Гідроакустична рупорна антена

Реферат: Гідроакустична рупорна антена належить до гідроакустики і може бути використана при створенні низькочастотних випромінювальних антен вертикальної орієнтації для передавання дискретної інформації між підводними човнами, що знаходяться на різній глибині, а також для звукопідводного зв'язку між надводними кораблями, підводними човнами і нежитловими гідроакустичними комплексами, що знаходяться на дні моря. Пропонована антена забезпечує формування характеристики спрямованості гідроакустичної рупорної антени у вертикальній площині, підвищення надійності роботи антени при передаванні дискретної інформації між підводними об'єктами. Запропонована антена являє собою герметичну ємність, перетворювач антени виконаний у вигляді рідинно-струминного перетворювача зі східчастою перешкодою та коловим щілинним соплом у вигляді співвісних дисків і встановлений перпендикулярно до фланця передрупорної камери, як робоча рідина використовується трансформаторне масло, на фланці передрупорної камери герметично встановлена циліндрична камера для компенсації гідростатичного тиску навколишнього морського середовища, яка містить патрубки для з'єднання з входом насоса, що живить перетворювач, виходом допоміжного насоса, що створює статичний тиск усередині порожнини антени, і патрубок для з'єднання з ємністю робочої рідини, у фланці передрупорної камери виконаний центральний отвір, діаметр якого становить 0,90-0,94 зовнішнього діаметра корпусу перетворювача, при цьому відношення діаметра штуцера перетворювача до зовнішнього діаметра його корпусу дорівнює 0,52-0,58, в апертурі рупора герметично встановлене кругле звукопрозоре вікно чвертьхвильової товщини, яке виготовлене з акустично прозорої гуми, хвильовий опір якої дорівнює середньому геометричному хвильових опорів трансформаторного масла і морської води. UA 100212 C2 (12) UA 100212 C2 UA 100212 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до гідроакустики і може бути використаний при створенні низькочастотних випромінювальних антен вертикальної орієнтації для передавання дискретної інформації між підводними човнами, що знаходяться на різній глибині, а також для звукопідводного зв'язку між надводними кораблями, підводними човнами і нежитловими гідроакустичними комплексами, що знаходяться на дні моря. Відома гідроакустична антена, яка містить декілька ідентичних водозаповнених циліндричних п'єзоелектричних перетворювачів [1]. Відома також гідроакустична антена [2], яка містить водозаповнений перетворювач, при цьому таких перетворювачів два і обидва виконані у вигляді циліндричних п'єзоелектричних перетворювачів різного середнього діаметра. Недоліками відомих гідроакустичних антен [1] та [2] є: недостатньо високий рівень акустичного сигналу, що генерується (у п'єзоелектричних перетворювачів інтенсивність 2 випромінювання не перевищує 5 Вт/см ); неспрямованість акустичного сигналу; низька міцність п'єзокерамічних кілець на розрив в умовах значного гідростатичного тиску, що призводить до пошкодження кераміки (розтріскування) при тих рівнях потужності, які характерні для активного режиму роботи перетворювачів [3]. Найбільш близьким технічним рішенням, вибраним як прототип пропонованої антени, є гідроакустична рупорна антена [4], що містить рідинно-струминний перетворювач, виконаний у вигляді прямоточного рідинно-струминного перетворювача і встановлений у вертикальній площині всередині передрупорної камери, перпендикулярно до її верхньої стінки, причому передрупорна камера являє собою циліндричний хвилевід з фланцем і виконана спільно з рупором катеноїдальної форми, а зона звукоутворення перетворювача розташована на осі хвилеводу на відстані від його фланця, рівній чверті довжини хвилі, яка відповідає першій гармоніці поздовжнього резонансу водозаповненого хвилеводу. Недоліком