СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ШУМОИЗЛУЧЕНИЯ ПОДВОДНОГО ОБЪЕКТА Российский патент 1998 года по МПК G01S3/80 

Изобретение относится к области гидроакустике и может быть использовано для измерения параметров шумоизлучения слабошумящих подводных объектов.

Известен способ, аналогичного назначения, заключающийся в облучении подводного объекта акустическими импульсами и приеме отраженных от объекта сигналов при последующей их обработке [1]
Недостатком известного способа является отсутствие скрытности проводимых наблюдений и возможности измерения параметров собственного шумоизлучения объекта.

Известен способ измерения параметров шумоизлучения подводного объекта, заключающейся в приеме гидроакустическим приемником звуковых волн, излучаемых объектом и последующей обработке результатов измерений [2] Данный способ примем за прототип.

Недостатком прототипа являются трудности измерений параметров шумоизлучения слабошумящего подводного объекта, например, когда уровень шумоизлучения объекта не превышает собственных шумов натурного водоема. Особенно названные трудности проявляются на высоких частотах, сигнал на которых наиболее сильно поглощается водной средой.

Техническим результатом, получаемым при реализации изобретения является возможность измерений параметров шумоизлучения слабошумящего подводного объекта во всем диапазоне частот излучения, включая высокие частоты.

Данный технический результат достигается тем, что в известном способе измерения параметров шумоизлучения подводного объекта, заключающемся в приеме гидроакустическим приемником звуковых волн, излучаемых объектом, и последующей обработке полученных результатов, между объектом и гидроакустическим приемником вдоль трассы следования звуковых волн формируют звукопроводный канал в виде зоны с повышенной температурой жидкости по границам канала.

Звукопроводный канал в жидкости формируется путем ее облучения импульсным лазерным излучением рубинового или неодимового лазеров с кольцеобразным распределением интенсивности излучения по сечению луча.

На фиг. 1 представлен пример схемы пассивного гидролокатора для реализации способа, на фиг. 2, 3 диаграммы, поясняющие существо способа.

В зависимости от спектра регистрируемого шумоизлучения, излучаемого объектом, схемы пассивного гидролокатора для реализации способа будут различными. На фиг. 1 представлена схема для регистрации преимущественно высокочастотного излучения (свыше 15 кГц) подводного объекта.

Гидролокатор для реализации способа содержит импульсный лазер 1, коллиматор 2 из кварцевого стекла, поворотный светоотражатель 3, экран 4. Элементы 1-4 расположены на заякоренной платформе 5, в которой сделано кварцевое оптическое окно 6 и на оптической оси лазера 1 закреплен гидроакустический приемник 7, выход которого подключен к обрабатывающей и регистрирующей аппаратуре 8.

Шумоизлучающий подводный объект изображен под позицией 9.

Длина волны импульсного лазера 1 подбирается, исходя из контрольного расстояния 1 между гидроакустическим преобразователем 7 и целью 9. При расстоянии 1, равном нескольким метрам, можно использовать лазер на неодиме с длиной волны 1,06 мкм и энергией порядка нескольких десятков джоулей. Коэффициент поглощения света на этой длине волны в воде составляет порядка 10 м^-1 Это обеспечивает средний перегрев воды в зоне лазерного облучения относительно окружающей жидкости на 1^oC10^oC [3] с учетом того, что поглощение лазерного излучения происходит экспоненциально по закону Бугера. При расстоянии 1, равном нескольким десяткам метров, целесообразно использовать лазер на рубине с длиной волны около 0,7 мкм, на которой коэффициент поглощения лазерного излучения водой порядка 1 м^-1 [3] Поэтому для получения требуемого превышения температуры в зоне облучения потребуется уже энергия порядка нескольких тысяч джоулей в импульсе.

Подобные лазеры в настоящее время выпускаются серийно с длительностью импульса 10^-4-10^-3 с.

Если энергии серийного лазера будет не хватать для формирования соответствующей температурной зоны, возможно изготовление специального активного лазерного кристалла с кольцевым сечением (фиг.2, вверху). В таком лазере энергия не будет пропадать из-за ее поглощения или отражения экраном 4.

