Система “гідроакустична станція-надводний корабель” з глибоководною антеною змінної глибини

Реферат: Система "гідроакустична станція-надводний корабель" з глибоководною антеною змінної глибини, містить корабель-носій з розміщеними на ньому активно-пасивною гідроакустичною станцією та підйомно-опускним пристроєм, при цьому до складу активно-пасивної гідроакустичної станції входять опускний контейнер, з'єднаний з підйомно-опускним пристроєм кабель-тросом, та глибоководна антена змінної глибини у вигляді кругової циліндричної антени, випромінююча частина якої радіусом R утворена по висоті кількома ярусами екранованих кругових циліндричних п'єзокерамічних перетворювачів, розділених між собою шарами акустично м'яких екрануючих конструкцій радіусом R та товщиною b. Кожний шар зазначених акустично м'яких екрануючих конструкцій виконано у вигляді пласкої решітки, утвореної із щільно упакованих, заповнених повітрям та з'єднаних між собою металевих оболонок у вигляді коротких циліндрів висотою b, кожний з циліндрів виконаний із двох тонких круглих пластин радіусом r та товщиною h, закріплених по краях недеформованої кільцевої опори так, що пластини лежать в площині пласкої решітки. UA 104153 U (12) UA 104153 U UA 104153 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі морського озброєння, зокрема до гідроакустики, і може бути використана, наприклад, в системах "гідроакустична станція-надводний корабель" з антенами змінної глибини. Відомо, що в існуючих системах "гідроакустична станція-надводний корабель" використовується моностатична схема випромінювання та прийому акустичного сигналу гідроакустичної станції, при якій гідроакустична антена суміщає в собі режими прийому та випромінювання сигналів [1]. При цьому необхідною умовою роботи гідроакустичної станції в режимі випромінювання є робота її гідроакустичної антени на частоті механічного резонансу її перетворювачів, завдяки чому забезпечується ефективне перетворення електричної енергії в акустичну. Такий підхід використовується при побудові гідроакустичних станцій з антенами, як розміщеними в корпусі надводного корабля, так і з антенами змінної глибини. Розміщення на кораблі-носії гідроакустичної станції з набором таких антен дозволяє максимально використовувати потенційні можливості по одержанню всієї інформації, яка існує в морському просторі стосовно надводних і підводних об'єктів, що знаходяться в межах дальності дії цих гідроакустичних станцій. Особливістю є те, що в залежності від стану гідрофізичних полів в зоні дії гідроакустичної станції, ця інформація може бути зосереджена по глибині на різних горизонтах. Тому для ефективного використання гідроакустичної станції з антеною змінної глибини повинна бути можливість максимально змінювати робочу глибину зазначеної антени. В той же час така можливість обмежена існуючими підходами до побудови конструкцій зосереджених гідроакустичних антен, а саме тим, що до їх складу входять акустично м'які екрани. Ці акустично м'які екрани практично реалізуються на основі шарів гуми з закритими, заповненими повітрям порами, наприклад гуми марки 51-1415. Їх висока об'ємна податливість забезпечує відмінні звуковідбиваючі властивості, але, в той же час, є головною причиною швидкого погіршення звуковідбиваючих властивостей таких екранів при збільшенні гідростатичного тиску з глибиною. Наведене є недоліком системи "гідроакустична станціянадводний корабель", що розглядається, і полягає в зменшенні дальності дії системи у зв'язку з обмеженням робочої глибини її антени змінної глибини. Найбільш близьким технічним рішенням як за суттю, так і за задачею, що вирішується, яке вибрано за найближчий аналог (прототип), є система "гідроакустична станція - надводний корабель" з антеною змінної глибини, яка включає корабель-носій з розміщеними на ньому активно-пасивною гідроакустичною станцією з антеною змінної глибини та підйомно-опускним