Випромінюючий корабельний гідроакустичний тракт

Реферат: Випромінюючий корабельний гідроакустичний тракт, що містить послідовно з'єднані між собою задавальний генератор, керований підсилювач потужності і випромінювач гідроакустичної антени, при цьому вихід задавального генератора з'єднано з входом керованого підсилювача потужності, вихід керованого підсилювача потужності з'єднано з входом випромінювача гідроакустичної антени. який відрізняється тим, що до нього додатково включено пристрій стабілізації потужності випромінювання перетворювачів гідроакустичної антени в умовах експлуатації. UA 87357 U (12) UA 87357 U UA 87357 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі морського озброєння, зокрема до гідроакустики, а саме до гідроакустичних станцій, і може бути використана, наприклад, в корабельних гідроакустичних станціях з антенами, розміщеними під кілем. Відомо [1], що в гідроакустичних станціях надводних кораблів випромінювана потужність залежить від акустичних умов, в яких експлуатується гідроакустична антена гідроакустичної станції, що розміщена в корпусі корабля. До цих умов належать наявність поблизу антени поверхні розподілу середовищ "вода-повітря", корпусу корабля-носія та конструкційних елементів цього корпусу, наприклад днища в районі розміщення підкільної антени гідроакустичної станції. В таких умовах опір випромінювання перетворювачів гідроакустичної антени суттєво відрізняється від опору випромінювання перетворювачів цієї ж антени, розміщеної у вільному середовищі [1], а значить гідроакустичні тракти випромінювання в умовах експлуатації не забезпечують потрібної потужності випромінювання, оскільки зворотний зв'язок в них не враховує умов експлуатації гідроакустичної антени і, зокрема, суттєво різних навантажень перетворювачів в ній. При цьому результатом зменшення потужності випромінювання трактів буде зменшення дальності дії гідроакустичної станції в цілому, а при збільшені потужності випромінювання можуть виникнути кавітаційні явища на випромінюючій поверхні гідроакустичної антени. Для усунення негативного впливу акустичних умов, в яких експлуатується гідроакустична антена гідроакустичної станції потрібно в структуру гідроакустичного тракту випромінювання ввести пристрій стабілізації потужності випромінювання, який усуне вплив вказаних вище факторів на випромінювану потужність. Відомий багатоканальний гідроакустичний тракт, який складається із гідроакустичної антени, матриці формування характеристики направленості та генератора, при цьому матриця розміщується між генератором і антеною і забезпечує розподіл амплітуд і фаз електричних напруг, що підводяться до окремих каналів антени з метою формування характеристик направленості з заданими параметрами [2]. До недоліку відомого багатоканального гідроакустичного тракту випромінювання належить відсутність стабілізації випромінюваної гідроакустичним трактом потужності в умовах експлуатації гідроакустичних станцій з такими трактами на кораблі-носії. Відомий гідроакустичний тракт випромінювання, до складу якого входять генератор сигналів, підсилювач потужності із зворотним зв'язком і гідроакустична антена [3]. Зворотний зв'язок забезпечує краще узгодження вихідних опорів каналів антени із вихідними опорами генератора, завдяки чому максимізується випромінююча потужність гідроакустичного тракту. До недоліку відомого гідроакустичного тракту випромінювання належить відсутність заходів, які передбачали б стабілізацію випромінюваної гідроакустичним трактом потужності в умовах експлуатації гідроакустичних станцій з такими трактами на кораблі-носії станції. Найбільш близьким технічним рішенням як за суттю, так і за результатом, який отримується, що вибрано за найближчий аналог (прототип), є тракт випромінювання гідролокатора, який складається із гідроакустичної антени, генератора, блока керування характеристикою направленості та підсилювача потужності [2]. До недоліку відомого технічного рішення, яке вибрано за найближчий аналог (прототип), належить те, що в ньому є залежність випромінюваної трактом потужності від