Гідроакустичний комплекс

Гідроакустичний комплекс, що містить гідроакустичну антену та носій, корпус якого має покриття, який відрізняється тим, що покриття виконано щонайменше із двох шарів пружних матеріалів, 3 рами направленості обумовлена когерентним додаванням прямого та відбитого від розділу середовищ променів. Наявність нульового провалу тягне за собою виникнення геометричної зони тіні та приводить до зменшення геометричної дальності дії гідроакустичного комплексу. Скануванням діаграми направленості в вертикальній площині неможливо забезпечити ефективне засвічення зони тіні. Одним із реальних шляхів для забезпечення засвічення зони тіні є зміна робочої частоти гідроакустичного комплексу. Однак, при обмеженні відносної смуги частот гідроакустичного комплексу неможливо вказаним шляхом повністю виключити область акустичної тіні, що пов'язана з інтерференцією. Тому в гідроакустичних комплексах приходиться миритися з деякими обмеженнями, визначеними вказаним способом засвічення тіні. Відомий гідроакустичний комплекс, що містить підкільну гідроакустичну антену, розміщену в безпосередній близькості від корпусу корабля, при цьому на корпусі розміщено звукопоглинальне покриття, компенсаційне покриття та узгоджуюче покриття, причому зазначене звукопоглинальне покриття виконано у вигляді гуми з металевими присадками, в якій найменші повітряні порожнини в сполученні з металевими частинками, компенсаційне покриття складається із шарів акустично жорстких і акустично м'яких матеріалів, що чергуються між собою та відбивають звук з протилежними фазовими зсувами, а узгоджуюче покриття має товщину  / 4 , де  - довжина хвилі робочої частоти, з акустичним імпедансом, що дорівнює середньому геометричному імпедансу матеріалів по обидві сторони шару [2]. Найменші повітряні порожнини у звукопоглинальному покритті, що сполучені з металевими частинками, викликають зсувну деформацію гуми і обумовлюють втрати звукової енергії в результаті перетворення її в тепло, а шари акустично жорстких і акустично м'яких матеріалів, що чергуються між собою, відбивають звук з протилежними фазовими зсувами. До недоліків відомого гідроакустичного комплексу відноситься те, що відбувається зменшення дальності його дії за рахунок впливу границі розподілу середовищ «вода-повітря», який проявляється в наявності нульового провалу діаграми направленості в горизонтальному напрямі. До недоліків відомого гідроакустичного комплексу відноситься й те, що у компенсаційному покритті повна компенсація має місце тільки при нормальному падінні сигналу, а в узгоджувальне покриття ефективне тільки при нормальному падінні на одній частоті та її непарних гармоніках. Найбільш близьким технічним рішенням, як за суттю, так і за задачею, що вирішується, яке обрано за найближчий аналог (прототип), є гідроакустичний комплекс, що містить гідроакустичну антену та носій, корпус якого має покриття [2]. До недоліків гідроакустичного комплексу, який обрано за найближчий аналог (прототип), відноситься те, що для горизонтального напряму приходу сигналу в діаграмі направленості формується нульовий провал визначеної ширини, оскільки вздовж границі розподілу середовищ «вода 64744 4 повітря» плоска хвиля не поширюється, тобто не збуджується поле в воді, і, як наслідок відбувається зменшення дальності дії. В основу корисної моделі покладено задачу шляхом нанесення на корпус носія щонайменше двох шарів пружних матеріалів забезпечити збільшення дальності дії гідроакустичного