пристроєм, при цьому до складу активно-пасивної гідроакустичної станції входять опускний контейнер, з'єднаний з підйомно-опускним пристроєм кабель-тросом та антена змінної глибини у вигляді кругової циліндричної антени, випромінююча частина якої радіусом R утворена по висоті кількома ярусами екранованих кругових циліндричних п'єзокерамічних перетворювачів, розділених між собою шарами акустично м'яких екрануючих конструкцій радіусом R та товщиною b [2]. До недоліків системи "гідроакустична станція-надводний корабель" з антеною змінної глибини, яку вибрано за найближчий аналог (прототип), належить мала робоча глибина антени змінної глибини, що обумовлено наявністю у складі антени змінної глибини акустично м'яких екранів, виконаних із шарів гуми з закритими, заповненими повітрям, порами. Ця обставина приводить до зменшення дальності дії системи "гідроакустична станція - надводний корабель" з антеною змінної глибини, оскільки інформація про підводні об'єкти в залежності від стану гідрофізичних полів в зоні дії системи може знаходитись на горизонтах більшої глибини, ніж максимальна глибина занурення антени змінної глибини. В основу корисної моделі поcтавлено задачу шляхом спорядження випромінюючої частини антени змінної глибини новими конструктивними елементами, а саме екрануючими конструкціями, виконаними у вигляді решіток із заповнених повітрям металевих оболонок у вигляді пружних коротких циліндрів, власна резонансна частота яких однакова з частотою механічного резонансу антени, збільшити глибину занурення антени змінної глибини та тим самим збільшити ефективність пошуку підводних об'єктів (цілей) в залежності від гідрологоакустичних умов морського середовища. Суть технічного рішення в системі "гідроакустична станція - надводний корабель" з глибоководною антеною змінної глибини, що містить корабель-носій з розміщеними на ньому активно-пасивною гідроакустичною станцією та підйомно-опускним пристроєм, при цьому до складу активно-пасивної гідроакустичної станції входять опускний контейнер, з'єднаний з підйомно-опускним пристроєм кабель-тросом та глибоководна антена змінної глибини у вигляді кругової циліндричної антени, випромінююча частина якої радіусом R утворена по висоті кількома ярусами екранованих кругових циліндричних п'єзокерамічних перетворювачів, 1 UA 104153 U 5 розділених між собою шарами акустично м'яких екрануючих конструкцій радіусом R та товщиною b, полягає в тому, що кожний шар зазначених акустично м'яких екрануючих конструкцій виконано у вигляді пласкої решітки, утвореної із щільно упакованих, заповнених повітрям та з'єднаних між собою металевих оболонок у вигляді коротких циліндрів висотою b, кожний з циліндрів виконаний із двох тонких круглих пластин радіусом r та товщиною h, закріплених по краях недеформованої кільцевої опори, так, що пластини лежать в площині пласкої решітки, при цьому металеві оболонки виконано з власною резонансною частотою f1 12 що однакова з частотою механічного резонансу перетворювачів і становить f1  1  E      r 10 15 20 25 модуль пружності;  - густина матеріалу металевих оболонок, причому кожну з пластин виконано товщиною h менше 20r, а кожну з металевих оболонок виконано висотою b менше 2r. Суть корисної моделі полягає і в тому, що кожний із екранованих кругових циліндричних п'єзокерамічних перетворювачів випромінюючої частини глибоководної антени змінної глибини з внутрішньої сторони антени на 180° щільно охвачений напівциліндричною решіткою, утвореною із щільно упакованих, заповнених повітрям та з'єднаних між собою металевих оболонок так, що пластини металевих оболонок паралельні поздовжній осі екранованого кругового циліндричного п'єзокерамічного перетворювача. Порівняльний аналіз технічного рішення, що заявляється, з прототипом дозволяє зробити висновок, що система "гідроакустична станція - надводний корабель" з глибоководною антеною змінної глибини відрізняється