АНТЕННАЯ СИСТЕМА ЭХОЛОТА ДЛЯ НАДВОДНОГО КОРАБЛЯ Российский патент 2016 года по МПК G01S15/00 

Изобретение относится к области гидроакустики и предназначено для установки на надводных кораблях (НК), преимущественно на ледоколах, в составе эхолотов.

Известны конструкции, относящиеся к области морского приборостроения и предназначенные преимущественно для установки забортных устройств - антенн судовых навигационных приборов, в частности эхолотов надводного корабля, и, что особенно актуально, на днище ледокола с возможностью замены без постановки судна в сухой док. Это клинкеты [1].

Клинкет - цилиндрический корпус, жестко связанный со стороны открытого торца с внутренней поверхностью днища НК, в котором выполнено отверстие, равное диаметру цилиндрического корпуса антенны, при этом рабочая поверхность антенны установлена заподлицо с открытым торцом клинкета и, соответственно, с наружной поверхностью днища НК в месте установки клинкета и нагружена на воду.

Полый корпус клинкета выполнен разъемным по высоте. В нижней, устанавливаемой на днище НК, части корпуса размещено уплотняющее устройство, в верхней, съемной, части корпуса - запирающее устройство.

В рабочем положении забортное устройство (антенна эхолота) установлено заподлицо с днищем судна в нижней части корпуса клинкета и зажато уплотнением, верхняя часть корпуса клинкета снята и используется только при снятии и установке антенны.

Известны также конструкции, описанные в [2], в которых гидроакустические антенны эхолотов установлены в клинкетах (танках) цилиндрической формы, корпуса последних вварены в отверстие в днище НК [2, стр. 7] с обеспечением его герметизации по наружному контуру клинкета, при этом активная поверхность преобразователя либо непосредственно нагружена на воду, либо через посредство тонкой защитной пластины, прикрепленной к клинкету со стороны его открытого торца, являющейся фактически его негерметичной крышкой [2, стр. 12], сохраняющей свободное прохождение воды.

Последний вариант конструкции, в которой гидроакустическая антенна выполнена плоской осесимметричной и герметичной, размещенной в цилиндрическом корпусе, связанном с внутренней поверхностью стального днища НК посредством сварки и заполненном жидкостью, является наиболее близким аналогом, совпадающим по наибольшему числу признаков с предлагаемым техническим решением.

Основным его недостатком, как и других аналогов этого типа, является необходимость для установки антенны нарушения целостности корпуса НК, в частности его днища, так как цилиндрические корпуса клинкетов жестко установлены на днище. В варианте прототипа прямо показано, что крепление выполнено путем сварки. Нарушение целостности днища НК снижает эксплуатационную надежность последнего. Другим недостатком варианта прототипа, также связанным с эксплуатацией, является ограничение эффективности эхолота, фактически определяемой разрешающей способностью антенны и излучаемой акустической мощностью, которые напрямую связаны с диаметром его активной поверхности D соотношением [3]:

где 2θ°_0.7, - ширина основного лепестка характеристики направленности по уровню 0.7 по полю;

λ - длина звуковой волны в воде на рабочей частоте.

Увеличение диаметра активной поверхности приведет к необходимости увеличения диаметра клинкета, а значит, и соответствующему увеличению диаметра отверстия в днище НК и в результате понижению прочности его днища и, как следствие, эксплуатационной надежности НК в целом. Конструктивное оформление антенны в клинкете вместе с эксплуатационной надежностью антенны НК накладывают ограничения на предельные значения диаметров и, как следствие, на величины измеряемых глубин.

Задача изобретения состоит в том, чтобы создать антенную систему эхолота, установка которой не требует нарушения целостности днища НК.

Техническим результатом от использования изобретения является сохранение целостности стального корпуса (днища) НК и его эксплуатационной надежности, исключение ограничений в части размеров рабочей поверхности антенн и, как следствие, повышение разрешающей способности, эффективности антенны эхолота и величины измеряемых глубин при исключении каких-либо требований по защите рабочей поверхности антенны.

