Багаторезонансна низькочастотна система “гідроакустична станція – надводний корабель”

Реферат: Багаторезонасна низькочастотна система "гідроакустична станція - надводний корабель" містить корабель-носій з розміщеною на ньому активно-пасивною гідроакустичною станцією, до складу якої входить протяжна планарна антенна решітка, яка утворена із циліндричних перетворювачів, кожний з яких виконаний у вигляді герметизованої п'єзокерамічної оболонки висотою h. Кожний із циліндричних перетворювачів споряджено зовні однаковим для всіх циліндричних перетворювачів протяжної планарної антенної решітки акустично м'яким екраном, виконаним у вигляді незамкнутого кільцевого шару з кутом розкриву 2о, товщиною b, висотою h, який щільно прилягає до екранованої поверхні циліндричного перетворювача, та дистанційно керованим в часі механізмом, який виконано з можливістю зміни необхідним чином кута розкриву 2о акустично м'якого екрану синхронно для всіх циліндричних перетворювачів протяжної планарної антенної решітки, при цьому кути розкриву 2о акустично м'яких екранів всіх циліндричних перетворювачів протяжної планарної антенної решітки орієнтовані так, що бісектриси цих кутів є нормальними до випромінюючої поверхні протяжної планарної антенної решітки, а дистанційно керований в часі механізм розміщено на циліндричному перетворювачі. UA 118047 U (12) UA 118047 U UA 118047 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 систем «гідроакустична станція - надводний корабель», і може бути використана, наприклад, в гідроакустичних станціях з антенами, стаціонарно розміщеними на корпусі надводного корабля. Відомі системи «гідроакустична станція - надводний корабель» з гідроакустичними антенами, стаціонарно розміщеними на корпусі надводного корабля. Дальність дії таких систем збільшується при зниженні робочих частот гідроакустичних станцій в режимах як випромінювання, так і прийому звукових сигналів. При цьому виникає дві проблеми. Перша з них полягає в тому, що при збереженні направлених властивостей системи «гідроакустична станція - надводний корабель», необхідною умовою збільшення дальності дії є збільшення розмірів і випромінюючих, і прийомних антен. В системах «гідроакустична станція - надводний корабель» з антенами, розміщеними на корпусі корабля, це досягається застосуванням так званих планарних антен, які розміщуються або під кілем корабля, або вздовж його бокових поверхонь по обидва борти. Друга проблема полягає в тому, що ефективне випромінювання звукової енергії гідроакустичними перетворювачами можливе лише на частоті їх механічного резонансу, а смуга частот резонансного випромінювання, по-перше, знаходиться в області частот основного резонансу п'єзокерамічної оболонки перетворювача, і, по-друге, не перевищує 10-30 %. В той же час в режимі прийому сигналів вибір діапазону робочих частот, зокрема, знизу, обмежується лише вимогами до характеристик направленості антен, а сам діапазон робочих частот може досягати кількох октав [1]. До недоліків відомих систем «гідроакустична станція - надводний корабель» з гідроакустичними антенами, стаціонарно розміщеними на корпусі надводного корабля, відносяться суттєві втрати ефективності систем за рахунок малого діапазону робочих частот резонансного випромінювання сигналів і неможливості узгодження широкого діапазону робочих частот антени в режимі прийому з вузьким діапазоном робочих частот в режимі випромінювання. Найбільш близьким технічним рішенням як за суттю, так і за задачею, що вирішується, яке вибране за найближчий аналог (прототип), є система «гідроакустична станція - надводний корабель», що включає корабель-носій з розміщеною на ньому активно-пасивною гідроакустичною станцією, до складу якої входить протяжна планарна антенна решітка, яка утворена із циліндричних перетворювачів, кожний з яких виконаний у вигляді герметизованої п'єзокерамічної оболонки висотою h [2]. До недоліків технічного рішення, яке вибрано за найближчий аналог (прототип), належать такі: - суттєві втрати ефективності системи «гідроакустична станція - надводний корабель» за рахунок наявності лише однієї резонансної області, а, відтак, неузгодженості широкого діапазону робочих частот антени гідроакустичної станції в режимі прийому з відносно вузьким діапазоном робочих частот в режимі випромінювання; - неможливість при вибраній основній резонансній частоті циліндричних перетворювачів антени гідроакустичної станції одержати на ній більш низькі резонансні частоти; - неможливість в режимі реального часу дистанційно, при необхідності, змінювати резонансні частоті антени пасивної гідроакустичної станції відповідно до існуючих гідрологоакустичних умов експлуатації. В основу корисної моделі покладено задачу шляхом спорядження циліндричних перетворювачів протяжної планарної антенної решітки активно-пасивної гідроакустичної станції системи «гідроакустична станція - надводний корабель» однаковими акустично м'якими екранами у вигляді незамкнутих кільцевих шарів з певним кутом розкриву та дистанційно керованим в часі механізмом зміни величини цього кута розкриву, забезпечити збагачення спектру власних резонансних частот та розширення його в область низьких частот, суттєво нижчих від основної резонансної частоти циліндричних перетворювачів антени протяжної планарної антенної решітки активно-пасивної гідроакустичної станції. Суть технічного рішення в багаторезонансній низькочастотній системі «гідроакустична станція - надводний корабель», що містить корабель-носій з розміщеною на ньому активнопасивною гідроакустичною станцією, до складу якої входить протяжна планарна антенна решітка, яка утворена із циліндричних перетворювачів, кожний з яких виконаний у вигляді герметизованої п'єзокерамічної оболонки висотою h, полягає в тому, що кожний із циліндричних перетворювачів споряджено зовні однаковим для всіх циліндричних перетворювачів протяжної планарної антенної решітки акустично м'яким екраном, виконаним у вигляді незамкнутого кільцевого шару з кутом розкриву 2о, товщиною b, висотою h, який щільно прилягає до екранованої поверхні циліндричного перетворювача, та дистанційно керованим в часі 1 UA 118047 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 механізмом, який виконано з можливістю зміни необхідним чином кута розкриву 2о акустично м'якого екрану синхронно для всіх циліндричних перетворювачів протяжної планарної антенної решітки, при цьому кути розкриву 2о акустично м'яких екранів всіх циліндричних перетворювачів протяжної планарної антенної решітки орієнтовані так, що бісектриси цих кутів є нормальними до випромінюючої поверхні протяжної планарної антенної решітки, а дистанційно керований в часі механізм розміщено на циліндричному перетворювачі. Суть корисної моделі полягає і в тому, що кути 2о розкриву акустично м'яких екранів циліндричних перетворювачів протяжної планарної антенної решітки є змінними в межах від 60° до 300°. Порівняльний аналіз технічного рішення, що заявляється, з прототипом, дозволяє зробити висновок, що багаторезонансна низькочастотна система «гідроакустична станція - надводний корабель», яка заявляється, відрізняється тим, що кожний із циліндричних перетворювачів протяжної планарної антенної решітки споряджено зовні однаковим акустично м'яким екраном товщиною b та висотою h, виконаним у вигляді незамкнутого кільцевого шару з кутом розкриву 2о, який щільно прилягає до екранованої поверхні циліндричного перетворювача, причому кути розкриву 2о акустично м'яких екранів всіх циліндричних перетворювачів протяжної планарної антенної решітки орієнтовані так, що бісектриси цих кутів є нормальними до випромінюючої поверхні протяжної планарної антенної решітки; кути розкриву 2о акустично м'яких екранів є змінними в межах від 60° до 300°, а кожний циліндричний перетворювач споряджено дистанційно керованим в часі механізмом, який змінює кут розкриву акустично м'якого екрану необхідним чином синхронно для всіх циліндричних