ГИБКАЯ ПРОТЯЖЕННАЯ ПРИЕМНАЯ ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ АНТЕННА
FLEXIBLE EXTENDED HYDROACOUSTIC RECEPTION ANTENNA

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к гидроакустическим системам навигации подводных аппаратов, и может быть использовано при разработке гибких протяженных антенн в системах шумопеленгования надводных кораблей и подводных лодок, а также при разработке буксируемых морских сейсмокос при морской разведке полезных ископаемых.
Известно устройство гибкой протяженной приемной гидроакустической антенны, содержащее наружную герметичную оболочку из поливинилхлорида, внутри которой расположен силовой элемент в виде якоря-фала с концевым телом, датчики курса и глубины, антенные модули в виде расположенных вдоль оси гидрофонов из пьезокерамики, соединенные с блоком фильтрации и усиления, блоки частотного или временного уплотнения и линию связи (Ю.А. Корякин и др. ФГУП «ЦНИИ» Морфизприбор», Корабельная гидроакустическая техника, изд-во «Наука» Санкт-Петербург, 2004 г., стр. 191-193).
Недостатками известного устройства являются неудобства при операциях постановки и выборки антенны из-за большого диаметра и веса, нестойкость к ударным нагрузкам из-за хрупкости пьезокерамики, а также необходимость использования большого количества каналов передачи информации.
Известно устройство гибкой протяженной приемной гидроакустической антенны, в которой сокращено количество каналов передачи информации за счет того, что она содержит ряд объединенных в одном шланге линейных эквидистантных субантенн, в каждую из которых входят гидроакустические преобразователи, фазовые центры которых размещены на расстоянии, равном половине длины волны верхней частоты диапазона субантенны, предварительные усилители и линии передачи информации к бортовой аппаратуре, при этом каждый преобразователь, усилитель и линия передачи соединены последовательно, образуя приемный канал, а каждая субантенна поделена на определенное число эквидистантных групп с определенным числом приемных каналов в группе (патент РФ №1840453 А1, МПК G01S 7/52, 2006 г.)
Недостатками этого устройства являются неудобства при операциях постановки и выборки антенны из-за большого диаметра и веса, нестойкость к ударным нагрузкам из-за хрупкости пьезокерамики.
Известна гибкая протяженная приемная гидроакустическая кабельная антенна, содержащая силовой элемент в виде кевларового троса, кабель питания и кабель линии связи с изоляцией из полихлорвинила, 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 малошумный усилитель, аналого-цифровой преобразователь и блок подготовки и передачи информации, при этом вход малошумного усилителя соединен с выходом чувствительного элемента, а выход блока подготовки и передачи информации соединен с линией связи, причем кабель питания и кабель линии связи выполнен в виде единого кабеля из двух витых пар проводников, кевларовый трос прикреплен к этому кабелю на скользящей посадке, чувствительные элементы выполнены в виде пьезокерамических цилиндров, платы электронных блоков размещены в металлических корпусах, на кабель надет армированный рукав, который склеен с ним с использованием термообжатия, места соединения проводов к жилам кабеля вместе с чувствительным элементом, корпусом электронного блока и концами рукава залито эластичным полимерным компаундом, поверх которого размещена термоусадочная трубка (Цифровая кабельная антенна, Сборник трудов ИПФ РАН, Нижний Новгород, Изд-во ИПФ РАН, 2002 г., стр. 50-57).
Недостатками этого устройства являются неудобства при операциях постановки и выборки антенны из-за большого диаметра и веса, наличия выступающих за пределы кабеля гидрофонов и крепления силового элемента снаружи кабеля, нестойкость к ударным нагрузкам из-за хрупкости пьезокерамики, а также повышенный уровень гидродинамических шумов из-за малого продольного размера чувствительных элементов.
Известна гибкая протяженная приемная гидроакустическая антенна, содержащая внешнюю эластичную кабельную оболочку с размещенными внутри нее приемниками, состоящими из двух одинаковых чувствительных пьезоэлементов, выполненных из электрически поляризованной пьезоэлектрической пленки с нанесенными на ее поверхности и прочно сцепленными с ней электродами, герметичных корпусов с вмонтированными в них электронными платами с дифференциальными усилителями и аналого-цифровыми преобразователями, цифровой линией связи и линией питания, причем к входам дифференциальных усилителей противофазно подключены чувствительные пьзоэлементы, а к выходам - аналого-цифровые преобразователи, выходы которых подключены к цифровой линии связи, а также силовой элемент из прочных эластичных нитей, при этом герметичные корпуса выполнены в виде тонкостенных цилиндров из прочного пластика, к внутренней поверхности которых прикреплены соответственно чувствительные пленочные пьезоэлементы сторонами с противоположными знаками полюсов электрической поляризации, причем направление вытяжки пленки направлено по окружности, а торцы герметичных корпусов закрыты крышками, при этом крышки имеют цилиндрические поверхности, которые находятся в контакте с внутренними поверхностями корпусов, пленочные пьезоэлементы выполнены в виде двух колец, прикрепленных к внутренней поверхности корпусов со стороны соответствующих крышек противоположными полюсами поляризации, а силовой элемент выполнен в виде троса из эластичных нитей и пропущен по оси корпусов через герметично закрепленные в крышках корпусов трубки (патент России №2458359, МПК G01S 7/52, G01V 1/38, приоритет 06.07.2011 г.)