В итоге повышается эксплуатационная надежность, снижаются трудозатраты на этапах изготовления и обслуживания антенной системы, а также себестоимость конструкции в целом, включая НК.

Для достижения указанного технического результата в антенную систему эхолота, включающую гидроакустическую антенну, выполненную плоской осесимметричной, герметичной, размещенной в цилиндрическом корпусе, заполненном жидкостью, связанном с внутренней поверхностью стального днища НК посредством сварки, введены новые признаки, а именно: цилиндрический корпус закреплен на стальном днище НК без нарушения целостности днища так, что участок стального днища НК, охваченный цилиндрическим корпусом, образует его торцевую поверхность, гидроакустическая антенна скреплена с торцевой крышкой цилиндрического корпуса со стороны, противоположной участку стального днища НК, охваченного цилиндрическим корпусом, герметично соединена с его боковой поверхностью и имеет акустический контакт с торцевой поверхностью цилиндрического корпуса, при этом рабочая частота f гидроакустической антенны f=bf₀, где f₀=mC_ст/2h, m - целое число, C_ст - скорость звука в стальном днище НК, h - его толщина, b - коэффициент, учитывающий влияние акустического контакта, при этом 1≤b≤1,5.

Следует отметить, что при b=1 акустический контакт достижим, но неэффективен.

Наилучший результат получается, если акустический контакт выполнить в виде слоя жидкости, заполняющей цилиндрический корпус, толщиной L=nλ_ж/2, где n - целое число, а λ_ж - длина волны в жидкости на рабочей частоте.

Для расширения полосы пропускания антенной системы акустический контакт может быть выполнен в виде системы слоев, включающей слой жидкости [4] толщиной L, тонкую металлическую пластину толщиной h₁≤1 мм и слой жидкости толщиной L₁≤1,15L между тонкой металлической пластиной и торцевой поверхностью корпуса.

С учетом работы в ледовых условиях в качестве жидкости, заполняющей цилиндрический корпус, может быть применена незамерзающая жидкость, например кремнийорганическая жидкость 132-12Д.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой показана предложенная конструкция антенной системы, на фиг. 2 и 3 приведены экспериментальные частотные характеристики чувствительностей в режиме измерения, полученные на макете антенной системы: на фиг. 2 - частотная характеристика чувствительности в режиме излучения макета антенной системы, на фиг. 3 - частотная характеристика чувствительности в режиме излучения макета антенной системы при наличии тонкой металлической пластины в промежутке между антенной и фрагментом стального днища НК.

Гидроакустическая герметичная осесимметричная антенна 1 (фиг. 1) размещена в стальном корпусе 2, цилиндрической формы, связанном посредством сварки 7 с выполненным из стали днищем 3 НК. Корпус 2 заполнен жидкостью 6. Антенна 1 закреплена на крышке 8 корпуса 2. Крышка 8 герметично через уплотнительное резиновое кольцо 4, размещенное в канавке торца корпуса 2, скреплена со стенками корпуса 2 с помощью крепежа 5. Антенна, приемно-излучающая поверхность которой параллельна охваченной корпусом части днища 3 с его внутренней стороны, имеет с ним акустический контакт.

Выполнение акустического контакта в виде полуволнового слоя жидкости на рабочей частоте или кратного ему дает наилучший результат по эффективности работы системы. Введение в промежуток между приемно-излучающей поверхностью антенны 1 и днищем 3 НК промежуточной пластины, акустический импеданс которой превышает акустический импеданс жидкости, позволяет при технической необходимости расширить полосу пропускания антенной системы, и это актуально. Использование незамерзающей жидкости 6, например кремнийорганической 132-12Д, обеспечивает стабильность работы эхолота НК в рабочем интервале температур от минус 5°C до +35°C.

Работа заявленного устройства - антенной системы эхолота, работающей через днище НК, происходит следующим образом.