відомої гідроакустичної рупорної антени [4] є недостатня ефективність її роботи при передаванні дискретної інформації у вертикальній площині. У цьому випадку прямоточний рідинно-струминний перетворювач розташований в горизонтальній площині і, під впливом гравітаційних сил, відбувається деформація пульсуючого кавітаційного вихору і циліндричної струменевої оболонки, яка здійснює коливання вигину [5], що робить вплив на зниження стабільності звукового сигналу, який генерується. Недоліком відомої гідроакустичної антени є також використання як робочої рідини морської води. Морській воді властиві такі недоліки: наявність у складі води непостійної кількості біогенних речовин, насиченість приповерхневого шару моря повітряними пухирцями, агресивність солоної морської води до внутрішніх поверхонь насоса і водозаповненого перетворювача. Все це призводить до нестабільності роботи насоса, який живить рідинно-струминний перетворювач, і, як наслідок, до спотворення акустичного сигналу, що генерується, при передаванні дискретної інформації між підводними об'єктами [6]. Поставлена задача формування характеристики спрямованості гідроакустичної рупорної антени у вертикальній площині, підвищення надійності роботи антени при передаванні дискретної інформації між підводними об'єктами, удосконалення конструкції антени. Технічним вирішенням поставленої задачі є те, що гідроакустична рупорна антена, яка містить рідинно-струминний перетворювач, встановлений у вертикальній площині всередині передрупорної камери, являє собою герметичну ємність, перетворювач антени виконаний у вигляді рідинно-струминного перетворювача зі східчастою перешкодою та коловим щілинним соплом у вигляді співвісних дисків [7] і встановлений перпендикулярно до фланця передрупорної камери, як робоча рідина використовується трансформаторне масло, на фланці передрупорної камери герметично встановлена циліндрична камера для компенсації гідростатичного тиску навколишнього морського середовища, яка містить патрубки для з'єднання з входом насоса, що живить перетворювач, виходом допоміжного насоса, що створює статичний тиск усередині порожнини антени, і патрубок для з'єднання з ємністю робочої рідини, у фланці передрупорної камери виконаний центральний отвір, діаметр якого становить 0,900,94 зовнішнього діаметра корпусу перетворювача, при цьому відношення діаметра штуцера перетворювача до зовнішнього діаметра його корпусу дорівнює 0,52-0,58, в апертурі рупора герметично встановлене кругле звукопрозоре вікно чвертьхвильової товщини, яке виготовлене з акустично прозорої гуми, хвильовий опір якої дорівнює середньому геометричному хвильових опорів трансформаторного масла і морської води. На Фіг.1 зображений рідинно-струминний перетворювач зі східчастою перешкодою та коловим щілинним соплом у вигляді співвісних дисків [7]. Перетворювач містить: корпус 1 з кільцевою проточкою і східчастою перешкодою 4, обтічник 5, штуцер 2 для підведення робочої рідини, контргайку 3. Регулювання ширини h щілини колового сопла виконується шляхом переміщення корпусу 1 по штуцеру 2 з подальшою фіксацією корпусу 1 контргайкою 3. Зміна 1 UA 100212 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 ширини кільцевої проточки s, а також інших геометричних параметрів перетворювача (rс, s1, h1, h2) проводиться за рахунок заміни корпусу 1 і обтічника 5. Як акустична модель даного перетворювача запропоновано модель автоколивань зануреного плоского вісесиметричного струменя рідини [8]. На Фіг. 2 представлена запропонована антена. Гідроакустична рупорна антена являє собою герметичну ємність і містить рідинно-струминний перетворювач 9, циліндричну камеру 6 для компенсації гідростатичного тиску навколишнього морського середовища, передрупорну камеру 10 у вигляді циліндричного хвилеводу з фланцем, виконану спільно з рупором 11 