Спосіб формування характеристики направленості корабельної випромінюючої гідроакустичної антени

Реферат: Спосіб формування характеристики направленості корабельної випромінюючої гідроакустичної антени, що включає генерацію сигналу, підсилення, фазовий зсув і випромінювання сигналу. Підсилення і фазовий зсув випромінюваного сигналу здійснюють по закономірностях, вказаних в формулі Дn  Ф Rm, m, oo  mn 1 . UA 83279 U (12) UA 83279 U UA 83279 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до галузі морського озброєння, зокрема до гідроакустики, а саме до гідроакустичних комплексів, і може бути використана, наприклад, в корабельних гідроакустичних комплексах з антенами, розміщеними в обтічниках під кілем корабля або в його носовій частині (бульбі). Відомий спосіб формування діаграми направленості випромінюючої гідроакустичної антени, що виконана у вигляді антенної решітки, при якому генерують сигнал, формують просторовий канал випромінювання, а саме діаграму направленості шляхом введення необхідного фазового зсуву в кожний елемент випромінювання, підсилювання сигналів і випромінювання сигналів перетворювачами антенної решітки [1]. Канал випромінювання складається із фазообертача, підсилювача потужності та перетворювача. До недоліків відомого способу формування характеристики направленості гідроакустичної випромінюючої антени належить вплив корпусу корабельного обтічника на величину акустичного тиску, що випромінюється гідроакустичною антеною корабельних гідроакустичних станцій. Відомий спосіб формування діаграми направленості циліндричної антени, при якому здійснюють генерацію сигналу, підсилення та випромінювання сигналу перетворювачами антенами, при цьому фазовий зсув сигналу здійснюється за рахунок кривизни циліндричної поверхні антени, де розміщені перетворювачі антени [2]. В гідроакустичних станціях, які реалізують відомі способи формування діаграми направленості, підкільова гідроакустична антена закрита обтічником - частиною корпуса корабля, що захищає гідроакустичну антену від дії набігаючого потоку води та механічних пошкоджень. Конструкція обтічника гідроакустичної антени повинна задовольняти суперечливим вимогам забезпечення високої механічної стійкості та високої акустичної прозорості. Якщо обтічник являє собою пружну пластину, що знаходиться у воді, то модуль і фаза коефіцієнта пропускання акустичного сигналу залежать від її товщини, хвильового числа (частоти сигналу), хвильового опору матеріалу та від кута падіння фронту сигналу на пластину. Як правило, на практиці модуль коефіцієнта пропускання корпуса обтічника підкільової антени знаходиться в рамках 0,8-0,95. Оскільки коефіцієнт пропускання менше одиниці, то частина акустичної енергії, відбившись від корпуса обтічника, попадає на гідроакустичну антену і відбувається спотворення амплітудно-фазового розподілу акустичних сигналів, що випромінюються її перетворювачами, за рахунок інтерференції прямого та відбитого сигналів. Спотворення амплітудно-фазового розподілу приводить до зменшення величини випромінюваного акустичного тиску та до спотворення характеристики направленості: розширенню головної пелюстки і "запливанню" нульових точок в характеристиці направленості, що викликає зменшення енергетичної дальності дії гідроакустичної станції, і приводить до зменшення співвідношення сигнал/завада та до зменшення точності пеленгування. До недоліків відомого способу формування характеристики направленості гідроакустичної випромінюючої антени належить вплив корпусу корабельного обтічника на величину акустичного тиску, що випромінюється гідроакустичною антеною корабельних гідроакустичних станцій. Найбільш близьким технічним рішенням як за суттю, так і за результатом, який отримується, яке вибрано за найближчий аналог (прототип), є спосіб формування характеристики направленості, що реалізований в гідроакустичній станції, при якому генерують звуковий сигнал, підсилюють його з врахуванням комплексного коефіцієнта та випромінюють