Система “гідроакустична станція – надводний корабель” з планарною антеною

Реферат: Система «гідроакустична станція - надводний корабель» з планарною антеною, містить корабель-носій з розміщеною на ньому активно-пасивною гідроакустичною станцією, до складу якої входить підкільна протяжна планарна антенна решітка, яка утворена із циліндричних перетворювачів, кожний з яких виконаний у вигляді заповненої рідиною герметизованої п'єзокерамічної оболонки, у внутрішній порожнині якої діаметром Двн співвісно розміщене акустично м'яке циліндричне тіло діаметром Дтіла однакової з герметизованою п'єзокерамічною оболонкою висоти h, при цьому зазначене акустично м'яке циліндричне тіло розміщене із зазором в межах від 0,2 до 0,8 Двн до внутрішньої поверхні герметизованої п'єзокерамічної оболонки. Підкільна протяжна планарна антенна решітка додатково споряджена електромеханічним пристроєм зі штоками, які механічно з'єднані з акустично м'якими циліндричними тілами кожного з циліндричних перетворювачів. UA 118048 U (12) UA 118048 U UA 118048 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі морського озброєння, зокрема до гідроакустичного озброєння надводного корабля, а саме до систем "гідроакустична станція - надводний корабель", і може бути використана, наприклад, в корабельних активно-пасивних гідроакустичних станціях з антенами, стаціонарно розміщеними в корпусі корабля. Відомо, що перехід в область низьких частот при збереженні направлених властивостей корабельних гідроакустичних антен змушує виділяти все більші об'єми відсіків в корпусі корабля. Одним із таких напрямів реалізації низькочастотних корабельних гідроакустичних станцій стала поява гідроакустичних станцій з планарними бортовими антенами. Для ефективної роботи таких гідроакустичних станцій вони мають по дві пласкі гідроакустичні антени, кожна з яких розміщується в спеціально виділених для цього екранованих протяжних нішах, розміщених відповідно по правому та лівому бортах корабля [1]. Недоліком наведеної структури реалізації системи "гідроакустична станція - надводний корабель" є її велика складність при значних апаратних затратах і невелика ефективність. Відома також гідроакустична станція в якій протяжні плоскі антени розміщені вздовж кіля корабля в обтічнику із сталі [2]. Але і при такій реалізації системи "гідроакустична станція - надводний корабель" очікуване збільшення ефективності системи шляхом збільшення дальності дії гідроакустичної станції не відбулося. В обох наведених випадках основними недоліками побудови систем "гідроакустична станція - надводний корабель" з планарними антенами є необхідність наявності двох антен, кожна з яких забезпечує односторонній огляд акваторії з кожного борту корабля. Технічно це реалізується за допомогою акустичного екрану, який розміщується між цими антенами, або за допомогою електронної апаратури, яка дозволяє при наявності двох, розміщених поряд однакових плоских антен сформувати між ними характеристику направленості типу "кардіоїда" та утворити їх односторонню направленість. Найбільш близьким технічним рішенням як за суттю, так і за результатом, який отримується, що вибрано за найближчий аналог (прототип), є система "гідроакустична станція - надводний корабель", що містить корабель-носій з розміщеними на ньому активно-пасивною гідроакустичною станцією, до складу якої входить підкільна протяжна планарна антенна решітка, яка утворена із циліндричних перетворювачів, кожний з яких виконаний у вигляді заповненою рідиною герметизованої п'єзокерамічної оболонки, у внутрішній порожнині якої діаметром Двн співвісно розміщене акустично м'яке циліндричне тіло діаметром Дтіла, однакової з герметизованою п'єзокерамічною оболонкою висоти h, причому зазначене акустично м'яке циліндричне тіло розміщене із зазором в межах від 0,2 до 0,8 Двн між акустично м'яким циліндричним тілом і герметизованою п'єзокерамічною оболонкою [3]. До недоліків технічного рішення, яке вибрано як найближчий аналог (прототип), відноситься наступне: - втрата ефективності системи "гідроакустична станція - надводний корабель" за рахунок двосторонньої направленості її підкільної протяжної планарної антени; - неможливість сформувати односторонню направленість по кожному із бортів корабля та дистанційно