катеноїдальної форми [9], звукопрозоре вікно 12. Перетворювач 9 виконаний у вигляді рідинноструминного перетворювача зі східчастою перешкодою та коловим щілинним соплом у вигляді співвісних дисків [7] і встановлений на штуцері 8 у вертикальній площині всередині передрупорної камери 10, перпендикулярно її фланцю. При цьому зона звукоутворення перетворювача 9 розташована на осі хвилеводу на відстані від фланця камери 10, рівній чверті довжини хвилі, яка відповідає першій гармоніці поздовжнього резонансу, заповненого робочою рідиною хвилеводу [10]. Камера 6 герметично встановлена на фланці передрупорної камери 10. З метою компенсації статичного тиску у внутрішній порожнині антени у фланці камери 10 виконаний центральний отвір, діаметр якого становить 0,90-0,94 зовнішнього діаметра корпусу перетворювача 9, при цьому відношення діаметра штуцера 8 перетворювача до зовнішнього діаметра його корпусу дорівнює 0,52-0,58. Камера 6 містить патрубки 7 для з'єднання з входом аксіально-поршневого насоса 3, з виходом допоміжного насоса 15 і патрубок 7 для з'єднання з ємністю 14 робочої рідини. В апертурі рупора 11 за допомогою притискного кільця 13 герметично встановлене кругле звукопрозоре вікно 12, яке виготовлене з акустично прозорої гуми. Усі конструктивні металеві елементи пропонованої гідроакустичної антени і сполучні трубопроводи виготовляються з нержавіючої сталі, наприклад, Х18Н10Т. Для живлення перетворювача 9 як робочої рідини використовується трансформаторне масло. Найбільш важливою властивістю трансформаторного масла є його стабільність проти окислення, тобто здатність зберігати свої параметри при тривалій роботі. У неробочому стані внутрішня порожнина антени повністю заповнена попередньо відфільтрованим і дегазованим трансформаторним маслом, при цьому апертура антени герметично закрита сталевою кришкою (на Фіг. 2 не показана). Робота антени здійснюється наступним чином. При включенні живлення центральний процесор персонального комп'ютера 1 (див. Фіг. 2) виконує спеціально розроблену програму, що керує виконавчими механізмами 2 і 16. За допомогою виконавчого механізму 16 спочатку включається допоміжний насос 15, який створює в камері 6 і, відповідно, у всій внутрішній порожнині антени статичний тиск, що дорівнює за величиною гідростатичному тиску навколишнього морського середовища на глибині занурення антени. Регулювання статичного тиску здійснює виконавчий механізм 16, який керує регульованим клапаном 17. Надмірне трансформаторне масло надходить у ємність 14. Статичний тиск всередині рупорної антени контролюється зразковим манометром 5. Після цього автоматично відкривається кришка, що закриває апертуру антени. Далі виконавчий механізм 2 включає насос 3 та встановлює величину витрати робочої рідини, що відповідає оптимальній швидкості витікання струменя з сопла перетворювача 9 [8]. У цьому випадку перетворювач 9 генерує тональний звуковий сигнал, який складається з послідовності окремих коротких експоненціальних імпульсів. Рівень акустичного сигналу, що генерується, залежить від режиму витікання струменя, геометричних параметрів перетворювача та величини гідростатичного тиску на заданій глибині [7, 8]. Потім виконується зчитування дискретного сигналу, який передається, з носія персонального комп'ютера 1. Маніпуляція несучої частоти звукового сигналу реалізується шляхом регулювання оптимальної швидкості струменя за рахунок програмованого керування центральним процесором комп'ютера 1 роботою виконавчого механізму 2. Таким чином несуча частота звукового імпульсного сигналу рідинно-струминного перетворювача 9 згідно з програмою модулюється дискретним інформаційним сигналом, що передається. У результаті генерований акустичний сигнал перетворюється на комбінацію імпульсних послідовностей з різними звуковими частотами, одна з яких відповідає рівню логічного "нуля", а друга відповідає рівню логічної "одиниці" у фіксовані інтервали часу [6]. При цьому рупорна антена виконує направлене у вертикальній площині випромінювання модульованого звукового сигналу. На приймальному боці акустичні сигнали за допомогою гідрофонів приймають з каналу зв'язку, перетворюють їх в електричні сигнали та вимірюють періоди імпульсних послідовностей цих сигналів у чітко визначені інтервали часу. Далі здійснюють ідентифікацію одиниць та нулів кодової комбінації, що передається в каналі зв'язку, і записують прийняту інформацію на носій 2 UA 100212 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 приймальної апаратури. Кінцевий етап обробки включає в себе декодування і представлення інформаційного повідомлення в зручному для слухового чи зорового сприйняття вигляді. Конкретний приклад роботи запропонованої гідроакустичної рупорної антени при передаванні дискретної інформації в умовах частотно-імпульсної модуляції. Випробування дослідного зразка рупорної антени проводилося у гідроакустичному басейні. 6 2 Вихідними даними були: хвильовий опір трансформаторного масла 1с1 = 1.2810 кг/м с, 6 2 хвильовий опір морської води 3с3 = 1.57  10 кг/м с, хвильовий опір звукопрозорого вікна 6 2  2c 2  1c1  3c 3  1,42  10 кг/м с, гідростатичний тиск Рст = 105 кПа. Геометричні параметри рідинно-струминного перетворювача приймали наступні значення: h/rс = 0,5/13; h1/s = 5/5; h2/s = 4,5/5 [мм/мм] [7]. При оптимальній швидкості струменя Vопт = 33,0м/с (витрата Qопт = 1,35л/с) перетворювач генерував імпульсний звуковий сигнал з частотою основного тону f1 = 540 Гц. Маніпуляція несучої частоти звукового сигналу здійснювалася за рахунок незначного зменшення оптимальної швидкості струменя. У цьому випадку значення частоти основного тону сигналу змінюється обернено пропорційно швидкості витікання зануреного струменя з сопла перетворювача. При швидкості струменя Vопт = 31,2 м/с (витрата Qопт = 1,27л/с) частота імпульсного сигналу приймала значення f1 = 570 Гц. Випробування звукопідводного зв'язку показало, що девіація частоти f = 30 Гц дозволяє передавати дискретну інформацію зі швидкістю 9-12 слів/хв. З метою формування характеристики спрямованості антени у вертикальній площині у запропонованій гідроакустичній антені використовується рупор 11 катеноїдальної форми. Перевагою катеноїдального рупора є плавне сполучення з циліндричним хвилеводом 10 постійного перерізу, тому в точці переходу відбитої хвилі не виникає [9]. Результати експериментальних досліджень по оптимізації геометричних і гідродинамічних параметрів рідинно-струминного перетворювача 9 з коловим щілинним соплом у вигляді співвісних дисків показали, що даний випромінювач є джерелом потужних акустичних хвиль у діапазоні низьких звукових частот (300-1000 Гц) і перспективний для застосування в передавальній гідроакустичній апаратурі [7, 8]. Виконання центрального отвору у фланці передрупорної камери 10 (з співвідношеннями, що заявляються, між діаметром отвору, діаметром штуцера 8 і зовнішнім діаметром корпусу перетворювача) необхідно для компенсації статичного тиску у внутрішній порожнині антени. У той же час діаметр отвору, що заявляється, не впливає на формування в осьовому напрямку рупорної антени плоскої хвилі [9, 10] при відображенні звукового сигналу перетворювача 9 від фланця камери 10. З метою підвищення ефективності випромінювання сигналу у запропонованій гідроакустичній антені в апертурі рупора 11 герметично встановлене звукопрозоре вікно 12 чвертьхвильової товщини. При цьому хвильовий опір акустично прозорої гуми, з якої виготовлене вікно 12, дорівнює середньому геометричному хвильових опорів трансформаторного масла і морської води. У цьому випадку немає впливу проміжного шару: у ньому існує резонанс поздовжніх коливань і звукова хвиля практично повністю проходить через