При подаче электрического напряжения сигнала на антенну 1 на рабочей частоте, определяемой резонансом системы слоев, на которую нагружена антенна, происходит преобразование электрических волн в звуковые, а далее через полуволновый слой жидкости 6 звуковая волна проходит через задействованную часть днища 3 НК в окружающую водную среду за пределами корпуса НК.

При этом в условиях сохранения целостности стального корпуса НК, а в частности его днища, прохождение звука в окружающую среду и работа эхолота на рабочей частоте колебательной системы в целом обеспечиваются звукопрозрачностью каждого из слоев на собственной частоте резонанса.

При приеме гидроакустической антенной 1 звуковой волны на рабочей частоте из водной среды через звукопрозрачные слои - задействованной части днища 3 и жидкости 6 происходит преобразование звуковых волн в электрические.

Как при работе антенны 1 в режиме излучения, так и при работе в режиме приема на рабочей частоте электроизоляционная жидкость 6 участвует в процессе колебаний вследствие того, что она находится в акустическом контакте с механической колебательной системой антенны 1 и задействованной частью днища 3 в пределах цилиндрического корпуса 2.

Закрепление антенны 1, приемно-излучающая поверхность которой плоскопараллельна задействованной части днища 3 на полуволновом на рабочей частоте или кратном ему расстоянии по жидкости 6, также обеспечивает свободное прохождение звуковой волны через промежуточный слой жидкости 6 между рабочей поверхностью антенны и указанной части днища 3 корпуса НК.

Экспериментальная проверка проводилась в опытовом бассейне предприятия на макете антенной системы, выполненном в соответствии с заявляемой антенной системой эхолота.

Использовался фрагмент ′′днища′′, выполненный в виде плоской толстой стальной пластины размерами 500×500×50 мм, на которой был закреплен макет антенны (диаметром активной поверхности D=97 мм, частотой резонанса 54 кГц, полосой пропускания на уровне минус 3 дБ по частотной характеристике чувствительности в режиме излучения, равной 14.7 кГц) с возможностью изменения расстояния между ними. Частота полуволнового резонанса стальной пластины f₀=53 кГц. В качестве жидкости использовалась вода. В варианте с введением в слой жидкости тонкой звукопрозрачной металлической пластины была использована пластина толщиной 0,8 мм, выполненная из титана.

Измерения частотных характеристик чувствительностей в режиме излучения макета антенной системы в двух вариантах исполнения без тонкой металлической пластины (антенна - вода - толстая стальная пластина) и с тонкой металлической пластиной (антенна - вода - тонкая пластина - вода - толстая пластина) проводились в диапазоне частот 50-65 кГц относительно рабочей частоты 58 кГц, соответствующей резонансной частоте рассматриваемой антенной системы в целом, определенной расчетным путем.

Возможность расширения полосы пропускания антенной системы относительно рабочей частоты посредством введения тонкой звукопрозрачной пластины в промежуток между антенной и толстой стальной пластиной проверялась при фиксированном зазоре между антенной и тонкой пластиной, равном L=13 мм, что соответствует λ_ж/2.

На фиг. 2 приведена частотная характеристика чувствительности в режиме излучения макета антенной системы (при отсутствии тонкой пластины), L=λ_ж/2=13 мм и b=1,094, полоса пропускания которой равна 6.1% относительно рабочей частоты f=58 кГц.

На фиг. 3 приведена частотная характеристика чувствительности в режиме излучения макета антенной системы (при введенной тонкой пластине, отстоящей на расстояниях от антенны, равном L=λ_ж/2=13 мм, и от толстой пластины, равном L₁=13.25 мм (L₁=1.02L)), полоса пропускания которой равна 10.5% относительно рабочей частоты.

Сравнительный анализ приведенных на фиг. 2 и 3 частотных характеристик чувствительностей в режиме излучения убедительно подтверждает реальность заявленного технического решения - создание антенной системы эхолота, работающей через днище НК без нарушения его целостности, и отражает возможность расширения полосы пропускания.

