СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ДАВЛЕНИЯ ШУМОИЗЛУЧЕНИЯ ДВИЖУЩЕГОСЯ ОБЪЕКТА В УСЛОВИЯХ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ГИДРОАКУСТИЧЕСКОГО ПОЛИГОНА С НЕПОСТОЯННОЙ ВО ВРЕМЕНИ ПЕРЕДАТОЧНОЙ ФУНКЦИЕЙ Российский патент 1996 года по МПК H04R29/00 

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для измерения параметров шумоизлучения движущихся объектов на измерительном полигоне в натурных условиях при наличии пространственно-временной нестабильности среды распространения волн и при наличии интенсивных морских шумов, приводящих к большим погрешностям измерения уровня шумоизлучения. Изобретение применимо также для определения параметров измерительного гидроакустического полигона, в частности, его передаточной функции.

В качестве прототипа выбран способ измерения уровня давления шумоизлучения движущегося объекта в условиях измерительного гидроакустического полигона (ИГП), заключающийся в размещении в заданной области измерительного гидроакустического полигона рабочего средства измерений (РСИ), направлении контролируемого объекта с равномерной скоростью курсом на РСИ, одновременном измерении эффективных значений напряжений на выходе РСИ, создаваемых давлением акустических волн, распространяющихся от движущегося объекта и расстояний L между РСИ и контролируемым объектом с помощью системы измерения дистанций.

Недостатком известного способа-прототипа является необходимость ежегодного дорогостоящего демонтажа и подъема подводной части РСИ для метрологической поверки ее частично в лабораторных, частично в морских условиях, а также низкая точность измерений параметров шумоизлучения объекта из-за отличия условий поверки от реальных изменчивых условий эксплуатации РСИ.

Морская водная среда имеет пространственно-временную нестабильность. Изменяются условия распространения гидроакустических волн: изменяется поглощение спектральных составляющих, изменяются коэффициенты отражения волн от неоднородностей и дна и от поверхности водоема. Это вносит погрешности в результате измерения уровня давления гидроакустических волн. Поэтому знание функции передачи полигона во время измерений очень важно, поскольку позволяет вносить в ряде случаев поправки в результаты измерений.

В уравнение измерения известных гидроакустических измерительных систем входит функция передачи среды и измерительного полигона K_c
U_вых P_и•K_c•K
где K размерный коэффициент преобразования РСИ.

Обычно K_c определяется только во время метрологической аттестации полигона. K_c данного полигона изменяется во времени и непредсказуемо. Это приводит к погрешности измерений. Чтобы знать величину K_c и адекватную модель среды и полигона непосредственно во время измерений и тем самым избежать погрешности измерений, необходимо изменять и контролировать постоянство K_c прямо во время измерений Р_и.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков прототипа, т. е. повышение точности измерений, упрощение и расширение области применимости способа на условия высокого уровня морских шумов. Поставленная цель достигается тем, что в первом варианте способа перед проведением измерений на контролируемом объекте устанавливают гидроакустический источник опорных сигналов (ИОС) с известным уровнем излучения P_о, а измерение эффективных значений напряжений на выходе РСИ проводят последовательно при включенном и выключенном ИОС, при этом уровень шумоизлучения движущегося объекта P_и и передаточную функцию полигона К_с определяют из математических выражений
(1)
, (2)
где U₁, U₂ эффективные среднеквадратичные значения напряжений на выходе РСИ, соответственно при выключенном и включенном ИОС;
К размерный коэффициент преобразования РСИ, определяемый предварительно при его градуировке (калибровке).

Во втором варианте способа перед проведением измерений на контролируемом объекте устанавливают ИОС с известным уровнем излучения P_o и с помощью РСИ измеряют уровень звукового давления морских шумов P_ш, а измерение эффективных значений напряжений на выходе РСИ производят последовательно при включенном и выключенном ИОС, при этом уровень шумоизлучения P_и контролируемого объекта и передаточную функцию полигона К_с определяют из выражений:

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена общая схема практической реализации заявляемого способа.

