Система “гідроакустична станція – надводний корабель” з антеною змінної глибини

Реферат: Система "гідроакустична станція - надводний корабель" з антеною змінної глибини, містить корабель-носій з розміщеними на ньому активно-пасивною гідроакустичною станцією та підйомно-опускним пристроєм, при цьому до складу активно-пасивної гідроакустичної станції входять опускний контейнер, з'єднаний з підйомно-опускним пристроєм кабель-тросом, та антена змінної глибини у вигляді кругової циліндричної антени, випромінююча частина якої радіусом R утворена по висоті кількома ярусами екранованих кругових циліндричних п'єзокерамічних перетворювачів, розділених між собою шарами акустично м'яких екрануючих конструкцій радіусом R та товщиною b. Кожний із екранованих кругових циліндричних п'єзокерамічних перетворювачів випромінюючої частини антени змінної глибини з внутрішньої сторони антени на 180° щільно охоплений напівциліндричною акустично м'якою решіткою, яка виконана у вигляді перфорованої звуковідбиваючої конструкції товщиною b. UA 119258 U (12) UA 119258 U UA 119258 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі морського озброєння, а саме до систем "гідроакустична станція - надводний корабель", і може бути використана, наприклад, в корабельних активнопасивних гідроакустичних станціях з антенами змінної глибини. Відомі системи "гідроакустична станція - надводний корабель" з антенами змінної глибини, випромінюючі антени яких утворені із екранованих кругових циліндричних п'єзокерамічних перетворювачів, акустичний екран перетворювачів являє собою незамкнутий кільцевий шар товщиною b і кутом розкриву 2f0, виконаний із звуковідбиваючої гуми, наприклад, марки 10087, який щільно охоплює поверхню перетворювача [1]. Позитивною якістю введення до складу циліндричного перетворювача, який сам по собі не має направлених властивостей в площині, нормальній до його вертикальної вісі, суцільного акустичного екрану наведеної вище конфігурації, є створення направленості перетворювача в цій площині. Але при цьому екранований перетворювач, а, відтак і антена змінної глибини набуває суттєвого недоліку. Він полягає в значному зменшенні поверхні перетворювача, що контактує із зовнішнім робочим середовищем, в якому збуджуються звукові хвилі. Наслідком такого зменшення є зменшення акустичного навантаження перетворювача при випромінюванні гідроакустичних сигналів. Останнє являється фізичною причиною суттєвого зменшення смуги частот резонансного випромінювання звуку перетворювачем [2]. При цьому суттєвого значення набуває хвильова висота h циліндричного перетворювача: чим менше відношення h/λ, де λ - довжина випромінюваної звукової хвилі, тим менша смуга частот резонансного випромінювання звуку. Оскільки необхідною умовою роботи гідроакустичної станції в режимі випромінювання є робота гідроакустичної антени на частоті механічного резонансу її перетворювачів, завдяки чому забезпечується ефективне перетворення електричної енергії в акустичну, то зменшення смуги резонансного випромінювання антени змінної глибини є істотним недоліком системи "гідроакустична станція - надводний корабель" з цією антеною змінної глибини. Найбільш близьким технічним рішенням як за суттю, так і за задачею, що вирішується, яке вибрано за найближчий аналог (прототип), є система "гідроакустична станція - надводний корабель" з антеною змінної глибини, яка включає корабель-носій з розміщеними на ньому активно-пасивною гідроакустичною станцією з антеною змінної глибини та підйомно-опускним пристроєм, при цьому до складу активно-пасивної гідроакустичної станції входять опускний контейнер, з'єднаний з підйомно-опускним пристроєм кабель-тросом та антена змінної глибини у вигляді кругової циліндричної антени, випромінююча частина якої