ГИБКАЯ ПРОТЯЖЕННАЯ ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ ЦИФРОВАЯ АНТЕННА Российский патент 2011 года по МПК G01S7/52 

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к гидроакустическим системам навигации подводных аппаратов, и может быть использовано при разработке гибких буксируемых антенн в системах шумопеленгования надводных кораблей и подводных лодок.

Известно устройство гибкой протяженной гидроакустической антенны, содержащее наружную герметичную оболочку из поливинилхлорида, внутри которой расположен силовой элемент в виде якоря-фала с концевым телом, датчики курса и глубины, антенные модули в виде расположенных вдоль оси гидрофонов из пьезокерамики, соединенные с блоком фильтрации и усиления, блоки частотного или временного уплотнения и линию связи (Ю.А.Корякин и др. ФГУП «ЦНИИ» Морфизприбор», Корабельная гидроакустическая техника, Санкт-Петербург, изд-во «Наука», 2004 г., стр.191-193).

Недостатками известного устройства являются неудобства при операциях постановки и выборки антенны из-за большого диаметра и веса, нестойкость к ударным нагрузкам из-за хрупкости пьезокерамики, а также необходимость использования большого количества каналов передачи информации.

Известно устройство гибкой протяженной гидроакустической антенны, в которой сокращено количество каналов передачи информации за счет того, что она содержит ряд объединенных в одном шланге линейных эквидистантных субантенн, в каждую из которых входят гидроакустические преобразователи, фазовые центры которых размещены на расстоянии, равном половине длины волны верхней частоты диапазона субантенны, предварительные усилители и линии передачи информации к бортовой аппаратуре, при этом каждый преобразователь, усилитель и линия передачи соединены последовательно, образуя приемный канал, а каждая субантенна поделена на определенное число эквидистантных групп с определенным числом приемных каналов в группе (патент РФ №1840453 А1, МПК G01S 7/52, 2006 г.).

Недостатками этого устройства являются неудобства при операциях постановки и выборки антенны из-за большого диаметра и веса, нестойкость к ударным нагрузкам из-за хрупкости пьезокерамики.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) к предлагаемому устройству является известная гибкая протяженная гидроакустическая цифровая антенна, содержащая силовой элемент типа кевларового троса, кабель питания и кабель линии связи с изоляцией из полимерного материала, чувствительные элементы в виде пар одинаковых пьезоэлементов с противоположной поляризацией и электронные блоки, расположенные с определенным интервалом вдоль антенны, причем каждый электронный блок подключен к кабелю питания и содержит размещенные на плате последовательно соединенные дифференциальный усилитель, аналого-цифровой преобразователь и блок подготовки и передачи информации, при этом входы дифференциальных усилителей соединены с соответствующими выходами чувствительных элементов, а выходы блоков подготовки и передачи информации соединены с линией связи, причем кабель питания и кабель линии связи выполнен в виде единого кабеля из двух витых пар проводников, кевларовый трос прикреплен к этому кабелю на скользящей посадке, чувствительные элементы выполнены в виде пьезокерамических цилиндров, платы электронных блоков размещены в металлических корпусах, на кабель надет армированный рукав, который склеен с ним с использованием термообжатия, места соединения проводов к жилам кабеля вместе с чувствительным элементом, корпусом электронного блока и концами рукава залиты эластичным полимерным компаундом, поверх которого размещена термоусадочная трубка (Цифровая кабельная антенна, Сборник трудов ИПФ РАН, Нижний Новгород, изд-во ИПФ РАН, 2002 г., стр.50-57).

Недостатками этого устройства являются неудобства при операциях постановки и выборки антенны из-за большого диаметра и веса, наличия выступающих за пределы кабеля гидрофонов и крепления силового элемента снаружи кабеля, нестойкость к ударным нагрузкам из-за хрупкости пьезокерамики, а также повышенный уровень гидродинамических шумов из-за малого продольного размера чувствительных элементов.

Техническим результатом, достигаемым предложенным изобретением, является снижение уровня гидродинамических шумов, повышение стойкости к ударным нагрузкам, повышение удобства при операциях постановки и выборки антенны.

