ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ АНТЕННА Советский патент 2006 года по МПК G01S7/52 

Введение.

Одним из основных средств увеличения дальности действия ГАС является увеличение площади приемно-излучающей акустической антенны. Значительно площадь антенны можно увеличить созданием антенн, совмещенных с обводами надводного или подводного кораблей.

В настоящее время при конструировании дискретных антенн, состоящих из преобразователей, размеры которых малы по сравнению с длиной волны λ_в, определяемой скоростью звука в неограниченном водном пространстве, расстояние между элементами антенны выбирается равным .

Такой метод конструирования антенн реализуется при построении бортовых антенн подводных лодок.

Выбор расстояния между соседними преобразователями, равного , обусловлен, как известно, требованиями к параметрам антенны по отношению к источникам дальнего поля.

Однако такое конструирование антенн является не рациональным при работе антенн, совмещенных с обводами корабля (в частности, бортовых антенн), поскольку такие антенны размещаются вблизи шумящей поверхности корпуса корабля.

Настоящая заявка предлагает конструкцию антенны, которая может быть эффективной вблизи шумящей оболочки обтекателя или корпуса корабля.

Теоретическое и экспериментальное обоснование изобретения.

При использовании низких частот для целей эхо- и шумопеленгования антенны, совмещенные с обводами, будут находится в неволновой зоне помех, вызванных излучением упругой звукопрозрачной оболочки обтекателя и корпуса корабля.

Проведенный авторами теоретический анализ структуры ближнего поля упругих поверхностей показал, что в непосредственной близости от оболочки, на расстояниях, меньших где λ_из - длина изгибной волны в оболочке обтекателя, существует неволновая зона помех, т.е. зона, в которой статистические характеристики поля существенно зависят от расстояния до излучающей поверхности, а характерным волновым параметром в этой области является волновое число упругих изгибных колебаний в оболочке К_изг.

В этом случае, когда зазор между поверхностью антенны и оболочкой обтекателя или между поверхностью антенны и корпусом корабля (в случае дискретной антенны, расстояние между преобразователями которой больше размеров преобразователя) больше λ_из оболочки или корпуса корабля, в пространстве между оболочкой и антенной возникнет волновая зона помех. Характерным волновым параметром этой зоны является обычное волновое число К_в.

Теоретическое исследование параметров шумового поля в пространстве оболочка - вода - поверхность антенны показывает, что распределение энергии в зависимости от пространственных гармоник в волновой зоне имеет вид, изображенный на фиг.1а, в неволновой зоне - на фиг.1б.

В неволновой зоне в области пространственных волновых чисел, близких к К_изг, имеют место резонансы, величина и положение которых определяются различными модами колебаний системы: оболочка - вода - поверхность антенны. Поскольку переход из волновой зоны в неволновую характеризуется расширением спектра пространственных гармоник, постольку при приближении к оболочке должно наблюдаться уменьшение радиуса пространственной корреляции. Антенна, расположенная в поле, суммирует все пространственные гармоники и обладает пространственной избирательностью, определяемой размерами такой антенны, т.е. работает как фильтр пространственных гармоник. Характеристика фильтрующей способности дискретной антенны определяется выражением

где N - количество элементов в вертикальном или горизонтальном ряду решетки,

d - период решетки,

æ - волновое число пространственной гармоники.

Из этой формулы видно, что если расстояние между элементами антенны выбирается равным λ_в/2, то при работе антенны в волновой зоне помех (фиг.2а) только основной максимум пространственно-частотной характеристики антенны попадает в область интенсивной помехи.

При размещении такой антенны в неволновой зоне помех в область интенсивной помехи попадает несколько максимумов пространственно-частотной характеристики антенны. Количество этих максимумов определяется отношением К_изг/К_в (фиг.2б).

При работе антенны в неволновой зоне помех и расположении элементов антенны на расстоянии λ_из/2 в область интенсивных помех попадает только один максимум пространственно-частотной характеристики антенны и отношение сигнал/шум для такой антенны примерно в (К_изг/К_в)² раз больше отношения сигнал/шум антенны, расстояние между преобразователями которой составляет λ_в/2.

Параметры указанных выше антенн в дальнем поле практически одинаковы, также как и отношение сигнал/шум на выходе этих антенн при нахождении их в волновой зоне помех.

