Технические науки / 6. Электротехника и радиоэлектроника

 

К.т.н. Сухарьков О.В.

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

Гидроакустическая рупорная антенна вертикальной ориентации

 

Важной проблемой информационной гидроакустики является разработка антенн передающих трактов дальней цифровой связи [1, 2]. Основными элементами излучающих антенн могут служить низкочастотные  жидкоструйные преобразователи с круговым щелевым соплом в виде соосных дисков [3].  Доклад посвящен разработке рупорной антенны вертикальной ориентации для передачи дискретной информации между подводными лодками, находящимися на различной глубине, а также для связи между надводными кораблями, подводными лодками и необитаемыми гидроакустическими комплексами, находящимися на дне моря.

Схема основного элемента рупорной антенны представлена на рис. 1.

Рисунок 1 – Схема жидкоструйного преобразователя

 

Преобразователь содержит: корпус 1 с кольцевой проточкою и  ступенчатым препятствием 4, обтекатель 5, штуцер 2 для подвода рабочей жидкости, контргайку 3. Регулировка ширины  щели кругового сопла  выполняется путем перемещения корпуса 1 по штуцеру 2 с последующей фиксацией корпуса 1 контргайкой 3. Изменение ширины кольцевой проточки , а также других  геометрических параметров преобразователя (, , , ) производится за счет замены корпуса 1 и обтекателя 5.  В качестве акустической модели данного преобразователя предложена модель автоколебаний затопленной плоской осесимметричной струи жидкости [3]. На рис. 2 представлена схема разработанной гидроакустической антенны [4].

Рисунок 2 – Схема рупорной антенны вертикальной ориентации

 

Рупорная антенна представляет собой герметичную емкость и содержит жидкоструйный преобразователь 9, цилиндрическую камеру 6 для компенсации гидростатического давления окружающей морской среды, предрупорную  камеру 10 в виде цилиндрического волновода с фланцем, выполненную совместно с рупором 11 катеноидальной формы, звукопрозрачное окно 12. Преобразователь 9 установлен на штуцере 8 в вертикальной плоскости внутри предрупорной  камеры 10, перпендикулярно ее фланцу. При этом зона звукообразования преобразователя 9 расположена на оси волновода на расстоянии от фланца камеры 10 равном четверти длины волны, соответствующей первой гармонике продольного резонанса заполненного рабочей жидкостью волновода [5]. Камера 6 герметично установлена на фланце предрупорной  камеры 10. С целью компенсации статического давления во внутренней полости антенны во фланце камеры 10 выполнено центральное отверстие, диаметр которого составляет 0,90…0,94 наружного диаметра корпуса преобразователя 9, при этом отношение диаметра штуцера 8 преобразователя к наружному диаметру его корпуса равно  0,52…0,58. Камера 6 содержит патрубки 7 для соединения с входом аксиально-поршневого насоса 3, с выходом вспомогательного насоса 15 и для  соединения с емкостью 14 рабочей жидкости. В апертуре рупора 11 с помощью прижимного кольца 13 установлено круглое звукопрозрачное окно 12, изготовленное из акустически прозрачной резины.

Все конструктивные металлические элементы предлагаемой гидроакустической антенны и соединительные трубопроводы изготавливаются из нержавеющей стали, например, Х18Н10Т. Для питания преобразователя 9 в качестве рабочей жидкости используется трансформаторное масло. Наиболее важным свойством трансформаторного масла является его стабильность против окисления, т. е. способность сохранять свои параметры при длительной работе. В нерабочем состоянии внутренняя полость антенны полностью заполнена предварительно отфильтрованным и дегазированным трансформаторным маслом, при этом апертура антенны герметично закрыта стальной крышкой (на рис. 2 не показана).

Работа антенны осуществляется следующим образом. При включении питания центральный процессор персонального компьютера 1 (см. рис. 2) выполняет специально разработанную программу, управляющую исполнительными механизмами 2 и 16. С помощью исполнительного механизма 16 вначале включается вспомогательный насос 15, который создает в камере 6 и, соответственно, во всей внутренней полости антенны статическое давление равное по величине гидростатическому давлению окружающей морской среды на глубине погружения антенны. Регулировку статического давления осуществляет исполнительный механизм 16,  управляющий регулируемым кла­паном 17. Избыточное трансформаторное масло поступает в емкость 14. Статическое давление внутри рупорной антенны контролируется образцовым манометром 5. После этого автоматически открывается крышка, закрывающая апертуру антенны. Далее исполнительный механизм 2 включает насос 3 и  устанавливает величину расхода рабочей жидкости, соответствующую оптимальной скорости истечения струи из сопла преобразователя 9 [6]. В этом случае преобразователь 9 генерирует тональный звуковой сигнал, состоящий из последовательности  отдельных коротких экспоненциальных импульсов. Уровень генерируемого  акустического сигнала зависит от режима истечения струи, геометрических параметров преобразователя и величины гидростатического давления на заданной глубине [4, 6].

Затем выполняется считывание передаваемого дискретного сигнала с носителя персонального компьютера 1. Манипуляция несущей частоты звукового сигнала реализуется путем регулирования оптимальной скорости струи за счет программируемого управления центральным процессором компьютера 1 работой исполнительного механизма 2. Таким образом, несущая частота звукового импульсного сигнала преобразователя 9, согласно программе, модулируется передаваемым дискретным информационным сигналом. В результате генерируемый акустический сигнал превращается в комбинацию импульсных последовательностей с разными звуковыми частотами, одна из которых соответствует уровню логического "нуля", а вторая соответствует уровню логической "единицы" в фиксированные интервалы времени [2]. При этом рупорная антенна выполняет направленное в вертикальной плоскости излучение модулированного звукового сигнала. На приемной стороне акустические сигналы, с помощью гидрофонов, преобразуют в электрические сигналы и измеряют периоды импульсных последовательностей этих сигналов в четко определенные интервалы времени. Далее осуществляют идентификацию единиц и нулей кодовой комбинации, передаваемой в канале связи, и записывают принятую информацию на носитель приемной аппаратуры. Конечный этап обработки включает в себя декодирование и пред­ставление информационного сообщения в удобном для слухового или зрительного восприятия виде.

Испытание опытного образца рупорной антенны показало, что при частоте импульсного сигнала  девиация частоты  позволяет передавать дискретную информацию со скоростью .

 

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.      Сухарьков О.В. Модель жидкоструйного излучателя с круговым щелевым соплом в виде соосных дисков / О.В. Сухарьков // Наукові праці ОНАЗ ім. О.С. Попова. – 2011. – №2. – С. 107 – 113.

4.      Пат. 100212 Україна, МПК′ B06B 1/00, H04R 1/00. Гідроакустична рупорна антена / Сухарьков О. В.; заявник і патентовласник Одеська національна академія зв'язку ім. О. С. Попова. – № a 2011 15013 ; заявл. 19.12.11, опубл. 26.11.12, Бюл. № 22.

5.      Скучик Е. Основы акустики / Е. Скучик / [пер. с англ., ред. Л. М. Лямшев]. – М. : Мир, 1976. – 2. – 542 с.

6.      Сухарьков О.В. Энергетические характеристики затопленной кольцевой струйной пластинки при наличии развитой кавитации / О.В. Сухарьков // Акустичний вісник. – 2010. – 13, № 2. – С. 45 – 52.