перетворювачів протяжної планарної антенної решітки. Таким чином, багаторезонансна низькочастотна система «гідроакустична станція надводний корабель», що заявляється, відповідає критерію корисної моделі «новизна». Рішення технічної задачі в багаторезонансній низькочастотній системі «гідроакустична станція - надводний корабель», що заявляється, дійсно можливе тому, що: - шляхом введення до складу кожного циліндричного перетворювача протяжної планарної антенної решітки акустично м'якого екрану, встановлюваного зовні, та виконання його у вигляді незамкнутого кільцевого шару товщиною b, висотою h, з кутом розкриву 2о порушується радіальна симетрія акустичного випромінювання екранованого циліндричного перетворювача протяжної планарної антенної решітки. В той же час п'єзокерамічна оболонка циліндричного перетворювача протяжної планарної антенної решітки для забезпечення випромінювання на її основній резонансній частоті повинна збуджуватися на нульовій моді власних коливань, що можливе лише при радіальній симетрії електричного навантаження п'єзокерамічної оболонки циліндричного перетворювача. При порушені радіальної симетрії радіаційного навантаження акустичним полем п'єзокерамічної оболонки циліндричного перетворювача, в цій п'єзокерамічній оболонці з'являються за нульовою модою наступні моди її коливань, амплітуди яких порівняні з амплітудою нульової моди [3]. Це означає, що має місце ефективний перерозподіл енергії, яка «закачується» в циліндричний перетворювач на нульовій моді коливань, між наступними модами коливань. Ці форми коливань є поздовжньо-згинними і вони мають більш низькі власні резонансні частоти, ніж основна резонансна частота неекранованої п'єзокерамічної циліндричної оболонки, яка відповідає лише поздовжнім коливанням радіально симетрично навантаженої п'єзокерамічної оболонки циліндричного перетворювача [4]. Оскільки акустичне поле циліндричного перетворювача утворюється полем його механічних коливань, то відповідно акустичні поля екранованих циліндричних перетворювачів, а, відтак, і протяжної планарної антенної решітки в цілому, будуть мати власні резонансні частоти в області частот, нижчої ніж основна резонансна частота п'єзокерамічної оболонки циліндричного перетворювача протяжної планарної антенної решітки. Таким чином система «гідроакустична станція надводний корабель» перетворюється в багаторезонансну низькочастотну систему; - шляхом виконання кутів розкриву 2о акустично м'яких екранів циліндричних перетворювачів змінними, що забезпечується спорядженням кожного циліндричного перетворювача протяжної планарної антенної решітки дистанційно керованим в часі механізмом, який змінює кут розкриву 2о акустично м'якого екрану необхідним чином синхронно для всіх циліндричних перетворювачів протяжної планарної антенної решітки, забезпечується управління положенням низькочастотних резонансів в збагаченому спектрі частот в багаторезонансній низькочастотній системі «гідроакустична станція - надводний корабель» [4]. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями, де на Фіг. 1 показано склад багаторезонансної низькочастотної системи «гідроакустична станція - надводний корабель», на Фіг. 2 показано схему побудови екранованого циліндричного перетворювача протяжної планарної антенної решітки, на Фіг. 3 показано частотні залежності амплітуд радіальних 2 UA 118047 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 коливальних швидкостей центра вільної від акустично м'якого екрана поверхні циліндричного перетворювача, на Фіг. 4 і Фіг. 5 показано частотні залежності коливальних швидкостей мод при різних кутах розкриву 2о акустично м'якого екрана, на Фіг. 6 показано частотні залежності амплітуд звукових тисків на поверхні циліндричного перетворювача при різних кутах розкриву 2о акустично м'якого екрана. Багаторезонансна низькочастотна система «гідроакустична станція - надводний корабель» 1 містить (як варіант конструктивного виконання - див. схему