комплексу. Суть корисної моделі в гідроакустичному комплексі, що містить гідроакустичну антену та носій, корпус якого має покриття, полягає в тому, що покриття виконано щонайменше із двох шарів пружних матеріалів, параметри яких  j , c j , b j ,  j вибрані так, щоб забезпечити мінімальне значення модуля коефіцієнта відбиття M 32  Z1M 33  M 22  Z1M 23 Z 3 M 32  ZM 33  M 22  Z1M 23 Z 3   вод   від системи «вода - n шарів пружного матеріалу - метал - повітря» для будь яких 2n  1 заданих кутів приходу прийнятої плоскої хвилі сигналу, j  1, n n - число шарів пружного матеріалу;  j - густина пружного матеріалу; де cj - швидкість поширення поздовжньої хвилі в пружному матеріалі; - швидкість поширення поперечної хвилі в bj пружному матеріалі; j - товщина j-го шару пружного матеріалу; M ij  Aij  Ai1 A4 j  / A41 при j  1,4 та i  1,4 ; n де Aij - елементи матриці A  Aмеm  A j ; j 1 Aмеm - матриця, що пов'язує швидкість часток і напруження на верхній і нижній кромках металу; Aj - матриця, що пов'язує швидкість часток і напруження на верхній і нижній кромках j-го пружного шару; Z1   пов спов cos пов Z3   вод свод cos вод  пов  вод ; ; - густина повітря; - густина води; спов - швидкість звуку в повітрі; свод - швидкість звуку в воді;  пов - кут заломлення поздовжньої хвилі в по вітрі. Порівняльний аналіз технічного рішення з прототипом дозволяє зробити висновок, що гідроакус 5 64744 тичний комплекс, який заявляється, відрізняється тим, що покриття виконано щонайменше із двох шарів пружних матеріалів, параметри яких  j , c j , b j , j вибрані так, щоб забезпечити міні мальне значення модуля коефіцієнта відбиття M 32  Z1M 33  M 22  Z1M 23 Z 3 M 32  ZM 33  M 22  Z1M 23 Z 3   вод   від системи «вода - n шарів пружного матеріалу - метал - повітря» для будь яких 2n  1 заданих кутів приходу прийнятої плоскої хвилі сигналу, j  1, n n - число шарів пружного матеріалу;  j - густина пружного матеріалу; де cj - швидкість поширення поздовжньої хвилі в пружному матеріалі; - швидкість поширення поперечної хвилі в bj пружному матеріалі; j - товщина j-го шару пружного матеріалу; M ij  Aij  Ai1 A4 j  / A41 при j  1,4 та i  1,4 ; n де Aij - елементи матриці A  Aмеm  A j ; j 1 Aмеm - матриця, що пов'язує швидкість часток і напруження на верхній і нижній кромках металу; - матриця, що пов'язує швидкість часток і Aj напруження на верхній і нижній кромках j-го пружного шару;  пов спов ; cos пов  с Z 3  вод вод ; cos вод  пов - густина повітря;  вод - густина води; Z1  6 матеріалі, при цьому товщину  j - j-го шару пружного матеріалу вибрано так, щоб забезпечити мінімальне значення модуля коефіцієнта відбиття від системи «вода - n шарів пружного матеріалу метал - повітря» для будь яких 2n-1 кутів падіння плоскої хвилі, що приймається. Також використання n пружних узгоджуючих шарів дозволяє без збільшення потужності випромінювання, без збільшення кількості приймачів гідроакустичної антени збільшити дальність дії гідроакустичного комплексу. Застосування n пружних узгоджуючих шарів поряд з наведенням позитивним ефектом не приводить до погіршення морехідних якостей носія, оскільки шари наносяться на корпус носія конформно. Кріплення шарів до корпусу може бути здійснено, наприклад, з використанням клеїв. Поглинаючий шар виконано, наприклад, з полімерного матеріалу. Таким чином, гідроакустичний комплекс, який заявляється, відповідає критерію корисної моделі «новизна». Суть корисної моделі пояснюється за допомогою ілюстрацій, де на фіг. 