в режимі реального часу керувати нею для огляду стану акваторії по тому чи іншому борту. В основу корисної моделі поставлено задачу шляхом введення до складу підкільної протяжної планарної антенної решітки електромеханічного пристрою зі штоками, які механічно з'єднані з акустично м'якими циліндричними тілами кожного з циліндричних перетворювачів забезпечити формування на одній підкільній протяжній планарній антенній решітці односторонніх з кожного боку корабля-носія характеристик направленості, і, тим самим, збільшити в два рази енергетичну ефективність а відтак, і дальність дії гідроакустичної станції. Суть технічного рішення в системі "гідроакустична станція - надводний корабель" з планарною антеною, що містить корабель-носій з розміщеною на ньому активно-пасивною гідроакустичною станцією, до складу якої входить підкільна протяжна планарна антенна решітка, яка утворена із циліндричних перетворювачів, кожний з яких виконаний у вигляді заповненої рідиною герметизованої п'єзокерамічної оболонки, у внутрішній порожнині якої діаметром Двн співвісно розміщене акустично м'яке циліндричне тіло діаметром Дтіла, однакової з герметизованою п'єзокерамічною оболонкою висоти h, при цьому зазначене акустично м'яке циліндричне тіло розміщене із зазором в межах від 0,2 до 0,8 Двн до внутрішньої поверхні герметизованої п'єзокерамічної оболонки, полягає в тому, що підкільна протяжна планарна антенна решітка додатково споряджена електромеханічним пристроєм зі штоками, які механічно з'єднані з акустично м'якими циліндричними тілами кожного з циліндричних перетворювачів. Суть корисної моделі полягає і в тому, що акустично м'які циліндричні тіла в кожному із циліндричних перетворювачів виконані рухомими в площині, нормальній до поверхні підкільної протяжної планарної антенної решітки. Суть корисної моделі полягає також і в тому, 1 UA 118048 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 що акустично м'які циліндричні тіла в кожному із циліндричних перетворювачів виконано з можливістю зайняття почергово двох крайніх, однакових для всіх перетворювачів підкільної протяжної планарної антенної решітки протилежних положень, при яких відстань l між поздовжніми осями акустично м'якого циліндричного тіла в цих положеннях визначається виразом l=0,6(Двн-Дтіла). Порівняльний аналіз технічного рішення, що заявляється, з прототипом дозволяє зробити висновок, що система "гідроакустична станція - надводний корабель" з планарною антеною, яка заявляється, відрізняється тим, що акустично м'яке циліндричне тіло в кожному з циліндричних перетворювачів виконане рухомими в площині нормальній до поверхні підкільної протяжної планарної антенної решітки, і займає почергово два крайніх, однакових для всіх циліндричних перетворювачів протилежних положень, при яких відстань l між поздовжніми осями акустично м'якого циліндричного тіла в цих положеннях визначається виразом l=0,6(Двн-Дтіла); зміну положень акустично м'якого циліндричного тіла у внутрішній порожнині герметизованої п'єзокерамічної оболонки циліндричних перетворювачів підкільної протяжної планарної антенної решітки здійснюють дистанційно, керовано в часі однаково для всіх циліндричних перетворювачів завдяки спорядженню підкільної протяжної планарної антенної решітки електромеханічним пристроєм зі штоками. Таким чином, система "гідроакустична станція - надводний корабель" з планарною антеною, яка заявляється, відповідає критерію корисної моделі "новизна". Рішення технічної задачі в системі "гідроакустична станція - надводний корабель" з планарною антеною, яка заявляється, дійсно можливе за наступними фізичними причинами. Циліндричний перетворювач, виконаний у вигляді заповненої рідиною герметизованої п'єзокерамічної оболонки, у внутрішній порожнині якої співвісно розміщене акустично м'яке циліндричне тіло однакової з герметизованою п'єзокерамічною оболонкою висоти із зазором до внутрішньої поверхні герметизованої п'єзокерамічної оболонки, має радіальну симетрію електричного збудження та радіальну симетрію радіаційного акустичного навантаження. Завдяки цьому циліндричний перетворювач коливається тільки на нульовій моді і формує радіально симетричну в нормальній площині до його повздовжньої осі характеристику направленості. Тому утворена