Заявленное техническое решение открывает путь к применению антенных систем эхолотов для надводных кораблей и, что особенно актуально сегодня для ледоколов, без нарушения целостности днища, а значит, возможности замены системы без постановки судна в док.

Отсутствие отечественных и зарубежных аналогов только усиливают новизну, актуальность и полезность положительного результата от использования заявленного технического решения.

Источники информации

1. Патент РФ 2122213, кл. G01P 1/02, G01S 7/S2 на «Клинкет для забортных устройств судовых навигационных приборов», опубликован 20.11.1998.

2. SKIPPER Electronics AS, E-mail: support@skipper.no, page 7, 12.

3. Орлов А.В., Шабров A.A. Расчет и проектирование антенн гидроакустических рыбопоисковых станций. М.: Пищевая промышленность, 1974 г., с. 35.

4. Шендеров Е.Л. Волновые задачи гидроакустики. Л.: Судостроение, 1972 г., с. 209, 231-241.

Использование: изобретение относится к области гидроакустики и предназначено для установки на надводных кораблях (НК), преимущественно на ледоколах, в составе эхолотов. Техническим результатом от использования изобретения является сохранение целостности стального корпуса (днища) НК и его эксплуатационной надежности. Сущность: в антенной системе эхолота, включающей гидроакустическую антенну, выполненную плоской осесимметричной, герметичной, размещенной в цилиндрическом корпусе, заполненном жидкостью, связанном с внутренней поверхностью стального днища НК посредством сварки, цилиндрический корпус закреплен на стальном днище НК без нарушения целостности днища так, что участок стального днища НК, охваченный цилиндрическим корпусом, образует его торцевую поверхность. Гидроакустическая антенна скреплена с торцевой крышкой цилиндрического корпуса со стороны, противоположной участку стального днища НК, охваченного цилиндрическим корпусом, герметично соединена с его боковой поверхностью и имеет акустический контакт с торцевой поверхностью цилиндрического корпуса, при этом рабочая частота f гидроакустической антенны f=bf₀, где f₀=mC_ст/2h, m - целое число, C_ст - скорость звука в стальном днище НК, h - его толщина, b - коэффициент, учитывающий влияние акустического контакта, при этом 1≤b≤1,5. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Антенная система эхолота для надводного корабля, содержащая гидроакустическую антенну, выполненную плоской осесимметричной, герметичной, размещенной в цилиндрическом корпусе, заполненном жидкостью, герметично соединенном с внутренней поверхностью стального днища надводного корабля (НК) посредством сварки, отличающаяся тем, что цилиндрический корпус закреплен на стальном днище НК без нарушения целостности днища так, что участок стального днища НК, охваченный цилиндрическим корпусом, образует его торцевую поверхность, гидроакустическая антенна скреплена с торцевой крышкой цилиндрического корпуса со стороны, противоположной участку стального днища НК, охваченного цилиндрическим корпусом, герметично соединена с его боковой поверхностью и имеет акустический контакт с торцевой поверхностью цилиндрического корпуса, при этом рабочая частота f гидроакустической антенны f=bf₀, где f₀=mC_ст/2h, m - целое число, С_ст - скорость звука в стальном днище НК, h - его толщина, b - коэффициент, учитывающий влияние акустического контакта, при этом 1≤b≤1,5.

2. Антенная система по п. 1, отличающаяся тем, что акустический контакт выполнен в виде слоя жидкости, заполняющей цилиндрический корпус, толщиной L=nλ_ж/2, где n - целое число, а λ_ж - длина волны в жидкости на рабочей частоте.

3. Антенная система по п. 1, отличающаяся тем, что акустический контакт выполнен в виде системы слоев, включающей слой жидкости толщиной L, тонкую металлическую пластину толщиной h₁≤1 мм и слой жидкости толщиной L₁≤1,15L между тонкой металлической пластиной и торцевой поверхностью корпуса.

4. Антенная система по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве жидкости, заполняющей цилиндрический корпус, применена незамерзающая жидкость, например кремнийорганическая жидкость 132-12Д.