СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ УПРУГОЙ ВОЛНЫ В МОРСКОЙ ВОДЕ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2001 года по МПК G10K11/00 G10K15/02 

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в конструкциях гидроакустических приборов (для гидролокации и передачи информации в широкой полосе частот), измерительных приемоизлучающих комплексах и др.

Известен способ передачи упругой волны в морской воде, включающий линейное преобразование электрической энергии в акустическую и формирование направленного излучения или прием сигнала (см. Б. К. Новиков, О.В. Руденко, В.И. Тимошенко Нелинейная гидроакустика, Л.: Судостроение, 1981, с. 7).

Недостаток этого технического решения - значительные габариты излучающих и приемных электронных блоков, особенно для низких частот и малый коэффициент полезного действия.

Известен также способ передачи упругой волны в морской воде, включающий формирование параметрической антенны излучателя, с одновременным излучением упругой волны, при этом, излучают бигармонический сигнал с близкими звуковыми или ультразвуковыми частотами f₁ и f₂, в основе процесса лежит эффект нелинейного взаимодействия звуковых волн при мощных исходных сигналах. При этом за счет нелинейного взаимодействия упругих волн в нелинейной среде (морская вода) появляется ряд эффектов, которые позволяют формировать узкие диаграммы направленности на разностный частоте, сканирование этих узких диаграмм направленности в пространстве, частотная и частотно-фазовая модуляция сигналов и множество других важных прикладных технических эффектов (см. Б. К. Новиков, О.В. Руденко, В.И. Тимошенко Нелинейная гидроакустика, Л.: Судостроение, 1981, с. 7-12).

Кроме чисто акустических эффектов генерации упругих волн существуют целые классы излучателей, основанных на взаимодействии мощных электромагнитных волн светового диапазона с морской средой.

Недостаток этого технического решения низкий КПД, который составляет от 0,01 до 0,1%.

Основной вклад в эффективность преобразования высокочастотного сигнала в низкочастотные гармоники вносят так называемые нелинейные параметры, которые невелики, например, для дистиллированной воды E = 3,1 при температуре 0^oC; 3,5 - при 20^oC; 3,7 - при 40^oC. Для морской воды при солености в диапазоне температур 20-30^oC величина E равна 3,6.

Последние экспериментальные работы, проведенные в открытом море, показали, что коэффициент нелинейности E в широком диапазоне частот и на глубинах до 300 м меняется незначительно и не превышает 4. Поэтому принципиально новых эффектов по сравнению с уже изученными в открытом океане на произвольных глубинах ожидать нельзя. Таким образом дальнейшее повышение эффективности работы гидроакустических приборов за счет совершенствования работы излучателей (в том числе и наращивания мощности излучаемого сигнала) проблематично.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, выражается в увеличении коэффициентов нелинейности рабочей среды и усилении на этой основе положительных эффектов, связанных с нелинейными эффектами (широкополосность, направленность и т.п.).

Технический результат, получаемый при решении названной задачи, выражается в увеличении дальности действия гидролокаторов, при существенно меньшей энергоемкости процесса.

Для решения поставленной задачи способ передачи упругой волны в морской воде, включающий формирование параметрической антенны излучателя, с одновременным излучением упругой волны отличается тем, что, предпочтительно, в ближней зоне излучателя модулируют по времени параметры среды, для чего в эту область, кроме упругой волны, вводят сигнал иной физической природы, подвергнутый частотно-временной модуляции, например электромагнитную волну. Кроме того, в качестве промодулированного по времени сигнала используют промодулированный по времени гидродинамический поток жидкости. Кроме того, модуляцию гидродинамического потока осуществляют путем изменения плотности жидкости за счет ее управляемого насыщения газом. Кроме того, модуляцию гидродинамического потока осуществляют путем изменения плотности жидкости за счет управляемого изменения ее температуры. Кроме того, модуляцию гидродинамического потока осуществляют путем изменения плотности и упругости жидкости за счет управляемого изменения ее химического состава. Кроме того, модуляцию гидродинамического потока осуществляют путем проведения серии управляемых взрывов в рабочей зоне излучателя.