на Фіг. 1) корабель-носій 2 з розміщеною в його корпусі активно-пасивною гідроакустичною станцією 3 з протяжною планарною антенною решіткою 4. Остання утворена із циліндричних перетворювачів 5. Кожний з циліндричних перетворювачів 5 виконаний у вигляді герметизованої п'єзокерамічної оболонки 6 висотою h спорядженою зовні акустично м'яким екраном 7 товщиною b, висотою h (див. Фіг. 2). Акустично м'які екрани 7 являються однаковими для всіх циліндричних перетворювачів 5 протяжної планарної антенної решітки 4 і виконані у вигляді незамкнутого кільцевого шару товщиною b, висотою h, з кутом розкриву 2о. Акустично м'який екран 7 щільно прилягає до екранованої поверхні циліндричного перетворювача. Кути розкриву 2о акустично м'яких екранів 7 циліндричних перетворювачів 5 орієнтовані так, що бісектриси цих кутів є нормальними до випромінюючої поверхні протяжної планарної антенної решітки 4. Кути розкриву 2о акустично м'яких екранів 7 циліндричних перетворювачів 5 є змінними в межах від 60° до 300°. Кожний циліндричний перетворювач 5 протяжної планарної антенної решітки 4 споряджено дистанційно керованим в часі механізмом 8, який змінює кут розкриву 2о акустично м'якого екрану 7 необхідним чином синхронно для всіх циліндричних перетворювачів 5 протяжної планарної антенної решітки 4. Багаторезонансна низькочастотна система «гідроакустична станція - надводний корабель», що заявляється, працює наступним чином. При роботі активно-пасивної гідроакустичної станції 3 в багаторезонансній низькочастотній системі «гідроакустична станція - надводний корабель» 1 циліндричні перетворювачі 5 протяжної планарної антенної решітки 4 збуджуються від генераторних пристроїв активнопасивної гідроакустичної станції 3 на нульовій моді коливань їх п'єзокерамічних оболонок 6 на частоті збудження гідроакустичних сигналів. В процесі перетворення електричної енергії в акустичну в циліндричних перетворювачах 5 взаємодіють між собою три поля - електричне, механічне та акустичне. Оскільки до складу циліндричних перетворювачів 5 входять акустично м'які екрани 7 у вигляді незамкнутих кільцевих шарів товщиною b, висотою h, з кутом розкриву 2о, акустичне поле, яке формується кожним із цих циліндричних перетворювачів 5, не є радіально симетричним. Це обумовлює появу в механічному полі кожного циліндричного перетворювача 5 протяжної планарної антенної решітки 4 крім нульової моди коливань, на якій у всі циліндричні перетворювачі 5 «закачується» електрична енергія на частоті збудження збуд., наступних мод коливань (див. Фіг. 3), енергетична ефективність яких близька або навіть більша енергетичної активності нульової моди. Оскільки кожна з цих мод має свою резонансну частоту коливань, то спектр резонансних коливань екранованого циліндричного перетворювача 5, як механічної системи коливань, суттєво збагачується та розширюється в напрямі низьких частот (див. Фіг. 4). Величина ефективного розподілу «закачаної» в циліндричні перетворювачі 5 на нульовій моді електричної енергії між наступними модами коливань визначається кутом розкриву 2о акустично м'яких екранів 7 (див. Фіг. 4, 5). Природно, що багаторезонансному низькочастотному механічному полю екранованих циліндричних перетворювачів 5 відповідає і багаторезонансне низькочастотне їх акустичне поле (див. Фіг. 6). Зазначимо, що розрахунки для побудови графіків частотних залежностей амплітуд радіальних швидкостей виконані відповідно формул, наведених в роботі [4]. Якщо частота збудження збуд. генераторних пристроїв активнопасивної гідроакустичної станції 3 вибирається такою, що відповідає частоті механічних резонансів екранованих циліндричних перетворювачів 5 протяжної планарної антенної решітки 4, то ефективність багаторезонансної низькочастотної системи «гідроакустична станція надводний корабель», що заявляється, суттєво збільшується. В режимі прийому активнопасивної гідроакустичної станції 3 наведені резонансні властивості екранованих циліндричних перетворювачів 