СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ГИДРОФОНА В МОРСКИХ УСЛОВИЯХ Российский патент 1998 года по МПК H04R29/00 

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано при градуировке и калибровке гидрофонов стационарных измерительных средств в диапазоне низких частот (когда длина звуковой волны по порядку величины сравнима с глубиной моря).

Известен способ градуировки гидрофона методом сравнения [1], заключающийся в том, что градуируемый и образцовый гидрофоны подвергают одинаковому воздействию в условиях пространства.

Недостатком известного способа является ограниченность его применения случаем малых камер, т.е. случаем лабораторных условий.

Известен способ определения чувствительности гидрофона в морских условиях методом сравнения в диапазоне низких частот [2], когда длина звуковой волны по порядку величины сравнима с глубиной моря, заключающийся в генерации гармонических сигналов частоты f с помощью источника звука и приеме гармонического акустического сигнала градуируемым и образцовым гидрофонами. При этом чувствительность γ_г градуируемого гидрофона определяют по формуле:

где
γ_o - чувствительность образцового гидрофона; U_г, U_о - электрические напряжения на выходах соответственно градуируемого и образцового гидрофонов; R_г, R_о - расстояние от излучателя соответственно до градуируемого и образцового гидрофонов.

Известный способ [2] требует точного контроля расстояний R_г, R_о, что достигается путем крепления гидрофонов и излучателя с помощью специальных жестких конструкций. Кроме того, при проведении измерений в диапазоне низких частот существенное влияние будут оказывать отражения от поверхности и дна моря. Применение направленного излучения в низкочастотном диапазоне затруднено, так как размеры направленного низкочастотного излучателя должны быть слишком велики.

Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является расширение области применения метода сравнения для градуировки гидрофонов в натурных условиях в диапазоне низких частот при наличии существенных отражений звуковых волн от поверхности и дна моря.

Данный технический результат достигается за счет того, что в известном способе определения чувствительности гидрофона в морских условиях методом сравнения с образцовым гидрофоном в диапазоне низких частот, когда длина λ звуковой волны по порядку величины сравнима с глубиной H моря, заключающемся в генерации гармонического сигнала частоты f с помощью источника звука и приеме гармонического акустического сигнала градуируемым и образцовым гидрофонами, прием гармонического акустического сигнала градуируемым и образцовым гидрофонами проводят при глубинах погружения градуируемого и образцового гидрофонов, различающихся на величину, не большую, чем

где
n - показатель преломления вода-дно, при этом перемещают источник звука прямолинейным галсом с постоянной малой скоростью v при v/c < 2•10^-3, где c - скорость звука в воде, на постоянной глубине при горизонтальном расстоянии между источником и градуируемым гидрофоном, большем пяти глубин моря, измеряют на интервале времени ΔT, равном средние уровни амплитуд сигналов на выходах градуируемого и образцового гидрофонов, отмечают те моменты времени, когда текущие значения амплитуд сигналов на выходах градуируемого и образцового гидрофонов одновременно превосходят соответствующие им средние уровни, причем образцовый гидрофон чувствительности γ₀ помещают на горизонтальном расстоянии от градуируемого гидрофона, не превышающем величины
(1)
где
Θ - угол между направлением движения источника и линией, соединяющей градуируемый и образцовый гидрофоны, при этом горизонтальное расстояние между источником звука и образцовым гидрофоном также должно превышать пять глубин моря, а чувствительность γ_г градуируемого гидрофона определяют по математическому соотношению:
(2)
где
U_о(t_i) - амплитуда сигнала на выходе образцового гидрофона в моменты времени t_i, i = 1,2, ...,M, когда текущие значения амплитуды превосходят средний уровень, - амплитуда сигнала на выходе градуируемого гидрофона в моменты времени i = 1,2,...,M, причем число j_о отсчетов, на которое нужно сдвинуть сигнал на выходе градуируемого гидрофона относительно сигнала на выходе образцового гидрофона, определяется по минимуму функции:
(3)
где
N_г - начальная точка окна, m - число точек в окне, которое выбирается из условия
m•Δt ≥ 8/3 H²(λυ)^-1,
где
Δt - интервал времени между отсчетами.

Изобретение поясняется чертежом, на фиг. 1 которого представлена схема для реализации способа; на фиг. 2 - зависимость амплитуды звукового давления от горизонтального расстояния между источником звука и гидрофоном; на фиг. 3 - зависимость разности амплитуд сигналов от взаимного расположения гидрофонов в слое.