сигнал перетворювачами гідроакустичної антени, яка ізольована від зовнішнього середовища - води, повітрям [3]. До недоліків відомого технічного рішення, яке вибрано за найближчий аналог (прототип), належить те, що в ньому використовується низький рівень акустичного тиску випромінюючої гідроакустичної антени для того, щоб зменшити відбиття від корпусу обтічника частини акустичної енергії, що випромінюється, та спотворення поля в ближній зоні гідроакустичної антени. В основу корисної моделі поставлено задачу шляхом формування характеристики направленості корабельної гідроакустичної антени, попередньо здійснивши фазовий зсув і підсилення сигналу, забезпечити зменшення спотворення характеристики направленості, що обумовлені впливом обтічника та підвищити рівень акустичного тиску випромінюючої гідроакустичної антени в умовах експлуатації. Суть технічного рішення в способі формування характеристики направленості гідроакустичної антени, який заявляється, при якому генерують сигнал, здійснюють фазовий зсув і підсилення сигналу перед випроміненням, при цьому фазовий зсув і підсилення сигналу здійснюють по закону 60 1 UA 83279 U Дn  Ф * Rm , m , oo  mn 1 , (1) де Дn - комплексний коефіцієнт амплітудно-фазового збудження n-го випромінювача в складі гідроакустичної антени; 5 Ф  R m , m ,  oo  - потенціал коливальної швидкості поля випромінюючого сигналу m-м випромінювачем антенної решітки з врахуванням дифракції при відсутності обтічника; mn - елемент матриці, рівний   mn  ФR n , n , oo Ф R m , m , oo   1   2  mn  2       ФR n , n , o Ф R m , m , o do   ФR n , n , rП , П Ф R m , m , rП , П dП  ; 0  П    - позначення комплексно сполученої величини; oo - напрям максимізації коефіцієнта концентрації; 10  mn - символ Кронекера; o - поточний напрям випромінення сигналу; 15 20 25 30 35 40 45 ФRn, n, rП, П  - потенціал коливальної швидкості сигналу, що відбитий від елементу поверхні обтічника, на n-му випромінювачі з врахуванням дифракції; П - внутрішня поверхня обтічника, що "освітлена" сигналом, який випромінений антенною решіткою; rП,П  - координати точки на внутрішній освітленій поверхні обтічника; Rn , n  - координати n-го випромінювача в складі гідроакустичної антени; Д  2 - допустиме значення дисперсії амплітудно-фазового розкидання n . Порівняльний аналіз технічного рішення з прототипом дозволяє зробити висновок, що спосіб формування характеристики направленості випромінюючої гідроакустичної антени, який заявляється, відрізняється від відомого тим, що після виконання заходів щодо генерації сигналу, перед випромінюванням, здійснюють фазовий зсув і підсилення сигналу по закону (1), зменшуючи тим самим вплив обтічника та підвищуючи рівень акустичного тиску випромінюючої гідроакустичної антени. Здійснення способу формування характеристики направленості корабельної випромінюючої гідроакустичної антени, що заявляється, дійсно можливе, тому що збільшення рівня акустичного тиску випромінюючої гідроакустичної антени в способі, який заявляється, забезпечується шляхом: по-перше, за рахунок зменшення рівня відбитого сигналу від поверхні обтічника; подруге, за рахунок зменшення рівня спотворень поля в ближній зоні, в тому числі на поверхні обтічника. Таким чином, спосіб формування характеристики направленості корабельної випромінюючої гідроакустичної антени, що заявляється, відповідає критерію корисної моделі "новизна". Суть корисної моделі пояснюється за допомогою креслень, де на фіг. 1 представлена блоксхема поетапного виконання технологічних операцій, що становлять суть способу, на фіг. 2 представлена блок-схема пристрою, що реалізує запропонований спосіб, на фіг. 3 показано характеристику направленості R0  , що сформована по способу-прототипу; на фіг. 4 показано характеристику направленості R0  , що одержана по способу формування діаграми направленості корабельної випромінюючої гідроакустичної антени, що заявляється; на фіг. 5 показано характеристику направленості R0  , що сформована у вільному