Технический результат достигается за счет того, что гибкая протяженная гидроакустическая цифровая антенна, содержащая силовой элемент типа кевларового троса, кабель питания и кабель линии связи с изоляцией из полимерного материала, чувствительные элементы в виде пар одинаковых пьезоэлементов и электронные блоки, расположенные с определенным интервалом вдоль антенны, причем каждый электронный блок подключен к кабелю питания и содержит размещенные на плате последовательно соединенные дифференциальный усилитель, аналого-цифровой преобразователь и блок подготовки и передачи информации, при этом входы дифференциальных усилителей соединены с соответствующими выходами чувствительных элементов, а выходы блоков подготовки и передачи информации соединены с линией связи, снабжена размещенными вдоль оси отрезками кордовых элементов в виде двух круглых жил, силовой трос размещен в центре антенны, чувствительные элементы выполнены в виде пар отрезков двух кабелей из эластичного пьезоэлектрического материала с противоположной поляризацией, имеющих длину, равную длине отрезков кордовых элементов, кабель питания и кабель линии связи выполнены каждый из двух витых проводников, при этом кабель питания, кабель линии связи, кабели чувствительных элементов и жилы отрезков кордового элемента выполнены одинакового диаметра с силовым тросом, расположены вокруг него равномерно по окружности и закручены вокруг его оси, в промежутках между отрезками круглых жил кордовых элементов и отрезков пар кабелей из эластичного пьезоэлектрического материала расположены платы электронных блоков, а все элементы антенны помещены во внешнюю кабельную оболочку, заполненную герметизирующим электроизоляционным материалом, при этом платы электронных блоков выполнены закрученными вдоль продольной оси в соответствии с геометрией скрученных отрезков двух круглых жил кордовых элементов и отрезков пар кабелей из эластичного пьезоэлектрического материала, а в качестве герметизирующего электроизоляционного материала использована резиновая смесь на основе каучука.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 представлен вертикальный разрез отрезка антенны и виды ее справа и слева со снятой частью внешней кабельной оболочки, на фиг.2 для большей наглядности представлена упрощенная схема отрезка антенны, развернутой на плоскость. Гибкая протяженная гидроакустическая цифровая антенна содержит чувствительные элементы 1, выполненные в виде протяженных отрезков двух кабелей из эластичного пьезоэлектрического материала с противоположной поляризацией, расположенные с определенным интервалом вдоль антенны, кабель линии связи 2, кабель питания 3, выполненные каждый из двух витых проводников, отрезки кордовых элементов 4 в виде двух круглых жил, силовой элемент типа кевларового троса 5, внешнюю кабельную оболочку 6, в которую помещены все элементы антенны, платы 7, на которых размещены электронные блоки, включающие последовательно соединенные дифференциальный усилитель 8, аналого-цифровой преобразователь 9 и блок подготовки и передачи информации 10, при этом входы дифференциальных усилителей 8 подключены к соответствующим выходам двух протяженных отрезков кабелей из эластичного пьезоэлектрического материала 1 с противоположной поляризацией, а выходы блоков подготовки и передачи информации 10 подключены к входам кабеля линии связи 2, причем кабель линии связи 2, кабель питания 3, кабели чувствительных элементов 1 и жилы отрезков кордового элемента 4 выполнены одинакового диаметра с силовым тросом 5, расположены вокруг него равномерно по окружности и закручены вокруг его оси, а платы электронных блоков 7 расположены в промежутках вдоль оси антенны между отрезками кордовых элементов 4 и отрезков чувствительных элементов 1, при этом все элементы антенны помещены во внешнюю кабельную оболочку 6, заполненную герметизирующим электроизоляционным материалом, например резиновой смесью на основе каучука, а платы электронных блоков 7 выполнены закрученными вдоль продольной оси в соответствии с геометрией скрученных отрезков двух круглых жил кордовых элементов 4 и отрезков пар кабелей из эластичного пьезоэлектрического материала 1.

