Гидроакустические пассивные корабельные системы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Санкт-Петербургский Государственный Морской Технический Университет

Реферат

по дисциплине: «Проектирование АГАС»

тема: «Гидроакустические пассивные корабельные системы»

Выполнил:

Студент 5-го курса ВЗФ (ЗО)

Шабалин К.В.

№ зач. кн. 106106 Спец.180304

Санкт-Петербург 2013

Введение

Гидроакустика - раздел акустики, изучающий излучение, прием и распространение звуковых волн в реальной водной среде (в океане, морях, озёрах и т.д.) для целей подводной локации, связи и т.п.

Это наука о подводном звуке, о его излучении, распространении, поглощении, рассеянии, отражении, приеме и отрасль техники, базирующаяся на достижениях этой науки.

Гидроакустика получила широкое практическое применение, ибо никакие виды электромагнитных волн не распространяются в воде (вследствие её электропроводности) на сколько-нибудь значительном расстоянии, и звук, в связи с этим является единственным возможным средством связи под водой.

Для этих целей пользуются звуковыми частотами от 300 до 10000 Гц и ультразвуками от 10000 Гц и выше. В качестве излучателей и приёмников в звуковой области используются электродинамические и пьезоэлектрические излучатели и гидрофоны, а в ультразвуковой - пьезоэлектрические и магнитострикционные. Кроме звукоподводной связи гидроакустика применяется для:

Обнаружения шумовых сигналов и определения направления на них;

Излучения акустических сигналов, обнаружения отраженных сигналов и определения координат;

Классификации обнаруженных сигналов

Наиболее существенные применения гидроакустики:

Для решения военных задач;

Морская навигация;

Звукоподводная связь;

Рыбопоисковая разведка;

Океанологические исследования;

Сферы деятельности по освоению богатств дна Мирового океана;

Использование акустики в бассейне (дома или в тренировочном центре по синхронному плаванию)

Тренировка морских животных.

Решение военных задач сыграло одну из самых важных ролей в развитии гидроакустических систем. Гидроакустические системы занимают особое место среди радиоэлектронного вооружения кораблей, прежде всего ПЛ и ПА, определяя во многом эффективность решения ими разнообразных тактических задач. Меняется геополитическая ситуация, корректируются военно-морские доктрины ведущих мировых держав, трансформируется круг задач, требующих решения. Однако гидроакустические системы, адаптируясь к новым задачам и новым условиям работы, неизменно сохраняют свою роль на кораблях.

В зависимости от того, как отражается гидроакустический полезный сигнал, различают следующие виды гидролокационного наблюдения.

Гидролокационные системы наблюдения, основанные на отражении от объектов звуковых сигналов, излучаемых генератором гидролокационной системы. Отраженный гидроакустический сигнал несет информацию о координатах, параметрах движения объекта и о его физических особенностях. Такие гидролокационные системы называются активными. Они позволяют обнаруживать объекты, не являющиеся источниками активных излучений.

Гидролокационные системы наблюдения, основанные на приеме сигналов собственного акустического излучения объектов. Это пассивные гидролокационные системы. К полезным сигналам пассивных систем можно отнести шумы механизмов и машин, гидродинамические шумы, излучения генераторов гидролокационных систем.

1. Гидроакустические пассивные корабельные системы

В классе пассивных гидроакустических станций (ГАС) могут быть выделены их три основных разновидности: ГАС шумопеленгования целей, ГАС пассивного определения КПДЦ, ГАС обнаружения сигналов работающих гидролокаторов (ОГС), называемые за рубежом гидроакустическими станциями перехвата (Intersept-Sonar).

Полезный сигнал на входе ГАС шумопеленгования обусловлен первичным акустическим полем цели. В общем случае акустическое поле цели может быть представлено в виде суммы широкополосного шума, обладающего непрерывным спектром, и узкополосных дискретных составляющих, обусловленных работой корабельных механизмов (рис.)