радіусом R утворена по висоті кількома ярусами екранованих кругових циліндричних п'єзокерамічних перетворювачів, розділених між собою шарами акустично м'яких екрануючих конструкцій радіусом R та товщиною b [3]. До недоліків системи "гідроакустична станція - надводний корабель" з антеною змінної глибини, яку вибрано за найближчий аналог (прототип), належить мала смуга резонансного випромінювання її антени змінної глибини. Це обумовлено наявністю у складі її екранованих кругових циліндричних п'єзокерамічних перетворювачів, по-перше, акустично м'яких екранів, виконаних із суцільних шарів гуми із закритими заповненими повітрям порами (марок 10087 або 51-1415), і, по-друге, малою хвильовою висотою цих перетворювачів (відношення h/ має величину порядку 0,3). Це обумовлює смугу резонансних частот антени змінної глибини на рівні 3-4 %. В основу корисної моделі поставлено задачу шляхом спорядження екранованих кругових циліндричних п'єзокерамічних перетворювачів випромінюючої частини антени змінної глибини новими конструктивними елементами, а саме, перфорованими акустичними екранами із перфораціями у вигляді наскрізних отворів в товщині акустичних екранів, які заповнені зовнішнім середовищем, забезпечити в комплексі як збільшення площі випромінюючої поверхні зазначених перетворювачів, так і смуги частот їх резонансного випромінювання, залишивши при цьому незмінними їх направлені властивості. Суть технічного рішення в системі "гідроакустична станція - надводний корабель" з антеною змінної глибини, що містить корабель-носій з розміщеними на ньому активно-пасивною гідроакустичною станцією та підйомно-опускним пристроєм, при цьому до складу активнопасивної гідроакустичної станції входять опускний контейнер, з'єднаний з підйомно-опускним пристроєм кабель-тросом, та антена змінної глибини у вигляді кругової циліндричної антени, випромінююча частина якої радіусом R утворена по висоті кількома ярусами екранованих кругових циліндричних п'єзокерамічних перетворювачів, розділених між собою шарами акустично м'яких екрануючих конструкцій радіусом R та товщиною b, полягає в тому, що кожний із екранованих кругових циліндричних п'єзокерамічних перетворювачів випромінюючої частини антени змінної глибини з внутрішньої сторони антени на 180° щільно охоплений напівциліндричною акустично м'якою решіткою, яка виконана у вигляді перфорованої 1 UA 119258 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 звуковідбиваючої конструкції товщиною b. Суть корисної моделі полягає і в тому, що всі перфорації звуковідбиваючої конструкції товщиною b виконані у вигляді наскрізних по товщині отворів, заповнені зовнішнім середовищем та мають однакову конфігурацію. Суть корисної моделі полягає також і в тому, що максимальні величини розмірів конфігурацій перфорацій звуковідбиваючої конструкції товщиною b та відстаней між їх центрами в напівциліндричній акустично м'якій решітці не перевищують відповідно 0,2  та 0,5 Я, де  - довжина робочої хвилі випромінюючої частини антени змінної глибини. Порівняльний аналіз технічного рішення, що заявляється, з прототипом дозволяє зробити висновок, що система "гідроакустична станція - надводний корабель" з антеною змінної глибини відрізняється тим, що акустично м'які екрани виконані у вигляді напівциліндричних акустично м'яких решіток, які щільно охоплюють екрановані кругові циліндричні п'єзокерамічні перетворювачі та являють собою перфоровані звуковідбиваючі конструкції товщиною b, в якій всі перфорації у вигляді наскрізних по товщині b отворів заповнені зовнішнім середовищем та мають однакову конфігурацію, а максимальні величини розмірів конфігурацій і відстаней між їх центрами в напівциліндричній решітці не перевищують відповідно 0,2  та 0,5 А, де  - довжина робочої хвилі випромінюючої частини антени змінної глибини. Таким чином, система "гідроакустична станція - надводний корабель" з антеною змінної глибини, яка заявляється, відповідає критерію корисної моделі "новизна". Рішення технічної задачі в системі "гідроакустична станція - надводний корабель" з антеною змінної глибини, що заявляється, дійсно можливе за такими фізичними причинами. 