акустичних умов експлуатації тракту, а саме таких фізичних факторів, як наявність поверхні розподілу середовищ "вода-повітря", корпусу корабля-носія та його корпусних елементів. При цьому результатом зменшення потужності випромінювання тракту буде зменшення дальності дії гідроакустичної станції в цілому, а при збільшені потужності випромінювання можуть виникнути кавітаційні явища на випромінюючій поверхні гідроакустичної антени. В основу корисної моделі поставлено задачу шляхом введення до складу випромінюючого корабельного гідроакустичного тракту пристрою стабілізації потужності випромінювання забезпечити стабільність потужності випромінювання перетворювачів гідроакустичної антени в умовах експлуатації. Суть корисної моделі випромінюючого корабельного гідроакустичного тракту 1, що містить послідовно з'єднані між собою задавальний генератор 2, керований підсилювач потужності 3 і випромінювач гідроакустичної антени 4, при цьому вихід задавального генератора 2 з'єднано з входом керованого підсилювача потужності 3, вихід керованого підсилювача потужності 3 з'єднано з входом випромінювача гідроакустичної антени 4, виходом якого є випромінюваний сигнал, полягає в тому, що до складу тракту додатково введено пристрій 5 стабілізації потужності випромінювання, при цьому до складу зазначеного пристрою 5 стабілізації потужності випромінювання входять з'єднані між собою відповідним чином блок 6 вимірювання нормальної складової коливального прискорення випромінюючої поверхні перетворювача, блок 7 визначення звукового тиску на поверхні перетворювача антени, блок 8 визначення 1 UA 87357 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 комплексного опору випромінювання перетворювача, блок 9 порівняння, блок 10 збереження величини комплексного опору випромінювання перетворювача антени у вільному просторі, блок 11 регулювання фази і амплітуди вихідного сигналу, блок 12 вимірювання фази вихідного сигналу. Суть корисної моделі полягає і в тому, що вихід блока 6 вимірювання нормальної складової коливального прискорення випромінюючої поверхні перетворювача з'єднано з першими входами відповідно блока 7 визначення звукового тиску на поверхні перетворювача антени і блока 12 вимірювання фази вихідного сигналу, вихід блока 12 вимірювання фази вихідного сигналу з'єднано з другим входом блока 7 визначення звукового тиску на поверхні перетворювача антени, вихід блока 7 визначення звукового тиску на поверхні перетворювача антени з'єднано з входом блока 8 визначення комплексного опору випромінювання перетворювача, вихід блока 8 визначення комплексного опору випромінювання перетворювача з'єднано з першим входом блока 9 порівняння, вихід блока 9 порівняння з'єднано з входом блока 11 регулювання фази і амплітуди вихідного сигналу, перший вихід блока 11 регулювання фази і амплітуди вихідного сигналу з'єднано з другим входом керованого підсилювача потужності 3, другий вихід блока 11 регулювання фази і амплітуди вихідного сигналу з'єднано з третім входом керованого підсилювача потужності 3, вихід блока 10 збереження величини комплексного опору випромінювання перетворювача антени у вільному просторі з'єднано з другим входом блока 9 порівняння, вихід керованого підсилювача потужності 3 з'єднано додатково з другим входом блока 12 вимірювання фази вихідного сигналу. Рішення технічної задачі випромінюючого корабельного гідроакустичного тракту дійсно можливе тому, що шляхом введення до складу зазначеного тракту пристрою стабілізації потужності випромінювання фаза і амплітуда вихідного сигналу кожного каналу випромінюваного тракту змінюється таким чином, що комплексний опір випромінювання перетворювачів антени залишається таким же, як і у вільному просторі, завдяки чому відбувається стабілізація випромінюваної потужності в наведених вище умовах експлуатації гідроакустичної станції. Таким чином, випромінюючий корабельний гідроакустичний тракт, що заявляється, дозволяє забезпечити сталість комплексного опору випромінювання кожного випромінювача гідроакустичної антени в умовах експлуатації, а це, в свою чергу забезпечує