Устройство работает следующим образом. При расположении антенны в воде на отрезки пар кабелей из эластичного пьезоэлектрического материала 1 падают акустические волны, создавая за счет пьезоэффекта электрические сигналы на их выходах. Эти сигналы усиливаются соответствующими дифференциальными усилителями 8, оцифровываются аналого-цифровыми преобразователями 9 и передаются через блоки подготовки и передачи информации 10 по линии связи 2 к бортовой аппаратуре обработки. Расположение троса 5 в центре и скручивание вокруг него кордовых элементов 4, пьезоэлектрических кабелей 1, кабеля питания 3 и кабеля линии связи 2 позволяют расположить платы 7 с электронными блоками в центральных частях антенны и обеспечить нанесение внешней кабельной оболочки 6 по кабельной технологии, предусматривающей нагрев резиновой смеси на основе каучука до температуры, при которой эта смесь переходит в жидкое состояние и заполняет все пространство внутри антенны. Это позволяет изготовить антенну без выступающих частей в виде единого кабеля и существенно снизить гидродинамические помехи. Кроме этого, при охлаждении резиновой смеси она превращается в вязкий липкий материал, что обеспечивает продольную герметизацию антенны и практически исключает электрические помехи за счет трибоэффекта - возникновения от трения больших электрических зарядов на изоляционных материалах и последующих разрядов. Достоинства антенны проявляются при ее эксплуатации также за счет использования чувствительных элементов 1, выполненных в виде протяженных пар отрезков двух кабелей из эластичного пьезоэлектрического материала, которые при движении воды относительно антенны или антенны относительно воды имеют за счет протяженности на порядок и более низкие гидродинамические шумы, т.к. радиус корреляции этих помех меньше длины отрезков чувствительных элементов и гидродинамические помехи усредняются. Электромагнитные помехи, создаваемые аналого-цифровыми преобразователями 9, линией связи 2 и кабелем питания 3, уничтожаются дифференциальными усилителями, поскольку они находятся в одной фазе, в то время как электрические сигналы, полученные за счет пьезоэффекта из акустических сигналов от чувствительных элементов 1, имеющих противоположную поляризацию, противофазны и в результате складываются. За счет эластичности пьезоэлектрического материала (пьезокомпозита - смеси пьезокерамического порошка и эластичного связующего материала или эластичного пьезоэлектрика, например поливинилиденфторида (ПВДФ)) антенна менее подвержена по сравнению с хрупкой пьезокерамикой угрозам разрушения при силовых воздействиях на нее, а также допускает существенно меньший радиус обратимого изгиба (до 0,3 м) и может наматываться на барабан меньшего радиуса. За счет меньшей плотности эластичных пьезоматериалов антенна легче и может иметь в несколько раз меньший диаметр, чем антенны на основе пьезокерамики, занимая при той же длине в несколько раз меньший объем. При использовании более легких и тонких антенн при буксировке требуется меньшая сила, а следовательно, достаточны маломерные суда для работы с такими антеннами, что составляет большую экономию средств на соответствующие дорогостоящие геофизические работы.

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к гидроакустическим системам навигации подводных аппаратов, и может быть использовано при разработке гибких буксируемых антенн в системах шумопеленгования надводных кораблей и подводных лодок. Техническим результатом является снижение уровня гидродинамических шумов, повышение стойкости к ударным нагрузкам, повышение удобства при операциях постановки и выборки антенны. Гибкая протяженная гидроакустическая цифровая антенна содержит силовой элемент типа кевларового троса, кабель питания и кабель линии связи с изоляцией из полимерного материала, чувствительные элементы в виде пар одинаковых пьезоэлементов с противоположной поляризацией и электронные блоки, расположенные с определенным интервалом вдоль антенны, причем каждый электронный блок подключен к кабелю питания и содержит размещенные на плате последовательно соединенные дифференциальный усилитель, аналого-цифровой преобразователь и блок подготовки и передачи информации. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Гибкая протяженная гидроакустическая цифровая антенна, содержащая силовой элемент типа кевларового троса, кабель питания и кабель линии связи с изоляцией из полимерного материала, чувствительные элементы в виде пар одинаковых пьезоэлементов с противоположной поляризацией и электронные блоки, расположенные с определенным интервалом вдоль антенны, причем каждый электронный блок подключен к кабелю питания и содержит размещенные на плате последовательно соединенные дифференциальный усилитель, аналого-цифровой преобразователь и блок подготовки и передачи информации, при этом входы дифференциальных усилителей соединены с соответствующими выходами чувствительных элементов, а выходы блоков подготовки и передачи информации соединены с линией связи, отличающаяся тем, что она снабжена размещенными вдоль оси отрезками кордовых элементов в виде двух круглых жил, силовой трос размещен в центре антенны, чувствительные элементы выполнены в виде пар отрезков двух кабелей из эластичного пьезоэлектрического материала с противоположной поляризацией, имеющих длину, равную длине отрезков кордовых элементов, кабель питания и кабель линии связи выполнены каждый из двух витых проводников, при этом кабель питания, кабель линии связи, кабели чувствительного элемента и жилы отрезков кордового элемента выполнены одинакового диаметра с силовым тросом, расположены вокруг него равномерно по окружности и закручены вокруг его оси, в промежутках между отрезками кордовых элементов и отрезков пар кабелей из эластичного пьезоэлектрического материала расположены платы электронных блоков, а все элементы антенны помещены во внешнюю кабельную оболочку, заполненную герметизирующим электроизоляционным материалом.

2. Гибкая протяженная гидроакустическая цифровая антенна по п.1, отличающаяся тем, что платы электронных блоков выполнены закрученными вдоль продольной оси в соответствии с геометрией скрученных отрезков двух круглых жил кордовых элементов и отрезков пар кабелей из эластичного пьезоэлектрического материала.

3. Гибкая протяженная гидроакустическая цифровая антенна по п.1, отличающаяся тем, что в качестве герметизирующего электроизоляционного материала использована резиновая смесь на основе каучука.