1 показана конструктивнокомпанувальна схема гідроакустичного комплексу, який заявляється, на фіг. 2 показано схему процедури формування діаграми направленості комплексу при наявності n=2 узгоджуючих шарів на пружному металевому корпусі носія, на фіг. 3 показано діаграму направленості гідроакустичної антени комплексу в вертикальній площині у вільному середовищі (крива «K1»), поблизу плоского металевого пружного шару (крива «K2»), на фіг. 4 показано діаграму направленості гідроакустичної антени комплексу в вертикальній площині при нанесенні на металевий корпус носія двох узгоджуючих (n=2) шарів (крива «K3»). Гідроакустичний комплекс (позиція 1), який заявляється, містить гідроакустичну антену (позиція 2) та носій (позиція 3), корпус (позиція 4) якого має покриття (позиція 5), при цьому зазначене покриття (позиція 5) виконано щонайменше із двох шарів (відповідно, позиція «Ш1» та «Ш2») пружних матеріалів, параметри яких  j , c j , b j ,  j вибрані так, спов - швидкість звуку в повітрі; свод щоб забезпечити мінімальне значення модуля коефіцієнта відбиття - швидкість звуку в воді;  пов - кут заломлення поздовжньої хвилі в по   вод   вітрі. Рішення технічної задачі дійсно можливе тому, що збільшення дальності дії гідроакустичного комплексу (що заявляється) досягається всією сукупністю відмітних ознак, а саме: покриття підводної частини корпусу корабля-носія виконано щонайменше із двох шарів пружних матеріалів, параметри яких j - густина пружного матеріалу, cj швидкість поздовжньої хвилі в пружному матеріалі, bj - швидкість поперечної хвилі в пружному M 32  Z1M 33  M 22  Z1M 23 Z 3 M 32  ZM 33  M 22  Z1M 23 Z 3 від системи «вода - n шарів пружного матеріалу - метал - повітря» для будь яких 2n  1 заданих кутів приходу прийнятої плоскої хвилі сигналу, де j  1, n n - число шарів пружного матеріалу; j - густина пружного матеріалу; cj - швидкість поширення поздовжньої хвилі в пружному матеріалі; 7 bj 64744 - швидкість поширення поперечної хвилі в пружному матеріалі; j - товщина j-го шару пружного матеріалу; M ij  Aij  Ai1 A4 j  / A41 при j  1,4 таi  1,4 ; n де Aij - елементи матриці A  Aмеm  A j ; j 1 Aмеm - матриця, що пов'язує швидкість часток і напруження на верхній і нижній кромках металу; Aj - матриця, що пов'язує швидкість часток і напруження на верхній і нижній кромках j-го пружного шару; Z1   пов спов cos пов Z3   вод свод cos вод  пов  вод ; ; - густина повітря; - густина води; спов - швидкість звуку в повітрі; свод - швидкість звуку в воді;  пов - кут заломлення поздовжньої хвилі в по вітрі. Гідроакустичний комплекс (позиція 1), який заявляється, працює таким чином. Попередньо збирають гідроакустичний комплекс (позиція 1). Для цього на корпус (позиція 5) носія (позиція 3), наприклад, корабля, встановлюють гідроакустичну антену (позиція 2). При цьому в місці встановлення гідроакустичної антени (позиція 2) наносять на корпус (позиція 4) носія (позиція 3) щонайменше два шари (відповідно, позиція «Ш1» та «Ш2») пружних матеріалів. Таким чином, конструктивно і технологічно гідроакустична антена (позиція 2) (а саме, підкільна антена) розміщена в обтікачі (позиція 6) - див. схему на фіг. 1. Підводна частина корпусу (4) носія (3) покрита n (відповідно, позиції «Ш1» та «Ш2») пружними узгоджуючими шарами. Гідроакустична антена (2) розміщена так, що її поздовжня вісь (позиція 7) нормальна до горизонтальної площини W. Діаграма направленості при роботі гідроакустичного комплексу (що заявляється) формується в