з таких циліндричних перетворювачів підкільна протяжна планарна антенна решітка має двосторонню характеристику направленості і не є однонаправленою. Для того, щоб створити у такого циліндричного перетворювача направлені властивості, потрібно порушити радіальну симетрію його радіаційного акустичного навантаження [4]. Це досягається тим, акустично м'яке циліндричне тіло займає в площині, нормальній до поверхні підкільної протяжної планарної антенної решітки, одне з крайніх положень, при якому відстань l між поздовжніми осями акустично м'якого циліндричного тіла в цих положеннях визначається виразом l=0,6(Двн-Дтіла). Порушення таким чином радіальної симетрії циліндричного перетворювача обумовлює відсутність радіальної симетрії та його радіаційного акустичного навантаження. Наслідком цього є: - поява в механічному полі коливань циліндричного перетворювача, крім нульової моди, наступних мод коливань; - сумірність амплітуд коливань наступних мод з амплітудою нульової моди при суттєвих, частіше всього протилежних, фазах їх коливань; - поява в акустичному полі циліндричного перетворювача односторонньої направленості завдяки суперпозиції акустичних полів, утворюваних кожною із мод коливань. Виконання акустично м'якого циліндричного тіла рухомим в кожному із циліндричних перетворювачів в площині, нормальній до поверхні підкільної протяжної планарної антенної решітки, дозволяє йому почергово займати крайні, однакові для всіх циліндричних перетворювачів положення у внутрішній порожнині їхніх п'єзокерамічних оболонок. Завдяки цьому система "гідроакустична станція - надводний корабель" з планарною антеною може почергово оглядати акваторію моря по кожному з бортів корабля. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями, де на Фіг. 1 показано склад системи "гідроакустична станція - надводний корабель" з планарною антеною, на Фіг. 2 показано схему побудови підкільної протяжної планарної антенної решітки, на Фіг. 3 показано конструктивнокомпонувальну схему циліндричного перетворювача зі штоком електромеханічного пристрою, на Фіг. 4 показано схему побудови циліндричного перетворювача підкільної протяжної планарної антенної решітки, на Фіг. 5 приведені направлені властивості підкільної протяжної планарної антенної решітки при протилежних крайніх положеннях акустично м'яких циліндричних тіл у внутрішніх порожнинах п'єзокерамічних оболонок циліндричних перетворювачів підкільної протяжної планарної антенної решітки. 2 UA 118048 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Система "гідроакустична станція - надводний корабель" з планарною антеною 1 містить (як варіант конструктивного виконання - див. схему на Фіг. 1) корабель-носій 2 з розміщеними в його корпусі активно-пасивною гідроакустичною станцією 3, в обтічнику 4 розміщена підкільна протяжна планарна антенна решітка 5. Остання утворена із циліндричних перетворювачів 6. Кожний з циліндричних перетворювачів 6 виконаний у вигляді герметизованої п'єзокерамічної оболонки 8, внутрішня порожнина 9 якої заповнена рідиною. У внутрішній порожнині 9 герметизованої п'єзокерамічної оболонки 8 діаметром Двн співвісно розміщене акустично м'яке циліндричне тіло 10 діаметром Дтіла, однакової з герметизованою п'єзокерамічною оболонкою 8 висоти h та паралельною їй віссю. Зазор між герметизованою п'єзокерамічною оболонкою 8 та акустично м'яким циліндричним тілом 10 знаходиться в межах від 0,2 до 0,8 Двн. В кожному із циліндричних перетворювачів 6 акустично м'яке циліндричне тіло 10 виконане рухомим в площині, нормальній до поверхні підкільної протяжної планарної антенної решітки 5 та може займати почергово два крайні, однакові для всіх циліндричних перетворювачів 6, протилежні положення. Відстань l між поздовжніми осями акустично м'якого циліндричного тіла 10 в цих положеннях визначається виразом l=0,6(Двн-Дтіла). Підкільна протяжна планарна антенна решітка 5 споряджена електромеханічним пристроєм 7 зі штоками 11, який дистанційно керується в часі. Електромеханічний пристрій 7 зі штоками 11 вбудовано в конструкцію підкільної протяжної планарної антенної решітки 5 та жорстко з'єднано з акустично м'якими циліндричними тілами 10 циліндричних перетворювачів 6 за допомогою штоків 11. Завдяки цьому електромеханічний пристрій 7 