Для регистрации шумоизлучения в частотном диапазоне f≥ 1,5 кГц поперечный размер звукопроводного канала должен быть не менее Δx ≅ c/f ≅ 1500/1500 ~ 1 м где c скорость звука, а для частотного диапазона со 150 Гц, Δx порядка 10 м.

Создать в воде звукопроводный канал таких поперечных размеров можно несколькими импульсными лазерами, установленными вокруг гидроакустического приемника, также увеличивающего свои размеры пропорционально регистрируемой длине волны звука. Данный случай иллюстрируется на фиг. 3.

Скорость звука с в натурном водоеме изменяется на 3,5-4 м/с на градус, т. е. примерно на 0,25% на 1^oC [4] Это позволяет с помощью лазерного излучения, частично поглощаемого водой, создать в натурном водоеме 10 (фиг. 1) звукопроводный канал 11, наподобие естественного подводного звукового канала в океане [5]
Способ реализуется следующим образом.

При появлении (или перед появлением) обследуемого подводного объекта 9 в заданной точке натурного водоема 10 (фиг. 1) проводится импульсное облучение жидкости лазером 1, луч которого расширяется коллиматором 2, частично экранируется экраном 4 и направляется светоотражателем 3 через оптическое окно 6 в натурный водоем. При этом в облучаемой области натурного водоема образуется звукопроводная область 11 с кольцевым поперечным сечением 12 (фиг. 2, вверху), в виде зоны с повышенным значением температуры ΔT по границам зоны (фиг. 2, внизу) и живущая в жидкости нескольких секунд [3]
Звуковые волны проходят по каналу 11, практически не ослабляясь, достигают за сотые доли секунды гидроакустического приемника 7, обрабатываются и регистрируются аппаратурой 8 за время порядка 1 с.

Если исследуемый объект 9 имеет дискретные пространственно расположенные источники шумоизлучения, то данным способом возможно определение пространственных координат этих источников.

Измерение уровней давления шумоизлучения подводного объекта 9 требует предварительного определения передаточной функции звукопроводного канала, например, с помощью источника стандартных сигналов, помещенного на объект 9.

Схема реализации способа с несколькими зонами 13 облучения (фиг. 3, вверху) работает аналогично.

Таким образом, данный способ позволяет расширить возможности известного пассивного гидролокационного способа как в сторону более высоких частот, так и в сторону более низких амплитуд регистрируемых звуковых волн.

Источники информации:
1. Пат. США N 4319348, кл. 367-87 (G 01 S 15/04), 1982г.

2. Заявка Франции N 2414732, кл. G 01 S 3/80, 1989 (прототип).

3. Ю. Н. Власов, В.М.Латышев, В.И.Савагов, А.М.Трохан. Оптический визуальный метод исследования течений жидкости. Теплофизика высоких температур, 1972, 10, N 5, 1135-1137.

4. M. Greenspan, C. E. Tschiego. Table of speed of sound in water. J. Acoust. Soc. Amer. 1959, 31, N 1, pp.75-76.

5. Евтютов А.П. Колесников А.Е. и др. Справочник по гидроакустике. -Л. Судостроение, 1982, c. 65-69.

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано для измерения параметров шумоизлучения слабошумящих подводных объектов. Существо изобретения заключается в том, что между исследуемым подводным объектом и гидроакустическим приемником вдоль трассы следования звуковых волн формируют звукопроводный канал в виде зоны с повышенной температурой жидкости по его границам. Такой звукопроводный канал можно сформировать в натурном водоеме с помощью импульсного лазерного луча с кольцеобразным распределением интенсивности лазерного излучения по сечению. 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Способ измерения параметров шумоизлучения подводного объекта, заключающийся в приеме гидроакустическим приемником звуковых волн, излучаемых объектом, и последующей обработке полученных результатов измерений, в результате которых определяют уровень звукового давления и спектральный состав шумоизлучения, отличающийся тем, что между объектом и гидроакустическим приемником вдоль трассы следования звуковых волн, распространяющихся от шумящего подводного объекта, формируют звукопроводный канал в виде зоны с повышенной температурой жидкости по ее границам. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что звукопроводный канал в жидкости формируется путем ее облучения импульсным лазерным излучением с кольцеобразным распределением интенсивности излучения по сечению луча. 3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что звукопроводный канал в жидкости формируется излучением рубинового лазера. 4. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что звукопроводный канал в жидкости формируется излучением неодимового лазера.