ГИБКАЯ ПРОТЯЖЕННАЯ ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ АНТЕННА (ВАРИАНТЫ)
FLEXIBLE EXTENSIVE HYDROACOUSTIC ANTENNA (VERSIONS)

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно: к стационарным системам шумопеленгования надводных и подводных движущихся объектов.
Известна гибкая протяженная гидроакустическая цифровая кабельная антенна по патенту RU №2417383, МПК: G01S 7/52 на изобретение «Гибкая протяженная гидроакустическая цифровая кабельная антенна». Она содержит силовой элемент в виде троса, кабели питания и связи, чувствительные элементы и электронные блоки, расположенные с определенным интервалом вдоль антенны, причем каждый электронный блок подключен к кабелю питания и содержит размещенные на плате последовательно соединенные малошумящий усилитель, аналогово-цифровой преобразователь и блок подготовки и передачи информации, при этом входы малошумящих усилителей соединены с соответствующими выходами чувствительных элементов, а выходы блоков подготовки и передачи информации соединены с кабелем связи. Особенностью антенны является то, что она снабжена кордовыми элементами в виде круглых жил, чувствительные элементы выполнены в виде протяженных отрезков кабеля из эластичного пьезоэлектрического материала, причем длины кордовых элементов и отрезков кабеля из эластичного пьезоэлектрического материала равны между собой. Кабели питания и связи, кордовые элементы, кабели из эластичного пьезоэлектрического материала выполнены одинакового диаметра с силовым элементом и закручены вокруг его оси, в промежутках между отрезками кордовых элементов и отрезками кабеля из эластичного пьезоэлектрического материала расположены платы электронных блоков, а все элементы антенны помещены во внешнюю герметизирующую кабельную оболочку.
Достоинства данной системы заключаются в следующем: изготовление чувствительных элементов в виде кабеля из эластичного пьезоэлектрического материала по сравнению с пьезоэлектрическими устройствами позволяет сделать их более протяженными и на порядок и более снизить гидродинамические шумы, повысить устойчивость к механическим воздействиям, достичь существенно меньшего радиуса изгиба, а за счет расположения плат с электронными блоками в центральных частях антенны изготовить антенну без выступающих частей в виде единого кабеля.
Однако данная система имеет серьезный недостаток: за счет скрутки чувствительных элементов с другими элементами в сердечнике антенны (кабелями питания и связи, кордовыми элементами), сигнал от пеленгуемого источника шума периодически затеняется и поверхностью чувствительного элемента принимается неравномерно, что вносит дополнительные искажения и затрудняет анализ получаемой информации.
Известен автономный гидроакустический модуль по патенту на изобретение №2427005 от 16.04.2009, МПК: G01S 15/00; G01S 3/00. Гидроакустический модуль содержит аппаратурный модуль в составе блока управления, источника питания, измерительных гидрофонов, модуля обработки данных, системы передачи информации по спутниковому каналу связи, системы определения места спутниковой навигационной системе, компасного устройства, датчиков остойчивости и давления, и цилиндрической акустической антенны, составленной из множества линейных антенн, натянутых с помощью двух колец, жестко закрепленных за модуль цифровой обработки данных. Причем каждая линейная антенна содержит восемь первичных гидрофонов, являющихся точечными приемниками звуковых колебаний.
Недостатком гидроакустических антенн с точечными приемниками звуковых колебаний является техническая сложность построения длинномерных антенных полей (длиной порядка сотен метров) для систем безопасности прибрежных или шельфовых стационарных объектов, например: шельфовых нефтедобывающих станций.
В качестве прототипа выберем гидроакустическую антенну по патенту на изобретение RU №2417383 «Гибкая протяженная гидроакустическая цифровая кабельная антенна».
Сущность изобретения заключается в том, что предлагается гибкая протяженная гидроакустическая антенна, в которой каждый элементарный участок поверхности чувствительного элемента, обращенный к пеленгуемому источнику шума, находится в одинаковых условиях к воздействующему акустическому сигналу.