результаті інтерференції прямого (водного) променю і променю, відбитого від границі розподілу «вода-повітря». При цьому для горизонтального напряму приходу сигналу в діаграмі направленості формується нульовий провал визначеної ширини, оскільки вздовж границі розподілу середовищ «вода-повітря» плоска хвиля не поширюється, тобто не збуджується поле в воді [1]. Реально стаціонарна (підкільна) антена гідроакустичного комплексу 8 надводного корабля розміщується в безпосередній близькості від корпусу носія, внутрішній об'єм якого заповнений повітрям. При цьому антена опиняється відокремленою від повітря пружним металевим корпусом носія. Гідроакустична підкільна антена працює в високочастотному діапазоні (довжина хвилі на робочій частоті значно менша поперечного і поздовжнього розмірів корпусу носія). Тому можна рахувати, що антена розміщена під пружним металевим, практично нескінченим в горизонтальній площині, плоским шаром, який розділяє середовища «вода-повітря». В пристрої, що вибраний за найближчий аналог (прототип), при наявності системи пружних шарів, що розподіляють середовища «вода-повітря», плоска хвиля, яка приходить із води на ці шари під кутом сковзання (кут, що доповнює кут падіння до 90°), близьким до нуля (вздовж шарів), не збуджує акустичного поля в воді. Тому для горизонтального напряму в діаграмі направленості антени буде сформовано нульовий провал, величина якого визначає геометричну дальність дії гідроакустичного комплексу. В процесі роботи гідроакустичного комплексу (позиція 1) гідроакустична антена (позиція 2) випромінює акустичний сигнал. Акустичний сигнал попадає на пружні шари (відповідно, позиції «Ш1» та «Ш2») та сам корпус (позиція 4). Принцип дії гідроакустичного комплексу (що заявляється), який забезпечує досягнення бажаного ефекту збільшення дальності дії комплексу, полягає в наступному. В формуванні діаграми направленості приймають участь антена (позиція 2), пружні шари (позиції «Ш1» та «Ш2»), що нанесені на корпус носія та сам корпус (позиція 4) представлені на фіг. 1. Прямий промінь і промінь, що відбитий від системи n=2 пружних шарів, попадають на гідрофон 8 антени (див. схему на фіг. 2). Із відбитих променів, що попадають на гідрофон 8, найбільшу енергію мають (див. схему на фіг. 2): - промінь L3, що відбитий від нижньої кромки 2го пружного шару в точці А; - промінь L4 - проникнення в 2-й пружний шар в точці В, відбиття від його верхньої кромки в точці D (від нижньої кромки першого пружного шару) та вихід в воду в точці А (нижня кромка другого пружного шару); - промінь L5 - проникнення в другий пружний шар в точці С, потім в перший пружний шар в точці Е, відбиття від верхньої кромки цього шару в точці Н та вихід в воду через точку D (верхня кромка другого пружного шару) і точку А (нижня кромка другого пружного шару); - промінь L6 - проникнення в другий пружний шар в точці G, відбиття всередині цього шару в точках F, D і вихід у воду в точці А (нижня кромка другого пружного шару). Ці промені визначають амплітуду променю L2, що відбитий від n=2 шарів в точці А. Шляхи, які проходять в кожному із n=2 шарів промені L4, L5, L6 (та інші, менш енергетичні промені) визначають додатковий набіг фази променю в даному шарі, 9 рівний kSi , де k 64744 - хвильовий вектор променю в 10 f  3,3 кГц , кути приходу плоскої хвилі сигналу пружному шарі, S i - довжина шляху, що пройде  вод1  89 ,95 , вод 2  89 ,7, вод 3  89 ,5 ; кількість ний променем в j-му шарі. При набігу фази, рівному kSi   