Гидроакустические средства как понятие включают в себя широкий класс разновидностей, которые условно можно разделить на:

• корабельные гидроакустические средства, в том числе гидроакустические средства подводных лодок и надводных кораблей;

• гидроакустические средства автономных необитаемых аппаратов, в том числе и торпед;

• стационарные гидроакустические средства, размещаемые на дне океана.

Каждая из этих областей имеет свою специфику и живет фактически своей самостоятельной жизнью.

Сами гидроакустические средства состоят как правило из датчиков (антенн), преобразующих акустические волны, распространяющиеся в водной среде, в электрические сигналы и электронных и программных средств обработки информации, обеспечивающих получение требуемого результата.

Не касаясь способов обработки гидроакустической информации, согласованных со средой распространения, рассмотрим общий подход к конструированию антенн гидроакустических средств подвижных подводных носителей.

Главным концептуальным прин­­ципом создания гидроакустических средств современных подводных лодок является проектирование по схеме «гидроакустика-корабль», когда корабельные конструкции и конструкция акустической антенны   составля­ют единое целое, обеспечивающее получение максимальной эффективности.

Поставленные задачи по повышению скрытности ПЛ, обеспечению весьма низкого уровня шумности, увеличения поисковой скорости приводят к необходимости продолжать также совершенствование гидроакустической техники по всем направлениям – в части теории, элементной базы, производства, испытательного оборудования.

Перспективные отечественные гидроакустические средства должны обладать достаточной эффективностью для обнаружения целей с существенно уменьшенной шумностью по сравнению с существующей в настоящее время. Отсюда следуют дополнительные задачи для гидроакустических средств в части обнаружения, обработки и классификации малошумных целей.

Требование высокой эффективности при дальнем обнаружении малошумящей цели сводится к необходимости обеспечения большой помехоустойчивости.

Увеличение помехоустойчивости гидроакустической антенны, то есть отношения мощности сигнала к мощности помех,  достигается прежде всего при помощи увеличения активной площади антенны. Это является причиной перехода от существующих размеров основных антенн шумопеленгования к значительно большим, с активными площадями, вдвое-втрое большими, причем совпадающими по форме и размерам с обводами корпуса носителя, конформными и покровными. На рисунке 1 пока­зана в качестве примера носовая покровная антенна для ПЛ малого водоизмещения типа «Санкт-Петербург», созданная в АО «Концерн «Океан­прибор» при тесном сотрудни­честве с ЦКБ МТ «Рубин». Конст­руктивные решения защищены совместными патентами (Пат. 2259643 РФ «Гидроакустическая многоэлементная антенна выпуклой формы», опубл. 27.08.2005. Пат. 2130402 РФ «Носо­вая око­нечность подводной лодки», опубл. 20.05.1999. Пат. 2115587 РФ «Носовая оконечность подводной лодки», опубл. 20.07.1998. Пат. 2151712 РФ «Носовая оконечность подводной лодки», опубл. 27.06.2000).

Конструктивно традиционные приемные гидроакустические антенны ПЛ, работающие в режиме шумопеленгования, выполняются по схеме, включающей приемные элементы, акустические экраны и обтекатель. Для бортовых гидроакустических антенн применяется также безэкранная конструктивная схема со специальным кардио­идным включением пар приемников, обеспечивающим исключение использования экранов.

Повышение помехоустойчивости достигается не только за счет увеличения активной поверхности антенны, но также за счет уменьшения рассеяния волн вследствие приближения приемников к внутренней поверхности обтекателя.

Особый интерес представляет возможность использования появившихся в последнее время многочисленных разновидностей чувствительных элементов, преобразующих акустические волны в электрические сигналы. Сюда входят как твердотельные преобразователи, использующие те или иные разновидности пьезоэффекта, так и интерференционные оптоэлектронные датчики на основе оптоволокна.

Имеется тенденция замены пьезокерамических преобразователей пьезоактивными чувствительными элементами из пленки поливинилиденфторида (ПВДФ, далее – пленка), обладающего необходимой чувствительностью, пластичностью, малой плотностью. Пластины из ПВДФ позволяют формировать и носовые, и бортовые крупногабаритные антенны.

Применение пленки позволяет создать очень тонкие конформные легко устанавливаемые антенны, не требующие дополнительных акустических звукопоглощающих экранов.