Широкополосные шумы могут быть вызваны обтеканием корпуса корабля и лопастей винта водой, турбулентностью жидкости и пара в трубопроводах, вибрацией множества корабельных конструкций. Шумы винтов корабля могут содержать в себе широкополосный шум кавитации. Долгое время кавитация на винтах была преобладающим источником широкополосного шума кораблей, в том числе ПЛ. У современных ПЛ она возникает только при высоких скоростях. Кавитация может быть вызвана также нарушением плавности обводов корпуса корабля. Широкополосные шумы зависят от скорости ПЛ. Узкополосные шумы обусловлены работой корабельных механизмов, в особенности таких устройств, как главные циркулярные насосы ядерной энергетической установки, турбина, редуктор и пр. Они могут представлять собой отдельные спектральные линии (дискреты) на основной частоте вибраций механизма, либо на ее гармониках. Дискретные составляющие, обусловленные работой вспомогательных механизмов, как правило, стабильны по уровню и частоте и не зависят от скорости корабля. Ширина спектральной линии составляет 0,03-0,3% от частоты и пропорциональна ей. Шумоизлучение ПЛ в области очень низких частот (единицы Гц) вызывается вибрацией корпуса ПЛ и вращением винта. Этот низкочастотный шум, претерпевающий малое затухание при распространении, может обнаруживаться на значительном расстоянии. Амплитуда и частота дискретных составляющих, обусловленных системой движения и винтами ПЛ, изменяются в зависимости от скорости ПЛ; их ширина обычно больше, чем у л дискретных компонент, возникающих вследствие работы вспомогательных механизмов. В некоторых случаях дискретные составляющие образуют звукоряды. В высокочастотной части спектра могут присутствовать кратковременные шумы, обусловленные открыванием крышек торпедных аппаратов, пуском торпед и ракет, а также интенсивным маневрированием ПЛ.

Сущность процесса шумопеленгования заключается в обнаружении сигнала и измерении его параметров на фоне шумовой помехи, которая так же, как и полезный сигнал представляет собою в общем случае сумму широкополосных и узкополосных компонент и импульсных процессов. Эта задача должна решаться при отношении уровней сигнала и помехи в поле вблизи антенны много меньше единицы. Поэтому в основу процедуры обнаружения цели было положено выявление пространственной корреляции поля, имеющей место на участке фронта волны сигнала в пределах апертуры приемной антенны. Процедура пеленгования цели в горизонтальной и вертикальной плоскостях заключается в определении пространственной ориентации волнового фронта, принадлежащего обнаруженному сигналу. Последующая обработка сигнала направлена на измерение его параметров в интересах решения обратных задач гидроакустики: определения координат и элементов движения источника, его принадлежность к тому или иному классу целей. При этом используются спектральные характеристики сигнала (в том числе его спектр и спектр огибающей), энергетические характеристики, динамика изменения уровня сигнала и пеленга, разность времени прихода сигнала по разным лучам и т.п.

2. Гидроакустические антенны

Гидроакустическая антенная техника относится к категории наиболее научно и технологически емких направлений прикладной гидроакустики. Гидроакустическая антенна - важнейший структурный элемент любой гидроакустической системы, во многом определяющий ее ТТХ: дальность действия, помехоустойчивость, сектор обзора, пространственную разрешающую способность и т.п. Стабильность параметров антенны во времени имеет решающее значение для обеспечения заданных ТТХ ГАК и ГАС в процессе их длительной эксплуатации на кораблях. Приемная антенна выполняет роль пространственного фильтра, обеспечивая решение таких важных задач, как:

- определение направленности прихода сигналов в горизонтальной и вертикальной плоскостях;

- угловое разрешение источников принимаемых сигналов;

- снижение влияния окружающего фонового шума на прием сигналов.

Основные параметры, определяющие направленные свойства антенны, - коэффициенты концентрации и помехоустойчивость антенны по сравнению с ненаправленным приемником в изотропном и анизотропном полях помех соответственно.

Структурообразующими элементами гидроакустической антенны являются обратимые электроакустические преобразователи (ЭАП) и гидрофоны, акустические экраны, а также антенные обтекатели.

