Гидроакустический отсек

 

Сущность изобретения: гидроакустический отсек состоит из обтекателя, выполненного из жесткого конструкционного материала, и расположенной вблизи него многоэлементной приемной акустической антенны, содержащей приемные элементы, объединенные в группы, а также многоканальный тракт формирования характеристик направленности, причем выходы приемных элементов каждой группы электрически объединены между собой и соединены с соответствующими входами многоканального тракта формирования характеристик направленности, причем расстояние между центрами групп выбрано равным половине длины звуковой волны в воде на верхней частоте f рабочего диапазона, а соотношение между толщиной оболочки обтекателя h и расстоянием между элементами в группе d выбирается из определенного условия, с учетом модуля Юнга материала в плоскости, касательной к его поверхности, модуля сдвига в плоскости, нормальной к поверхности, и плотности материала обтекателя. Технический результат заключается в повышении помехоустойчивости антенны по отношению к шуму, излучаемому обтекателем, расположенным вблизи антенны, без увеличения числа приемных каналов. 3 ил.

Изобретение относится к гидроакустике и может найти применение при разработке современных кораблей и устанавливаемой на них гидроакустической аппаратуры.

Для защиты гидроакустических антенн, устанавливаемых на кораблях, от набегающего потока воды антенна и корпусные конструкции устанавливают в обтекателях. Обтекатель, антенна и корпусные конструкции образуют гидроакустический отсек. В ряде случаев внутри гидроакустического отсека устанавливают и часть электронного тракта.

Для того, чтобы обеспечить помехоустойчивость приемной антенны по отношению к шумам дальнего поля, (то есть высокий коэффициент концентрации), а также возможность сканирования характеристики направленности в пространстве, расстояние между приемниками выбирается равным половине длины звуковой волны в воде на верхних частотах рабочего диапазона. Примеры различных схем построения антенн, а также графики, подтверждающие указанные соотношения, приведены в книгах (М.Д. Смарышев "Направленность гидроакустических антенн", изд. "Судостроение", Л., 1972 г., рис. 85, 88; М.Д. Смарышев, Ю.Ю. Добровольский, "Гидроакустические антенны. Справочник", изд. "Судостроение", Л., 1985 г., рис. 7.18, 7.20).

В ряде случаев антенны размещают на кораблях в непосредственной близости от обтекателя (см., например, А.Л. Простаков "Гидроакустика и корабль", изд. "Судостроение", Л. , 1967 г. , стр. 101, строка 15 снизу, патенты США N 3907062, N 4140992.

В патенте США N3492634 по классу H 04 B 11/00, выбранному в качестве прототипа, антенна оказывается в ближней зоне излучения обтекателя, называемой областью неоднородных волн. Эта область характеризуется тем, что в ней помехи гидродинамического происхождения, вызванные возбуждением оболочки обтекателя турбулентными пульсациями потока, резко возрастают при уменьшении расстояния от обтекателя до антенны (по экспоненциальному закону).

Недостатком известных традиционных схем построения антенн с дискретными элементами, расположенными на расстоянии половины длины звуковой волны друг от друга, является значительное снижение помехоустойчивости по отношению к шумам, вызванным излучением обтекателя. Отодвинуть антенну от обтекателя в ряде случаев невозможно.

Для увеличения помехостойчивости антенны по отношению к указанным шумам можно устанавливать приемные каналы более часто - с интервалом, равным половине длины изгибной волны в оболочке обтекателя. Однако при этом существенно увеличивается число приемных каналов электронного тракта формирования и сканирования характеристик направленности, что приводит к увеличению его габаритов и стоимости.

Задачей, поставленной в настоящей заявке на изобретение, является повышение помехоустойчивости антенны по отношению к шуму, излучаемому обтекателем, расположенным вблизи антенны, без увеличения числа приемных каналов. Для решения поставленной задачи в гидроакустическом отсеке, состоящем из обтекателя, выполненного из жесткого конструкционного материала, и расположенной вблизи него многоэлементной приемной акустической антенны, содержащей приемные элементы, объединенные в группы, а также многоканальный тракт формирования характеристик направленности, причем выходы приемных элементов каждой группы электрически объединены между собой и соединены с соответствующими входами многоканального тракта формирования характеристик направленности, введены новые элементы, а именно: расстояние между центрами групп выбрано равным половине длины звуковой волны в воде на верхней частоте "f" рабочего диапазона, а соотношение между толщиной обтекателя "h" и расстоянием между элементами в группе "d" выбирается из условия где E₁ - модуль Юнга материала в плоскости, касательной к его поверхности; G₃ - модуль сдвига в плоскости, нормальной к поверхности; ρ - плотность материала обтекателя.

