Технические науки / 6. Электротехника и радиоэлектроника

К.т.н. Сухарьков О.В.

Одесская национальная академия связи им. А.С. Попова, Украина

Антенны дальней цифровой связи для подводного звукового канала Черного моря

Одной из проблем информационной гидроакустики является разработка эффективных излучающих антенн дальней цифровой связи [1, 2]. Доклад посвящен разработке семейства рупорных антенн низкочастотного диапазона для передачи дискретной информации в подводный звуковой канал (ПЗК) Черного моря.

Для Черного моря наиболее характерными условиями распространения звука являются ПЗК, почти всегда существующий в районах с глубинами и приповерхностный подводный звуковой канал (ППЗК), существующий в зимний период. Эти два типа волноводов обеспечивают почти полную «засветку» водного пространства и распространение звука на большие расстояния, являются благоприятными для решения задач дальней связи [3]. Экспериментально установлено, что в Черном море (его глубина – ) ось ПЗК расположена летом примерно на глубинах , при этом на средней глубине оси скорость звука составляет [3, 4].

В процессе проектирования антенн дальнего действия использованы результаты исследований акустических характеристик прямоточных жидкоструйных преобразователей в условиях избыточного статического давления [5, 6]. Эти исследования позволили оптимизировать геометрические параметры излучателей на глубине погружения от до . Также было установлено, что увеличение статического давления и одновременный подбор оптимальной скорости струи приводят к повышению частоты основного тона и значительному возрастанию интенсивности звукового сигнала. На рис. 1 представлена схема излучающей рупорной антенны горизонтальной ориентации [7].

Рисунок 1 – Схема гидроакустической излучающей рупорной антенны

Антенна 1 содержит прямоточный жидкоструйный преобразователь 3, который установлен в вертикальной плоскости внутри предрупорной камеры 4 перпендикулярно ее верхней стенке. Камера 4 представляет собой цилиндрический волновод с фланцем и выполнена совместно с рупором 5. Преобразователь 3 установлен таким образом, что зона его звукообразования расположена на оси волновода на расстоянии от фланца камеры 4, равном четверти длины волны , соответствующей частоте основного тона генерируемого сигнала. Радиус предрупорной камеры 4 выбирается из условия , а длина камеры 4 – в интервале [1]. В этом случае горло рупора будет расположено вне зоны нелинейного затухания звукового сигнала преобразователя, что позволяет сформировать в горле рупора волну конечной амплитуды. В нижней стенке предрупорной камеры 4 соосно с жидкоструйным преобразователем 3 выполнено круглое отверстие 2, диаметр которого составляет наружного диаметра преобразователя. Отверстие 2 необходимо для выхода турбулентного потока, исходящего от прямоточного жидкоструйного преобразователя 3 в процессе его работы, из предрупорной камеры 4. Выполнение данного конструктивного элемента способствует формированию внутри рупора 5 акустического поля в практически однородной, не имеющей турбулентных течений, водной среде. С учетом агрессивных свойств морской воды все конструктивные элементы гидроакустической антенны должны изготавливаться из нержавеющей стали (например, Х18Н10Т).

Работа антенны осуществляется следующим образом. При включении насоса 8 морская вода из специальной емкости 10 через фильтр 9 по трубопроводу 6 поступает в жидкоструйный преобразователь 3. Насос 8, фильтр 9, емкость 10 и манометр 7 находятся на подводной лодке. При достижении оптимального режима работы преобразователя 3, который контролируется с помощью манометра 7, в предрупорной камере 4 генерируются сферически расходящиеся звуковые волны. Уровень генерируемого акустического сигнала зависит от режима истечения струи, геометрических параметров преобразователя и величины гидростатического давления на заданной глубине [5, 6]. Расположение преобразователя 3 на расстоянии, равном четверти длины волны низшей гармоники сигнала от фланца камеры 4, позволяет сформировать в осевом направлении рупорной антенны мощную плоскую волну. При этом на оси горла рупора 5 уровень звукового давления, регистрируемого с помощью гидрофона, возрастает примерно в три раза по сравнению со звуковым давлением в случае генерации преобразователем сигнала в свободной среде. Для формирования характеристики направленности антенны в горизонтальной плоскости в разработанной антенне используется рупор катеноидальной формы. Его достоинствами являются плавное сопряжение рупора с предрупорной камерой и эффективное излучение сигнала в низкочастотной области звукового диапазона [1]. На основе прямоточных преобразователей различного типоразмера (– ширина щели кольцевого сопла, – средний диаметр сопла) разработано семейство антенн дальнего действия для ПЗК Черного моря (табл. 1).

Таблица 1

Параметры и характеристики рупорных антенн для ПЗК Черного моря

Типоразмер излучателя
Оптимальная скорость струи
Радиус и длина предрупорной камеры
Показатель расширения рупора
Диаметр апертуры и длина катеноидального рупора
Критическая частота рупора
Рабочая частота
Уровень излучаемого сигнала относительно ,
Коэффициент направленного действия
Глубина погружения антенны

Экспериментальные исследования предложенной рупорной антенны [7] показали, что антенна обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в повышении уровня генерируемого тонального акустического сигнала и обеспечении заданной пространственной избирательности излучения сигнала. Формирование характеристики направленности антенны в горизонтальной плоскости, а также повышение надежности преобразователей гидроакустических антенн (по сравнению с пьезокерамическими преобразователями), позволяет использовать семейство разработанных антенн дальнего действия для передачи дискретной информации [2] в ПЗК Черного моря.

Литература:

1. Сухарьков О.В. Гидроакустическая излучающая рупорная антенна на основе жидкоструйного преобразователя / О.В. Сухарьков // Акустичний вісник. – 2011. – 14, № 1. – С. 56 – 63.

2. Сухарьков О.В. Передача дискретной информации в гидроакустический канал связи с использованием жидкоструйных преобразователей / О.В. Сухарьков // Цифрові технології. – 2011. – № 9. – С. 100 – 110.

3. Дивизинюк М.М. Акустические поля Черного моря / М.М. Дивизинюк. – Севастополь: НИЦ «Государственный океанариум» МО Украины и НАН Украины, 1998. – 351 с.

4. Вадов Р.А. Особенности формирования структуры звукового поля точечного источника в черноморском подводном звуковом канале / Р.А. Вадов // Акустический журнал. – 2011. – 57, № 5. – С. 623 – 632.

5. Сухарьков О.В. Оптимизация параметров прямоточного гидродинамического излучателя в условиях гидростатического давления / О.В. Сухарьков // Акустичний вісник. – 2008. – 11, № 4. – С. 54 – 63.

6. Сухарьков О.В. Влияние гидростатического давления на энергетические характеристики прямоточного гидродинамического излучателя / О.В. Сухарьков // Наукові праці ОНАЗ ім. О.С. Попова. – 2009. – №1. – С. 70 – 77.

7. Пат. 58117 Україна, МПК′ H04R 1/00, H04B 13/00. Гідроакустична антена / Сухарьков О.В.; заявник і патентовласник Одеська національна академія зв'язку ім. О.С. Попова. – № u 201015826; заявл. 28.12.10; опубл. 25.03.11, Бюл. № 6.