов в России.

Разрабатываются также программно-управляемые гидроакустические цифровые активные фазированные антенные решётки на базе «пакета» морских микродронов.

История развития систем шумопеленгования АО «Концерн «Океанприбор» за 75 лет представлена в работе Селезнева И. А. «От "слуховой трубки" к конформной антенне», опубликованной в трудах XVII Всероссийской конференции ГА-2024.

8.4. Конкретные модели гидроакустических станций

Российские:

ГАС «Маяк-С» — корабельная гидроакустическая станция. Антенная система: модульная конструкция, состоящая из излучающего модуля (0,4×0,4 м) и трёх унифицированных приёмных модулей (0,4×0,5 м), плоские апертуры крайних модулей развёрнуты на углы +6° относительно центрального для формирования объектива антенны. Работает на глубинах 1,5–60 м.

ГАНС-УКБ (тип «Гном») — гидроакустическая навигационная система для определения координат подводных аппаратов. В состав входят судовые гидроакустические приёмо-передающие антенны СГППА-L (для глубоководных аппаратов «Звук-6», «Мезоскан-М») и СГППА-S (для шельфовых «Микросаунд», «Гном»). Дальность действия — до 8000 м для глубоководных аппаратов, 20–500 м для «Гнома». Диапазон частот: 30–50 кГц для дальности до 500 м, 7–14 кГц для дальности до 8000 м.

Зарубежные:

AN/BQR-7 (США) — пассивная шумопеленгаторная ГАС. Диапазон 50 Гц – 5 кГц. Конформная антенна: 52 группы гидрофонов, распределённых по носовому обтекателю подводной лодки на длине 13,7 м. Зона обзора — 270°. Точность обнаружения — 1–3°.

AN/SQS-53 (США) — корабельная ГАС дальнего радиуса действия. Размещается в носовом бульбовом обтекателе эсминцев и крейсеров. Пиковая мощность излучателя — 190 кВт. Сопровождает до 100 целей в активном и пассивном режимах.

DUBV-23D (Франция) — гидролокатор с цилиндрической антенной системой.

GeoAcoustics GeoSwath — гидролокатор бокового обзора с фазированной антенной решёткой. Рабочие частоты 125 и 250 кГц.

Kongsberg EM 3000 Dual — многолучевой эхолот с фазированной решёткой.

 

9. Заключение

Эволюция гидроакустических антенн — это история последовательного расширения возможностей. Кварц дал первое практическое решение. Пьезокерамика сделала антенны технологичными и мощными. Фазированные решётки дали электронное сканирование. Цифровая обработка превратила антенну в интеллектуальную систему.

Для специалистов среднего звена из этого следует практический вывод: знание только классических формул гидролокации уже недостаточно. Современный гидроакустик должен понимать основы цифровой обработки сигналов, разбираться в типах пьезоматериалов и уметь работать с программно-определяемыми системами.

 

Список литературы

Основная литература

1. Свердлин Г. М. Гидроакустические преобразователи и антенны. — 2-е изд. — Л.: Судостроение, 1988. — 200 с. (проверить в РГБ: полные выходные данные)
2. Клещев А. А., Клюкин И. И. Основы гидроакустики. — Л.: Судостроение, 1987. — 224 с. (проверить в РГБ)
3. Урик Р. Дж. Основы гидроакустики / пер. с англ. — Л.: Судостроение, 1978. — 448 с. (проверить в РГБ)
4. Евтютов А. П., Митько В. Б. Инженерные расчёты в гидроакустике. — 2-е изд. — Л.: Судостроение, 1988. — 288 с. (проверить в РГБ)
5. Кранц В. З. Гидроакустические коммуникационные системы. — СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2024. — 271 с. (проверить в РГБ)

Новые публикации (2024–2025)

6. Мухсин Х. К. М., Пивнев П. П., Калюта В. И. Обзор широкополосных гидроакустических преобразователей на основе пьезокомпозитов // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». — 2025. — Т. 18, № 3. — С. 28–43. — DOI: 10.32603/2071-8985-2025-18-3-28-43. (проверено: DOI подтверждён)
7. Селезнев И. А. От «слуховой трубки» к конформной антенне. История АО «Концерн «Океанприбор» — 75 лет развития систем шумопеленгования // Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики: Труды XVII Всероссийской конференции (ГА-2024). — Санкт-Петербург, 5–7 июня 2024. — С. 13–16. (проверить: полные страницы в сборнике)
8. Сергеев В. А., Родионов А. А., Малеханов И. А. и др. Компьютерное моделирование согласованной со средой обработки гидроакустических сигналов // Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики: Труды XVII Всероссийской конференции (ГА-2024). — СПб., 2024. — С. 26–30. (проверить: полные страницы)
9. Гидроакустика = Hydroacoustics: научно-технический сборник. — СПб.: АО «Концерн «Океанприбор», 2024. — Вып. 60(4). — 99, [6] с. — ISSN 1608-8182. (проверено: наличие в каталоге ГПНТБ)
10. Thermal stability and high-power performance of KNN-based lead-free piezoceramic lightweight ring transducer // Sensors and Actuators A: Physical. — 2026. — Vol. 401. — DOI: 10.1016/j.sna.2026.117572. (проверено: DOI подтверждён)