Сущность изобретения заключается в следующем. По отношению к шумам дальнего поля каждая объединенная группа элементов ведет себя как некоторый эквивалентный приемник с направленностью, соответствующей волновым размерам этой группы. Как указано выше, для того, чтобы обеспечить помехоустойчивость по отношению к шумам дальнего поля, необходимо, чтобы расстояние между элементами d не превышало λ/2 , где λ - длина звуковой волны в воде, т.е. d ≅ λ/2 . В данном случае это требование заменяется на аналогичное требование для группы элементов, т.е. d_гр≅ λ/2 , где d_гр - расстояние между центрами групп. По отношению к ближним шумам обтекателя само по себе это условие не обеспечивает помехоустойчивость антенны. Для того, чтобы обеспечить высокую помехоустойчивость к этой составляющей помехи, необходимо выполнить определенное условие по выбору оптимальной толщины обтекателя в зависимости от расстояния между элементами в пределах каждой группы. Это обеспечивается выполнением правой части неравенства (1). Смысл этой части неравенства можно объяснить следующим образом. При малой толщине оболочки обтекателя все внешние источники шумов практически беспрепятственно передают усилия на расположенные поблизости от них элементы антенны. Поскольку эти источники статистически почти независимы (некоррелированы), то и электрические напряжения шумов на выходах элементов будут тоже почти независимыми. Для того, чтобы антенна эффективно отстраивалась от этих помех, необходимо либо применять сплошное заполнение антенны пьезочувствительными элементами (что практически трудно выполнимо), либо удалять антенну из ближней зоны пластины (что, как указано выше, во многих случаях неосуществимо). Если же увеличить толщину оболочки обтекателя, то будет происходить осреднение пульсации давления на поверхности в результате возрастания жесткости оболочки. Это связано с тем, что смещения, колебательные скорости, а следовательно и излучаемые звуковые давления на жесткой оболочке, не могут быть независимыми в соседних точках, так как достаточно жесткая оболочка не может "ломаться" (в отличие от гибкой мембраны).

Таким образом, одним из отличий предлагаемого отсека является ограничение толщины оболочки "снизу" в то время как во всех известных нам технических решениях, связанных с разработкой обтекателей, стремились уменьшить толщину оболочки обтекателя, чтобы обеспечить максимальную звукопрозрачность при заданном ограничении по прочности. Разумеется, ограничение толщины обтекателя "снизу" должно выполняться таким образом, чтобы звукопрозрачность оболочки сохранялась удовлетворительной.

Конкретное условие в правой части неравенства (1) следует из соотношения, полученного автором настоящей заявки, и определяющего скорость наиболее медленной из нормальных волн в анизотропном упругом слое. Зная скорость, можно определить длину этой волны и найти толщину оболочки, при которой будет выполняться указанное осреднение помехи. В связи с тем, что современные конструкционные материалы могут быть анизотропными, в формуле (1) учтены разные модули упругости в различных направлениях - вдоль поверхности оболочки и поперек. Указанная формула справедлива для всех жестких конструкционных материалов - металлов и анизотропных слоистых пластиков.

Левая часть неравенства определяет максимально допустимую толщину оболочки обтекателя, необходимую для обеспечения его звукопрозрачности и формирования характеристик направленности в дальнем поле. Она получена из практического условия, согласно которому коэффициент прохождения звука по звуковому давлению в одну сторону должен быть не менее 0,75. Эта цифра принята в качестве нижней границы для большинства обтекателей современных гидроакустических станций.

Таким образом техническим эффектом от использования изобретения является повышение помехоустойчивости при сохранении числа каналов электронного тракта.

Техническое решение и графики, поясняющие достижение положительного эффекта, показаны на фиг. 1, 2, 3, где на фиг. 1 схематически изображен заявляемый отсек, на фиг. 2 - зависимость помехоусточивости антенны, расположенной в ближнем поле шумов обтекателя, и звукопрозрачность обтекателя от произведения ρhf , на фиг. 3 - зависимость помехоустойчивости от толщины обтекателя при разном числе элементов в одной группе. На этих рисунках обозначено: 1 - обтекатель, 2 - приемные элементы, 3 - группы, 4 - электронный тракт, 5 - источники помех на поверхности оболочки,
6 - зависимость помехоустойчивости антенны от произведения ρhf (кг/с·м²),
7 - зависимость коэффициента прохождения звука от произведения ρhf (кг/с·м²),
8 - зависимость помехоустойчивости антенны при одном элементе в каждой группе от толщины обтекателя,
9 - то же при объединении в одной группе 2х2=4 элементов,
10 - то же для 3х3=9 элементов.