звукопрозоре вікно [11]. Таким чином, з вищевикладеного випливає, що заявлена гідроакустична рупорна антена забезпечує досягнення технічного результату, що полягає у формуванні характеристики спрямованості антени у вертикальній площині, підвищенні надійності роботи антени при передаванні дискретної інформації між підводними об'єктами, удосконаленні конструкції антени. Розроблену гідроакустичну рупорну антену можна рекомендувати для використання в передавальній гідроакустичній апаратурі для режимів низькочастотного звукопідводного зв'язку. Джерела інформації: 1. Mc. Mahon G.W. Performance of Open Ferroelectric Ceramic Cylinders in Underwater Transducers // J. Acoust. Soc. Amer., 1964. - V. 36, № 3. - P. 528-533. 2. Патент России №2169438, МПК H04 1/44, Н04В13/02, 2001. Гидроакустическая глубоководная антенна / Черняховский А. Е., Шалаева З.П. // Бюл. № 8. 3. Ультразвук: Маленькая энциклопедия / [науч. ред. Голямина И. П.]. - М.: Советская энциклопедия, 1979. - 400 с. 4. Пат. 58117 Україна, МПК H04R1/00, Н04В13/00. Гідроакустична антена / Сухарьков О.В.; заявник і патентовласник Одеська національна академія зв'язку ім. О.С. Попова. - № u 201015826; заявл. 28.12.10, опубл. 25.03.11, Бюл. № 6. 5. Сухарьков О.В. Амплитудно-частотные характеристики прямоточных жидкоструйных преобразователей / О.В. Сухарьков // Наукові праці ОНАЗ ім. О.С. Попова. - 2011. - № 1. - С. 95101. 3 UA 100212 C2 5 10 6. Пат. 60944 Україна, МПК' Н04В13/00. Спосіб передавання дискретної інформації в умовах частотно-імпульсної модуляції / Сухарьков О.В.; заявник і патентовласник Одеська національна академія зв'язку ім. О.С. Попова. - № u 201103723; заявл. 28.03.11, опубл. 25.06.11, Бюл. №12. 7. Сухарьков О.В. Жидкоструйный излучатель со ступенчатым препятствием и круговым щелевым соплом в виде соосных дисков / О. В. Сухарьков // Наукові праці ОНАЗ ім. О.С. Попова. - 2010. - № 1. - С. 102-108. 8. Сухарьков О.В. Энергетические характеристики затопленной кольцевой струйной пластинки, при наличии развитой кавитации / О.В. Сухарьков // Акуст. вісник. - 2010. - 13, № 2. С. 45-52. 9. Морз Ф. Колебания и звук. - М.: ИИЛ, 1948. - 660 с. 10. Скучик Е. Основы акустики / Пер. с англ. [под. ред. Лямшева Л.М.]. - М.: Мир, 1976. - Т. 2. - 430 с. 11. Тюлин В.Н. Введение в теорию излучения и рассеяния звука / В.Н. Тюлин. -М.: Наука, 1976. - 253 с. 15 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 25 30 Гідроакустична рупорна антена, що містить рідинно-струминний перетворювач, встановлений у вертикальній площині всередині передрупорної камери, яка відрізняється тим, що являє собою герметичну ємність, при цьому перетворювач виконаний у вигляді рідинно-струминного перетворювача зі східчастою перешкодою та коловим щілинним соплом у вигляді співвісних дисків і встановлений перпендикулярно до фланця передрупорної камери, а як робоча рідина використане трансформаторне масло, причому на фланці передрупорної камери герметично встановлена циліндрична камера для компенсації гідростатичного тиску навколишнього морського середовища, яка містить патрубки для з'єднання з входом насоса, що живить перетворювач, виходом допоміжного насоса, що створює статичний тиск усередині порожнини антени, і патрубок для з'єднання з ємністю робочої рідини, а у фланці передрупорної камери виконаний центральний отвір, діаметр якого становить 0,90-0,94 зовнішнього діаметра корпусу перетворювача, при цьому відношення діаметра штуцера перетворювача до зовнішнього діаметра його корпусу дорівнює 0,52-0,58, а в апертурі рупора герметично встановлене кругле звукопрозоре вікно чвертьхвильової товщини, яке виготовлене з акустично прозорої гуми, хвильовий опір якої дорівнює середньому геометричному хвильових опорів трансформаторного масла і морської води. 4 UA 100212 C2 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5