Недостатками данного устройства являются низкая чувствительность из-за торможения торцов цилиндрических оболочек корпусов приемников крышками при его колебаниях и сильная зависимость чувствительности от глубины погружения из-за увеличения силы прижатия крышек при увеличении давления, а также большой диаметр из-за центрального расположения силового элемента.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) к предлагаемому устройству является гибкая протяженная приемная гидроакустическая антенна, содержащая внешнюю эластичную кабельную оболочку, в которую вмонтирован выполненный в виде сетчатой оплетки армирующий силовой элемент, размещенный внутри оболочки набор приемников, каждый из которых состоит из двух одинаковых чувствительных элементов, герметичные корпуса с вмонтированными в них электронными платами с дифференциальными усилителями и аналого-цифровыми преобразователями, жгут проводов цифровой линии связи и линии питания, причем к входам дифференциальных усилителей противофазно подключены чувствительные элементы, а к выходам - аналого-цифровые преобразователи, выходы которых подключены к цифровой линии связи, при этом чувствительные пьезоэлементы выполнены из электрически поляризованной пьезоэлектрической пленки с нанесенными на ее поверхности и прочно сцепленными с ней электродами, герметичные корпуса выполнены в виде тонкостенных цилиндров из прочного пластика, к внутренней поверхности которых прикреплены соответственно чувствительные пленочные пьезоэлементы сторонами с противоположными знаками полюсов электрической поляризации, причем направление вытяжки пленки направлено по окружности, а торцы цилиндрических корпусов закрыты крышками, на внешних поверхностях крышек выполнены кольцевые канавки, в которых установлены уплотнительные кольца, между крышками внутри герметичных корпусов установлены опорные жесткие элементы, пленочные пьезоэлементы выполнены в виде двух полуцилиндрических оболочек, прикрепленных с зазором к внутренней поверхности корпусов противоположными полюсами поляризации по всей их длине (патент РФ №2511076 от 16.10.2012 г. МПК G01S 7/52).
Недостатком прототипа является низкая помехозащищенность из-за достаточно высокого уровня гидродинамических шумов, обусловленного малой протяженностью чувствительных элементов, а также низкий частотный диапазон из-за большой жесткости приемных чувствительных элементов.
Техническим результатом изобретения является снижение гидродинамических шумов и расширение частотной полосы антенны в области низких частот за счет использования эластичных витых пьезокабельных чувствительных элементов.
Технический результат достигается за счет того, что в гибкой протяженной приемной гидроакустической антенне, содержащей внешнюю эластичную кабельную оболочку, в которую вмонтирован выполненный в виде сетчатой оплетки армирующий силовой элемент, размещенный внутри оболочки набор приемников, каждый из которых состоит из двух одинаковых чувствительных элементов, герметичные корпуса с вмонтированными в них электронными платами с дифференциальными усилителями и аналого-цифровыми преобразователями, причем к входам дифференциальных усилителей противофазно подключены чувствительные элементы, а к выходам - аналого-цифровые преобразователи, жгут проводов цифровой линии связи и линии питания, к которому подключены дифференциальные усилители и аналого-цифровые преобразователи, электронные платы с дифференциальными усилителями и аналого-цифровыми преобразователями размещены в отдельных герметичных корпусах с крышками, в которые вмонтированы на их продольной оси с противоположных сторон герметичные контакты, при этом чувствительные элементы размещены в отдельных корпусах с крышками, в которые также вмонтированы герметичные контакты, соединенные с соответствующим жгутом проводов цифровой линии связи и линии питания, причем корпуса с чувствительными элементами снабжены закрепленными на оси эластичными цилиндрическими трубками, внутри которых пропущен жгут проводов цифровой линии связи и линии питания, чувствительные элементы выполнены в виде пьезоэлектрических коаксиальных кабелей с противоположной поляризацией, навитых под углом двумя параллельными спиралями вокруг внешних поверхностей соответствующих эластичных цилиндрических трубок, при этом вокруг внешних поверхностей корпусов введен электростатический экран в виде сетчатой оплетки, поверх электростатического экрана на крышках корпусов установлены центрирующие втулки из эластичного материала с продольными наружными выступами, а пространство внутри эластичных трубок, а также между эластичными трубками, пьезоэлектрическими коаксиальными кабелями, электростатическим экраном и армирующим силовым элементом заполнено вязкой звукопоглощающей эластичной средой, например гидрофобным гелем.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых на Фиг. 1 представлен осевой, а на Фиг. 2 и Фиг. 3 представлены поперечные разрезы предлагаемого устройства антенны.