Способ реализуется с помощью решетки 1 гидрофонов 2, входящих в рабочее средство измерений (РСИ) и расположенной, например, на дне 3 гидроакустического измерительного полигона 4 (ГИП). При этом выходы решетки 1 гидрофонов 2 соединяются морским кабелем 5 с соответствующей вычислительной и регистрирующей аппаратурой, расположенной на берегу 7 (береговая аппаратура) или в любом другом месте (буе, плавучей станции, на судне и т.п.). В связи с тем, что для измерений передаточной функции гидроакустического полигона и измерения малых уровней давления шумоизлучения на фоне повышенного уровня шумов моря требуется знание коэффициента преобразования РСИ К, удобнее и проще разместить "береговую" аппаратуру на борту судна измерения физических полей (СФП), а решетку гидрофонов при этом расположить на погружаемом подводном устройстве. Измерения могут проводиться в дрейфе СФП или стоянке на якорях. Имеется также источник 8 опорных сигналов (ИОС), расположенный на движущемся объекте 9.

Как и в прототипе на движущемся объекте 9 имеется также система измерения дистанций 10 (СИД) от объекта 9 и ИОС 8 до решетки 1 гидрофонов 2. Причем передающая часть СИД расположена на исследуемом объекте 9, а приемная на береговой аппаратуре 6 (приемная и регистрирующая части СИД на чертеже не показаны). Береговая аппаратура 6 включает в себя типовые блоки обработки сигналов от решетки 1 гидрофонов 2 и блоки обработки по алгоритмам (1-3), а также блоки спектрального частотного анализа регистрации и др.

Существо способа заключается в следующем.

При воздействии на гидрофоны 2 решетки 1 давление акустических волн, распространяющихся от движущегося объекта 9, ИОС 8, а также от самой морской среды на выходе рабочего средства измерений появляются эффективные значения напряжений:
U₁ когда ИОС выключен и U₂ когда он включен. При этом система уравнений, описывающих протекающие процессы, выглядит следующим образом

Вычитая уравнение (4) из уравнения (5) можно найти значение передаточной функции полигона, описываемого уравнением (2). После сложений уравнений (4) и (5) и подставки уравнения (2) получаем уравнением (3).

Для частного случая, когда P_ш 0 уравнение (3) превращается в уравнение (1). Аналогичные результаты для уравнений (1) и (2) можно было бы получить из системы уравнений описывающей протекающие процессы при отсутствии морских шумов.

Если в уравнении (1) допустить, что U₂ 2U₁, то получим P_и P_о. Это соотношение позволяет реализовать второй пункт формулы изобретения.

Если перемножим выходные сигналы РСИ (U₁ или U₂ ) с преобразованным сигналом СИД, пропорциональным дистанции L (для случая P_ш 0), то получим произведения, по которым можно судить о постоянстве передаточной функции полигона во время измерения шумоизлучения объекта [см. например, уравнение (6)] При этом допускается, что уровень шумоизлучения объекта P_и и уровень излучения ИОС P_о не изменяются.

Также следует учесть, что сигнал РСИ носит аналоговый характер, а выходной сигнал СИД представлен в виде кода. В связи с чем требуются соответствующие преобразования выходных сигналов.

Способ реализуется следующим образом.

При выключенном ИОС 8 и остановленном объекте 9 с помощью решетки 1 гидрофонов 2 измеряют уровень морских шумов P_ш. Это можно осуществить непосредственно до или после измерения уровня шумоизлучения движущегося объекта P_и и передаточной функции полигона К_с.

Затем направляют объект 9 к РСИ, непрерывно измеряя эффективные значения напряжений U₁ и U₂ на выходе РСИ сначала при выключенном ИОС, а затем при включенном источнике. Одновременно проводится измерение расстояния L с помощью СИД.

Результаты измерений обрабатываются и регистрируются береговой аппаратурой 6.

При этом, если P_ш мало, то по уравнению (1) определяют уровень гидроакустического давления шумоизлучения движущегося объекта 9, а по уравнению (2) передаточную функцию K_с полигона.

Одновременно определяют постоянство передаточной функции К_с полигона во времени путем перемножения выходных сигналов РСИ и СИД. Для этого можно использовать как сигнал U₁ так и сигнал U₂, поскольку за время измерения уровни давления P_и и P_о не изменяются.

Береговая аппаратура 6 может содержать ЭВМ, работающую по требуемой программе. Тогда информация об исследуемом объекте будет появляться практически в реальном масштабе времени.

Результаты измерений уровня давления шумоизлучения движущегося объекта в данном способе не зависят от величины передаточной функции полигона, от коэффициента преобразования рабочего средства измерений, от погрешностей, возникающих при ежегодной метрологической поверке РСИ в связи с демонтажом его подводных частей.

