CC BY
132
настоящее время на разных стадиях завершения ОКР. По существу, средства уже не являются функционально-автономными, а органично входят в единую структуру ИСПН. В целом данный вариант построения ИСПН является постановочным на перспективу.
Выводы. Повысить экспортный потенциал отечественных нк можно только предлагая их укомплектованными ИСПН.
Для эффективного решения задач ПЛО и обеспечения требований по размещению средств подводного наблюдения на перспективных нк класса корвет и фрегат целесообразно реализовать комплексирование СПН в различных вариантах:
- в случае ограничений по срокам и финансированию - функционального комплексирования (реализация совместных вторичной, комплексной обработки, отображения и управления ГАК с ПА и ГАС с ГПБА, обмен формулярными данными с неакустическими средствами и гидроакустическими средствами, расположенными за пределами нк);
- в случае отсутствия ограничений по срокам и финансированию - структурного комплексирования ГАК с ПА и ГАС с ГПБА (единые элементная база, программно-аппаратные средства, генераторное устройство и т.д.).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Козловский С. В., Карпенко О.В., Сергеев В.А. Проблемы разработки интегрированных систем подводного наблюдения надводных кораблей // Материалы постоянно действующего общеакадемического семинара по проблеме «Системный анализ при создании и применении кораблей, комплексов вооружения и военной техники ВМФ» (тезисы докладов). Тематический сборник. В.14. - С.-Петербкрг: ВМА им. Н.Г. Кузнецова. - С. 91-93.
2. Киселев А.А., Борисенко Н.Н., Калиушко В.И. К вопросу создания интегрированной системы подводного наблюдения для надводных кораблей. Цели и задачи ИСПН -Научно и общественно-теоретический журнал. Спецвыпуск №2, 2004.
3. Инженерная записка "Интегрированная система подводного наблюдения для корабля проекта 22350 "Заря-ИСПН-22350" / ФГУП "Таганрогский завод "Прибой", 2003.
4. Калиушко В.И., Кибовский И.В., Козловский С.В., Поляков В.С. Оценка эффективности корабельной интегрированной системы подводного наблюдения: Науч.-техн. сб. в/ч 30895-2.
МНОГОЧАСТОТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ МИНОИСКАНИЯ
В. К. Доля, В. Н. Душаткин, Н. М. Иванов, Ю. К. Милославский,
В. Н. Митько, А. Е. Панич
ОАО «Таганрогский завод "Прибой"», НКТБ «Пьезоприбор», г. Ростов-на-Дону
Отечественные гидроакустические станции миноискания (ГАСМ) имеют две выносные подкильные антенны: низкочастотную антенну обнаружения и высокочастотную антенну классификации. Между тем зарубежные ГАСМ давно используют для этих целей одну антенную решетку, состоящую из многочастотных однотипных преобразователей. Такая антенна позволяет более чем в два раза уменьшить габариты станции, сократить число токоведущих кабелей, значительно улучшить тактикотехнические характеристики станции.
Настоящая работа посвящена разработке многочастотного пьезоэлектрического преобразователя для использования его в качестве элемента совмещенной антенны ГАСМ.
Существующие отечественные многочастотные элементы представляют собой составные преобразователи, у которых низкочастотная и высокочастотные части имеют разные конструкции, объединенные в одну с использованием механической развязки. С другой стороны, совмещенная антенна фирмы «Томсон-Маркони» состоит из однотипных преобразователей, выполненных в виде прямоугольных параллелепипедов, и имеет три рабочие частоты: низкую - 90 кГц, среднюю - 160 кГц и высокую - примерно 400 кГц. Именно такая форма преобразователей и была выбрана нами в качестве прототипа для исследований.
Расчеты производились путем численного решения трехмерных краевых задач методом конечных элементов с использованием многофункциональной программы АЫБУБ.
Нами рассмотрен трехмерный монолитный преобразователь в форме прямоугольного параллелепипеда, однородно поляризованный вдоль вертикальной оси 02. Геометрические размеры преобразователя выбираются так, чтобы удовлетворить следующим требованиям: во-первых, обеспечить поршневое движение его горизонтальных поверхностей как минимум на двух резонансных частотах в диапазоне 40 — 400 кГц; во-вторых, обеспечить тактико-технические характеристики антенной решетки, в которой предполагается использовать данный преобразователь, среди которых важнейшими являются диаграммы направленности в вертикальной и горизонтальной плоскостях и сектор сканирования в горизонтальной плоскости.
Предварительные исследования задач на собственные значения и собственные формы колебаний с использованием модального А№УЯ - анализа [1] показали, что поставленным требованиям удовлетворяют два типа решений:
нечетная продольная ^33) мода колебаний и ее гармоники, у которой противоположные горизонтальные поверхности преобразователя совершают противофазные колебания;
четная продольная ^33) мода колебаний и ее гармоники, у которой противоположные горизонтальные поверхности преобразователя совершают синфазные колебания.
В терминах одномерной теории можно сказать, что в первом случае на продольном размере преобразователя укладывается целое нечетное число полуволн, а во втором случае - целое число длин волн колебательных вертикальных смещений точек преобразователя.
Для решения задач установившихся вынужденных колебаний преобразователя используется гармонический А№УЯ - анализ [1].
Первый тип колебаний преобразователя возбуждается разностью потенциалов, прикладываемых к электродированным горизонтальным поверхностям преобразователя (симметричные электроды).