Технический результат достигается тем, что предлагается гибкая протяженная гидроакустическая антенна, содержащая силовой элемент в виде троса, кабель питания и кабель связи, чувствительные элементы и электронные блоки, расположенные с определенным интервалом вдоль антенны, причем каждый чувствительный элемент выполнен в виде протяженного отрезка кабеля с изоляцией из эластичного пьезоэлектрического материала, а каждый электронный блок подключен к кабелю питания, каждая гибкая плата содержит последовательно соединенные малошумящий усилитель, аналогово-цифровой преобразователь и блок подготовки и передачи информации, при этом входы малошумящих усилителей соединены с соответствующими выходами чувствительных элементов, а выходы блоков подготовки и передачи информации соединены с кабелем связи. Антенна выполнена в виде плоского кабеля, проходящего сквозь несколько поплавков овальной формы, ориентирующих плоскую часть в вертикальном направлении и частично заполненных тяжелой жидкостью с плотностью, большей 1,0 г/см
. Силовой элемент выполнен в виде двух тросов или прочных нитей, или стеклопластиковых, или арамиднопластиковых прутков, покрытых полимером, размещенных по краям плоского кабеля.
3
Плоский кабель выполнен в виде комбинированного устройства из чередующихся друг за другом плат с электронными блоками и набором линейных элементов, в число которых входит силовой элемент, не менее одного чувствительного элемента, кабели питания и связи, не менее одной трубки для подачи тяжелой жидкости и трубки для выведения вытесняемого воздуха, с влагозащитной полимерной оболочкой. Антенна имеет выведенный за пределы плоского кабеля насос для подачи в поплавки тяжелой жидкости.
Чувствительные элементы в плоском кабеле проложены прямолинейно. Плоский кабель в водном пространстве сориентирован вертикально за счет овальных поплавков, основание которых утяжелено тяжелой жидкостью с плотностью более 1,0 г/м
. Изменяя уровень заполнения основания поплавков тяжелой жидкостью регулируют глубину погружения антенны в воду.
3
Размещения силовых элементов по краям плоского кабеля обеспечивают равномерное натяжение линейных элементов внутри кабеля (в сердечнике) и дополнительное выравнивание его поверхности. Выполнение совокупности условий обеспечивает для каждого элементарного участка поверхности чувствительного элемента на прямой распространения акустического сигнала от пеленгуемого источника шума нахождения только слоя влагозащитной оболочки плоского кабеля одинаковой толщины. Поэтому разница в принимаемых сигналах будет определяться только расстояниями от источника шума до элементарного участка поверхности чувствительного элемента, принимающей сигнал, что и подтверждает достижение технического результата.
Использование в предлагаемой гибкой протяженной гидроакустической антенне чувствительных элементов в виде протяженного отрезка кабеля с изоляцией из эластичного пьезоэлектрического материала позволяет использовать их для построения длинномерных линейных полей.
В случае использования для подачи тяжелой жидкости только одной трубки поплавки снабжаются клапанами, отсекающими подачу жидкости после получения сигнала от уровнемера о достижении требуемого значения уровня. Для этого на гибкой плате дополнительно устанавливается устройство, управляющее клапаном после получения сигнала по кабелю связи.
Так как увеличение числа плоских кабелей добавляет новые качественные свойства, изобретение выполнено в виде вариантов.
С целью упрощения процесса подсоединения и обеспечения равномерности натяжения линейных элементов (чувствительных элементов, кабелей питания и связи, силовых элементов) целесообразно с двух сторон плат установить две группы соединителей по числу линейных элементов каждая. Для силовых элементов соединитель обеспечивает только механическое крепление. Чувствительные элементы, подключаемые только с одной стороны, в другом соединителе крепятся только механически.
Для обеспечения сквозной непрерывности кабелей питания и связи целесообразно между входными и выходными соединителями кабелей питания и связи на каждой плате проложить полосковые линии.
Для заполнения пространства линейных элементов в сердечнике плоского кабеля целесообразно дополнительно проложить кордели, выполненные из полимера, или нити с полимерным покрытием, или металлической проволоки с полимерным покрытием. Как правило, все линейные элементы выполняют одинакового наружного диаметра.