На схеме для реализации способа (фиг. 1) обозначены следующие позиции: водный слой 1 с дном 2 и поверхностью 3; градуируемый и образцовый гидрофоны 4, 5. Градуируемый гидрофон 4 установлен на донной платформе 6 и связан кабелем 7 со входом блока 8 определения чувствительности, второй вход которого соединен с выходом приемника 9 радиоканала. Образцовый гидрофон 5 опускается с борта судна 10. Выход гидрофона подключен ко входу передатчика 11 радиоканала. Источник звука 12 буксируется на кабель-тросе судном 13.

Способ основан на следующих теоретических предпосылках.

Известно, что в волноводе, образованном поверхностью 3 и дном 2 моря, амплитуда |P| и фаза акустического поля, создаваемого тональным излучателем в водном слое 1, являются сложными функциями частоты f, горизонтального расстояния r от источника звука 12 и горизонтов излучения z_о и приема z звука [3]:
(4)
где
P_l, K_l - амплитуда и горизонтальная составляющая волнового вектора l-ой моды, L - число мод, распространяющихся в волноводе на частоте f.

На фиг. 2 представлена зависимость амплитуды звукового давления от горизонтального расстояния r в модели волновода, состоящей из водного слоя толщины H=272,93 м, плотности ρ = 1,0 г/см³ и скорости звука в нем c = 1451,4 м/с, лежащего на однородном упругом полупространстве, скорости продольных и поперечных волн в котором соответственно равны c₁ = 2120,93 м/с, c_t = 779,26 м/с, плотность ρ = 2,56 г/см³ для частот 5 Гц (сплошная линия) и 10 Гц (пунктир).

Известно, что в зонах интерференционных максимумов звуковое поле в волноводе имеет характер, близкий к характеру квазиплоской волны [4]. Амплитуда звукового давления в интерференционных максимумах сравнительно мало меняется при не слишком больших (по сравнению с характерными периодами интерференции звукового поля по глубине и расстоянию) изменениях глубины приемника и горизонтального расстояния от приемника до излучателя.

Фиг. 3 наглядно иллюстрирует этот факт: на ней приводится зависимость модуля отклонения друг от друга амплитуд звукового давления на градуируемом и образцовом гидрофонах от взаимного расположения гидрофонов в случае, когда оба гидрофона попадают в интерференционный максимум звукового поля источника частоты 5 Гц, находящемся на горизонтальном расстоянии r = 1690 м от градуируемого гидрофона (глубина источника и приемника равна 150 м).

Способ реализуется следующим образом.

Образцовый гидрофон 5 известной чувствительности γ_o располагают на горизонтальном расстоянии Δr, не превосходящем величины Δr ≤ λ [2π(1-n)^-1] от градуируемого гидрофона 4, так чтобы глубины погружения образцового 5 и градуируемого 4 гидрофонов отличались на величину Δz, определяемую условием Δz ≤ λ [4π(1-n²)^1/2]^-1.
Такое взаимное положение образцового и градуируемого гидрофонов обеспечивает то, что в интерференционных максимумах звукового поля источника акустические давления в точках расположения гидрофонов будут различаться меньше, чем на 1 дБ (фиг. 3).

Перемещают источник звука 12 прямолинейным галсом с постоянной скоростью v при v/c < 2•10^-3 (где c - скорость звука в воде) на постоянной глубине при горизонтальных расстояниях r, больших пяти глубин моря. Указанное ограничение скорости v обеспечивает то, что на интервале времени Δt = 30f^-1 источник 12 переместится на расстояние, меньшее λ/ 16.
Измеряют на интервале времени

средние уровни амплитуд сигналов на выходах градуируемого и образцового гидрофонов. Отмечают те моменты времени t_i, i = 1,2,..., M, когда текущие значения амплитуд сигналов на выходах образцового U_о(t_i) и градуируемого U_г(t_i) гидрофонов одновременно превосходят соответствующие им средние уровни, т.е. когда выполняются условия:

соответствующие одновременному попаданию градуируемого и образцового гидрофонов в интерференционный максимум звукового поля источника, и определяют чувствительность градуируемого гидрофона по формуле (2).

Анализ формулы (2) показывает, что в способе устраняется погрешность из-за разнесенности гидрофонов вдоль линии движения излучателя путем обработки сигналов, регистрируемых гидрофонами, сдвинутых во времени.

То есть дискретные отсчеты сигналов, регистрируемых градуируемым и образцовым гидрофонами в одни и те же моменты времени, сдвигаются друг относительно друга так, чтобы совместить отсчеты, относящиеся к разным моментам времени, но к одинаковым расстояниям между излучателем и, соответственно, градуируемым и образцовым гидрофонами.

Подобную трансформацию сигнала отображает математическая формула (3).

С другой стороны, смещенность сигналов из-за разности глубин гидрофонов устранить при обработке сигналов в данном способе невозможно. Поэтому необходимо, чтобы в эксперименте глубины погружения гидрофонов сильно не различались, т.е. чтобы выполнялось условие (1).