2  1 , відповідний промінь, склавшись узгоджуючи шарів, розміщених зі сторони води, n=2. В результаті мінімізації   водj одержані на з променем L4 , ослабить його; при набігу фази, рівному kSi  2 - підсилить його, де  - ціле число (   1,2, ). Шляхом підбору параметрів узгоджуючи пружних шарів, що реалізується задачею мінімізації модуля коефіцієнту від системи «вода - n шарів пружного матеріалу - метал - повітря», можуть бути забезпеченні такі набіги фаз променів, що пройшли через систему пружних шарів (в першу чергу променів L4, L5, L6), щоби результуючий промінь, який йде по шляху DA (див. схему на фіг. 2), складався з променем L3 в протифазі та мав амплітуду, найбільш близьку до амплітуди променю L3 . Тоді сума цих променів буде мінімальна за амплітудою, а, відтак, сума прямого та відбитого променів на кожному приймачі 8 антени буде мало відрізнятися від прямого променю L1 . Із зміною частоти прийомного сигналу  0 бу дуть змінюватись і хвильові вектори променів в кожному із n пружних шарів. Це викличе розузгодження променю L3 та променю, що йде по шляху DA, тобто амплітуда суми цих променів почне зростати. Це обумовить збільшення модуля коефіцієнта відбиття, що потягне за собою збільшення ширини нульового провалу в діаграмі направленості антени, розміщеної поряд з границею розподілу середовищ «вода-повітря». Задаючи максимально ширину провалу, визначимо верхню H B та нижню частоти сигналу, для яких ширина провалу діаграми направленості задовольнить заданим вимогам. Якщо потрібно ширину провалу в смузі частот      B   H , смугу частот  потрібно розбити на g діапазонів шириною  , i  1, g , таких, що в сукупності вони перекривають смугу частот  . При g 1 для забезпечення допустимої ширини провалу діаграми направленості для частот ції 1 , 2 , ,  g  вод1 , вод 2 ,, водn та m кутів мініміза число пружних шарів уз годження повинно становити gm  1 для gm 2 gm  1 n  1 для gm - парного. 2 n непарного та На фіг. 3 представлені результати розрахунків діаграм направленості комплексу. Розрахунки виконувались за таких умов: лінійна вертикальна прийомна некомпенсована антена з рівномірним збудженням із 12 приймачів, направлених в вертикальній площині; робоча частота антени   ступні значення параметрів: для першого пружного шару 1  3030 кг / м 3 , с1  3133 м / с, b1  1462 м / с; d1  0,074 м; другого шару  2  3107 кг / м 3 , с2  2861 м / с, b2  1492 м / с; Як d 2  0,172 м. видно з фіг. 3, нульовий провал в діаграмі направленості зменшився з 0,9° (крива K2) до 0,1° (крива K3) при використанні двох узгоджуючих пружних шарів. Використання одношарового поглинаючого покриття товщиною d 3  d1  d 2  0,246 м та параметрами  2  1200 кг / м3 , с2  1222 м / с не призвели в розрахунках до зменшення нульового провалу в діаграмі направленості комплексу. Таким чином, суттєвою відмінністю технічного рішення, що покладено в основу корисної моделі, є те, що на корпус носія наноситься n шарів пружного матеріалу, в яких існують поздовжні і поперечні хвилі, які сумісно визначають коефіцієнт відбиття звуку від типу границі, що розглядається шаруватий пружний матеріал, що розділяє середовища «вода - повітря». Покращення роботи гідроакустичного комплексу в цьому випадку можливо тільки при мінімізації значення коефіцієнта відбиття одночасно по всій сукупності параметрів, що характеризують матеріали пружних шарів:  j густина пружного матеріалу; c j - швидкість поширення поздовжньої хвилі в пружному матеріалі; bj - швидкість поширення