Основы проектирования и конструирование гидроакустической аппаратуры

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное 

учреждение высшего образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерно-технологическая академия

П. П. ПИВНЕВ
С. П. ТАРАСОВ

И. А. КИРИЧЕНКО 

ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 

И КОНСТРУИРОВАНИЯ 

ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ 

Учебное пособие

Ростов-на-Дону – Таганрог

Издательство Южного федерального университета

2018

УДК 681.883(075.8)+534.232(075.8)
ББК 34.9я73+22.325я73

П32

Печатается по решению кафедры электрогидроакустической 

и медицинской техники Института нанотехнологий, электроники

и приборостроения Южного федерального университета

(протокол № 21 от 7 февраля 2018 г.)

Рецензенты: 

кандидат технических наук, генеральный директор 

ООО «УльтраНК» И. Г. Деренский

кандидат технических наук, начальник отдела – главный 

конструктор АО «НИИП имени В. В. Тихомирова» А. В. Скнаря

Пивнев, П. П.

П32
Основы проектирования и конструирования гидроакустической 

аппаратуры : учебное пособие / П. П. Пивнев, С. П. Тарасов, 
И. А. Кириченко ; Южный федеральный университет.
 
Ростов-на
Дону ; Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 
2018. – 146 с.

ISBN 978-5-9275-2916-2
Учебное пособие «Основы проектирования и конструирования гидро
акустической аппаратуры» посвящено актуальной проблеме проектирования 
и конструирования гидроакустической аппаратуры. 

Излагаются актуальные задачи проектирования гидроакустической ап
паратуры. Приводятся типовые конструкции антенн гидроакустических 
средств, конструкции стержневых преобразователей, элементы конструкции 
буксируемых аппаратов и основы технологии изготовления гидроакустических антенн. 

Пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлениям

12.03.01 «Приборостроение», 17.03.01 «Корабельное вооружение» и специальности 26.05.04 «Применение и эксплуатация технических систем надводных кораблей и подводных лодок».

УДК 681.883(075.8)+534.232(075.8)

ББК 34.9я73+22.325я73

ISBN 978-5-9275-2916-2

© Южный федеральный университет, 2018
© Пивнев П. П., Тарасов С. П., Кириченко И. А., 2018
© Оформление. Макет. Издательство 

Южного федерального университета, 2018

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................6

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 
ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ СРЕДСТВ............................................................7

1.1. Основы системного подхода к проектированию 
гидроакустических средств.........................................................................7

1.2. Основы системного анализа технических систем............................11

1.3. Общие вопросы теории проектирования конструкций 
технических систем ...................................................................................15

1.4. Общие требования технологичности и унификации при 
проектировании технических систем.......................................................19

Контрольные вопросы ...............................................................................22

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗАЩИТЫ ТЕХНИЧЕСКИХ 
СИСТЕМ ОТ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ.....24

2.1. Защита технических систем от воздействия вибраций ...................24

2.2. Системы амортизации ........................................................................27

2.3. Защита элементов систем от ударов .................................................29

2.4. Теплофизическое конструирование систем......................................33

2.5. Учет электромагнитной совместимости составных частей 
системы при компоновке ..........................................................................45

2.6. Устранение наводок, возникающих в соединительных целях........50

Контрольные вопросы ...............................................................................53

3. АКТУАЛЬНЫЕ ЗАДАЧИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 
ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ................................................56

3.1. Современные тенденции проектирования гидроакустической 
аппаратуры .................................................................................................56

3.2. Новые направления проектирования гидроакустических антенн ..58

Содержание

4

3.3. Гидроакустические технологии в проектировании необитаемых 
подводных аппаратов.................................................................................64

Контрольные вопросы ...............................................................................68

4. ТИПОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ АНТЕНН ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ 
СРЕДСТВ ........................................................................................................69

4.1. Задачи проектирования гидроакустических антенн.........................69

4.2. Типы гидроакустических антенн .......................................................70

4.3. Одноэлементная плоская антенна......................................................71