Кабель питания целесообразно выполнить из двух однопроволочных или многопроволочных изолированных полимером токопроводящих жил, скрученных между собой. При этом одна из жил является фазной, другая - нулевой. Преимущественно применяют многопроволочную токопроводящую жилу, обеспечивающую меньший радиус изгиба. При намотке плоского кабеля на силовой элемент с большим диаметром токопроводящие жилы кабеля питания выполняют однопроволочными. Для равномерного распределения возникающих в процессе изготовления и при эксплуатации растягивающих усилий изолированные токопроводящие жилы скручивают между собой.
Для выравнивания наружных размеров линейных элементов между собой на кабель питания в виде двух скрученных между собой изолированных токопроводящих жил целесообразно дополнительно наложить полимерную оболочку, выполняющую защитную функцию в процессе изготовления плоского кабеля.
Кабель связи целесообразно выполнить в виде двух однопроволочных или многопроволочных изолированных полимером токопроводящих жил, скрученных между собой. Использование двух одинаковых токопроводящих жил позволяет создать систему симметричной связи, обеспечивающую нейтрализацию синфазных шумов. Преимущественно применяют многопроволочную токопроводящую жилу, обеспечивающую меньший радиус изгиба. При намотке плоского кабеля на приемный барабан с большим диаметром токопроводящие жилы кабеля связи выполняют однопроволочными. Для равномерного распределения возникающих в процессе изготовления и при эксплуатации растягивающих усилий изолированные токопроводящие жилы скручивают между собой. Кроме того, в кабелях связи скрутка жил является защитой от электромагнитных воздействий.
Если скрутка жил между собой не является достаточной защитой от электромагнитного поля кабеля питания, то на скрученные между собой жилы кабеля связи целесообразно дополнительно наложить электрический экран.
Для выравнивания наружных размеров линейных элементов между собой на кабель связи в виде двух скрученных между собой изолированных токопроводящих жил (поверх экрана, при его наличии) целесообразно дополнительно наложить полимерную оболочку, выполняющую защитную функцию в процессе изготовления плоского кабеля.
С целью обеспечения компактности антенны целесообразно питание и информационные сигналы передавать по одному кабелю из двух изолированных токопроводящих жил, для чего на каждой плате перед входом в кабель и на его выходе должны быть установлены сплиттеры, разделяющие информационные сигналы и силовую компоненту питания.
Для повышения структурной однородности при одновременной передаче информационных сигналов и питания по одному кабелю целесообразно выполнить кабель симметричным коаксиальным, имеющим одинаковые электрические сопротивления постоянному току внутреннего и внешнего проводников.
Влагозащитную оболочку плоского кабеля целесообразно выполнить из термопластичного полиуретанового эластомера, обладающего достаточной эластичностью при необходимой влагонепроницаемости.
С целью определения уровня погружения антенны целесообразно в поплавках установить уровнемеры для контроля заполнения поплавков тяжелой жидкостью. При установлении зависимости глубины погружения антенны от уровня заполнения поплавка тяжелой жидкостью можно регулировать глубину пролегания антенны. Для этого необходимо наличие устройства для передачи в диспетчерский пункт информации об уровне тяжелой жидкости в поплавке, подсоединенного к кабелю связи.
Во втором варианте антенна представляет собой совокупность из нескольких ординарных антенн по п.1 формулы изобретения.
Технический результат достигается тем, что предлагается гибкая протяженная гидроакустическая антенна, содержащая силовой элемент в виде троса, кабель питания и кабель связи, чувствительные элементы и электронные блоки, расположенные с определенным интервалом вдоль антенны, причем каждый чувствительный элемент выполнен в виде протяженного отрезка кабеля с изоляцией из эластичного пьезоэлектрического материала, а каждый электронный блок подключен к кабелю питания, каждая гибкая плата содержит последовательно соединенные малошумящий усилитель, аналого-цифровой преобразователь и блок подготовки и передачи информации, при этом входы малошумящих усилителей соединены с соответствующими выходами чувствительных элементов, а выходы блоков подготовки и передачи информации соединены с кабелем связи. Антенна выполнена в виде группы из нескольких плоских кабелей, проходящих каждый сквозь несколько поплавков овальной формы, ориентирующих плоскую часть кабелей в вертикальном направлении и частично заполненных тяжелой жидкостью с плотностью, большей 1,0 г/см
, причем поплавки разных кабелей объединены в группы по вертикали и каждая группа соединена между собой жестким штоком, образуя плоскую конструкцию из нескольких кабелей. Силовой элемент каждого плоского кабеля выполнен в виде двух тросов или прочных нитей, или стеклопластиковых, или арамиднопластиковых прутков, покрытых полимером, размещенных по краям каждого плоского кабеля. Каждый плоский кабель выполнен в виде комбинированного устройства из чередующихся друг за другом плат с электронными блоками и наборов линейных элементов, в число которых входят силовой элемент, не менее одного чувствительного элемента, кабели питания и связи, не менее одной трубки для подачи тяжелой жидкости и трубка для выведения вытесняемого воздуха с влагозащитной полимерной оболочкой. Антенна имеет группу насосов по числу плоских кабелей для подачи тяжелой жидкости в поплавки.