Малая удельная плотность материала пленки ПВДФ делает его незаменимым для гидроакустических антенн автономных необитаемых подводных аппаратов, которые нельзя перегружать крупногабаритными и тяжелыми гидро­акустическими антеннами из пьезокерамики.

Возможность создавать большую активную поверхность гидроакустической антенны ввиду гибкости пленки обеспечивает уменьшение влияния гидродинамической помехи, возникающей при движении. Это достигается за счет усреднения помехи по большой приемной площади антенны.

В АО «Концерн «Океанприбор» совместно с АО «Пластполимер» была разработана и внедрена технология изготовления пленки из ПВДФ, ее ориентационной вытяжки, напыления металлического покрытия и поляризации. Пленка после вытяжки обладает пьезомодулем, который можно существенно увеличить, подвергнув пленку поляризации. При этом обеспечивались высокий объемный пьезомодуль, толщина пленки до 1,0 мм при разнотолщинности не более ±15% и интервале предельных температур (–50 ч +70) °С. Образец электроакустического приемника из разработанной пленки ПВДФ показан на рисунке 2.

Конструкция образца электроакустического преобразователя включает пакеты из пьезопленки ПВДФ, несущую металлическую пластину, электрический кабель, герметичный ввод из резины, герметизирующий слой из полиуретана. Толщина образца 10 мм.

Проблема скрытности ПЛ и автономных подводных аппаратов включает вопрос акустической заметности антенн. Этот вопрос связан с наличием демаскирующих отражающих поверхностей и частичного рассеяния принятых сигналов приемной антенной ввиду недостаточного согласования ее со средой.

Демаскирующее свойство приемных антенн вследствие наличия отражающих поверхностей, включая активные приемо-излучающие поверхности и акустические экраны, зависит от коэффициента отражения. Величина последнего определяется соотношением между волновыми сопротивлениями активной поверхности антенны и среды распространения сигналов. У пьезо­керамики плотность имеет величину ~5-7 г/см3, а скорость звука ~(3000-4000) м/cек.

Задача уменьшения акустической заметности, т.е. отражений от активных поверхностей приемных и приемо-излучающих антенн, сводится к необходимости снижения волнового сопротивления активных приемно-излучающих ма­те­риалов, то есть разработки и внедрения новых пьезоактивных материалов, обладающих пониженными значениями плотности и скорости звука, такими, например, как пьезо­композиты. В отличие от традиционной пьезокерамики, пьезокомпозит имеет заполнение пьезоактивной составляющей примерно до 60%, в связи с чем его волновое сопротивление ближе к волновому сопротивлению морской воды; коэффициент отражения при этом в полтора-два раза  меньше, нежели для пьезокерамики. Соответственно уменьшается демаскирующий отраженный сигнал и повышается скрытность. На рисунке 3 схематически показаны конструктивные варианты пьезо­композитов различной связности.

Как известно, одной из трудностей техники гидроакустических пьезоэлектрических преобразователей является создание компактной прочной высокочувствительной конструкции, обеспечивающей конструктивное преобразование всестороннего воздействия в одноосное растяже­ние-сжатие. Возможным спо­со­бом преодоления этих трудностей является применение объемно-чувствительных пьезоматериалов, например, сульфоиодида сурьмы, обладающего малой плотностью и высоким объемным пьезомодулем. Для этого материала были разработаны технология и оборудование его получения. Образцы чувствительных элементов показали, что плотность материала в 2 раза меньше, а объемный пьезо­модуль на порядок превышает аналогичные параметры традиционной пьезокерамики.

Оптоэлектронные чувствительные элементы в настоящее время находятся на стадии технологического освоения, в результате которого окончательно может определиться их перспективная область применения.

Таким образом, развитие гидро­акустического антенного приборостроения осуществляется как в направлении создания конструкций, приближенных к обводам носителей, так и в направлении внедрения новых эффективных пьезо­активных материалов. При этом активно внедряются цифровые методы обработки сигналов, необходимые для выделения слабых сигналов на фоне помех и их классификации.

Андрей ШАТОХИН - Генеральный директор АО «Концерн «Океанприбор», к.э.н.

Константин ПОЛКАНОВ - Генеральный конструктор АО «Концерн «Океанприбор», к.т.н.

Игорь СЕЛЕЗНЕВ - Заместитель генерального директора - руководитель приоритетного технологического направления АО «Концерн «Океанприбор», д.т.н.

Владислав ЖУКОВ - Начальник Учебно-методического центра АО «Концерн «Океанприбор», д.т.н.