Результат интеллектуальной деятельности: АНТЕННАЯ СИСТЕМА ЭХОЛОТА ДЛЯ НАДВОДНОГО КОРАБЛЯ

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.