3
Чувствительные элементы в каждом плоском кабеле проложены прямолинейно. Плоские кабели в водном пространстве сориентированы вертикально за счет овальных поплавков, основание которых утяжелено тяжелой жидкостью с плотностью более 1,0 г/см
. Кроме того, поплавки, расположенные друг над другом по вертикали, соединены между собой жестким штоком. Изменяя уровень заполнения основания поплавков, тяжелой жидкостью регулируют глубину погружения антенны в воду. Штоки позволяют расположить плоские кабели антенны единым полотном и также сориентировать его в вертикальной плоскости. Выполнение совокупности условий обеспечивает для каждого элементарного участка поверхности чувствительного элемента каждого кабеля на прямой распространения акустического сигнала от пеленгуемого источника шума нахождение только слоя влагозащитной оболочки плоского кабеля одинаковой толщины. Поэтому разница в принимаемых сигналах будет определяться только расстоянием от источника шума до элементарного участка поверхности чувствительного элемента, принимающей сигнал, что и подтверждает достижение технического результата.
3
Использование нескольких плоских кабелей для приема сигналов позволяет достичь дополнительного преимущества. Волна, исходящая от одного источника, но проходящая разными путями, может считаться когерентной и интерферирует сама с собой (Г.А.Зисман, О.М.Тодес «Курс общей физики», т.3, М., издательство «Наука», 1968).
В связи с этим разность фаз, взятых на одной вертикали, но в чувствительных элементах разных плоских кабелей, будет постоянной и не зависящей от начальной фазы волны. Если измерить фазу приходящих волн в чувствительных элементах разных кабелей в точках, расположенных на одной вертикали, то подобрав необходимое количество уравнений, можно вычислить месторасположение пеленгуемого источника шума по вертикали, что не удается определить с помощью ординарной антенны.
Использование в предлагаемой гибкой протяженной гидроакустической антенне чувствительных элементов в виде протяженного отрезка кабеля с изоляцией из эластичного пьезоэлектрического материала позволяет использовать их для построения длинномерных линейных полей.
Также как и в первом варианте с целью упрощения процесса подсоединения и обеспечения равномерности натяжения линейных элементов целесообразно с двух сторон плат с электронными блоками установить на каждой плате две группы соединителей по числу линейных элементов каждая, для обеспечения сквозной непрерывности кабелей питания и связи между входными и выходными соединителями проложить на платах полосковые линии, для заполнения пространства линейных элементов в сердечнике плоского кабеля дополнительно проложить кордели, кабель питания выполнить из двух однопроволочных или многопроволочных изолированных полимером токопроводящих жил, скрученных между собой, для выравнивания наружных размеров линейных элементов между собой на кабель из двух скрученных изолированных токопроводящих жил наложить полимерную оболочку, кабель связи выполнить в виде двух однопроволочных или многопроволочных изолированных полимером токопроводящих жил, скрученных между собой, с целью дополнительной защиты от воздействия электромагнитного поля кабеля питания на скрученные между собой жилы кабеля связи наложить электрический экран, для выравнивания наружных размеров линейных элементов между собой на кабель связи в виде двух скрученных между собой изолированных токопроводящих жил или поверх экрана наложить полимерную оболочку, с целью повышения компактности экономичности конструкции целесообразно информационные сигналы и питание передавать по одному кабелю, для повышения структурной однородности выполнить кабель для одновременной передачи питания и информационных сигналов симметричным коаксиальным, влагозащитную оболочку плоского кабеля выполнить из термопластичного полиуретанового эластомера.
