книги из ГПНТБ / Орлов Л.В. Расчет и проектирование антенн гидроакустических рыбопоисковых станций

РАСЧЕТ Л.В.Орлов И ПРОЕКТИРОВАНИЕ

А.А.Шабров АНТЕНН

ГИДРО­ АКУСТИЧЕСКИХ РЫБО­ ПОИСКОВЫХ СТАНЦИЙ

МОСКВА

Пищевая промышленность

1974

УДК 635^2.081.7

Расчет и проектирование антенн гидроакустических рыбопоиско­ вых станций, О р л о в Л. В., Ш а б р о в А. А., 1974.

В последнее время большое внимание уделяется развитию ги­ дроакустических рыбопоисковых средств как в СССР, так и за ру­ бежом. Гидролокационная техника поиска рыбы продолжает совер­ шенствоваться, однако в литературе мало уделяется внимания во­ просам построения и проектирования гидроакустических антенн ры­ бопоисковой аппаратуры. Предлагаемая читателям книга в какой-то мере восполняет этот пробел.

В книге изложены справочные данные по расчету и проектиро­ ванию гидроакустических антенных устройств рыбопоисковых стан­ ций. Рассмотрены принципы построения и работы гидроакустиче­ ских антенн, электроакустических преобразователей и обтекателей, а также методы измерения й контроля их параметров. Приводятся графики, таблицы и формулы, позволяющие определять необходи­ мые данные по этим приборам.

вом» главы I, главы VI и VIII, разделы «Измерение параметров антенн и обтекателей при швартовных испытаниях» и «Контроль параметров антенны в процессе эксплуатации» главы IX и оформ­ лена большая часть графического материала. Остальные разделы книги, касающиеся антенн и преобразователей, написаны канд. техн. наук А. А. Шабровым.

При написании книги, кроме перечисленной в библиографии ли­ тературы, использованы труды д-ра техн. наук Л. Я. Гутина, д-ра техн. наук В. Н. Полина.

Таблиц 14, иллюстраций 115, список литературы — 31 название.!

Р е ц е н з е н т М. Н. Щербина

© Издательство «Пищевая промышленность», 1974 г.

л31806— 121

121—74 -

044(01)-74

ВВЕДЕНИЕ

Рыбопоисковая аппаратура (РПА) является не­ отъемлемой частью оборудования поисковых и промыс­ ловых судов отечественного и зарубежного флотов. Применение РПА позволило значительно сократить по­ тери времени на поиск рыбы и почти полностью исклю­ чить холостые траления.

Эффективность РПА зависит от ее целевого назначе­ ния. Так, аппаратура узкоцелевого назначения, напри­ мер для обнаружения пелагических рыбных скоплений малоэффективна при поиске придонной рыбы, а аппа­ ратура, рассчитанная на поиск придонной рыбы непо­ средственно под килем, неэффективна при локации такой рыбы в стороне от судна. Хорошо зарекомендо­ вавшая себя на промысле РПА для обнаружения пела­ гических или придонных рыбных скоплений непригодна для работы по обнаружению донной фауны и имею­ щих значительную отражающую способность одиноч­ ных рыб и морских млекопитающих.

В связи с тем что появились суда, осуществляющие

•добычу различных видов продуктов моря практически в любых районах Мирового океана, возникла необходи­ мость разработки РПА многоцелевого назначения, так как установка на этих судах разнообразной РПА узко­ целевого назначения экономически нецелесообразна. В состав аппаратуры многоцелевого назначения может входить несколько трактов (с независимыми акустиче­ скими антеннами или одной универсальной), предназна­ ченных для обнаружения и локации придонных и пела­ гических рыбных скоплений, контроля движения и

3

раскрытия трала. Большинство приборов станции много­ целевого назначения (генераторы, усилители, индикато­ ры и др.) объединяют в единые конструкции с общими пультами управления и их можно использовать в раз­ личных по назначению трактах.

Наряду со станциями узкоцелевого и многоцелевого назначений находят применение гидроакустические ры­ бопоисковые комплексы. Они составляются из отдельных станций целевого назначения, имеют общую техническую документацию и при необходимости могут быть скомпо­ нованы из той или иной части аппаратуры в зависимости от выдвигаемых к судну требований. Примером может служить выпускаемый фирмой RFT гидроакустический рыбопромысловый комплекс FOS-30, включающий в се­

Одним из основных параметров станции, определяе­ мых ее назначением, является угол раствора характери­ стики направленности антенны в азимутальной плос­ кости, который выбирают в следующих пределах:

в аппаратуре обнаружения пелагических рыбных скоплений (в зависимости от дальности действия) — 15°-4-40°;

ваппаратуре уточнения координат пелагических рыбных скоплений (в зависимости от требуемой точ­ ности пеленгования) —5°-ь15°;

ваппаратуре эхолоцирования придонных рыбных скоплений — 6°ч-12°.

Для эхолоцирования придонных рыбных скоплений применение антенн с широкой (более 12°) однолепест­ ковой характеристикой направленности неэффективно в связи с маскировкой сигналов от рыбы на. фоне донных отражений. При использовании антенн с однолепестко­ вой характеристикой направленности шириной менее 6° требуется введение в состав станции системы стабили­ зации антенны или ее характеристики направленности от качки судна.

При локации в придонных слоях находят примене­ ние антенны, формирующие веерные характеристики направленности. Такие антенны позволяют значительно увеличить площадь и сократить время обзора при сохранении , эксплуатационных данных, присущих

4

аппаратуре с узкой характеристикой направлен­ ности. Антенны с веером характеристик направленности применяют для обнаружения и локации нестай­ ных рыб и морских млекопитающих с незначительной отражательной способностью и большой маневренно­ стью. Необходимость применения такой аппаратуры дик­ туется требованиями выделения слабых сигналов на фоне объемной реверберации и повышения разрешаю­ щей способности (такие антенны должны иметь вы­ сокий коэффициент концентрации).

