ПРИЕМНАЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКАЯ АНТЕННА ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ КРУГОВОГО ОБЗОРА Российский патент 2015 года по МПК G01S7/52 H01Q9/46 

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в станциях освещения подводной обстановки, например, для гидроакустических станций позиционных систем, для станций носителей малого водоизмещения и для гидроакустических станций вертолетов, где имеет большое значение не только высокая пространственная избирательность, но и снижение массы и габаритов антенны.

Известны антенны гидроакустических станций с цилиндрическим размещением приемных элементов, имеющие раздвижную конструкцию, обеспечивающую малые габариты в транспортном положении и необходимый волновой размер в рабочем положении, например антенны зарубежных вертолетных станций HELRAS, CORMORANT или FLASH, а также антенны - см. US №5091892, H04R 17/00, 19.04.91 г. и Jp №4-81747, G01S 7/52, 3/809 от 12.08.86 г.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой антенне является антенна станции FLASH фирмы Thomson-Marconi (см. Jane's «Underwater War Fare Systems», 8-th edition, 1997, стр.97). Эта антенна состоит из приемных элементов в виде вертикальных стержней, закрепленных на рычагах раздвигающейся механической системы. В рабочем положении приемные элементы образуют две коаксиальные цилиндрические решетки, при этом стержни внутренней решетки устанавливаются в радиальном направлении за стержнями внешней решетки таким образом, чтобы каждая пара этих стержней формировала диаграмму направленности (далее по тексту - ДН) в форме кардиоиды, ориентированной вдоль радиуса в наружную сторону от цилиндра. Вид сверху такого размещения приемных элементов антенны показан на фиг.1. Расстояние между приемными элементами по окружности внешней цилиндрической решетки выбирается равным половине длины волны на верхней рабочей частоте, и общее число пар приемников в такой антенне равняется , где R - радиус окружности внешней цилиндрической решетки, f_max - верхняя рабочая частота и c - скорость звука в воде.

В таких антеннах формирование диаграмм направленности осуществляется приемными элементами, расположенными в секторе ±60° относительно направления компенсации антенны. Увеличение числа приемников в формирующем секторе не приводит к улучшению направленности антенны, так как в этом случае в сектор начинают попадать пары приемников, максимумы кардиоидных ДН которых существенно отклонены от направления компенсации антенны.

Недостатками такой антенны являются существенно большее число приемников, чем их требуется для получения коэффициента концентрации, соответствующего габаритным размерам антенны.

Задачей изобретения является упрощение конструкции антенны и уменьшение ее массогабаритных параметров.

Технический результат, проявляющийся при решении поставленной задачи, - существенное сокращение числа приемников антенны при сохранении ее коэффициента концентрации. При этом обеспечивается упрощение конструкции антенны и уменьшение ее массы.

Для решения поставленной задачи приемная цилиндрическая антенна гидроакустической станции кругового обзора, содержащая приемные элементы, установленные в раздвижную конструкцию, выполненную с возможностью развертывания антенны из транспортного положения в рабочее и обратно, размещенные по окружности с образованием цилиндрической приемной решетки, отличается тем, что конструкция антенны в рабочем положении звукопрозрачна, причем элементы цилиндрической приемной решетки размещены на одной окружности, а их число определяют из выражения N_opt=[1+N₀d₀/d_opt],

где N_opt - число элементов цилиндрической приемной решетки;

N₀ - число элементов, разнесенных между собой по окружности антенны на расстояние d₀=с/2f_max;

где c - скорость звука в воде;

f_max - верхняя рабочая частота;

d_opt - расстояние, рассчитываемое по итерационной процедуре, когда на каждом шаге итерации рассчитывают ДН компенсированной окружности на частоте f_max для N₀ элементов, при этом расстояния между элементами антенны по окружности определяют из выражения d_i=d₀-iΔ,

где d_i - расстояния между элементами антенны по окружности;

i - номер итерации;

Δ<<d₀ - шаг итерации,

далее определяют величину максимального тыльного лепестка этой ДН в задней полуплоскости, с границей по нормали к направлению компенсации антенны, после чего сравнивают полученное значение с величиной минимального бокового лепестка ДН в передней полуплоскости и определяют номер итерации i_opt, на которой величина максимального тыльного лепестка ДН компенсированной окружности в задней полуплоскости меньше величины минимального бокового лепестка этой ДН в передней полуплоскости, и рассчитывают d_opt=d₀-i_optΔ.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию "новизна".

Признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают, в отличие от прототипа (в котором приемные элементы образуют двухслойную цилиндрическую решетку), формирование однослойной звукопрозрачной цилиндрической решетки, при этом резко сокращается число вертикальных линеек антенны при сохранении пространственной избирательности антенны.

Выбранный критерий определения расстояния между приемными элементами антенны исключает на индикаторе освещения подводной обстановки формирование ложных трасс источников сигналов тыльными лепестками ДН антенны, так как в заявляемой антенне на верхней рабочей частоте величина максимального тыльного лепестка ДН компенсированной окружности в задней полуплоскости не превышает величину минимального бокового лепестка этой ДН в передней полуплоскости.

На фиг.1 показана схема расположения элементов в антенне-прототипе (вид сверху), содержащей в каждом из 2-х своих слоев по N₀ приемных элементов, разнесенных по внешней окружности на расстояние d₀=c/2f_max; на фиг.2 показана схема расположения элементов в заявляемой антенне, имеющей одинаковые габаритные размеры с антенной-прототипом и содержащей N_opt=[1+N₀d₀/d_opt] приемных элементов, здесь d_opt - расстояние по окружности между приемными элементами, найденное по заявляемой итеративной процедуре; на фиг.3 показана ДН (по мощности) компенсированной окружности в горизонтальной плоскости на верхней рабочей частоте f_max=2500 Гц при числе приемников N₀=32, разнесенных между собой по окружности на начальное расстояние d₀=0,3 м; на фиг.4 показана ДН окружности на частоте f_max на 1-й итерации, на которой N₀ элементов разнесены между собой на расстояние d₀-Δ, где Δ=0,004 м - шаг итерации (Δ<<d₀); на фиг.5 показана ДН окружности на частоте f_max на промежуточной 5-й итерации, на которой N₀ элементов разнесены между собой на расстояние d₀-5Δ; на фиг.6 показана ДН окружности на частоте f_max на последней 9-ой итерации, на которой величина максимального тыльного лепестка ДН в задней полуплоскости перестает превышать величину минимального бокового лепестка этой ДН в передней полуплоскости, при этом N₀ элементов разнесены между собой на расстояние d_opt=d₀-9Δ=0,264 м; на фиг.7 показаны ДН на частоте f_max компенсированной окружности заявляемой антенны при числе элементов N_opt=[1+N₀d₀/d_opt]=37 (сплошная линия), и для антенны-прототипа (пунктирная линия), имеющей одинаковые габаритные размеры с заявляемой антенной и содержащей N₀ пар приемников, образующих кардиоидные ДН, при этом в радиальном направлении приемники разнесены на расстояние d₀/2=0,15 м, по внешней окружности цилиндра - на расстояние d₀=0,3 м и в рабочий сектор антенны входят по 6 пар приемников слева и справа относительно направления компенсации антенны; на фиг.8 для цилиндрических антенн, вертикальные линейки которых содержат по 8 приемников, разнесенных на расстояние d_v=0,3 м, показана зависимость коэффициента концентрации от частоты для заявляемой антенны (число линеек N_opt=37) (сплошная линия), для антенны-прототипа (число линеек 2N₀=64) (пунктирная линия) и для сплошного цилиндра с жестким цилиндрическим экраном (штриховая линия) при их одинаковых габаритных размерах; на фиг 9 показана приемная цилиндрическая антенна гидроакустической станции кругового обзора в рабочем положении; на фиг.10. показана приемная антенна в транспортном положении; на фиг 11 показана линейка приемных гидрофонов.