Таким образом, в отличие от прототипа, данный способ может применяться при существенных отражениях звукового сигнала от поверхности и дна моря.

Источники информации.

1. Боббер Р. Гидроакустические измерения. - М.: Мир, 1974.

2. Болгов В.М., Плахов Д.Д., Яковлев В.Е. Акустические шумы и помехи на судах. Л., Судостроение. 1984, с. 165 - 170 - прототип.

3. Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. - М.: АН СССР, 1957.

4. Грачев Г.А., Кузнецов Г.Н. О средней скорости изменения фазы акустического поля вдоль плоского волновода. Акуст. ж., 1985, 31, N 2, с. 266 - 268.

Градуировку гидрофона производят в морских условиях в диапазоне низких частот методом сравнения с образцовым гидрофоном (ОГ)известной чувствительности γ_o . Градуируемый гидрофон (ГГ) и ОГ погружают на различную глубину. Горизонтальное расстояние между источником звука и ОГ и ГГ задается большим пяти глубин моря. Приведены соотношения для определения максимального горизонтального расстояния между ОГ и ГГ и максимальной разности глубин их погружения. Удовлетворяющее этим соотношениям взаиморасположение ОГ и ГГ обеспечивает то, что в точках их расположения разность звуковых давлений в интерференционных максимумах меньше 1 дБ. При градуировке источник звука перемещают прямолинейным галсом с малой постоянной скоростью
v (v/c < 2 • 10^-3,
где c - скорость звука в воде. На интервале времени ΔT, равном 8/3•H²/ λv , где H - глубина моря, λ - длина звуковой волны, измеряют средние уровни амплитуд сигналов на выходах ГГ и ОГ. Отмечают те моменты времени, когда текущие значения амплитуд сигналов одновременно превосходят их средние уровни. Чувствительность γ_r ГГ определяют по соотношению:

где U_о(t_i) - амплитуда сигнала на выходе ОГ в моменты времени t_i, i = 1,2, ..., M, когда текущие значения амплитуды превосходят средний уровень;
- амплитуда сигнала на выходе ГГ в моменты времени , i = 1,2, ... , M;
j_о - число отсчетов, на которое нужно сдвинуть сигнал ГГ относительно сигнала ОГ. Изобретение позволяет расширить область применения способа. 3 ил.

Способ определения чувствительности гидрофона в морских условиях методом сравнения с образцовым гидрофоном в диапазоне низких частот, когда длина λ звуковой волны по порядку величины сравнима с глубиной H моря, заключающийся в генерации гармонического акустического сигнала частоты с помощью источника звука и приеме гармонического акустического сигнала градуируемым и образцовым гидрофонами, отличающийся тем, что прием гармонического акустического сигнала градуируемым и образцовым гидрофонами проводят при глубинах погружения градуируемого и образцового гидрофонов, различающихся на величину, не большую, чем
λ[4π(1-n²)^1/2]^-1,
где n - показатель преломления вода-дно,
при этом перемещают источник звука прямолинейным галсом с постоянной малой скоростью V при V/c < 2 • 10^-3, где c - скорость звука в воде, на постоянной глубине при горизонтальном расстоянии между источником и градуируемым гидрофоном, большем пяти глубин моря, измеряют на интервале времени ΔT, равном
ΔT = 8/3•H²/λ•V,
средние уровни амплитуд сигналов на выходах градуируемого и образцового гидрофонов, отмечают те моменты времени, когда текущие значения амплитуд сигналов на выходах градуируемого и образцового гидрофонов одновременно превосходят соответствующие им средние уровни, причем образцовый гидрофон чувствительности γ₀ помещают на горизонтальном расстоянии от градуируемого гидрофона, не превышающем величины
λ[(1-n)cosθ]^-1,
где θ - угол между направлением движения источника и линией, соединяющей градуируемый и образцовый гидрофоны,
горизонтальное расстояние между источником звука и образцовым гидрофоном также должно превышать пять глубин моря, а чувствительность γ_г градуируемого гидрофона определяют по математическому соотношению

где U₀(t_i) - амплитуда сигнала на выходе образцового гидрофона в моменты времени t_i, i = 1, 2, ... , M, когда текущие значения амплитуды превосходят средний уровень;
U_r(t_i+j0) - амплитуда сигнала на выходе градуируемого гидрофона в моменты времени t_i+j0, i = 1, 2, ..., M,
причем число j₀ отсчетов, на которое нужно сдвинуть сигнал на выходе градуируемого гидрофона относительно сигнала на выходе образцового гидрофона, определяется по минимуму функции

где N_г - начальная точка окна;
m - число точек в окне, которое выбирается из условия
m•Δt≥8/3•H²(λV)^-1,
Δt - интервал времени между отсчетами.