зі штоками 11 змінює однаково в часі для всіх циліндричних перетворювачів 6 протяжної планарної антенної решітки 5 крайні положення акустично м'яких циліндричних тіла 10 у внутрішніх порожнинах 9 герметизованих п'єзокерамічних оболонок 8. Для огляду акваторій по правому та лівому бортам корабля-носія 2 зміна крайніх положень акустично м'яких циліндричних тіл 10 у внутрішніх порожнинах 9 герметизованих п'єзокерамічних оболонок 8 підкільної протяжної планарної антенної решітки 5 здійснюється почергово. Система "гідроакустична станція - надводний корабель" з планарною антеною, що заявляється, працює наступним чином. При роботі активно-пасивної гідроакустичної станції 3 в системі "гідроакустична станція надводний корабель" з планарною антеною 1 підкільна протяжна планарна антенна решітка 5, яка розміщена в підкільному обтічнику 4, випромінює за допомогою циліндричних випромінювачів 6 звуковий сигнал заданої частоти. При цьому електричні сигнали, які подаються на циліндричні випромінювачі 6 від електронної частини активно-пасивної гідроакустичної станції 3, збуджують механічні коливання герметизованих п'єзокерамічних оболонок 8. Внутрішня поверхня герметизованих п'єзокерамічних оболонок 8 створює акустичні коливання у заповнених рідиною внутрішніх порожнинах 9 герметизованих п'єзокерамічних оболонок 8. Наявність в цих внутрішніх порожнинах 9 акустично м'яких циліндричних тіл 10, однаково віднесених для всіх циліндричних перетворювачів 6 від поздовжніх осей їх п'єзокерамічних оболонок 8 в одне їх крайніх положень на відстань l/2=0,3(Двн-Дтіла), порушує радіальну симетрію акустичного навантаження п'єзокерамічних оболонок 8 зі сторони їх внутрішніх акустичних полів. Наслідком цього порушення є поява у спектрі механічних коливань п'єзокерамічних оболонок 8 додаткових, крім нульової, форм (мод) коливань. Кожна з цих форм коливань утворює своє акустичне поле зі своїми амплітудами та фазами. Суперпозиція цих полів придає нові властивості акустичним полям циліндричних перетворювачів 6 як у внутрішніх порожнинах 9, так і зовні циліндричних перетворювачів 6. Зовнішні акустичні поля циліндричних перетворювачів 6 набувають односторонню направленість на відміну від випадку, коли поздовжні осі п'єзокерамічних оболонок 8 і акустично м'яких циліндричних тіл 10 співпадають (в цьому випадку циліндричний перетворювач 6 стає всенаправленим). Однонаправленість циліндричних перетворювачів 6 формується в площинах поздовжніх осей п'єзокерамічних оболонок 8 і акустично м'яких циліндричних тіл 10. Для підкільної протяжної планарної антенної решітки 5 при наведених на Фіг. 2 положеннях п'єзокерамічних оболонок 8 і акустично м'яких циліндричних тіл 10 ці площини є нормальними до поверхні підкільної протяжної планарної антенної решітки 5. При цьому мінімальні значення однонаправленості розміщуються з тієї сторони підкільної протяжної планарної антенної решітки 5, на якій знаходяться акустично м'які циліндричні тіла 10 у внутрішніх порожнинах 9 герметизованих п'єзокерамічних оболонок 8. Таким чином, змінюючи крайні положення акустично м'яких циліндричних тіл 10 у внутрішніх порожнинах 9 герметизованих п'єзокерамічних оболонок 8, можливо створювати однонаправленість підкільної протяжної планарної антенної решітки 5 по лівому або правому бортах корабля-носія 2. 3 UA 118048 U 5 10 15 20 25 30 35 40 В режимі прийому відбитий звуковий сигнал приймається тими ж циліндричними перетворювачами 6 підкільної протяжної планарної антенної решітки 5. При цьому однонаправленість підкільної протяжної планарної антенної решітки 5 та циліндричних перетворювачів 6 зберігається, оскільки порушення радіальної симетрії акустичних полів циліндричних перетворювачів 6 залишається незмінним. При необхідності почергового огляду акваторії по лівому та правому бортах корабля-носія 2 оператор змінює положення акустично м'яких циліндричних тіл 10 у внутрішніх порожнинах 9 п'єзокерамічної оболонки 8 циліндричних перетворювачів 6 підкільної протяжної планарної антенної решітки 5 дистанційно за допомогою електромеханічного пристрою 7 зі штоками 11. Характеристики направленості циліндричних перетворювачів 6 при розміщенні акустично м'яких циліндричних тіл 10 в двох протилежних положеннях, відповідно криві А і Б, наведені