Заявленная приемная цилиндрическая антенна является частью гидроакустической станции (ГАС) кругового обзора известной конструкции. В транспортном положении она помещается в отделяемый при погружении в воду цилиндрический защитный кожух (на чертежах не показан). Габаритные размеры ГАС в транспортном положении: диаметр 150 мм, осевая длина 900 мм. Складывание антенны в транспортное положение, как показано на фиг.10, и разворачивание ее в рабочее, как показано на фиг.9, осуществляется известным образом, под воздействием собственного веса с помощью соединенной шарнирами рычажной системы.

На чертежах показаны приемные элементы 1, плоские пружины 2, приемная решетка 3, пьезокерамические элементы 4.

Таким образом, в рабочем положении антенна представляет собой цилиндрическую приемную решетку 3, сформированную из приемных элементов 1, размещенных на одной окружности. Каждый из приемных элементов 1 представляет собой линейку из восьми конструктивно объединенных пьезокерамических элементов 4, электрически соединенных между собой.

Конструкция антенны является ажурной, размеры образующих ее деталей в горизонтальной плоскости во много раз (на порядок) меньше длины волны, что обеспечивает ее звукопрозрачность. Защитный кожух выполнен из тонкого звукопрозрачного стеклопластика. Предлагаемая конфигурация транспортного положения обеспечивает не только компактность прибора на носителе, но и хорошие гидродинамические характеристики погружения тела на нужную глубину с высокой скоростью.

Приемные элементы 1 будучи развернутыми в рабочее положение, благодаря звукопрозрачности антенны принимают акустические колебания, приходящие с любого направления.

Результаты расчетов, представленные на фиг.3-8, подтверждают заявленные преимущества предлагаемой антенны.

Формулы для расчета ДН и коэффициентов концентрации рассматриваемых антенн имеют следующий вид (см., Справочник по гидроакустике / А.П. Евтютов, А.Е. Колесников, Е.А Корепин и др. - Л.: Судостроение, 1988, глава 8):

- ДН по мощности R2(f,α,θ) компенсированной окружности равняется:

где R(f,α,θ) - ДН антенны из N эквидистантных элементов, разнесенных по окружности на расстояние d, при равномерном амплитудном распределении и компенсации, например, в направлении , имеет следующий вид:

- ДН по мощности RK2(f,α,θ) двух встроенных компенсированных окружностей равняется:

где RK(f,α,θ) - ДН двух встроенных окружностей, содержащих по N эквидистантных элементов, при этом элементы по внешней окружности разнесены на расстояние d, радиус внутренней окружности равняется R₁ и в рабочий сектор антенны входят пары элементов, образующих кардиоидные ДН, с номерами от n₁ до n₂, имеет следующий вид:

- коэффициент концентрации цилиндра KK1(f) с ДН его окружности R2(f,α,θ) равняется, соответственно:

где RV2(f,θ) - ДН (по мощности) образующей цилиндра, которая при размещении на ней M элементов, разнесенных на расстояние d_v, имеет следующий вид:

- коэффициент концентрации цилиндра KK2(f) с ДН 2-х встроенных окружностей RK2(f,α,θ) равняется, соответственно:

- коэффициент концентрации KK3(f) сплошного цилиндра с радиусом окружности R, высотой H и жестким цилиндрическим экраном равняется, соответственно:

ДН окружности на фиг.3 - фиг.6 наглядно показывают, что на верхней рабочей частоте величина максимального тыльного лепестка ДН компенсированной окружности в задней полуплоскости перестает превышать величину минимального бокового лепестка этой ДН в передней полуплоскости на 9-й итерации, d_opt=d₉=0,264 м и, следовательно, для рассматриваемого примера в предлагаемой однослойной звукопрозрачной цилиндрической антенне число вертикальных линеек антенны составит N_opt=37 вместо 64 линеек в двухслойной антенне-прототипе при сохранении коэффициента концентрации антенны (см. фиг.8) и исключении формирования ложных трасс тыльными лепестками ДН антенны.