середовищі. Спосіб формування характеристики направленості корабельної випромінюючої гідроакустичної антени, який заявляється, реалізується за допомогою пристрою, що містить: 1 гідроакустичну антену з N перетворювачами (поз. "П"); 2 - корпус обтічника; 3 - керований підсилювач потужності; 4 - блок регулювання фази і амплітуди вихідного сигналу; 5 задавальний генератор (див. блок-схему на фіг. 1). Гідроакустична антена 1 являє собою циліндричну антену (наприклад корабельна гідроакустична станція AN/SQS-56 (США)), що складається із 36 стовпців по m = 8 перетворювачів в кожному стовпці [4]. Обтічник 2 гідроакустичної антени може бути виконаним у вигляді двох груп шарів із звукопрозорого матеріалу, що чергуються між собою. 2 UA 83279 U 5 10 15 20 25 30 35 Керований підсилювач потужності 3 - виконаний, наприклад, із послідовно з'єднаних: операційного підсилювача, першого цифро-аналогового підсилювача, підсилювача потужності, другого цифро-аналогового підсилювача, що використовується як регульований опір фільтра першого порядку. Блок регулювання 4 амплітуди і фази вихідного сигналу може бути виконаний на довготривалому запам'ятовуючому пристрої, де зберігаються коди фази і амплітуди, що вибрані при рішенні закону (1) для заданого напряму. Задавальний генератор 5 може бути виконаний на основі операційних підсилювачів. Спосіб формування характеристики направленості корабельної гідроакустичної антени, що заявляється, реалізується за допомогою зазначеного вище пристрою таким чином (згідно з послідовністю виконання технологічних операцій, зазначених в блок-схемі на фіг. 1): - за допомогою задавального генератора 5 формують електричні сигнали певної частоти; - потім, за допомогою керованого підсилювача 3 та блока 4 регулювання амплітуди і фази сигналу по закону (1), здійснюють фазовий зсув і підсилення сигналу для кожного каналу випромінювання (для кожного перетворювача гідроакустичної антени); - після цього за допомогою перетворювачів гідроакустичної антени 1 здійснюють перетворення електричних сигналів в звуковий тиск, тобто здійснюють випромінювання акустичного сигналу. Механізм роботи пристрою, за допомогою якого реалізується зазначений спосіб формування характеристики направленості гідроакустичної антени, проходить таким чином. Задавальний генератор 5 формує електричний сигнал певної частоти. Цей сигнал надходить на n керованих підсилювачів потужності 3, де n - кількість каналів випромінювання корабельної гідроакустичної антени 1, що використовуються для формування характеристики направленості. На один із керованих підсилювачів потужності 3 надходять коди фази, на другий - коди амплітуди. Коди фази і амплітуди надходять із блока регулювання фази і амплітуди 4 вихідного сигналу. Коди фази в першому цифро-аналоговому перетворювачі перетворюються в напругу, що управляє фазою сигналу, а коди амплітуди надходять на входи помножувальних других цифро-аналогових перетворювачів, де здійснюється підсилення (ослаблення) сигналу до потрібного рівня в залежності від амплітудно-фазового розподілу при формування характеристики направленості в заданому напрямі (зчитується з блока регулювання фази і амплітуди 4 вихідного сигналу) по закону, що наведений в законі (1). Амплітудно-фазовий розподіл розраховується завчасно згідно з формулою (1) для кожного напряму і кожного каналу випромінювання та зберігаються в пам'яті блока регулювання фази і амплітуди 4 вихідного сигналу. У випадку, якщо гідроакустична антенна решітка має форму кругового циліндра, у внутрішній порожнині якого розміщено круговий циліндричний екран, а обтічник має форму циліндра, який співвісний антені, система рівнянь для визначення величини комплексного коефіцієнта амплітудно-фазового збудження n-го випромінювача гідроакустичної антени має вигляд:   N 40  Jp kR э J k эR э   J kR э Jk эR э  p p     Дn   ip Jp krn   H kR J k R   H kR J k R  Hp krn eip   p    p э p э э p э p э э n 1    n      o         Jp kR э J k эR э    J kR э Jk эR э  p p      ip Jp