Тема № 1. Акустика океана. Занятие № 3. Учебные вопросы; Первичное акустическое поле корабля. Вторичное акустическое поле корабля. Литература: 1. Г. И. Казанцев «Учебник гидроакустика» . Задание на самоподготовку: 1. Изучить способы уменьшения первичного и вторичного полей корабля: Г. И. Казанцев «Учебник гидроакустика» , с. 3134, 46 -57.
Вопрос № 1. Первичное гидроакустическое поле Поле, формируемое кораблем (НК, ПЛ) как излучателем (источником акустических волн), называют первичным гидроакустическим полем. Основные источники первичного поля корабля: гребные винты, механизмы и корабельные системы, а также взаимодействие корпуса движущегося корабля с набегающим потоком воды. Гребной винт – источник трех родов шума: шум вращения винта, вихревой и кавитационный.
Любое вращающееся тело в воде порождает периодическое изменение давления и колебательной скорости частиц вблизи него. Эти изменения сопровождаются сжатиями и разрежениями, распространяющимися в жидкости в виде акустических волн, которые представляют собой шум вращения винта. Спектр шума вращения винта дискретный.
Частота вращения вала (Гц) определяется зависимостью: , где N — число оборотов винта; i — номер гармоники. Частота, зависящая от числа лопастей винта, так называемая лопастная частота, определяется по формуле: где Nz — число лопастей.
Вращение винта в ряде случаев сопровождается колебаниями его лопастей за счет взаимодействия последних с набегающим потоком воды. Возникающие при этом автоколебания лопастей распространяются с большой интенсивностью, частота которых лежит в звуковом диапазоне. Эти колебания называют иногда “пением” винта. При работе винта с его лопастей сбегают так называемые шнуры. Развитие и срыв вихрей набегающим потоком с лопастей гребного винта обусловливают возбуждение и излучение вихревого шума.
При работе гребного винта впереди лопастей давление всегда возрастает, а за винтом создается разрежение, которое тем больше, чем больше число оборотов винта. При некотором числе оборотов винта разрежение достигает такого значения, при котором в жидкости начинается лавинообразный рост газовых пузырьков. Попадая в область повышенного давления, пузырьки захлопываются. Наступает явление кавитации.
Вращение гребных винтов порождает дискретные составляющие на частотах fв и fл и их гармониках, уровни которых могут значительно превышать уровень сплошного фона. Корпус корабля создает шумы двух видов: вибрационные и вихревые (гидродинамические). При движении вследствие работы главных и вспомогательных механизмов корпус корабля и отдельные детали корпуса приходят в колебательное состояние, вибрируют. Благодаря этой вибрации подводной части корабля в водной среде распространяются акустические колебания.
Образование акустического поля вблизи корпуса корабля обусловливается также несовершенством обводов корпуса. Известно, что если тело поместить в жидкость, которая движется ему навстречу, то в непосредственной близости от поверхности тела возникает тонкий пограничный слой, в котором скорость набегающего потока изменяется от нуля до определенной величины.
С увеличением скорости устойчивость ламинарного движения нарушается, возникает неупорядоченное движение элементов жидкости по сложным траекториям, что приводит к интенсивному перемешиванию слоев движущейся жидкости. Такое течение называют турбулентным.
Рассмотренные составляющие первичного поля образуют общий спектр шума корабля (“акустический портрет”) Рис. 1 Типовой спектр акустических колебаний шумящей цели
Основной количественной характеристикой шумности корабля является средний квадрат давления шума на эквивалентной частоте fэ в заданной полосе частот ∆ f на условном расстоянии r На практике применяется относительная величина – уровень шума на эквивалентной частоте fэ в заданной полосе ∆ f и на условном расстоянии r, которая характеризуется соотношением 20 lg pm (fэ, ∆ f, r) / po = Nm( fэ, ∆ f, r).
Снижение шумности корабля достигается, прежде всего, комплексом организационных и технических мероприятий, а также применением тактических приемов, направленных на снижение шумности. В корабельных условиях необходимо тщательно следить за амортизаторами, на которых крепятся вращающиеся механизмы, осуществлять контроль за состоянием кромок лопастей винтов, которые заточены по определенному профилю.