стабілізацію випромінюваної потужності. Таким чином, випромінюючий корабельний гідроакустичний тракт, що заявляється, відповідає критерію корисної моделі "новизна". Суть корисної моделі пояснюється за допомогою креслень, де на Фіг. 1 показано блок-схему випромінюючого корабельного гідроакустичного тракту, який вибрано за найближчий аналог (прототип), що містить послідовно з'єднані між собою задавальний генератор 1, керований підсилювач потужності 2 і випромінювач гідроакустичної антени 3, при цьому вихід задавального генератора 1 з'єднано з входом керованого підсилювача потужності 2, вихід керованого підсилювача потужності 2 з'єднано з входом випромінювача гідроакустичної антени 3, вихід якого являє собою випромінюваний сигнал; на Фіг. 2 показано блок-схему випромінюючого корабельного гідроакустичного тракту, що заявляється. Випромінюючий корабельний гідроакустичний тракт 1 (Фіг. 2) містить з'єднані між собою задавальний генератор 2, керований підсилювач 3, випромінюючий перетворювач 4 гідроакустичної антени і пристрій 5 стабілізації потужності випромінювання, до складу якого входять: блок 6 вимірювання нормальної складової коливального прискорення на поверхні перетворювача антени, блок 7 визначення звукового тиску на поверхні перетворювача антени, блок 8 визначення комплексного опору випромінювання перетворювача, блок 9 порівняння, блок 10 збереження величини комплексного опору випромінювання перетворювача антени у вільному просторі, блока 11 регулювання фази і амплітуди вихідного сигналу, блока 12 вимірювання фази вихідного сигналу. При цьому конструктивні складові випромінюючого корабельного гідроакустичного тракту з'єднано між собою таким чином: вихід блока 6 вимірювання нормальної складової коливального прискорення випромінюючої поверхні перетворювача з'єднано з першими входами відповідно блока 7 визначення звукового тиску на поверхні перетворювача антени і блока 12 вимірювання фази вихідного сигналу, вихід блока 12 вимірювання фази вихідного сигналу з'єднано з другим входом блока 7 визначення звукового тиску на поверхні перетворювача антени, вихід блока 7 визначення звукового тиску на поверхні перетворювача антени з'єднано з входом блока 8 визначення комплексного опору випромінювання перетворювача, вихід блока 8 визначення комплексного опору випромінювання перетворювача з'єднано з першим входом блока 9 порівняння, вихід блока 9 порівняння з'єднано з входом блока 11 регулювання фази і амплітуди вихідного сигналу, перший вихід блока 11 регулювання 2 UA 87357 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 фази і амплітуди вихідного сигналу з'єднано з другим входом керованого підсилювача потужності 3, другий вихід блока 11 регулювання фази і амплітуди вихідного сигналу з'єднано з третім входом керованого підсилювача потужності 3, вихід блока 10 збереження величини комплексного опору випромінювання перетворювача антени у вільному просторі з'єднано з другим входом блока 9 порівняння, вихід керованого підсилювача потужності 3 з'єднано додатково з другим входом блока 12 вимірювання фази вихідного сигналу. Випромінюючий корабельний гідроакустичний тракт 1 (Фіг. 2), що заявляється, працює таким чином. Гармонічний сигнал, що генерується задавальним генератором 2, подається на один із входів керованого підсилювача 3, з виходу якого сигнал попадає на випромінюючий перетворювач 4 антени. Під дією цього сигналу активна поверхня перетворювача 4 починає коливатись, збуджуючи закріплений на цій поверхні блок 6 вимірювання нормальної складової коливального прискорення випромінюючої поверхні перетворювача. Електричний сигнал, амплітуда і фаза якого відображають амплітуду і фазу коливального прискорення випромінюючої поверхні перетворювача, подається на вхід блока 7, який здійснює процедуру одержання на його основі величини амплітуди коливальної швидкості, на другий вхід блока 7 подається електричний сигнал, який формується наступним чином. Напруга з виходу керованого підсилювача 3 надходить на другий вхід блока 12 вимірювання фази вихідного сигналу. На перший вхід блока 12 подається електрична напруга з виходу блока 6 вимірювання нормальної складової прискорення випромінюючої поверхні перетворювача 4 антени. Одержаний в результаті обробки цих двох сигналів результуючий сигнал з відповідним значенням фази нормальної складової прискорення випромінюючої поверхні перетворювача в блоці 7 використовується для отримання фази нормальної складової коливальної швидкості. В цьому ж блоці 7 значення комплексної амплітуди коливальної швидкості використовується для визначення комплексної амплітуди звукового тиску на активній поверхні випромінювача 4.  