Гидроакустическая антенна, составленная из приемных элементов 2, расположена вблизи обтекателя 1 в зоне неоднородных волн, возникающих из-за воздействия источников помехи 1. Элементы объединены в группы 3. Выходы каждой группы соединены со входами электронного многоканального тракта 5. Приемники могут быть любого типа, например плоские или цилиндрические. В качестве электронного тракта может быть применен любой известный многоканальный тракт для формирования и управления характеристиками направленности. Обычно в его состав входят предварительные усилители, линии задержки (аналоговые или цифровые) и сумматор.

Наименьшее возможное число элементов в каждой группе и всей антенне в целом, а следовательно и наибольшее допустимое расстояние между элементами в пределах каждой группы (d) определяются следующим образом. Зададим некоторое фиксированное число элементов в группе N²₀ (например, 5х5=25 элементов, так как для квадратной группы число элементов будет квадратом целого числа). Тогда расстояние между элементами в пределах группы будет d = d_гр/N₀, где d_гр - расстояние между центрами групп, определяемое как половина длины звуковой волны в воде. Вычислив левую и правую части неравенства (1), найдем пределы (h_min, h_max), определяющие толщину обтекателя. Уменьшим число элементов, взяв, например, 4х4 элемента, и снова найдем пределы по толщине. Разница между h_min и h_max при этом уменьшится. Продолжая этот процесс, подберем минимально возможное число элементов, при котором еще существует некоторый возможный интервал возможных изменений h. Соответствующее этому числу элементов расстояние d и будет максимально допустимым. Разумеется, после этой процедуры следует проверить, удовлетворяет ли какое-либо значение толщины оболочки прочностным требованиям. Если окажется, что по условиям прочности толщина недостаточна, то необходимо выбирать более прочные материалы.

На фиг. 2 приведены графики для иллюстрации необходимости двустороннего ограничения толщины обтекателя. Материал обтекателя-стеклопластик. Помехоустойчивость антенны k (график 6 на фиг. 2) резко уменьшается при уменьшении толщины обтекателя, в то время как коэффициент прохождения звука В (график 7 на фиг. 2) уменьшается при увеличении толщины. Заштрихованная область на фиг. 2 соответствует значениям толщины, при которых одновременно являются высокими и звукопрозрачность и помехоустойчивость в ближнем поле обтекателя.

На фиг. 3 показана зависимость помехоустойчивости антенны, расположенной в непосредственной близости к обтекателю, от его толщины при различном числе элементов в одной группе и фиксированном числе каналов, Кривые 8,9,10 относятся к 1, 2х2, 3х3 элементам в группе, соответственно. Значение k_д, показанное штриховой линией, характеризует предельное значение помехоустойчивости антенны, удаленной от пластины. Видно, что объединение элементов в группы типа 2х2 или 3х3 элемента резко повышает помехоустойчивость, Однако, в данном примере объединение в одну группу 3х3 элементов при толщине обтекателя более, чем 3 см, является излишним, так как помехоустойчивость увеличивается незначительно, а число элементов возрастает в (3/2)²=2,25 раза. Следовательно, в данном случае оптимальным является объединение в одну группу 2х2 элементов.

Сравним помехоустойчивость антенны при фиксированной толщине обтекателя и разном числе элементов в канале. Из фиг. 3 следует, что применение вместо 1 элемента системы, состоящей из 2х2 или 3х3 элементов, значительно (на 12-25 дБ) увеличивает помехоустойчивость. Расстояние между элементами при этом должно удовлетворять правой части неравенства (1).

Таким образом предложенное техническое решение позволяет увеличить помехоустойчивость антенны, расположенной вблизи обтекателя, без увеличения числа каналов электронного тракта формирования и управления характеристиками направленности.

В связи с тем, что современные гидроакустические антенны и электронные тракты представляют собой сложные и дорогие устройства со многими сотнями, а иногда и тысячами каналов, описанное техническое решение приведет к появлению значительного экономического эффекта.

Формула изобретения

Гидроакустический отсек, состоящий из обтекателя, выполненного из жесткого конструкционного материала, и расположенной вблизи него многоэлементной приемной акустической антенны, содержащей приемные элементы, объединенные в группы, а также многоканальный тракт формирования характеристик направленности, причем выходы приемных элементов каждой группы электрически объединены между собой и соединены с соответствующими входами многоканального тракта формирования характеристик направленности, отличающийся тем, что расстояние между центрами групп выбрано равным половине длины звуковой волны в воде на верхней частоте f рабочего диапазона, а соотношение между толщиной оболочки обтекателя h и расстоянием между элементами в группе d выбирается из условия

где E₁ - модуль Юнга материала в плоскости, касательной к его поверхности;
G₃ - модуль сдвига в плоскости, нормальной к поверхности;
ρ - плотность материала обтекателя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3