1. Смуга частот резонансного випромінювання екранованого кругового циліндричного перетворювача визначається згідно з виразом Δω=ω0/Qм, де ω0 - кругова резонансна частота екранованого кругового циліндричного п'єзокерамічного перетворювача, Qм - його механічна добротність [3]. В свою чергу механічна добротність екранованого кругового циліндричного п'єзокерамічного перетворювача зворотно пропорційна активному механічному опору rм зазначеного перетворювача (Qм~1/rм). Активний механічний опір rм складається із опору механічних втрат гмвтр, опору випромінювання rвип кругового циліндричного п'єзокерамічного перетворювача та активної складової гекр вхідного імпедансу акустичного екрану: rм = rм.втр + rвип + rекр. При цьому rвип=(ρc)cSα, де (ρc)c - хвильовий опір зовнішнього середовища, S - площа випромінюючої поверхні екранованого кругового циліндричного п'єзокерамічного перетворювача, α - безрозмірний коефіцієнт активної складової питомого опору випромінювання. Таким чином, із наведених виразів видно, що збільшення площі S випромінюючої поверхні екранованого кругового циліндричного п'єзокерамічного перетворювача шляхом введення в його акустичний екран наскрізних перфорацій, заповнених зовнішнім середовищем, обумовлює збільшення активного опору випромінювання екранованого кругового циліндричного п'єзокерамічного перетворювача. Наслідком цього є зменшення механічної добротності екранованого кругового циліндричного п'єзокерамічного перетворювача, а, відтак, і розширення смуги його резонансних частот. 2. Відомо, що заміна суцільного акустично м'якого екрану решітчастою конструкцією, утвореною наскрізними по товщині екрану перфораціями та заповненням утворених отворів зовнішнім середовищем, практично не змінює екрануючих властивостей екрану, якщо розміри конфігурацій перфорацій і відстані між їх центрами в напівциліндричній решітці не перевищують відповідно 0,2  та 0,5 , де  - довжина робочої хвилі випромінюючої частини антени змінної глибини [4]. Фізично це обумовлено наступними причинами. При введені до складу кругових циліндричних п'єзокерамічних перетворювачів суцільних акустичних екранів, останні екранують за рахунок прямого проникнення випромінених цим перетворювачем звукових хвиль скрізь товщину екрану. При застосуванні акустичних екранів, виконаних у вигляді решітчастих конструкцій, екрануюча дія утворюється за рахунок взаємодії звукових хвиль, розсіяних акустично м'якими частинами екрану. При цьому екрануючі властивості суцільного та решітчастого екранів близькі між собою тільки в тому випадку, коли розміри елементів в екрануючій решітці відповідають наведеним вище, коли розміри елементів в екрануючій решітці відповідають наведеним вище. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 показано склад системи "гідроакустична станція - надводний корабель" з антеною змінної глибини; на фіг. 2 показано схему побудови антени змінної глибини; на фіг. 3 показано схему екрануючого акустично м'якого шару, який розміщується між ярусами екранованих кругових циліндричних п'єзокерамічних перетворювачів випромінюючої частини антени змінної глибини; на фіг. 4 показано схему побудови екранованого кругового циліндричного п'єзокерамічного перетворювача з акустично м'якою напівциліндричною решіткою, яка щільно охоплює круговий циліндричний п'єзокерамічний перетворювач на 180° з внутрішньої сторони антени змінної 2 UA 119258 