kr n   Hp kr m  e ip m   o    Hp kR э J k эR э   H kR э Jp k эR э   p     p p        1  mn 2 Г   Jp kR э J k эRэ   J kR э Jp k эRэ  p p Hp krn eip n   o   Jp krn   Hp kR э J k эR э   H kR э Jp k эRэ   p p p       i  p        Jp kR э J k эR э   J kR э Jk эR э  p p      ip Jp kr n   Hp kr m  e ip m     d  Hp kR э J k эR э   H kR э Jp k эR э   p     p p        1  mn 2 П   H kr   p   p П Jp krП     Jp kR э J k эRэ   J kR э Jp k эRэ  p p  Hp krn eipn  П   Hp kR э J k эRэ   H kR э Jp k эRэ   p p   45       Jp kR э J k эR э   J kR э Jp k эR э  p p   Hp kr m  e ip m   П   d rП    Hp krП Jp kr n   Hp kR э J k эR э   H kR э Jp k эR э    p    p p     3 UA 83279 U    Jp kR э J k эRэ   J kR э Jp k эRэ  p p    ip Jp krn   H kR J k R   H kR J k R  Hp krm eip   p э p э э p э p э э p      m  o  , J , Hp  де p - відповідно функції Бесселя і Ханкеля другого роду р-порядку;   э /  ; 5 10 э ,  - відповідно густина внутрішнього екрану гідроакустичної антени та води; k э  2f / c э ; k  2f / c ; c э , c - відповідно швидкості звуку в матеріалі внутрішнього екрана гідроакустичної антени та у воді; f - робоча частота; R э - радіус внутрішнього екрана гідроакустичної антени;  - напрямок випромінювання сигналу; rmm - координати випромінювача в гідроакустичній антені; N - кількість випромінювачів в гідроакустичній антені; 15 20 25 30 35 40 45 50  mn - символ Кронекера; П - внутрішня поверхня обтічника, що "освітлена" сигналом, який випромінений гідроакустичною антеною; rП,П  - координати точки на внутрішній освітленій сигналом поверхні обтічника; ' - похідна від функції по всьому аргументу;  - позначення комплексно спряженої величини; Г - область кутів характеристики направленості. Після зсуву фази і підсилення в керованому підсилювачі 3 сигнал надходить на вхід гідроакустичної антени 1, де здійснюється перетворення електричних сигналів в звуковий тиск, що випромінюється перетворювачами гідроакустичної антени 1. Оскільки сигнал, що випромінюється елементами гідроакустичної антени, сфазований і підсилений по закону (1), що враховує дифракцію випроміненого та відбитого від поверхні обтічника сигналу, в результаті інтерференції полів, які випромінюються елементами антенами, величина випроміненого поля сигналу на внутрішній поверхні обтічника зменшується. Це в свою чергу обумовлює зменшення величини відбитого обтічником поля на елементах антени. При цьому зменшується глибина паразитного розподілу на елементах антени і, тим самим, зменшується спотворення характеристики направленості в дальній зоні. Таким чином, в способі формування характеристики направленості в заданому напрямі, що пропонується, зменшується доля відбитого від корпуса обтічника поля сигналу. Це приводить до меншого спотворення поля в ближній зоні, що виникає за рахунок інтерференції прямого і відбитого від корпусу обтічника сигналів. Для перевірки запропонованого способу було виконано математичне моделювання формування характеристики направленості для наступних вихідних даних: кругова база з радіусом r = 1,2 м; кількість випромінювачів N = 36; кількість випромінювачів, що приймають участь у формуванні діаграми направленості n = 18; густина матеріалу екрана ρ э = 1,38 × 3 3 3 3 10 кг/м ; густина води ρ = 10 кг/м ; швидкість звуку в матеріалі екрана с э = 1715 м/с; швидкість звуку у воді с = 1500 м/с; робоча частота f = 3000 Гц; радіус циліндричного екрана обтічника R = 1,5 м; напрям випромінювання υοο = 0; модуль коефіцієнта пропускання корпусу обтічника М пр = 0,8; тиск, що створюється кожним випромінювачем рівний 1 Па. Результати моделювання приведені на фіг. 3, 4, 5. Характеристика направленості, що сформована без врахування компенсації впливу корпусу обтічника по способу-прототипу (фіг. 3) має максимальний рівень бокової пелюстки характеристики направленості ~ 37 % і відносний рівень випромінювання вздовж осі характеристики направленості, рівний 0,86. Характеристика направленості, що одержана в способі формування характеристики направленості