тим, що шари акустично м'яких екрануючих конструкцій, які розділяють яруси екранованих кругових циліндричних п'єзокерамічних перетворювачів в глибоководній антені змінної глибини та акустично м'які екрани екранованих кругових циліндричних п'єзокерамічних перетворювачів, виконані у вигляді пласких та напівциліндричних решіток, утворених із щільно упакованих, заповнених повітрям металевих оболонок у вигляді коротких циліндрів висотою b, кожний з яких виконаний із двох закріплених по краях недеформованої кільцевої опори тонких круглих пластин радіусом r та товщиною h, так, що пластини лежать відповідно в площинах пласких решіток та в площинах, що є дотичними до циліндричних поверхонь екранованих кругових циліндричних п'єзокерамічних перетворювачів, при цьому металеві оболонки виконано з власною резонансною частотою f1 , однаковою з частотою механічного резонансу екранованих кругових циліндричних п'єзокерамічних 12 30 35 40 45 перетворювачів і яка становить f1  1  E      r , де E - модуль пружності;  - густина матеріалу металевих оболонок, причому кожну з пластин виконано товщиною h менше 20 r, а кожну з металевих оболонок виконано висотою b менше 2r. Рішення технічної задачі в системі "гідроакустична станція-надводний корабель" з глибоководною антеною змінної глибини, що заявляється, дійсно можливе за такими фізичними причинами: 1. Шляхом виконання пласких та напівциліндричних екрануючих конструкцій випромінюючої частини глибоководної антени змінної глибини у вигляді решіток, утворених із щільно упакованих, заповнених повітрям металевих оболонок у вигляді коротких циліндрів, кожний з яких виконаний із двох закріплених по краях недеформованої кільцевої опори тонких круглих пластин, забезпечуються акустичні характеристики цих екрануючих конструкцій такими ж, як і акустичні характеристики шарів екрануючих конструкцій між ярусами екранованих кругових циліндричних п'єзокерамічних перетворювачів та екранів зазначених перетворювачів, які виконані із гуми з закритими повітряними порами, при певній умові [3]. До такої умови належить досягнення вираженої об'ємної податливості металевих оболонок, оскільки вона є основною передумовою для одержання високих звуковідбиваючих властивостей пласких решіток із таких металевих оболонок. Це можливо забезпечити шляхом використання першої форми коливань металевих оболонок у вигляді коротких циліндрів, оскільки для цієї форми коливань характерна відсутність дільниць поверхонь тонких круглих пластин, жорстко закріплених по краям на недеформованій кільцевій опорі, які коливаються протифазно. Для цього власна частота f1 12 50 , де E першої форми коливань короткого циліндра повинна відповідати виразу f1  1  E      r · Жорстке закріплення круглих пластин по контуру на недеформованій кільцевій опорі дозволяє одержати більшу динамічну податливість металевої оболонки, завдяки чому утворюється більша частотна смуга ефективного відбиття звуку пласкими та напівциліндричними решітками в цілому. 2 UA 104153 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 2. Щільна упаковка металевих оболонок в пласких та напівциліндричних решітках створює можливість забезпечення максимального ефекту відбиття звукових хвиль решітками, завдяки максимальній взаємодії елементів решіток по звуковому полю, обумовленій багатократним розсіюванням звукових хвиль на цих елементах. Оскільки висота металевих оболонок не впливає на їх об'ємну податливість, то вибір цієї висоти на рівні товщини шару гуми, яка серійно виготовлюється, забезпечує без проблем заміну діючих конструкцій антен змінної глибини з малою глибиною занурення на конструкції антен змінної глибини з великою робочою глибиною. 