4.4. Многоэлементные плоские антенны .................................................72

4.5. Плоские антенны с прямоугольным раскрывом...............................75

Контрольные вопросы ...............................................................................76

5. КОНСТРУКЦИИ СТЕРЖНЕВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ..................77

5.1. Активные материалы электроакустических преобразователей ......77

5.2. Выбор типа преобразователя..............................................................78

5.3. Требования к конструкции пьезокерамических 
преобразователей гидроакустических антенн .........................................81

5.4. Конструкции стержневых преобразователей с накладками............83

Контрольные вопросы .............................................................................116

6. ЭЛЕМЕНТЫ КОНСТРУКЦИИ БУКСИРУЕМЫХ АППАРАТОВ......118

6.1. Конструктивное оформление гидроакустических антенн.............118

6.2. Компенсаторы....................................................................................119

6.3. Кабельные вводы...............................................................................120

6.4. Элементы уплотнительной техники ................................................123

6.5. Конструкции акустических экранов в гидроакустических 
антеннах ....................................................................................................126

Контрольные вопросы .............................................................................127

Содержание

5

7. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ 
ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ АНТЕНН .........................................................128

7.1. Технология изготовления антенн гидролокаторов бокового
обзора........................................................................................................128

7.2. Технология изготовления антенн эхолотовых систем...................133

Контрольные вопросы .............................................................................140

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................................................................145
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................................142

ВВЕДЕНИЕ

Создание и совершенствование гидроакустических комплексов для ис
следования океана является одной из важных проблем, рассмотрение которой определяет основные направления развития гидроакустических 
средств. Одной из важнейших частей акустических систем дистанционного зондирования является антенна. Эффективность применения гидроакустических средств в большой степени определяется техническими, конструктивными и технологическими параметрами как самих гидроакустических преобразователей, так и гидроакустических антенн в целом. В 
настоящее время для гидрографических исследований океана применяют
эхолоты, гидролокаторы бокового обзора и параметрические профилографы [1, 2].

Одной из задач, решаемых при создании гидролокаторов бокового об
зора для дистанционного зондирования водной среды, является проектирование антенн с различной шириной характеристики направленности 
(ХН) в вертикальной и горизонтальной плоскостях на высоких частотах 
[2–4].

При проектировании акустических антенных систем, и в частности 

гидролокаторов бокового обзора (ГБО) и параметрических излучающих 
систем, важным этапом является выбор конструкции гидроакустических 
преобразователей и антенны. При этом особенности конструкции антенн, 
как правило, определяются способом закрепления на носителе и конструктивными особенностями гидроакустических преобразователей. Для 
большинства линейных антенн эхолотов и гидролокаторов бокового обзора, а также параметрических гидролокаторов акустическая система представляет собой антенную решетку. Особенностью параметрических антенных систем является то, что антенна состоит из двух подрешеток, с 
разными резонансными частотами элементов антенны [2].

Таким образом, особенности конструкции пьезоэлектрических элемен
тов антенны оказывают влияние на массогабаритные и энергетические 
параметры гидроакустической аппаратуры, а также на пространственные 
характеристики акустического поля, формируемого гидроакустическими 
антеннами, что приводит к необходимости учитывать особенности эксплуатации гидроакустических систем на этапе проектирования.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 

ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ СРЕДСТВ

1.1. Основы системного подхода к проектированию 

гидроакустических средств

Рассмотрим теоретические основы проектирования гидроакустических 

средств, как технической системы. В общей постановке задачи проектирования любая техническая система, в том числе и гидроакустическая 
система, является сложным по структуре объектом, в процессе проектирования, изготовления и эксплуатации которого необходим учет большого числа параметров системы и целевых функций системы. Сложным является весь жизненный цикл технических систем, который, как показано 
на рис. 1.1, состоит из этапов и стадий, начиная от проектирования системы до снятия системы с эксплуатации. На рис. 1.1 жизненный цикл 
показан 
в 
виде 
этапов:
технические 
требования 
(ТТ), 
научно
исследовательские работы (НИР), опытно-конструкторские работы (ОКР), 
изготовление (Из), эксплуатация (Эк). В свою очередь этапы жизненного 
цикла системы раскрываются стадиями: технические характеристики (Тх), 
аванпроект или техническое предложение (АП), эскизное проектирование 
(ЭП), техническое проектирование (ТП), рабочее проектирование (РП), 
технологическая подготовка производства (ТПП), гибкое автоматизированное производство (ГАП), испытания (Ис), техническое обслуживание 
(ТО).