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 глибини, на фіг. 5 наведені частотні залежності випромінюваної потужності екранованого кругового циліндричного п'єзокерамічного перетворювача. Система "гідроакустична станція - надводний корабель" з антеною змінної глибини 1 (як варіант конструктивного виконання - див. схему на фіг. 1) містить корабель-носій 2 з розміщеними на ньому активно-пасивною гідроакустичною станцією 3 з антеною змінної глибини 4 та підйомно-опускним пристроєм 5 з кабель-тросом 6, що з'єднує антену змінної глибини 4 з підйомно-опускним пристроєм 5. Антена змінної глибини 4 циліндричного типу розміщена в опускному контейнері 7 і утворена із двох частин - випромінюючої 8 та прийомної 9. Випромінююча частина 8 радіусом R антени змінної глибини 4 складається із кількох ярусів 10, розміщених по висоті антени змінної глибини 4, та акустично м'яких екрануючих шарів 11 радіусом R і товщиною b, розміщених між ярусами екранованих кругових циліндричних п'єзокерамічних перетворювачів 12 (див. схеми на фіг. 2 і фіг. 3). Кожний із ярусів 10 випромінюючої частини 8 антени змінної глибини 4, утворений із екранованих кругових циліндричних п'єзокерамічних перетворювачів 12, які з внутрішньої сторони антени змінної глибини 4 на 180° щільно охоплені напівциліндричною акустично м'якою решіткою 13 (див. схему на фіг. 4). Напівциліндрична акустично конструкції товщиною b. Всі її перфорації 14 мають вигляд наскрізних по товщині b отворів, однакових по конфігурації та заповнених зовнішнім середовищем. Максимальні розміри конфігурацій перфорацій 14 в напівциліндричній акустично м'якій решітці 13 не перевищують 0,2 . Максимальні розміри між центрами перфорацій 14 не перевищують 0,5 . Тут  - довжина робочої хвилі випромінюючої частини 6 антени змінної глибини. Система 1 "гідроакустична станція - надводний корабель" з антеною змінної глибини, що заявляється, працює наступним чином: При експлуатації системи 1 "гідроакустична станція - надводний корабель" з глибоководною антеною змінної глибини 4, підйомно-опускний пристрій 5 опускає антену змінної глибини 4 на кабель-тросі 6 на заданий рівень заглиблення, якому відповідає найкраща в даних гідроакустичних умовах завадо сигнальна ситуація. Використання в екранованих кругових циліндричних п'єзокерамічних перетворювачах 12 екрануючої конструкції в вигляді перфорованої напівциліндричної акустично м'якої решітки 13 із акустично м'якого матеріалу товщиною b із наскрізними отворами 14, заповненими зовнішнім середовищем, збільшує площу випромінюючої поверхні випромінюючої частини 8 антени змінної глибини 4, навантаженої на зовнішнє середовище. Завдяки цьому збільшується опір випромінювання rвип випромінюючої частини 8 антени змінної глибини 4, зменшується її механічна добротність Qм і, як наслідок, розширюється смуга частот резонансною випромінювання гідроакустичних сигналів. Розрахунки показують, що, якщо площа перфорацій займає 30 % площі напівциліндричної акустично м'якої решітки 13 екранованих кругових циліндричних п'єзокерамічних перетворювачів 12, то смуга резонансних частот збільшується на 25-30 %. При цьому екрануючі властивості акустичного екрану практично не змінюються. Останнє обумовлено наступними фізичними процесами. Звукові хвилі, утворені в зовнішньому середовищі випромінюючою поверхнею кожного з екранованих кругових циліндричних п'єзокерамічних перетворювачів 12 антени змінної глибини 4, циліндричних п'єзокерамічних перетворювачів 12 антени змінної глибини 4, в тому числі і через перфорації 14, розсіюються на всіх акустично м'яких поверхнях звуковідбиваючої конструкції, якою є перфорована напівциліндрична акустично м'яка решітка 13. Утворене розсіяне поле, як відбите від акустично м'яких поверхонь, має протифазний характер