Антенны, используемые в корабельных ГАС и ГАК, отличаются значительным разнообразием по форме и размеру, способам формирования и управления ХН, типу примененных электроакустических преобразователей, способу размещения на корабле и условиям эксплуатации. Выбор той или иной антенны определяется в конечном счете результатом системного анализа по критерию «корабль-ГАК», при котором учитываются требования согласования формы антенны с обводами корабля и его размерениями при обеспечении необходимых углов обзора. По способам размещения антенны подразделяются на устанавливаемые на корпус корабля, буксируемые и опускаемые.

В соответствии с заданием, мы рассмотрим антенны, устанавливаемые на корпус корабля и буксируемые.

3. Антенны, устанавливаемые на корпусе корабля

Бортовые линейные антенны (Flank Line Array) получили применение в последние десятилетия на ПЛ, например в ВМС Франции и ФРГ, в качестве приемных антенн. Такие антенны состоят из отдельных гидрофонов, размещаемых вдоль борта ПЛ (рис.).

Для эффективной работы антенны гидрофоны должны быть защищены от помех, идущих со стороны корпуса ПЛ, и от гидродинамической помехи. Первая задача решается с помощью акустических экранов и устройств виброразвязки гидрофонов, а вторая задача - путем монтажа гидрофонов в обтекателе таким образом, чтобы их отстояние от пограничного слоя жидкости составляло несколько десятков сантиметров. Общая толщина антенны, необходимая для эффективного подавления помех, достигает 60 см. Такой антенне свойственны определенные недостатки. Обтекатель имеет весьма большой вес и выступает за обводы корпуса. При значительной протяженности антенны (несколько десятков метров) обтекатель способствует возникновению турбулентности и, как следствие, увеличению уровня гидродинамической помехи. Значительному отстоянию гидрофонов линейной антенны от корпуса может приводить к нежелательным эффектам, связанным с интерференцией полезного сигнала и сигналов, отраженных от корпуса корабля из-за неидеальности его защитных покрытий. Этот эффект может быть усугублен наличием резонансных явлений при отражении сигналов от корпуса ПЛ и его элементов, что значительно осложняет формирование характеристик направленности. Дальнейшим шагом в развитии бортовых антенн стало создание плоских бортовых антенн (Planar Array). гидроакустика антенна корабль

Плоские антенны рассматривались в качестве приемно-излучающих антенн для НК и ПЛ еще в 1960-е гг. в рамках более общей программы исследований по созданию конформных антенн. Применительно к НК плоская антенна рассматривалась в свое время в качестве альтернативе крупногабаритной носовой антенны ГАС AN/SQS-26, которая до появления на кораблях бульбовых носовых оконечностей снижала маневренность корабля. Для размещения плоской антенны предполагалось использовать значительную часть длины корпуса корабля. Рассматривался также вариант размещения антенны протяженностью примерно в половину длины корпуса корабля на фальшкиле. В результате работ, длившихся 5-6 лет, была создана экспериментальная антенна CONTAC (Conformal Tactical Array) протяженностью 45 м, размещавшаяся вдоль киля корабля в стальном обтекателе. ГАС с этой антенной получила шифр AN/SQQ-20. Указывалось, что возможное увеличение дальности действия ГАС оправдывает затраты на создание антенны. Однако, дальнейшего развития такие антенны не получили. Тем не менее антенны с плоской рабочей поверхностью широко используются для решения в режиме ШП задач обнаружения целей, их классификации и определения КПДЦ (табл.), а также в таких гидролокаторах, как ГАС миноискания, доплеровские лаги и эхолоты.

Конформные антенны представляют собой, строго говоря, размещенные в носовой оконечности ПЛ приемные антенны, полностью повторяющие форму корпуса корабля. Впервые такие антенны были предложены в патентах США, датированных 1970-ми гг. Очевидные преимущества таких антенн заключается в возможности значительного увеличения апертуры антенны. Такие антенны могут быть установлены на внешней поверхности корпуса ПЛ, не ухудшая его гидродинамических качеств. Конформная антенна, не имеющая традиционного обтекателя в виде металлической, стеклопластиковой или резиноармированной оболочки, получила наименование конформная покровная (КПА). Наружный слой из эластомера образует гладкую внешнюю поверхность антенны, обеспечивая ее хорошую обтекаемость и механическую защиту чувствительных элементов (гидрофонов) от повреждений, например при швартовке ПЛ и ремонтных работах в доке. Средний слой содержит гидрофоны, залитые эластомером и установленные на несущей металлической конструкции. Внутренний слой, соприкасающийся с корпусом ПЛ, представляет собой акустически экран, защищающий гидрофоны от помех, идущих со стороны корпуса ПЛ.