Понятие о контроле и нормировании шумности корабля Шумность корабля, как и любой тактико технический элемент, подлежит периодическому контролю. Сущность контроля и нормирования шумности заключается в измерения уровней дискретных составляющих и сплошной части спектра и установлении нормы, превышение которой недопустимо при выполнении кораблем поставленной задачи.
После акустических испытаний производится нормирование шумности, т. е. устанавливаются нормы на уровень дискретных составляющих и сплошную часть спектра. Выход корабля в море с уровнем шумности, превышающим установленную норму, категорически запрещен. Поддержание уровня шумности в норме совместно с грамотным использованием тактических приемов позво лит кораблю успешно выполнять поставленные задачи.
Вопрос № 2. Вторичное акустическое поле При работе ГАК в режиме гидролокации существенный интерес представляют объекты, способные отражать акустическую энергию. Подобные объекты называются отражающими. К ним относятся ПЛ, НК, мины, морское дно, льдины, айсберги, морские животные и т. д. Поле акустических сигналов, образованное за счет отражения или рассеяния энергии от рассмотренных выше объектов, называется вторичным.
Вторичное поле корабля формируется за счет взаимодействия корпусных конструкций с падающей (излученной) звуковой волной. Оно может быть представлено в виде двух составляющих, которые называются зеркальной и диффузной.
Зеркальная составляющая формируется путем отражения от участков корабля с размерами, сопоставимыми или много большими длины падающей волны. Отражение звука в этом случае подчиняется законам геометрической оптики. Источниками зеркальной составляющей от ПЛ являются: наружный корпус и его элементы, прочный корпус ПЛ.
Диффузная составляющая является результатом рассеяния звука элементами корпуса, размеры которого много меньше длины волны, кильватерной струёй, пеленой пузырьков, обволакивающих корпус ПЛ при ее движении.
В качестве меры отражающей способности используется понятие о силе цели. Сила цели – параметр, характеризующий отражающие свойства объекта наблюдения, т. е. это мера отражающей способности объекта гидролокации. Т = 10 lg k. где k – постоянный коэффициент, характеризующий размеры и форму отражающей поверхности; Интенсивность отраженного сигнала от профиля сферы круга можно записать в виде Iэ = где Rэ – радиус эквивалентной сферы.
Реальные объекты подводного наблюдения (пл, мины, банки, затонувшие предметы и др. ) имеют сложную конфигурацию, поэтому нахождение величины Sт для конкретного случая затруднительно. На практике их заменяют металлической сферой, которая получила название эквивалентной сферы.
Сравнивая предыдущие формулы, видим, что k = (Rэ/2)2. Подставляя это значение k в выражения для силы цели, получим Т = 10 lg k = 20 lg (Rэ/2).
Сила цели подводных объектов зависит от различных факторов, основными из которых являются курсовой угол, расстояние, скорость цели и частота излученного сигнала. На практике силу цели выражают через радиус эквивалентной сферы. В пособиях по расчету дальности приводятся обе величины для конкретных целей.
С увеличением частоты излученного сигнала (уменьшением длины волны) возрастает суммарное значение интенсивности отраженного сигнала за счет отражения от элементов корпуса ПЛ, размеры которых меньше длины волны. Вследствие этого с увеличением частоты сила цели возрастает согласно зависимости Т = 10 lg де R 0 – значение эквивалентного радиуса цели на частоте f 0, м; f – эталонная частота ГАК, к. Гц.
Сила цели зависит также от длительности излученного сигнала. С уменьшением длительности сигнала величина падает, поскольку при коротких импульсах не обеспечивается полное облучение всей цели. Отражение от цели происходит от всех точек поверхности не мгновенно, а по мере облучения цели. В некоторый момент времени отраженный сигнал формируется в результате отражения всеми точками цели одновременно.
Для уменьшения дальности обнаружения возникает необходимость в уменьшении силы цели, не изменяя ее конструкции. Для этого корпус подводной лодки покрывают специальным покрытием. Заглушающие противогидролокационные покрытия представляют собой слои из тех или иных материалов, которые уменьшают интенсивность отраженного сигнала.
Покрытие толщиной в четверть волны λ/4 и имеющее волновое сопротивление ρс, равное среднему геометрическому значению волновых сопротивлений материалов по обе стороны слоя, например воды и стали, называется четвертьволновым слоем. При этих условиях слой обеспечивает идеальное согласование волновых сопротивлений двух материалов и отражения звука не происходит.