випромінюючої гідроакустичної антени, який пропонується (фіг. 4) має максимальний рівень бокової пелюстки характеристики направленості ~ 22 % і відносний рівень випромінювання вздовж осі характеристики направленості, рівний 0,94. Характеристика направленості, що сформована у вільному середовищі, тобто без корпусу обтічника (фіг. 5) має максимальний рівень бокової пелюстки характеристики направленості ~ 21 % і відносний рівень випромінювання вздовж осі характеристики направленості рівний 1,0. Рівні тиску, що 4 UA 83279 U 5 10 15 20 створюються вздовж осі характеристики направленості становлять відповідно 15,6 Па; 17 Па і 18 Па. Поставлена задача - зменшення спотворень характеристики направленості, обумовлених впливом обтічника і підвищення рівня акустичного тиску корабельної випромінюючої гідроакустичної антени, досягається наведеною вище відмітною ознакою, а саме тим, що фазовий зсув і підсилення випромінюючого сигналу здійснюють по закону, що забезпечує мінімальний рівень звукового поля на поверхні обтічника в заданому напрямі. Оскільки модуль коефіцієнта відбиття обтічника корабельної антени є незмінним, то при цьому менша частина звукової енергії відіб'ється від поверхні обтічника, тобто збільшиться коефіцієнт корисної дії корабельної гідроакустичної антени в заданому напрямі за рахунок зменшення спотворень характеристики направленості. Таким чином спосіб формування характеристики направленості випромінюючої гідроакустичної антени, що пропонується, за рахунок зменшення впливу корпусу обтічника дозволяє: суттєво зменшити (в розглянутому прикладі в 1,5 разу) максимальний рівень бокової пелюстки характеристики направленості в реальних умовах; в 1,2 разу підвищити рівень випромінюваної в простір акустичної потужності, за рахунок компенсації впливу корпуса обтічника. Джерела інформації: 1. Евтютов А.П. и др. Справочник по гидроакустике. - Л.: Судостроение, 1982. - С. 9-44. 2. Евтютов А.П., Митько В.Б. Инженерные расчеты в гидроакустике. - Л.: Судостроение, 1988. - С. 25. 3. Авторське свідоцтво № 71476 від 13.10.71, MKI G01S 7/52). - прототип. 4. Евтютов А.П. и др. Справочник по гидроакустике. - Л.: Судостроение, 1988. - С. 24-25. 25 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 30 1. Спосіб формування характеристики направленості корабельної випромінюючої гідроакустичної антени, що включає генерацію сигналу, підсилення, фазовий зсув і випромінювання сигналу, який відрізняється тим, що підсилення і фазовий зсув випромінюваного сигналу здійснюють по закону Дn  Ф Rm, m, oo  mn 1 , де Дn - комплексний коефіцієнт амплітудно-фазового збудження n-го випромінювача в складі гідроакустичної антени; 35 Ф R m , m , oo  - потенціал коливальної швидкості поля випромінюючого сигналу m-м випромінювачем гідроакустичної антени з врахуванням дифракції при відсутності обтічника;  mn - елемент матриці, рівний   mn  ФRn , n , oo Ф Rm , m , oo   1   2mn  2       ФRn , n , o Ф Rm , m , o do   ФRn , n , rП, П Ф Rm , m , rП, П dП  ; 0  П   40 45 50  - позначення комплексно спряженої величини; oo - напрям максимізації коефіцієнта концентрації;  mn - символ Кронекера; o - поточний напрям випромінення сигналу; ФRn, n,rП, П  - потенціал коливальної швидкості сигналу, відбитого від елементу поверхні обтічника, на n-му випромінювачі з врахуванням дифракції; П - внутрішня поверхня обтічника, що "освітлена" сигналом, випроміненим гідроакустичною антеною; rП, П  - координати точки на внутрішній освітленій поверхні обтічника; Rn, n  - координати n-го випромінювача в складі гідроакустичної антени;  2 - допустиме значення дисперсії амплітудно-фазового розкидання Дn . 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що формування характеристики направленості корабельної випромінюючої гідроакустичної антени здійснюють з врахуванням впливу корабельного обтічника гідроакустичної антени. 5 UA 83279 U 6 UA 83279 U Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 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 7