3. Заміна звуковідбиваючої гуми з закритими повітряними порами типу 51-1415 з робочою глибиною до 200 м на решітки із заповнених повітрям металевих оболонок у вигляді коротких циліндрів дозволяє збільшити робочу глибину антен змінної глибини до 800-1000 м і більше із збереженням акустично м'яких властивостей екрануючих конструкцій. Таким чином, система "гідроакустична станція-надводний корабель" з глибоководною антеною змінної глибини, що заявляється, відповідає критерію корисної моделі "новизна". Суть корисної моделі пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 показано склад системи "гідроакустична станція-надводний корабель" з глибоководною антеною змінної глибини; на фіг. 2 показано схему побудови глибоководної антени змінної глибини; на фіг. 3 показано схему побудови шару екрануючої акустично м'якої конструкції, який розміщується між ярусами екранованих кругових циліндричних п'єзокерамічних перетворювачів випромінюючої частини глибоководної антени змінної глибини; на фіг. 4 представлено схему побудови екранованого кругового циліндричного п'єзокерамічного перетворювача з напівциліндричною решіткою, яка екранує його на 180° з внутрішньої сторони глибоководної антени змінної глибини; на фіг. 5 представлено схему побудови заповненої повітрям металевої оболонки у вигляді короткого циліндра. Система 1 "гідроакустична станція-надводний корабель" з глибоководною антеною змінної глибини (як варіант конструктивного виконання - див. схему на фіг. 1) містить корабель-носій 2 з розміщеними на ньому активно-пасивною гідроакустичною станцією 3 з глибоководною антеною змінної глибини 4 та підйомно-опускним пристроєм 5 з кабель-тросом 6, що з'єднує глибоководну антену змінної глибини 4 з підйомно-опускним пристроєм 5. Глибоководна антена змінної глибини 4 циліндричного типу розміщена в опускному контейнері 7 і утворена із двох частин - випромінюючої 8 та прийомної 9. Випромінююча частина 8 радіусом R глибоководної антени змінної глибини 4 складається із кількох ярусів 10, розміщених по висоті глибоководної антени змінної глибини 4, та шарів 11 акустично м'яких екрануючих конструкцій радіусом R та товщиною b, розміщених між ярусами екранованих кругових циліндричних п'єзокерамічних перетворювачів (див. схему на фіг. 2). Кожний із ярусів 10 утворений із екранованих кругових циліндричних п'єзокерамічних перетворювачів 12, екранованих на 180° з внутрішньої сторони глибоководної антени змінної глибини 4 напівциліндричною решіткою 15 (див. схему на фіг. 4), яка щільно охвачу є кожний із екранованих кругових циліндричних п'єзокерамічних перетворювачів 12 і утворена із заповнених повітрям металевих оболонок 14. При цьому пластини 18 металевих оболонок 14 паралельні поздовжній осі екранованих кругових циліндричних п'єзокерамічних перетворювачів 12. Кожний із між'ярусних шарів 11 екрануючих акустично м'яких конструкцій радіусом R та товщиною b виконано у вигляді пласкої решітки 13 (див. схему на фіг. 3), утвореної із щільно упакованих, заповнених повітрям металевих оболонок 14, які розміщені в пласкій решітці 13 так, що пластини 18 металевих оболонок 14 лежать в площині пласкої решітки 13. Заповнені повітрям 16 металеві оболонки 14 пласких 13 і напівциліндричних 15 решіток виконані у вигляді коротких циліндрів висотою b (див. схему на фіг. 5). Кожний із коротких циліндрів виконано із двох жорстко закріплених по краях недеформованої кільцевої опори 17 тонких круглих пластин 18 радіусом r та товщиною h, при 12 цьому власна резонансна частота f1 металевих оболонок 14 становить величину f1  1  E      r 50 55 , де E - модуль пружності;  - густина матеріалу металевих оболонок 14 і однакова з частотою механічного резонансу екранованих кругових циліндричних п'єзокерамічних перетворювачів випромінюючої частини глибоководної антени змінної глибини, причому кожну з пластин виконано товщиною h менше 20r, а кожну з металевих оболонок виконано висотою b менше 2r. Система 1 "гідроакустична станція-надводний корабель" з глибоководною антеною змінної глибини, що заявляється, працює наступним чином: При експлуатації системи 1 "гідроакустична станція-надводний