5 зберігаються, оскільки протяжна планарна антенна решітка 4 є зворотнім пристроєм, а відтак ефективність зазначеної системи, теж збільшується. Зміна кутів розкриву 2о акустично м'яких екранів 7 циліндричних перетворювачів 5 в межах від 60° до 300° забезпечує можливість управління частотними залежностями амплітуд механічного та акустичного полів циліндричних перетворювачів 5 протяжної планарної антенної решітки 4 в бажаних напрямах. Практична реалізація цих змін здійснюється дистанційно синхронно для всіх її циліндричних перетворювачів 5 керованим в часі механізмом 8, введеним до складу кожного із циліндричних перетворювачів 5 протяжної планарної антенної решітки 4. 3 UA 118047 U 5 10 15 20 25 Таким чином, багаторезонансна низькочастотна система «гідроакустична станція надводний корабель», яка заявляється, дозволяє комплексно покращити тактико-технічні характеристики, а саме: - суттєво збільшити її ефективність за рахунок створення багаторезонансного випромінювання в широкому спектрі робочих частот гідроакустичної станції та переносу резонансних смуг випромінювання в область низьких частот без зміни розмірів випромінювачів; - суттєво збільшити узгодженість частотних діапазонів роботи системи «гідроакустична станція - надводний корабель» в режимах випромінювання та прийому гідроакустичних сигналів; - створити можливість в режимі реального часу дистанційно змінювати, при необхідності, амплітудно-частотні характеристики активно-пасивної гідроакустичної станції як в режимі прийому, так і в режимі випромінювання відповідно до існуючих гідрологоакустичних умов експлуатації системи «гідроакустична станція - надводний корабель». Джерела інформації: 1. Корякин Ю.А., Смирнов С.А., Яковлев Г.В. Корабельная гидроакустическая техника: состояние и актуальные проблемы / - Спб.: Наука, 2004. - 410 с. 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, Киев. Издательский дом Дмитрия Бураго, 2014. - 425 с. - прототип. 3. В.Т. Гринченко, И.В. Вовк, В.Т. Маципура. Волновые задачи акустики / К.: Интерсевис, 2013. - 571 с. 4. А.Г. Лейко, З.Т. Гусак. Физические поля гидроакустической антенны, состоящей из уголкового рупора и пьезокерамического излучателя с окружной поляризацией // Электроника и связь. - 2014. - Т. 19, № 2 - С. 75-81. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 30 35 40 45 1. Багаторезонасна низькочастотна система "гідроакустична станція - надводний корабель", що містить корабель-носій з розміщеною на ньому активно-пасивною гідроакустичною станцією, до складу якої входить протяжна планарна антенна решітка, яка утворена із циліндричних перетворювачів, кожний з яких виконаний у вигляді герметизованої п'єзокерамічної оболонки висотою h, яка відрізняється тим, що кожний із циліндричних перетворювачів споряджено зовні однаковим для всіх циліндричних перетворювачів протяжної планарної антенної решітки акустично м'яким екраном, виконаним у вигляді незамкнутого кільцевого шару з кутом розкриву 2о, товщиною b, висотою h, який щільно прилягає до екранованої поверхні циліндричного перетворювача, та дистанційно керованим в часі механізмом, який виконано з можливістю зміни необхідним чином кута розкриву 2о акустично м'якого екрану синхронно для всіх циліндричних перетворювачів протяжної планарної антенної решітки, при цьому кути розкриву 2о акустично м'яких екранів всіх циліндричних перетворювачів протяжної планарної антенної решітки орієнтовані так, що бісектриси цих кутів є нормальними до випромінюючої поверхні протяжної планарної антенної решітки, а дистанційно керований в часі механізм розміщено на циліндричному перетворювачі. 2. Система за п. 1, яка відрізняється тим, що кути 2о розкриву акустично м'яких екранів циліндричних перетворювачів протяжної планарної антенної решітки є змінними в межах від 60° до 300°. 4 UA 118047 U 5 UA 118047 U 6 UA 118047 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський 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 7