Рис. 1.1. Этапы и стадии жизненного цикла системы

1. Теоретические основы проектирования гидроакустических средств

8

На всех стадиях проектирования на основе итерационного подхода 

вначале приближенно, а затем с уточнениями осуществляется разработка 
структуры системы, конструирование и технологическая подготовка производства гидроакустических средств. Проектирование сложных технических систем, в том числе гидроакустических средств, имеет особенности, 
связанные с неопределенностями исходных данных при решении ряда 
проектных задач.

Например, в начале проектирования при расчете элементов принципи
альной схемы электронных блоков гидроакустической системы нет точных данных о паразитных проводимостях, емкостях и индуктивностях 
монтажа, о значении температур на радиоэлементах. Это связано с отсутствием на первоначальных стадиях разработки подробных чертежей конструкции. В то же время проработка конструкции системы с расчетом 
теплового режима не может быть осуществлена до разработки принципиальной схемы электронных блоков гидроакустической системы. Все вышеперечисленное приводит к тому, что электрический и тепловой расчеты 
могут быть проведены вначале приближенно, затем эти расчеты уточняются.

Таким образом, гидроакустическая система представляет собой слож
ный объект, прежде всего с точки зрения его проектирования. Поэтому 
при разработке современных гидроакустических средств трудно говорить 
о чисто конструкторских или технологических задачах вне их взаимосвязи со схемотехникой и эксплуатацией.

Теоретической основой проектирования гидроакустических средств 

является системный подход к анализу физических процессов, протекающих в системе. Рассмотрим пример взаимосвязи трех видов расчетов
(электрических, тепловых и механических), характерных для технических 
систем, эксплуатируемых на подвижных объектах, к которым относятся 
гидроакустические средства и их носители (рис. 1.2).

На рис. 1.2 цифрами обозначены связи электрических, тепловых и ме
ханических расчетов: 1 – передача мощностей тепловыделения в элементах системы, 2 – передача температур элементов системы, 3 – передача 
ускорений, вибраций, ударов и других механических воздействий на элементы системы, 4 – передача масс для элементной базы, выбранной по 

1.1. Основы системного подхода к проектированию гидроакустических...

9

результатам электрических расчетов, 5 – передача эффективных задоров в 
местах крепления деталей (для расчета контактных тепловых сопротивлений и тепловых мощностей демпфирования, возникающих при вибрации), 
6 – передача температур конструктивных деталей.

Рис. 1.2. Взаимосвязь трех видов расчетов при проектировании системы

В процессе эксплуатации в конструкциях гидроакустических средств

одновременно протекает множество физических процессов (акустических, 
электрических, электромагнитных, тепловых, механических). Поэтому
системный подход к проектированию гидроакустических средств может 
быть сформулирован в виде требования: проследить как можно большее 
количество процессов и внешних связей, с тем, чтобы не упустить действительно значимые связи и факторы и оценить их эффекты.

В то же время системный подход обращает внимание на недостаточ
ность, а часто и вредность чисто локальных решений, полученных на основе охвата небольшого числа существенных факторов. В этом случае, с
точки зрения возможности нарушения системного подхода в проектных 
исследованиях, очень опасна практикуемая при разработке сложных технических систем специализация инженерных работ: отделы акустиков, 
системотехников, схемотехников, программистов, конструкторов, технологов. В ряде проектных организаций выделяются группы по акустическим, тепловым, прочностным и другим видам расчетам. В результате, 
обеспечив по отдельности тепловой режим, механическую прочность и