Механизм раскрытия приемно-излучающей антенны построен на использовании плоских пружин, удерживаемых в сжатом состоянии замками. Механизм действует следующим образом: защитный кожух крепится к корпусу ГАС при помощи замков, застопоренных в замкнутом состоянии проволокой из нихрома. После погружения ГАС в воду, на защитный кожух подается напряжение относительно корпуса ГАС, начинает идти электрохимическая реакция между проволокой, удерживающей замки, и корпусом. В результате, через некоторое время проволока обрывается, защитный кожух разъединяется вследствие разрушения гидростата (на чертежах не показан), под воздействием гидростатического давления соответствующей глубине погружения 30-50 м высвобождая приемные элементы 1, которые под действием плоских пружин 2 отходят в радиальных направлениях, занимая рабочее положение.

Изобретение относится к области гидроакустики. Технический результат изобретения заключается в упрощении конструкции антенны и уменьшении ее массогабаритных параметров. При этом существенно сокращается число приемников антенны при сохранении ее коэффициента концентрации. Приемная цилиндрическая антенна гидроакустической станции кругового обзора содержит приемные элементы, установленные в раздвижную конструкцию, выполненную с возможностью развертывания антенны из транспортного положения в рабочее и обратно, размещенные по окружности с образованием цилиндрической приемной решетки. Конструкция антенны в рабочем положении звукопрозрачна, элементы цилиндрической приемной решетки размещены на одной окружности, их число определяют из выражения N_opt=[1+N₀d₀/d_opt], где N_opt - число элементов цилиндрической приемной решетки; N₀ - число элементов, разнесенных между собой по окружности антенны на расстояние d₀=c/2f_max; где c - скорость звука в воде; f_max - верхняя рабочая частота; d_opt - расстояние, рассчитываемое по итерационной процедуре, когда на каждом шаге итерации рассчитывают ДН компенсированной окружности на частоте f_max для N₀ элементов. 11 ил.

Приемная цилиндрическая антенна гидроакустической станции кругового обзора, содержащая приемные элементы, установленные в раздвижную конструкцию, выполненную с возможностью развертывания антенны из транспортного положения в рабочее и обратно, размещенные по окружности с образованием цилиндрической приемной решетки, отличающаяся тем, что конструкция антенны в рабочем положении звукопрозрачна, причем элементы цилиндрической приемной решетки размещены на одной окружности, а их число определяют из выражения N_opt=[1+N₀d₀/d_opt],
где N_opt - число элементов цилиндрической приемной решетки;
N₀ - число элементов, разнесенных между собой по окружности антенны на расстояние d₀=c/2f_max;
где с - скорость звука в воде;
f_max - верхняя рабочая частота;
d_opt - расстояние, рассчитываемое по итерационной процедуре, когда на каждом шаге итерации рассчитывают ДН (диаграмма направленности) компенсированной окружности на частоте f_max для N₀ элементов, при этом расстояния между элементами антенны по окружности определяют из выражения d_i=d₀-iΔ,
где d_i - расстояния между элементами антенны по окружности;
i - номер итерации;
Δ<<d₀ - шаг итерации,
далее определяют величину максимального тыльного лепестка этой ДН в задней полуплоскости, с границей по нормали к направлению компенсации антенны, после чего сравнивают полученное значение с величиной минимального бокового лепестка ДН в передней полуплоскости и определяют номер итерации i_opt, на которой величина максимального тыльного лепестка ДН компенсированной окружности в задней полуплоскости меньше величины минимального бокового лепестка этой ДН в передней полуплоскости, и рассчитывают d_opt=d₀-i_optΔ.