Сопоставительный анализ признаков заявленного и известных технических решений свидетельствует о его соответствии критерию "новизна". Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи:
Признак "предпочтительно, в ближней зоне излучателя модулируют по времени параметры среды" обеспечивает возможность управляемого увеличения коэффициентов нелинейности рабочей среды и, тем самым, обеспечивает возможность повышения эффективности работы гидроакустических приборов. При этом указание на местоположение объема с промодулированными во времени параметрами среды определяет вариант наиболее легко реализуемый на практике.

Признак, указывающий на дополнительный ввод (кроме упругой волны) промодулированного сигнала иной физической природы, обеспечивают "формирование параметрической антенны" менее энергоемким методом, по сравнению с известным, основанным на взаимодействии двух одинаковых по физической природе акустических сигналов.

Признак, конкретизирующий промодулированный сигнал как электромагнитный, определяет наиболее простой вариант реализации предлагаемого изобретения т. к. при его использовании возможна регулировка частоты, фазы и мощности излучения, размеров зоны облучения и ее расположения в пространстве.

Признак второго пункта формулы изобретения описывает варианты реализации способа, основанные на механическом изменении параметров среды в ближней зоне излучателя.

Признаки третьего - шестого пунктов формулы изобретения описывают возможные методы реализации способа.

Известно, что параметры гидрофизических полей среды, в которой распространяется гидроакустическая волна, влияют на параметры этой волны (см. Воронин В. А., Кириченко И.А., Исследование параметрической антенны в стратифицированной среде с изменяющимся полем скорости звука. Журнал "Известия ВУЗов". - Электромеханика, N 4. 1995). Есть основания полагать, что влияние гидрофизических полей осуществляется через изменение плотности и коэффициентов упругости среды.

По своей физической сущности способ предусматривает искусственное изменение плотности и (или) температуры или химического состава водной среды и распределения этих величин в рабочей зоне излучателя (непосредственной близости и на пути движения сигнала - в области взаимодействия волн различной природы). Изменение этих параметров можно производить различными способами, например непосредственно механически, подводя в зону взаимодействия различные жидкости или газы. Вторая группа способов заключается в нагревании различных участков воды с помощью электромагнитных волн. Последняя группа способов наиболее проста и удобна для реализации.

Заявленное изобретение иллюстрируется чертежами, на которых показаны: на фиг. 1 - схема реализации заявленного способа, на фиг. 2 показаны узкополосные спектры сигналов подсветки среды и электромагнитных излучений в морской воде, на фиг. 3 показано то же в пресной воде.

Количественная характеристика процесса взаимодействия электромагнитных и упругих волн в проводящих средах будет следующей: при излучении электромагнитной волны в морскую воду (электропроводящую среду) электромагнитная волна поглощается (затухает по амплитуде) и одновременно уменьшается длина электромагнитной волны. В зависимости от проводимости морской воды расстояние, на котором затухает электромагнитная волна сверхнизких частот (от 10 Гц до 1000 Гц), может составлять от 10-20 м до 100-200 м. При этом "длина" затухающей электромагнитной волны может составлять от 0,1-0,2 до 10-20 м.

Математически процесс распространения электромагнитной волны описывается уравнением диффузии, которое выводится на базе теории взаимодействия электромагнитной волны и проводящей жидкости, приблизительно описывающей морскую воду.

Теоретическая основа заявленного способа заключается в том, что электрические токи, генерируемые электромагнитной волной переходят в джоулево тепло. Диссипативные потери на ток проводимости в морской воде преобразовываются в тепловые потери, которые в свою очередь изменяют механические характеристики проводящей жидкости (плотность, температуру, теплоемкость и т. д. ). При пропускании по такой промодулированной в пространстве нелинейной упругой среде упругой волны ее параметры будут промодулированы за счет изменения фазовой скорости этой упругой волны по трассе распространения. Спектр упругой волны изменяется, в нем появляются высокие гармоники и низкочастотные составляющие сигнала (за счет параметрического нелинейного влияния среды на сигнал). Очевидно, за счет эффектов механических потерь в воде, упругие волны низкой частоты будут распространятся на большие расстояния, а высокочастотные быстро затухнут. Поскольку область параметрического взаимодействия сигнала с промодулированной средой составляет несколько длин упругой волны λ (сигнала разностной частоты), то формируется диаграмма направленности акустически прозрачной антенны. Тип антенны и физика формирования диаграммы направленности в этом случае подобна формирования диаграмм направленности нелинейной гидроакустической антенны.