поперечної хвилі в пружному матеріалі;  j - товщина j-го шару пружного матеріалу. Згідно [1] коефіцієнт відбиття звуку від системи «вода - n шарів пружного матеріалу - метал - повітря» описується співвідношенням:   вод   де M 32  Z1M 33  M 22  Z1M 23 Z 3 , M 32  ZM 33  M 22  Z1M 23 Z 3 M p  Ap  A1 A4 p  / A41 ; , p  1,4 ; Ap - елементи матриці розміром задається формулою 4 4 , що A  Aмеm A1 A2  An ; Aмеm , A1 , A2 ,, An міром 4 4 , - однотипні матриці роз причому елементи матриці Aмеm визначаються параметрами шару металу корпусу носія  меm , cмеm , bмеm , bn d меm , dn ; 11 елементи матриць 64744 A1 , A2 , , An матриць визначаються параметрами - елементи  n , cn , 12 узгоджують шари пружного матеріалу. які     A 11  A 44  2 sin   cos d cos   cos 2  cos d cos   , c  b            A 22  A 33  cos 2  cos d cos   2 sin 2   cos d cos   , c  b             2 2 A 34  2  b A 12  2  b i cos 2  tg sin  d cos   sin 2  sin  d cos   , c  b         A 42   cos 2  A 13       1 sin  cos 2   cos d cos   cos d cos   , c  b  c             A 14  2ib tg sin   sin  d cos   cos  sin  d cos   , c  b              2 2 A 43  A 21 / 2  b  i 2ctg sin 2   sin  d cos   tg  cos 2  sin  d cos   / 2  b , c  b              A 23  i /  c cos sin  d cos   tg  sin  sin  d cos   , c  b              A 31   cos 2  A 24  2  b cos 2  sin   cos d cos    cos d cos  , b  c              A 32  i c cos2 2  / cos sin  d cos   4b cos  sin 2   sin  d cos   , c  b         2     A 41  i  cos sin 2   sin  d cos   cos2 2  / 2b cos  sin  d cos   , c  b  c        де  - товщина шару j  1, n ;  - частота сигналу;   1 ,  2 ,  ,  n ,  меm, пов - кути заломлення повздовжніх хвиль в шарах пружного матеріалу 1, n , металі та повітрі відповідно;     1 ,  2 ,,  n ,  меm - кути заломлення по перечних хвиль в шарах і металі. Для системи «вода - n шарів пружного матеріалу - метал (корпус носія) - повітря» справедливо наступне [1]: sin  вод sin  меm sin  меm sin 1 sin  1 sin  n sin  n sin  пов        свод с меm bмеm с1 b1 сn bn спов Наявність по меншій мірі n=2 узгоджуючих шарів пружного матеріалу на корпусі носія дозволяє збільшити дальність дії гідроакустичного комплексу за рахунок зменшення модуля коефіцієнта відбиття звуку від системи «вода - n шарів пружного матеріалу - метал (корпус носія) - повітря» для заданих 2n-1 кутів сковзання падаючої плоскої хвилі сигналу. Наприклад, для корабельного гідроакустичного комплексу з підкільної антеною геометрична дальність Д виявлення буде становити Д  h / sin  , де h - заглиблення цілі;    / 2   вод - кут сковзання. Чим менший кут сковзання, тим більша геометрична дальність дії гідроакустичного комплексу. Щодо можливості практичного виконання/застосування можна зробити висновок, що технічне рішення, яке покладено в основу корисної моделі (що заявляється) дозволяє: збільшити дальність дії гідроакустичного комплексу в 2-3 рази; зменшити ширину нульового провалу в діаграмі направленості з 0,9° до 0,1°; на порядок зменшити вірогідність пропуску цілі за рахунок зменшення зони тіні; створити можливість визначення на тих же дистанціях малошумних цілей; збільшити стійкість контакту з ціллю. 13 Джерела інформації: 1. Бреховских Л. М. Волны в слоистых средах, Изд. АН СССР. М: 1957, стр. 217. - аналог. 64744 14 2. Патент № 3907062, США від 23.09 1975 р. МПК 7 G01S3/00, G01V1/00. - прототип. 15 Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко 64744 Підписне 16 Тираж 23 прим. 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