корабель" з глибоководною антеною змінної глибини 4, підйомно-опускний пристрій 5 опускає глибоководну антену змінної глибини 4 на кабель-тросі 6 на заданий рівень заглиблення, якому відповідає найкраща в даних гідролого-акустичних умовах завадосигнальна ситуація. Використання в глибоководній антені 3 UA 104153 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 змінної глибини 4 акустично м'яких екрануючих конструкцій в вигляді пласких 13 і напівциліндричних 15 решіток, утворених із заповнених повітрям металевих оболонок 14, дозволяє суттєво (в 3-5 разів) збільшити рівень заглиблення глибоководної антени змінної глибини 4 і тим самим покращити умови роботи активно-пасивної гідроакустичної станції 3. Таким чином, ефективність гідроакустичної станції 3 з глибоководною антеною змінної глибини 4 може суттєво збільшитись при відповідній зміні з глибиною гідролого-акустичних умов поширення звукових хвиль в морському середовищі. Наведені результати обумовлені тими фізичними процесами, які відбуваються в процесі функціонування глибоководної антени змінної глибини 4. При випромінюванні звуку екранованими круговими циліндричними п'єзокерамічними перетворювачами 12 випромінюючої частини 8 глибоководної антени змінної глибини 4 звукові хвилі збуджують пласкі 13 та напівциліндричні 15 решітки, що утворені із заповнених повітрям металевих оболонок 14, виконаних у вигляді коротких циліндрів, дві пластини 18 яких жорстко закріплені по краях недеформованої кільцевої опори 17. Збудження таких металевих оболонок 14 звуковими хвилями на першій моді коливань, яка відповідає резонансній частоті f1 металевих оболонок 14 і для якої характерна відсутність протифазно коливальних ділянок поверхні металевих оболонок 14, забезпечує досягнення значної об'ємної податливості металевих оболонок 14, яка є еквівалентною податливості шарів гуми з закритими, наповненими повітрям порами. Саме ця податливість заповнених повітрям металевих оболонок 14 у сукупності із взаємодією металевих оболонок 14 в решітках по звуковому полю, обумовленою багатократним розсіюванням звукових хвиль на елементах решіток, є фізичною основою для одержання високих звуковідбиваючих властивостей пласких 13 і напівциліндричних 15 решіток із металевих оболонок 14, що розглядаються. При цьому жорстке закріплення по контуру пластин 18 на недеформованій кільцевій опорі 17 в заповнених повітрям 16 металевих оболонках 14 забезпечує більшу динамічну податливість металевих оболонок 14, що в кінцевому результаті обумовлює і більшу смугу частот ефективного відбиття звуку пласких 13 і напівциліндричних 15 решіток в цілому в області частоти f1 [3]. Таким чином, система "гідроакустична станція-надводний корабель" з глибоководною антеною змінної глибини, що заявляється, характеризується суттєвим збільшенням однієї із її найбільш важливої тактико-технічної характеристики, а саме - робочої глибини (більше ніж в три рази), і тим самим збільшенням ефективності пошуку підводних об'єктів (цілей) в залежності від гідролого-акустичних умов морського середовища. Підвищення ефективності застосування системи "гідроакустична станція-надводний корабель" з глибоководною антеною змінної глибини, що заявляється, у порівнянні з прототипом досягається шляхом виконання пласких та напівциліндричних екрануючих конструкцій випромінюючої частини глибоководної антени змінної глибини у вигляді решіток, утворених із щільно упакованих, заповнених повітрям металевих оболонок у вигляді коротких циліндрів, кожний з яких виконаний із двох закріплених по краях недеформованої кільцевої опори тонких круглих пластин, чим забезпечуються акустичні характеристики цих екрануючих конструкцій такими ж, як і акустичні характеристики шарів екрануючих конструкцій між ярусами екранованих кругових циліндричних п'єзокерамічних перетворювачів та екранів зазначених перетворювачів, які виконані із гуми з закритими повітряними порами, при