Процесс формирования акустической параметрической антенны можно пояснить обычной системой уравнений гидродинамики вязкой жидкости при наложении на уравнение состояния изменений фазовой скорости звука во времени и пространстве.

Для вычисления скорости распространения упругой волны можно применить формулу:

где β_s= -1/ν(∂V/∂P)_s коэффициент адиабатической сжимаемости жидкости, где ν - удельный объем.

Воспользовавшись соотношением между адиабатической и изотермической сжимаемостью β_s= G_ν/G_p. β_T можно получить следующее выражение для фазовой скорости

Очевидно, что качественно любые изменения плотности ρ и давления P при постоянной температуре приводят к изменению фазовой скорости звука во времени в зоне взаимодействия электромагнитной волны с упругой через проводящую электрический ток морскую или другую воду.

То есть, в отличии от классических уравнений гидродинамики идеальной жидкости, которые используются в теории нелинейных параметрических излучателей, в последних уравнениях фазовая скорость упругой волны изменяется во времени и пространстве по закону изменения электромагнитной волны.

Таким образом, если излучают электромагнитную волну гармонической частоты Ω_эм, то фазовая скорость упругой волны C_(t) также будет меняться с той же частотой Ω_зв= Ω_эм. Количественные характеристики глубины модуляции можно получить, используя конкретные инженерные модели.

Проверка работоспособности идей, являющихся основой предлагаемого способа проводилась при использовании электромагнитных волн сигналов для формирования параметрической антенны.

Очевидно, что другие типы нелинейного взаимодействия, в случае положительного явления с электромагнитными волнами, также должны реально существовать в эксперименте.

Испытания предлагаемого способа проведены в два этапа. На первом этапе выполнены морские измерения, близкие к лабораторным. На втором этапе проведены широкомасштабные натурные испытания на стационарных "просветных" гидроакустических барьерных линиях (ГАБЛ) различной протяженности.

Условия лабораторного измерительного эксперимента заключались в следующем. Излучатель (преобразователь) и приемник (гидрофон) "просветных" акустических сигналов опускались с носа и кормы заякоренного судна и посредством экранированного кабеля соединялись с лабораторным приемо-излучающим трактом, в качестве которого использовался измерительный комплект "КИП-10". Протяженность "просветной" линии составляла 70 м. В качестве излучателя электромагнитных волн использовался вибратор, который размещался на горизонте "просветной" линии. Тракт излучения электромагнитных волн был сформирован на базе звукового генератора стабильной частоты с мощным (трансформаторным) выходом. Принимаемые сигналы подсветки усиливались, затем с помощью узкополосного анализатора спектров (типа 3348) в реальном масштабе времени выделялись их спектры и регистрировались на самописце (типа 2305). При измерениях были проверены различные варианты соотношения частот акустических "просветных" и модулирующих электромагнитных волн. Проведенными измерениями была подтверждена закономерность эффективного взаимодействия акустических и электромагнитных волн (волн различной физической природы) при их совместном распространении в проводящей среде (морской воде). При этом подтверждена основная (классическая) закономерность параметрического взаимодействия волн, а именно интенсивность параметрического взаимодействия сигналов повышается с уменьшением разности частот взаимодействующих волн. При этом увеличиваются как уровень сформированных параметрических составляющих, так и количество их гармоник. Примеры параметрического взаимодействия акустических и электромагнитных волн приведены на фиг. 2. Следует отметить, что при проведении аналогичных измерений в пресной воде (непроводящей среде - в условиях гидроакустического бассейна) параметрическое взаимодействие акустических и электромагнитных волн не наблюдалось (фиг. 3). Натурные испытания предлагаемого способа были проведены на стационарной гидроакустической барьерной линии протяженностью 340 км, расположенной между о.Итуруп и мысом Левенорна о. Сахалин. "Просветные" гидроакустические сигналы стабильной частоты 407 Гц излучались подводным маяком наведения (ПЗМ-400). В качестве приемной системы использовалась данная база с ненаправленным гидрофоном. Излучающая и приемная базы посредством глубоководных кабелей соединялись с береговыми лабораториями. В качестве источника электромагнитных волн при этом использовался подводный корабль (электромагнитное поле корабля на частоте электропитания 400 Гц), который, маневрируя, многократно пересекал ГАБЛ и модулировал передаваемые акустические сигналы.