Для выравнивания в вертикальной плоскости всей системы кабелей со штоками целесообразно снабдить антенну устройством для измерения угла отклонения от вертикали и передачи информации по одному из кабелей связи в любом плоском кабеле.
С целью экономии целесообразно применить один насос с устройством для автоматического переключения трубок для подачи тяжелой жидкости в поплавки и контроля уровня жидкости в поплавках.
Предлагаемое изобретение поясняется конкретными примерами выполнения, представленными на чертежах:
- Фиг.1 - схематическое изображение комбинированного устройства, являющегося сердечником плоского кабеля;
- Фиг.2 - схематическое изображение отрезка антенны в виде одиночного плоского кабеля с поплавками;
- Фиг.3 - схематическое изображение отрезка антенны в виде нескольких плоских кабелей с поплавками, соединенными по вертикали штоками.
На Фиг.1 представлено комбинированное устройство 1, являющееся сердечником плоского кабеля, состоящее из последовательно соединенных плат с электронными блоками 2 через соединители 3 с линейными элементами, включающими силовой элемент 4 из покрытых полимером тросов или прочных нитей, или стеклопластиковых, или арамиднопластиковых прутков, кабель питания 5, чувствительный элемент 6, кабель связи 7 и трубки 8 для подачи тяжелой жидкости в поплавки и удаления вытесняемого воздуха.
Изображенная на Фиг.2 гибкая протяженная гидроакустическая антенна 9 состоит из плоского кабеля 10, выполненного в виде комбинированного устройства 1, состоящего из последовательно соединенных плат с электронными блоками 2 через соединители 3 с линейными элементами, включающими силовой элемент 4 из покрытых полимером тросов или прочных нитей, или стеклопластиковых, или арамиднопластиковых прутков, кабель питания 5, чувствительный элемент 6, кабель связи 7 и трубок 8 для подачи тяжелой жидкости и удалении вытесняемого воздуха с влагозащитной оболочкой, и поплавками овальной формы 11.
Изображенная на чертеже Фиг.3, гибкая протяженная гидроакустическая антенна 12 состоит из плоский кабелей 10, выполненных каждый в виде комбинированного устройства 1, состоящего из последовательно соединенных плат с электронными блоками 2 через соединители 3 с линейными элементами, включающими силовой элемент 4 из покрытых полимером тросов или прочных нитей, или стеклопластиковых, или арамиднопластиковых прутков, кабель питания 5, чувствительный элемент 6, кабель связи 7 и трубок 8 для подачи тяжелой жидкости и удалении вытесняемого воздуха с влагозащитной оболочкой, и поплавками овальной формы 11 и штоками 13.
Технология изготовления гибкой протяженной гидроакустической антенны 8 согласно заявленному изобретению включает следующие операции.
1. Линейные элементы.
Токопроводящие жилы кабелей питания 5 и связи 7 преимущественно изготавливают мягкими медными или медными лужеными однопроволочными или многопроволочными.
Медные проволоки для токопроводящих жил изготавливаются из медной проволоки «катанки», как правило, диаметром 8 мм методом волочения. В зависимости от диаметра готовой проволоки могут использоваться следующие операции: грубое и среднее волочение или грубое, среднее и тонкое волочение.
Для обеспечения мягкости проволоку подвергают отжигу в специальных печах отжига или на проход на операции волочения. Для получения луженых проволок отжиг не требуется. Лужение производится горячим способом, в результате чего проволока становится мягкой.
Многопроволочные токопроводящие жилы скручиваются из необходимого количества проволок на крутильных машинах сигарного, рамочного или фонарного типа.
Тросы или прочные нити, или стеклопластиковые, или арамиднопластиковые прутки и чувствительные элементы 6 покупают готовыми.
Полимерную изоляцию на токопроводящие жилы кабелей питания 5 и связи 7 и покрытия тросов, прочных нитей или прутков силового элемента 4 накладывают на экструзионных линиях.
Скрутку изолированных токопроводящих жил кабелей питания 5 и связи 7 производят обычно на машинах скрутки рамочного типа.