певній умові. Підвищення ефективності застосування системи "гідроакустична станція-надводний корабель" з глибоководною антеною змінної глибини, що заявляється, у порівнянні з прототипом досягається також шляхом щільної упаковки металевих оболонок в пласких та напівциліндричних решітках, чим створюється можливість забезпечення максимального ефекту відбиття звукових хвиль решітками, завдяки максимальній взаємодії елементів решіток по звуковому полю, обумовленій багатократним розсіюванням звукових хвиль на цих елементах. Підвищення ефективності застосування системи "гідроакустична станція-надводний корабель" з глибоководною антеною змінної глибини, що заявляється, у порівнянні з прототипом досягається також й шляхом заміни звуковідбиваючої гуми з закритими повітряними порами типу 51-1415 з робочою глибиною до 200 м на решітки із заповнених повітрям металевих оболонок у вигляді коротких циліндрів, чим збільшується робоча глибина антен змінної глибини до 800-1000 м і більше із збереженням акустично м'яких властивостей екрануючих конструкцій. 55 Джерела інформації: 1. Корякин Ю.А., Смирнов С.Α., Яковлев Г.В. Корабельная гидроакустическая техника: состояние и актуальные проблемы /Ю.А. Корякин, С.А.Смирнов, Г.В.Яковлев - Спб.: Наука, 2004. - 410 с. 4 UA 104153 U 5 2. Дерепа А.В., Лейко А.Г., Меленко Ю.Я. Монография "Комплексная система "гидроакустическое вооружение-надводный корабль". Проблемные аспекты системы "гидроакустическая станция-надводный корабль" с антеннами, размещенными в корпусе корабля" /А.В. Дерепа, А.Г. Лейко, Ю.Я. Меленко. - К.: Издательский дом Дмитрия Бураго, 2014. - 425 с. - прототип. 3. В.Т. Гринченко, И.В. Вовк, В.Т. Мацыпура. Волновые задачи акустики. - К.: Интерсервис, 2013. - 572 с. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 15 20 1. Система "гідроакустична станція-надводний корабель" з глибоководною антеною змінної глибини, що містить корабель-носій з розміщеними на ньому активно-пасивною гідроакустичною станцією та підйомно-опускним пристроєм, при цьому до складу активно-пасивної гідроакустичної станції входять опускний контейнер, з'єднаний з підйомно-опускним пристроєм кабель-тросом, та глибоководна антена змінної глибини у вигляді кругової циліндричної антени, випромінююча частина якої радіусом R утворена по висоті кількома ярусами екранованих кругових циліндричних п'єзокерамічних перетворювачів, розділених між собою шарами акустично м'яких екрануючих конструкцій радіусом R та товщиною b, яка відрізняється тим, що кожний шар зазначених акустично м'яких екрануючих конструкцій виконано у вигляді пласкої решітки, утвореної із щільно упакованих, заповнених повітрям та з'єднаних між собою металевих оболонок у вигляді коротких циліндрів висотою b, кожний з циліндрів виконаний із двох тонких круглих пластин радіусом r та товщиною h, закріплених по краях недеформованої кільцевої опори так, що пластини лежать в площині пласкої решітки, при цьому металеві оболонки виконано з власною резонансною частотою f1 , що однакова з частотою механічного 12 25 30 1 E  резонансу перетворювачів і становить f1    r   , де E - модуль пружності;  - густина матеріалу металевих оболонок, причому кожну з пластин виконано товщиною h менше 20r, а кожну з металевих оболонок виконано висотою b менше 2r. 2. Система за п. 1, яка відрізняється тим, що кожний із екранованих кругових циліндричних п'єзокерамічних перетворювачів випромінюючої частини глибоководної антени змінної глибини з внутрішньої сторони антени на 180° щільно охвачений напівциліндричною решіткою, утвореною із щільно упакованих, заповнених повітрям та з'єднаних між собою металевих оболонок так, що пластини металевих оболонок паралельні поздовжній осі екранованого кругового циліндричного п'єзокерамічного перетворювача. 5 UA 104153 U 6 UA 104153 U 7 UA 104153 U Комп’ютерна верстка О. Гергіль Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8