на Фіг. 5. Рівень їх однонаправленості визначається величинами діаметрів Дтіла і величиною відстані l. Підвищення ефективності застосування системи "гідроакустична станція - надводний корабель" з підкільною антеною, що заявляється, у порівнянні з прототипом, досягається шляхом спорядження підкільної протяжної планарної антенної решітки системи "гідроакустична станція - надводний корабель" новими конструктивними елементами, а саме електромеханічним пристроєм зі штоками 11, який дозволяє дистанційно, керовано в часі здійснювати однаково для всіх циліндричних перетворювачів зміну положень акустично м'яких циліндричних тіл у внутрішній порожнині герметизованої п'єзокерамічної оболонки циліндричних перетворювачів підкільної протяжної планарної антенної решітки, причому акустично м'які циліндричні тіла в кожному із циліндричних перетворювачів виконані рухомими в площині, нормальній до поверхні підкільної протяжної планарної антенної решітки та займають почергово два крайні, однакові для всіх перетворювачів підкільної протяжної планарної антенної решітки протилежні положення, при яких відстань l між поздовжніми осями акустично м'якого циліндричного тіла в цих положеннях визначається виразом l=0,6(Двн-Дтіла). При цьому забезпечується формування на одній підкільній протяжній планарній антенній решітці односторонніх з кожного боку корабля-носія характеристик направленості без збільшення її розмірів. Заміна двостороннього випромінювання підкільної протяжної планарної антенної решітки одностороннім в два рази збільшує енергетичну ефективність, а відтак, і дальність дії гідроакустичної станції. Джерела інформації: 1. Корякин Ю.А. Корабельная гидроакустическая техника: состояние и актуальные проблемы / Ю.А. Корякин, С.А. Смирнов, Г.В. Яковлев - Спб: Наука, 2004. - 410 с. 2. Гидроакустическая станция TSM 2253 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: www.ereading.club/ Gusev_- Boevye_ korabli_ mira_na_ rubezhe_XX_XXI_vekov. 3. Патент на корисну модель № 100488 від 27.05.2015 "Система "гідроакустична станція надводний корабель" / А.В. Дерепа, А.Г. Лейко, В.А. Комаров, Т.Ю. Куровска - № u201501445; заявл. 19.02.2015, опубл. 27.07.2015, Бюл. № 14. - прототип. 4. Гусак З.Т., Лейко А.Г. О частотных характеристиках электрических полей цилиндрической пьезокерамической антенны с экраном в виде незамкнутого кільцевого слоя / З.Т. Гусак, О.Г. Лейко // "Журнал нано- та електронної фізики" - 2016. - Т. 8, № 1, 01029 - С. 1-6. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 45 50 55 60 1. Система «гідроакустична станція - надводний корабель» з планарною антеною, що містить корабель-носій з розміщеною на ньому активно-пасивною гідроакустичною станцією, до складу якої входить підкільна протяжна планарна антенна решітка, яка утворена із циліндричних перетворювачів, кожний з яких виконаний у вигляді заповненої рідиною герметизованої п'єзокерамічної оболонки, у внутрішній порожнині якої діаметром Двн співвісно розміщене акустично м'яке циліндричне тіло діаметром Дтіла, однакової з герметизованою п'єзокерамічною оболонкою висоти h, при цьому зазначене акустично м'яке циліндричне тіло розміщене із зазором в межах від 0,2 до 0,8 Двн до внутрішньої поверхні герметизованої п'єзокерамічної оболонки, яка відрізняється тим, що підкільна протяжна планарна антенна решітка додатково споряджена електромеханічним пристроєм зі штоками, які механічно з'єднані з акустично м'якими циліндричними тілами кожного з циліндричних перетворювачів. 2. Система за п. 1, яка відрізняється тим, що акустично м'які циліндричні тіла в кожному із циліндричних перетворювачів виконані рухомими в площині, нормальній до поверхні підкільної протяжної планарної антенної решітки. 3. Система за одним з пп. 1 або 2, яка відрізняється тим, що акустично м'які циліндричні тіла в кожному із циліндричних перетворювачів виконано з можливістю зайняття почергово двох 4 UA 118048 U крайніх, однакових для всіх перетворювачів підкільної протяжної планарної антенної решітки протилежних положень, при яких відстань l між поздовжніми осями акустично м'якого циліндричного тіла в цих положеннях визначається виразом l=0,6(Двн-Дтіла). 5 UA 118048 U Комп’ютерна верстка В. Мацело Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6