Для возбуждения второго типа колебаний необходим дополнительный электрод, нарушающий симметрию электрического поля относительно горизонтальной плоскости симметрии преобразователя (несимметричные электроды). Расчеты показывают, что оптимально такое расположение дополнительного электрода на расстоянии от верхней поверхности, которое примерно равно одной четверти резонансной длины волны в преобразователе. Кроме того, уточняющие расчеты показали, что дополнительный электрод целесообразно выполнить в виде узкой полоски и расположить на боковой поверхности на том же расстоянии от верхней грани без потери эффективности работы преобразователя. Таким способом можно отказаться от использования многослойных конструкций, а тем самым и от проблем, связанных со склейкой или сваркой различных слоев пьезокерамики.
Окончательная расчетная модель преобразователя вместе с конечноэлементной сеткой и электродами представлена на рис. 1.
Первоначальные размеры преобразователя выбираются из следующих соображений:
размер И по оси 2 является полуволновым размером продольных колебаний на первой резонансной частоте, который можно оценить по одномерной теории;
размер Ь по оси У выбирается таким, чтобы обеспечить необходимую диаграмму направленности антенны в вертикальной плоскости в предположении поршневого движения преобразователя;
размер 1 по оси X является полуволновым для высшей частоты колебаний в жидкости. Этот размер должен обеспечить необходимый сектор сканирования в горизонтальной плоскости.
Дополнительным критерием для выбора соотношения размеров преобразователя является условие отсутствия противофазных участков колебаний на горизонтальной поверхности преобразователя.
В результате машинного эксперимента находятся такие соотношения размеров преобразователя, которые удовлетворяют предъявленным требованиям для всех резонансных частот в заданном диапазоне.
Расчеты проводились для преобразователей, изготовленных из поляризованной керамики состава ЦТС-83Г. Можно отметить, что результирующие резонансные частоты отличаются от оцененных на основании одно- и двумерных представлений на 10 - 20 %, что демонстрирует полезность, но ограниченность этих представлений для решения трехмерных задач. Резонансные частоты представляют собой ряд величин, относящихся приблизительно как 1:2:3:4... .
Рис. 1. Расчетная конечно-элементная модель преобразователя
На рис. 2 представлены в качестве примера две первые формы колебаний преобразователя на резонансах: а - нечетная мода, б - четная мода.
На рис. 3 приведены зависимости вертикальных смещений иъ точек преобразователя, расположенных на вертикальной оси 2, от координаты ъ (а - первая мода, б
- вторая мода). Как видно из рисунков, по высоте преобразователя умещается в первом случае почти точно половина длины волны, а во втором - одна длина волны.
а б
Рис. 2. Две первые моды колебаний преобразователя
иізт
а б
Рис. 3. Распределение вертикальных смещений по оси 2
На рис. 4 представлены зависимости вертикальных смещений и точек преобразователя, расположенных на верхней горизонтальной поверхности, от координаты у (а - первая мода, б - вторая мода). Видно, что противофазные движения участков поверхности на резонансах отсутствуют.
Иг
а б
Рис. 4. Распределение вертикальных смещений на верхней горизонтальной поверхности по оси У
Следующий важный этап расчетов - нагружение преобразователя жидкостью. На этом этапе проверяется, насколько хорошо выбраны соотношения размеров преобразователя для использования его в качестве элемента приемо-передающей антенны. При неудачном выборе возможны отрицательные результаты, такие, как
сильное искажение формы деформации преобразователя на резонансе; появление больших участков поверхности с противофазными колебаниями; наконец, «ненагру-жаемость» преобразователя. Степень нагружения при этом оценивается отношением максимумов активной проводимости ненагруженного и нагруженного на жидкость преобразователя.
Полная конечно-элементная модель нагруженного преобразователя представлена на рис. 5. Жидкость в ней представлена полусферой достаточно большого диаметра [1]. На сферической поверхности жидкости расположены двумерные элементы, моделирующие уход волны на бесконечность с минимальными отражениями назад. Плоская поверхность жидкости, не граничащая с преобразователем, представляет собой жесткий экран. На плоской поверхности жидкости расположены специальные интерфейсные элементы, описывающие взаимодействие жидкости с поверхностью преобразователя и экрана. Внутренность сферы заполнена «нормальными» жидкостными элементами.
Проведенные расчеты показали, что для первых пяти мод колебаний из перечисленного ряда частот удается найти соотношения размеров преобразователя, при которых преобразователи нагружаются (в 2 - 4 раза в зависимости от частоты), и при этом форма деформации и вид колебаний преобразователя существенно не изменяются.
Наконец, известно, что для лучшего согласования преобразователя с жидкостью между преобразователем и жидкостью размещают согласующий слой, толщина которого Рис.5. Конечно-элемен1пная мо- равна четверти длины волны на резонансной
дель, нагруженного преобразо- частоте в материале слоя, а импеданс материа-
ватеж ла слоя должен удовлетворять соотношению
22сл = 2преобр^воды. Близкие к требуемому значения импеданса имеют, например, некоторые магниевые сплавы.
Проведенные расчеты показали, что введение согласующего слоя изменяет резонансные частоты преобразователя, не изменяя существенно форм деформации, увеличивает нагружаемость преобразователя и существенно расширяет полосу пропускания. На рис. 6 представлены для примера графики амплитудно-частотных зависимостей для первой и третьей мод колебаний для ненагруженного и нагруженного преобразователя с согласующим слоем(а - первая мода, б - третья мода).
гмимйя пройодмипеи.
пштия щнтидимисть ,
--- 1 жт:шии проьодидоси.
ысткиммя проводимость
1 МІ
—" 4 4
а б
Рис. 6. Амплитудно-частотные характеристики преобразователя