В способе согласно изобретению нет необходимости выделения из общего принятого гидроакустического сигнала излучателя опорных сигналов P_о, который должен быть меньше измеряемого сигнала P_и. Изобретение имеет более широкое функциональные возможности по сравнению с прототипом, поскольку позволяет дополнительно определить и передаточную функцию полигона.

Изобретение имеет также более широкие эксплуатационные возможности, поскольку применимо и в условиях морских шумов.

Использование: для измерения параметров шумоизлучения движущихся объектов на измерительном полигоне. Сущность изобретения: в заданной области полигона устанавливают рабочее средство измерений гидроакустических сигналов, а на движущемся объекте источник опорных сигналов и систему измерения дистанций. С помощью рабочего средства измерений измеряют его выходной сигнал U<Mv>1<D> и U<Mv>2<D> соответственно при включенном и выключенном источнике опорных сигналов, одновременно регистрируя расстояние L с помощью системы измерения дистанций между объектом и рабочим средством измерения. С помощью береговой аппаратуры обрабатывают полученные результаты измерений и вычисляют уровень давления шумоизлучения P<Mv>И<D> движущегося объекта и передаточную функцию К<Mv>с<D> полигона. Кроме того, во втором варианте способа измеряют уровень звукового давления морских шумов P<Mv>Ш<D>, учитывая эту величину при вычислении величин P<Mv>И<D> и K<Mv>С<D>. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ измерения уровня давления шумоизлучения движущегося объекта в условиях измерительного гидроакустического полигона с непостоянной во времени передаточной функцией, заключающийся в размещении в заданной области полигона рабочего гидроакустического средства измерений, направлении контролируемого объекта с равномерной скоростью курсом к рабочему средству измерений, одновременном измерении эффективных значений напряжений на выходе рабочего гидроакустического средства и расстояний L между рабочим гидроакустическим средством и контролируемым объектом с помощью системы измерения дистанций, отличающийся тем, что перед проведением измерений на контролируемом объекте устанавливают гидроакустический источник опорных сигналов с известным уровнем излучения P₀, а измерения эффективных значений напряжений на выходе рабочего гидроакустического средства проводят последовательно при включенном и выключенном источнике опорных сигналов, при этом уровень шумоизлучения Р_и движущегося объекта и передаточную функцию полигона К_с в момент измерения определяют из математических выражений


где U₁, U₂ эффективные среднеквадратические значения напряжений на выходе рабочего средства соответственно при выключенном и включенном источнике опорных сигналов;
К размерный коэффициент (Па/В) преобразования рабочего гидроакустического средства, определяемый предварительно при градуировке последнего. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в процессе определения уровня шумоизлучения контролируемого объекта производят перемножение значений преобразованных выходных сигналов гидроакустического рабочего средства измерений и системы измерения дистанции и по постоянству полученного после перемножений произведения судят о постоянстве передаточной функции полигона в процессе определения шумоизлучения контролируемого объекта. 3. Способ измерения уровня давления шумоизлучения движущегося объекта в условиях измерительного гидроакустического полигона с непостоянной во времени передаточной функцией, заключающийся в размещении в заданной области полигона рабочего гидроакустического средства измерений, направлении контролируемого объекта с равномерной скоростью курсом к рабочему средству измерений, одновременном измерении эффективных значений напряжений на выходе рабочего гидроакустического средства и расстояний L между рабочим гидроакустическим средством и контролируемым объектом с помощью системы измерения дистанций, отличающийся тем, что перед проведением измерений на контролируемом объекте устанавливают гидроакустический источник опорных сигналов с известным уровнем излучения Р₀ и с помощью гидроакустического рабочего средства измеряют уровень звукового давления морских шумов Р_ш, а измерение эффективных значений напряжений на выходе рабочего средства проводят последовательно при включенном и выключенном источнике опорных сигналов, при этом уровень шумоизлучения Р_и контролируемого объекта и передаточную функцию полигона K_c определяют из математических выражений


где U₁, U₂ эффективные среднеквадратические значения напряжений на выходе рабочего средства соответственно при выключенном и включенном источнике опорных сигналов;
К размерный коэффициент (Па/В) преобразования рабочего гидроакустического средства, определяемый предварительно при градуировке последнего.