полю випромінювання екранованих кругових циліндричних п'єзокерамічних перетворювачів 12. В зв'язку з цим повне поле в областях розміщення перфорованої напівциліндричної акустично м'якої решітки 13, яке є сумою випроміненого поля екранованими круговими циліндричними п'єзокерамічними перетворювачами 12 і розсіяного поля перфорованою напівциліндричною акустично м'якою решіткою 13, суттєво зменшується, утворюючи в цих областях зону тіні. Завдяки наведеному перфорована напівциліндрична акустично м'яка решітка 13 акустичного екрану забезпечує екранованим круговим циліндричним п'єзокерамічним перетворювачам 12 такі ж направлені властивості, як і у прототипу. Таким чином, система "гідроакустична станція - надводний корабель" з антеною змінної глибини, що заявляється, характеризується збільшенням енергетичної ефективності гідроакустичної станції за рахунок розширення смуги частот її резонансного випромінювання з 9 % до 12 % (див. схему на фіг. 5). Зазначене дозволяє збільшити кількість еталонних частот випромінювання гідроакустичної станції з 2 до 4, завдяки чому розширюються пошукові можливості системи "гідроакустична станція - надводний корабель" при роботі як самостійно, так і у складі виділеного для пошуку підводних об'єктів наряду кораблів протичовнової оборони. Джерела інформації: 3 UA 119258 U 5 10 1. Корякин Ю.А., Смирнов С.А., Яковлев Г.В. Корабельная гидроакустическая техника: состояние и актуальные проблемы /Ю.А. Корякин, С.А. Смирнов, Г.В. Яковлев - Спб.: Наука, 2004. - 410 с. 2. Дідковський B.C., Лейко О.Г., Савін В.Г. Електроакустичні п'єзокерамічні перетворювачі. Кіровоград: Імекс-ЛТД, 2006. - 448 с. 3. 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 переменной глубины" /А.В. Дерепа, А.Г. Лейко, Ю.Я. Меленко. - К.: Издательский дом Дмитрия Бураго, Киев. Издательский дом Дмитрия Бураго, 2016. - 400 с. прототип. 4. Лейко А.Г., Шамарин Ю.Е., Ткаченко В.П. Подводные акустические антенны. Методы расчета звуковых полей. - К.: Аванпостприм, 2000. - 320 с. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 20 25 30 1. Система "гідроакустична станція - надводний корабель" з антеною змінної глибини, що містить корабель-носій з розміщеними на ньому активно-пасивною гідроакустичною станцією та підйомно-опускним пристроєм, при цьому до складу активно-пасивної гідроакустичної станції входять опускний контейнер, з'єднаний з підйомно-опускним пристроєм кабель-тросом, та антена змінної глибини у вигляді кругової циліндричної антени, випромінююча частина якої радіусом R утворена по висоті кількома ярусами екранованих кругових циліндричних п'єзокерамічних перетворювачів, розділених між собою шарами акустично м'яких екрануючих конструкцій радіусом R та товщиною b, яка відрізняється тим, що кожний із екранованих кругових циліндричних п'єзокерамічних перетворювачів випромінюючої частини антени змінної глибини з внутрішньої сторони антени на 180° щільно охоплений напівциліндричною акустично м'якою решіткою, яка виконана у вигляді перфорованої звуковідбиваючої конструкції товщиною b. 2. Система за п. 1, яка відрізняється тим, що всі перфорації звуковідбиваючої конструкції товщиною b, виконані у вигляді наскрізних по товщині отворів, заповнені зовнішнім середовищем та мають однакову конфігурацію. 3. Система за одним з пп. 1 або 2, яка відрізняється тим, що максимальні величини розмірів конфігурацій перфорацій звуковідбиваючої конструкції товщиною b та відстаней між їх центрами в напівциліндричній акустично м'якій решітці не перевищують відповідно 0,2 λ та 0,5 λ, де λ довжина робочої хвилі випромінюючої частини антени змінної глибини. 4 UA 119258 U 5 UA 119258 U 6 UA 119258 U Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 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