Комплексна амплітуда P( x ) звукового тиску в точці на поверхні випромінюючої поверхні перетворювача - випромінювача гідроакустичної антени, розміщеної поряд з морською поверхнею, визначається у відповідності з інтегральною формулою Гельмгольца   d e ikd1  i  e ikd1  1 P( x )   p(  ) dn d dS(  )  4  v(  ) d dS(  ) , (1) 4 S  1 1 S де S  SO  SГ ; SO - поверхня випромінювача; SГ - поверхня границі розділу середовищ вода-повітря;   d1  x   ;  n  - зовнішня нормаль до поверхні S в точці  ;  - густина води;  v(  )  A x cos(  ) - комплексна амплітуда коливальної швидкості, що визначена за допомогою відповідного пристрою; A x - амплітуда коливальної швидкості;  ,  - кутова частота і фаза коливань відповідно вихідного сигналу. Значення комплексної амплітуди коливальної швидкості використовується для визначення комплексної амплітуди звукового тиску на активній поверхні випромінювача антени. Визначення  P( x ) в виразі (1) здійснюється згідно з методом комбінованого представлення інтегрального рівняння Гельмгольца як розв'язок інтегральних рівнянь Гельмгольца, сформульованих для поверхні і внутрішньої області задачі. Вони мають вигляд:   d e ikd2  i  e ikd2  2p()   p(  ) dS(  )  v(  ) dS(  ) , (2)  dn  d2 4 S d2 S  d e ikd3   e ikd3    p(  ) dS(  )  i  v(  ) dS(  ) , (3) dn  d3 d3 S S  де   S ;   d2     ; 3 UA 87357 U 5   d3  y   ;  y    0  2 ,  - внутрішня область задачі;  v(  ) - комплексна амплітуда коливальної швидкості, що визначена за допомогою блока 5.  Розв'язання рівнянь (2) і (3) підставляється в (1) і визначається комплексна амплітуда P( x ) . Обрахування комплексного значення опору випромінювання, його реактивної та реактивної складових, виконується згідно з виразами [4]  p( x ) ; X  Re Z ; Y  Im Z . Z   v(  ) x, S  O 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Визначені в блоці 7 значення комплексних амплітуд коливальної швидкості і звукового тиску на активній поверхні випромінювача поступають на вхід блока 8, в якому здійснюється обрахування комплексного значення повного акустичного опору випромінювання гідроакустичної антени. Ці значення активної і реактивної компонент опору випромінювання подаються на перший вхід блока порівняння 9, на другий вхід якого із блока 10 поступають значення активної і реактивної компонент опору випромінювання гідроакустичної антени у вільному просторі. Різниця між відповідними значеннями компонент опору випромінювання випромінювача гідроакустичної антени у вільному просторі (зберігається у блоці 10) і тими значеннями, що є в реальних умовах експлуатації і визначаються в блоці 8, подається на вхід блока 11 регулювання фази і амплітуди вихідного сигналу. В блоці 11 регулювання фази і амплітуди вихідного сигналу ця різниця порівнюється з закладеними в цей блок значеннями і в залежності від результатів порівняння здійснюється коригування амплітуди і фази вихідного сигналу, результатом чого є зміна величини опору випромінювання випромінювачем. Цей процес повторюється доти, поки різниця між величинами опору випромінювання випромінювача антени у вільному просторі і в реальних умовах експлуатації, які враховують наявність поряд з гідроакустичною антеною морської поверхні, корпусу корабля і елементів конструкції корпусу, не досягне наперед заданих величин по кожному із випромінюючих гідроакустичних трактів корабельної гідроакустичної станції. В цьому випадку приймається, що процес коригування опору випромінювача стабілізувався. Моделювання показало, що на частотах випромінювання 1-3 кГц