Описанные выше закономерности были подтверждены экспериментальными исследованиями параметров шумового поля ПЛ дизельэлектрического класса. По длине междубортового пространства порядка 70 метров и на расстоянии 5 см от легкого корпуса были расположены группы гидрофонов. Расположение этих гидрофонов позволило замерить как распределение уровня помех по обводу ПЛ, так и функции пространственной корреляции при изменении расстояния в пределах 0,8 метра. Расстояние между гидрофонами составляло 0,23 м. Расстояние между легким и прочным корпусами ПЛ составляло 0,8-1,5 метра. Для неволновой зоны помех при приближении к оболочке характерно возрастание интенсивности помехи и сужение функции пространственной корреляции.

На фиг.3 приведены усредненные по пространству ПЛ коэффициенты пространственной корреляции в третьоктавном полосе частот для скорости хода ПЛ 5 узлов.

Из приведенных кривых видно, что на частоте 200 Гц (кривая 1) и 400 Гц (кривая 2) имеет место сужение функции пространственной корреляции по сравнению с функцией пространственной корреляции в дальнем поле, т.е. антенна на этих частотах должна работать в условиях неволновой зоны помех. На частотах 800 Гц, 1600 Гц, 3150 Гц (кривые 3-5) положение первого нуля функции пространственной корреляции примерно совпадает с положением первого нуля функции пространственной корреляции дальнего поля, т.е. на этих частотах антенна работает в условиях волновой зоны помех.

Заметим, что интенсивность помехи вдоль корпуса ПЛ от носовой оконечности до машинного отделения была практически постоянной.

По полученным экспериментально функциям пространственной корреляции при равномерной интенсивности по обводу корпуса было рассчитано отношение сигнал/помеха дискретной антенны в зависимости от расстояния между элементами (фиг.4) при полностью коррелированном сигнале. При расстояниях между элементами >0,8 метра было принято, что коэффициент корреляции изменяется как где величина k выбиралась таким образом, чтобы нули замеренной функции пространственной корреляции и функции совпадали.

Из приведенных данных фиг.4 следует, что на частотах 800 Гц, 1600 Гц и 3150 Гц отношение сигнал/помеха растет с уменьшением расстояния между элементами до λ_в/2, дальнейшее уменьшение расстояния практически не изменяет отношения сигнал/помеха, что является характерным для волновой зоны помех. Для частот 200 Гц и 400 Гц отношение сигнал/помеха возрастает при изменении расстояния между элементами антенны до 0,2-0,3 метра.

Для частоты 200 Гц это расстояние соответствует примерно λ_и/2 (λ_и легкого корпуса ПЛ на этой частоте составляло ˜43 см), для частоты 400 Гц это расстояние меньше λ_в/2, но больше λ_и/2. Таким образом, экспериментальные исследования параметров поля в междубортовом пространстве ПЛ подтвердили высказанные выше физические соображения об увеличении отношения сигнал/помеха дискретной антенны при нахождении ее в неволновой зоне помех и расстоянии между элементами λ_и/2 по сравнению с антеннами, расстояние между элементами которой составляет λ_в/2.

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано вблизи шумящей оболочки обтекателя или корпуса корабля. Технический результат заключается в повышении помехоустойчивости. Гидроакустическая антенна расположена по обводам корпуса корабля в неволновой зоне помех, создаваемых корпусом или обтекателем, и выполнена в виде эквидистантной решетки, составленной из электроакустических преобразователей, размеры которых малы по сравнению с длиной волны. Преобразователи расположены друг относительно друга на расстоянии половины длины изгибной волны в материале оболочки источника помех, которым является корпус корабля или обтекатель на верхней частоте рабочего диапазона антенны. 4 ил.

Гидроакустическая антенна, содержащая отдельные электроакустические преобразователи, расположенные по обводам оболочки корпуса объекта в неволновой зоне помех, создаваемых указанной оболочкой корпуса, отличающаяся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости антенны по отношению к помехам неволновой зоны, ее электроакустические преобразователи расположены друг относительно друга на расстоянии, равном половине длины изгибной волны в материале оболочки корпуса на верхней частоте рабочего диапазона частот.