Экран на токопроводящие жилы кабеля связи 7 может быть наложен в виде оплетки или обмотки из круглых медных проволок, в виде металлополимерной ленты металлом внутрь, наложенной продольно или обмоткой по спирали, с подпущенной под ним медной луженой дренажной жилой или комбинированным в виде оплетки или обмотки с проложенной под ним металлополимерной лентой металлом кверху.
Электрический экран в виде оплетки или обмотки накладывается на оплеточных или обмоточных машинах. Предварительно возможна тростка (объединение) проволок в пучки на тростильных машинах.
Электрический экран из металлополимерной ленты накладывается обмоткой по спирали с перекрытием на обмоточных машинах или продольно с перекрытием на операции наложения полимерной оболочки. Экран накладывается металлом внутрь, а под него подпускают продольно медную луженую дренажную жилу. Возможно продольное наложение экрана из металлополимерной ленты металлом внутрь с подпуском медной луженой дренажной жилы при одновременном наложении полимерной оболочки.
При изготовлении комбинированного электрического экрана металлополимерную ленту подпускают продольно с перекрытием металлическим слоем кверху под оплетку или обмотку на оплеточной или обмоточной машине соответственно. Трубки 8 изготавливают на экструзионной линии.
Оболочку кабелей питания 5 и связи 7 накладывают на экструзионных линиях.
2. Плоский кабель 10.
Сборку комбинированного устройства, являющегося сердечником плоского кабеля, производят на специальной установке, включающей в себя отдающие барабанные устройства с гусеничной тягой для каждого устройства, разделочного стола и приемного барабанного устройства с раскладчиком.
Первую плату с электронными блоками 2 закрепляют на разделочном столе, с входной стороны подсоединяют два коротких силовых элемента, проводят их через раскладчик и закрепляют на приемном барабане. Линейные элементы проводят через гусеничные тяговые устройства и подают на разделочный стол. Подсоединяют линейные элементы к соединителям платы с выходной стороны.
Вращение приемного барабана синхронизировано со скоростью подачи линейных элементов гусеничными тяговыми устройствами и вращением барабанов с линейными элементами на отдающих устройствах. Отдающие устройства могут быть флайерного типа.
После намотки требуемой длины линейных элементов движение прекращают, линейные элементы отрубают и устанавливают новую плату 2 с электронными блоками. Затем производят подсоединение линейных элементов с входной и выходной стороны. Далее производят перемотку и все повторяется.
Наложение полимерной оболочки на плоский кабель 10 производят по стандартной технологии на экструзионной линии.
3. Гибкая протяженная гидроакустическая антенна 9.
Сборка гибкой протяженной гидроакустической антенны 9 заключается в проведении плоского кабеля 10 сквозь поплавки 11, скреплении их в определенных точках и подсоединения трубок 8 для подачи тяжелой жидкости в поплавки и удаления вытесняемого воздуха с соответствующим выходными отверстиями в поплавках и их герметизации.
4. Гибкая протяженная гидроакустическая антенна 12.
Сборка гибкой протяженной гидроакустической антенны 12 заключается в сборке нескольких гибких протяженных гидроакустических антенн 9 и подсоединения штоков 13 короткими перемычками с поплавками 11 так, чтобы штоки 13 и плоские кабели 10 были взаимно перпендикулярны.
Был изготовлен макетный образец гибкой протяженной гидроакустической антенны 9 длиной 3 м. Макет (нижняя часть) был погружен в воду на глубину 10 м. На расстоянии 10 м установили точечный источник звука и перемещали его параллельно антенне. Снимаемые с чувствительного элемента сигналы были идентичны в пределах допустимой погрешности.
Был изготовлен макетный образец гибкой протяженной гидроакустической антенны 12 длиной 3 м и высотой 1,5 м из трех ординарных гибких протяженных гидроакустических антенн 9. Антенна была погружена в воду так, что верхняя грань верхнего плоского кабеля располагалась на уровне зеркала воды. На расстоянии 10 м установили точечный источник звука и перемещали его по вертикали. Произведенные на основании измеренных значений расчеты позволяли определить месторасположение источника звука в пределах допустимой погрешности.