Гибкая протяженная приемная гидроакустическая антенна содержит внешнюю эластичную кабельную оболочку 1, в которую вмонтирован выполненный в виде сетчатой оплетки армирующий силовой элемент 2, размещенный внутри оболочки набор приемников, каждый из которых состоит из двух одинаковых чувствительных элементов 3 и 4, герметичные корпуса 5 с вмонтированными в них электронными платами с дифференциальными усилителями 7 и аналого-цифровыми преобразователями 8, причем к входам дифференциальных усилителей 7 противофазно подключены чувствительные элементы 3 и 4, а к выходам - аналого-цифровые преобразователи 8, жгут проводов цифровой линии связи и линии питания 9, к которому подключены дифференциальные усилители 7 и аналого-цифровые преобразователи 8, при этом электронные платы с дифференциальными усилителями 7 и аналого-цифровыми преобразователями 8 размещены в отдельных герметичных корпусах 5 с крышками 6, в которые вмонтированы на их продольной оси с противоположных сторон герметичные контакты 10, при этом чувствительные элементы 3 и 4 размещены в отдельных корпусах с крышками 11, в которые также вмонтированы герметичные контакты 9, соединенные с соответствующим жгутом проводов цифровой линии связи и линии питания 9, причем корпуса с чувствительными элементами снабжены закрепленными на оси эластичными цилиндрическими трубками 12, внутри которых пропущен жгут проводов цифровой линии связи и линии питания 9, чувствительные элементы выполнены в виде пьезоэлектрических коаксиальных кабелей 3 и 4 с противоположной поляризацией, навитых под углом двумя параллельными спиралями вокруг внешних поверхностей соответствующих эластичных цилиндрических трубок 12, при этом вокруг внешних поверхностей корпусов введен электростатический экран 13 в виде сетчатой оплетки, поверх электростатического экрана 13 на крышках 6 и 11 корпусов установлены центрирующие втулки 14 из эластичного материала с продольными наружными выступами 15, а пространство внутри эластичных трубок 12, а также между эластичными трубками, пьезоэлектрическими коаксиальными кабелями 3 и 4, электростатическим экраном 13 и армирующим силовым элементом 2 заполнено вязкой звукопоглощающей эластичной средой 16, например гидрофобным гелем.
Гибкая протяженная приемная гидроакустическая антенна работает следующим образом. При расположении антенны в воде на пары отрезков чувствительных элементов, выполненных из пьезоэлектрических коаксиальных кабелей 3 и 4 с противоположной поляризацией, навитых под углом двумя параллельными спиралями вокруг внешних поверхностей соответствующих эластичных цилиндрических трубок 12, падают акустические волны, создавая за счет пьезоэффекта электрические сигналы на их выходах. Эти сигналы усиливаются соответствующими дифференциальными усилителями 7, оцифровываются аналого-цифровыми преобразователями 8 и передаются через герметичные контакты 10 и жгут проводов цифровой линии связи и линии питания 9 к бортовой аппаратуре обработки. Расположение силового элемента 2 в виде сетчатой оплетки из сверхпрочной нити, вмонтированного в наружную оболочку 1, освобождает центральную часть антенны для расположения корпусов 5 с электронными устройствами и эластичных трубок 12 с навитыми на них пьезокабельными элементами 3 и 4, жгута проводов с кабелями линии питания и линии связи 9, что позволяет расположить платы 7 и 8 с электронными блоками в центральных частях антенны и обеспечить нанесение внешней герметизирующей оболочки 1 с встроенным в него силовым элементом 2 по кабельной технологии, что позволяет изготовить антенну без выступающих частей в виде единого кабеля и снизить существенно гидродинамические помехи в дополнение к эффекту их снижения за счет протяженности чувствительных пьезокабельных элементов. Выполнение корпусов с крышками 6 и 11, снабженных герметичными контактами 10, обеспечивает возможность их отдельного модульного изготовления и технологичность при сборке внутри кабельной оболочки. Электростатический экран 13 обеспечивает снижение уровня электрических помех, а центрирующие втулки 14 с продольными выступами 15 обеспечивают расположение элементов антенны строго по осевой линии. Введение трубки 12 из эластичного материала, вокруг которой навиты пьезокабельные чувствительные элементы 3 и 4, обеспечивает расширение полосы частот в область низких частот, а за счет заполнения внутреннего пространства антенны гидрофобным гелем 16 ни в самой трубке 12, ни в ее полости не возникают резонансные колебания из-за поглощения этих колебаний вязкой средой, а собственные колебания самих протяженных пьезокабельных элементов 3 и 4 не возникают в низком диапазоне частот, так как они имеют очень низкие собственные частоты, не мешающие работе антенны.