при заглиблені випромінювача від 5 м до 20 м необхідно 5-10 циклів коригування амплітуди і фази вихідного сигналу до моменту стабілізації процесу. Це свідчить про те, що протягом 5-50 секунд величина опору випромінювання випромінювача гідроакустичної антени в реальних умовах експлуатації стає рівною величині опору його випромінювання у вільному просторі. Таким чином, випромінюючий корабельний гідроакустичний тракт, що заявляється, дозволяє забезпечити сталість комплексного опору випромінювання кожного випромінювача гідроакустичної антени в умовах експлуатації, а це, в свою чергу забезпечує стабілізацію випромінюваної потужності. Стабілізація випромінюваної потужності випромінюючих корабельних гідроакустичних трактів забезпечує незалежність дальності дії відповідної гідроакустичної станції від умов розміщення на кораблі її гідроакустичної антени, відсутність кавітації на випромінювачах антени і збільшення в 1,5-1,7 рази терміну безвідмовної роботи за рахунок стабілізації режиму роботи випромінювачів антени. Джерела інформації: 1. Дерепа А.В. До визначення звукового поля гідроакустичної антени в присутності елементів корпусу надводного корабля /А.В. Дерепа. - Зб. наук, праць / Нац. університет кораблебудування, - Вип. 2 - Миколаїв: Нац. університет кораблебудування, 2011. С. 122-129. 2. А.П. Евтютов, и др. Справочник по гидроакустике, Л., "Судостроение", 1988, С. 19-24. прототип. 3. Патент США № 3629726 від 21.12.71, МКІ Н03В5/40. 4. Шендеров Е.Л. Волновые задачи гидроакустики / Е.Л. Шендеров. - Л.: Судостроение, 1972. - 374 с. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Випромінюючий корабельний гідроакустичний тракт, що містить послідовно з'єднані між собою задавальний генератор, керований підсилювачпотужності і випромінювач гідроакустичної антени, при цьому вихід задавального генератора з'єднано з входом керованого підсилювача потужності, вихід керованого підсилювача потужності з'єднано з входом випромінювача гідроакустичної антени, який відрізняється тим, що до нього додатково включено пристрій стабілізації потужності випромінювання перетворювачів гідроакустичної антени в умовах 4 UA 87357 U 5 10 15 20 експлуатації, при цьому до складу пристрою стабілізації потужності входять блок вимірювання нормальної складової коливального прискорення випромінюючої поверхні перетворювача, блок визначення звукового тиску на поверхні перетворювача антени, блок визначення комплексного опору випромінювання перетворювача, блок порівняння, блок збереження величини комплексного опору випромінювання перетворювача антени у вільному просторі, блок регулювання фази і амплітуди вихідного сигналу, блок вимірювання фази вихідного сигналу, причому вихід блока вимірювання нормальної складової коливального прискорення випромінюючої поверхні перетворювача з'єднано з першими входами відповідно блока визначення звукового тиску на поверхні перетворювача антени і блока вимірювання фази вихідного сигналу, вихід блока вимірювання фази вихідного сигналу з'єднано з другим входом блока визначення звукового тиску на поверхні перетворювача антени, вихід блока визначення звукового тиску на поверхні перетворювача антени з'єднано з входом блока визначення комплексного опору випромінювання перетворювача, вихід блока визначення комплексного опору випромінювання перетворювача з'єднано з першим входом блока порівняння, вихід блока порівняння з'єднано з входом блока регулювання фази і амплітуди вихідного сигналу, перший вихід блока регулювання фази і амплітуди вихідного сигналу з'єднано з другим входом керованого підсилювача потужності, другий вихід блока регулювання фази і амплітуди вихідного сигналу з'єднано з третім входом керованого підсилювача потужності, вихід блока збереження величини комплексного опору випромінювання перетворювача антени у вільному просторі з'єднано з другим входом блока порівняння, вихід керованого підсилювача потужності з'єднано додатково з другим входом блока вимірювання фази вихідного сигналу. 5 UA 87357 U Комп’ютерна верстка В. Мацело 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 6