Существующая РПА активной локации неэффектив­ на для обнаружения таких донных обитателей, как крабы, мидии, креветки. В настоящее время ведутся исследования по созданию РПА пассивной локаций — шумопеленгаторных станций, позволяющих по издавае­ мым морскими обитателями звукам выявлять районы их промысловых скоплений.

н а зн а ч е н и е и ф и зи ч ес ки е ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ АНТЕНН

Гидроакустические антенны предназначены для пре­ образования электрической энергии в звуковую, излуче­ ния ее в водную среду, приема звуковой энергии из вод­ ной-среды и преобразования ее в электрическую. Ан­ тенны могут быть излучающими, приемными и обрати­ мыми.

Звуковое поле, создаваемое в воде антенной, харак­ теризуется пространственно-временным распределением потенциала Ф. Потенциал поля связан со звуковым дав­ лением р и колебательной скоростью v (производной по времени от вектора смещения £ частиц среды) диффе­ ренциальными соотношениями

где t — время;

г — координата.

Звуковое давление представляет собой силу, возни­ кающую при колебательных возмущениях в среде, дей­

5

ствующую на единицу площади. Звуковое давление из­ меряется в паскалях1.

Скорость распространения звуковой волны в воде, являющаяся функцией ее плотности и сжимаемости, за­ висит главным образом от температуры и солености

(рис. 1).

Рис. 1. Зависимость скорости звука от тем­ пературы и солености воды.

•> Существует следующая связь между длиной волны Я, м, скоростью распространения звука с, м/с и частотой

1 Паскаль = Ньютон/кв. метр, т. е. Па = Н/м2. Эта единица изме­ рения связана с ранее применявшимся микробаром, который в аку­ стике назывался просто баром, следующим образом: Н/м2= = 10 мкбар= 10 дин/см2= Юакбар.

6

единицу времени есть интенсивность или сила звука

(Вт/м2) .

Наиболее часто в теории антенн приходится опери­ ровать с потенциалами сферической, плоской и цилин­ дрической волн, которые в соответствии с волновой природой звуковых процессов определяются выраже­ ниями

волнам, движущимся в обратном направлении. В этих выражениях А — амплитуда колебательной скорости, а показатель экспоненты — фаза колебания.

В теории направленности временная составляющая сat обычно опускается (как правило, рассматривается поле в фиксированный момент времени), опускается также и один знак (обычно плюс), поскольку направ­ ленность антенны в режиме излучения и приема в силу принципа взаимности одинакова.

Выражения (4—6) получены в результате решения основного дифференциального уравнения теории направ­ ленности— волнового уравнения:

характеризующего такое состояние среды, при котором возмущенная среда стремится с течением времени прий­ ти в равновесие.

Давление, скорость и акустическое сопротивление в поле плоских, сферических и цилиндрических волн оп­

7

Коэффициент pc характеризует способность среды «отбирать» от антенны энергию и называется волновым акустическим сопротивлением. Две среды акустически эквивалентны, если их волновые сопротивления равны. Чем выше волновое сопротивление среды, тем большую акустическую мощность может развить антенна при прочих равных условиях. Так, у воды рс == 1500 мехОм, а у воздуха р с » 42 мехОм. Значит, чтобы развить одина­ ковое давление

в плоской волне, в воздух необходимо излучить при­ мерно в 36 раз большую акустическую мощность, чем

вводу.

Вплоской волне акустическое сопротивление — чисто активное, в сферической и цилиндрической — комплекс­

ное. Из выражений (13^ и (16) видно, что при kr^$>\ (т. е. на больших расстояниях от источника и высоких частотах) акустическое сопротивление сферической и цилиндрической волн близко к сопротивлению плоской волны. При низких частотах и малых расстояниях от источника существенна реактивная часть сопротивления.

Величина — называется удельным акустическим

сопротивлением.

8

В большинстве случаев от антенны требуется излуче­ ние энергии в определенных направлениях. Направлен­ ность антенны обусловливается интерференцией звуко­ вых волн. Каждая точка антенны излучает расходящие­ ся сферические волны. В свою очередь каждая точка волнового фронта рождает новые элементарные сфе­ рические волны. В некоторых направлениях колебания

сит от формы антенны, частоты, фаз и амплитуд коле­ баний отдельных точек антенны. Изменение перечислен­ ных факторов позволяет управлять формой поля и, следовательно, направленностью антенны. Закономер­ ность распределения в воде потенциала Ф, звукового дав­ ления р или акустической мощности Wa, создаваемых излучающей гидроакустической антенной, в зависимости от направления называется характеристикой направлен­ ности. Аналогично в режиме приема характеристика направленности определяет зависимость эффективности преобразования акустической энергии в электрическую от направления прихода звуковых волн. Характеристики направленности в приеме и излучении одинаковы.

Форма характеристики направленности меняется с изменением расстояния от антенны. Антенна излучает волны, фронт которых совпадает по форме с ее по­ верхностью. Так, например, плоская синфазно колеблю­ щаяся антенна с размером раскрыва D излучает плос­ кие волны, которые сохраняют свою форму в пределах

до расстояния примерно («прожекторная» зона).

Дальше начинается расхождение волнового фронта (ближняя зона дифракции), вызванное дифракцией волн на краях «пучка лучей» из-за конечности размеров антенны и длины волны. В этой зоне резко выражены интерференционные явления, наблюдаются флюктуация звукового давления и искажения характеристики на­ правленности. Ближняя зона простирается до расстоя­ ния, которое принято называть критическим, оно при-

Л

становятся сферическими, и характеристика направлен­

9