Одна из важнейших задач при конструировании КПА - отдалить гидрофоны как от внешней поверхности антенны, так и от акустически мягкого экрана и тем самым улучшить помехозащищенность антенны от шумов обтекания и повысить чувствительность гидрофонов. КПА может устанавливаться на корпусе ПЛ в виде единой конструкции или набора отдельных модулей.

Буксируемые антенны (АПГ и ГПБА) призваны обеспечить требуемую эффективность ГАК и ГАС в таких сигнально-помеховых и гидролого-акустических условиях, когда возможность антенн, установленных на корпусе корабля, существенно снижаются.

Активно-пассивные АПГ появились впервые на НК ВМС США в 1960 г. Преимущества АПГ по отношению к антеннам, устанавливаемым на корпусе корабля, достаточно хорошо известны:

- обеспечиваются наилучшие условия для обнаружения целей, в том числе находящихся ниже слоя скачка скорости звука;

- уменьшается уровень помех от собственного корабля-носителя;

- минимизируется дестабилизирующее влияние качки корабля;

- снижается влияние помех, обусловленных волнением на поверхности моря;

- появляется возможность (в некоторых частных случаях) заглубления антенны на ось ПЗК, что резко увеличивает дальность действия ГАС;

- исключается затенение кормового сектора обзора корпусом корабля и кильватерной струей.

АПГ свойственны определенные недостатки. Штормовое состояние моря может просто наложить запрет на использование АПГ. Еще один недостаток АПГ - сложность управления положением буксируемого тела, связанная, в том числе, с необходимостью учета его вертикальных перемещений, особенно при изменении курса или скорости корабля-буксировщика. Определенные проблемы на НК малого и среднего водоизмещения возникают в связи с необходимостью разместить на корме корабля достаточно габаритное и тяжелое УПВ. На ранних этапах внедрения АПГ определенную озабоченность вызывала недостаточная общая надежность АПГ.

Указанные недостатки обусловили тенденцию к отказу некоторых ВМС от АПГ в пользу шумопеленгаторных гибких протяженных антенн, которые на первых порах обеспечивали большую дальность обнаружения в режиме шумопеленгования целей по низкочастотным составляющим в спектре их шумоизлучения. Первыми на этот путь встали ВМС США.

ГПБА получили широкое распространение на НК и ПЛ большинства ВМС в мире.

К основным требованиям, которым должна удовлетворять ГПБА, относятся:

- формирование в рабочем диапазоне частот требуемой ХН, обеспечивающей необходимую разрешающую способность ГАС по пространству;

- минимальные искажения при передаче сигналов от гидрофонов к бортовой аппаратуре;

- достаточная механическая прочность по отношению к нагрузкам, возникающим при постановке, буксировке и выборке антенны;

- плавучесть, близкая к нейтральной;

- ремонтопригодность.

К гидрофонам ГПБА предъявляются требования широкополосности, высокой чувствительности и виброустойчивости при малых габаритах. Преимущественное применение в ранних моделях ГПБА получили пьезокерамические гидрофоны двух конструкций: с цилиндрическим чувствительным элементом, работающим а принципе всестороннего сжатия, и с чувствительным элементом в виде пластины или диска, реагирующими на изгибные колебания. Повышенная виброустойчивость достигается путем использования гидрофонов, состоящих из двух симметричных пьезоэлементов, сигналы которых складываются при воздействии звукового поля и вычитаются при воздействии вибрации.

Литература

1. Корякин Ю.А., Смирнов С.А., Яковлев Г.В. «Корабельная гидроакустическая техника: состояние и актуальные проблемы» - СПб: Наука, 2004.

Размещено на Allbest.ru