Для реализации заявленного способа необходим аппаратный комплекссодержащий тракт формирования и усиления акустических сигналов 1, снабженный излучателем 2 (например, подводным звуковым маяком марки ПЗМ-400, т.е. излучающим на частоте 400 Гц), узел модулирования параметров среды 3, акустический приемник 4 (например, приемный радиогидроакустический буй, снабженный ненаправленным гидрофоном), радиорелейно связанный с трактом приема, обработки и регистрации сигналов 5 (при установке на судне или использовании на стационарных объектах акустический приемник и тракт приема, обработки и регистрации сигналов могут составлять единый аппаратный комплекс).

В зависимости от физической природы фактора, воздействующего на параметры среды, в качестве узла, модулирующего параметры среды 3, может быть использован генератор стабильной частоты с мощным (трансформаторным) выходом, снабженный электромагнитным вибратором, который размещают на траектории движения сигнала (при использовании электромагнитных сигналов для формирования параметрической антенны); насосное устройство на основе производительного насоса, снабженное генератором воздуха (например, емкостью со сжатым воздухом, снабженным регулятором расхода) - при использовании промодулированного по времени гидродинамического потока жидкости, насыщаемой воздухом; насосное устройство на основе производительного насоса, снабженного мощным ТЭНом с регулятором мощности (при использовании промодулированного по времени гидродинамического потока жидкости посредством переменного теплового потока); устройство для осуществления электрогидравлического эффекта (эффекта Юткина) например, в виде электродов, связанных с источником тока (при подключении к последнему между электродами, находящимися в воде, осуществляется разряд, сопровождаемый ударной волной и другими эффектами, имеющими место при взрывах в воде (изменение параметров подводимого тока приводит к изменению силы "взрыва" и других параметров, определяющих состояние среды - при использовании управляемых взрывов).

В последнем случае целесообразно, чтобы электроды были заключены в звукопрозрачную или стаканоподобную оболочку, обеспечивающую концентрацию энергии взрыва в заданный объем пространства.

Конструктивно тракт формирования и усиления акустических сигналов 1 представляет из себя электронную схему, содержащую генератор стабилизированной частоты 6, тиристорный инвертор 7 и блок согласования 8, выход которого связан с излучателем 2 (см. фиг. 1).

Конструктивно тракт приема, обработки и регистрации сигналов 5 представляет из себя электронную схему, содержащую усилитель 9 (вход которого связан с акустическим приемником 4) и блок полосовых фильтров 10. Кроме того, на чертежах показана поверхность воды 11.

Заявленный способ реализуется следующим образом:
Излучатель 2, узел модулирования параметров среды 3 и акустический приемник 4 размещают на одном горизонте так, чтобы область эффективного воздействия на среду, формируемая узлом 3, находилась на трассе излучаемого акустического сигнала. Излучение акустического сигнала осуществляют при одновременной работе узла модулирования параметров среды 3. Работа узла 3 приводит к изменению механических характеристик проводящей жидкости (плотности и(или) температуры и (или) теплоемкости и т.д., в зависимости от физической сущности модулирующего воздействия). При пропускании по такой промодулированной в пространстве нелинейной упругой среде упругой волны ее параметры будут промодулированны за счет изменения фазовой скорости этой упругой волны по трассе распространения. Спектр упругой волны изменяется, в нем появляются высокие гармоники и низкочастотные составляющие сигнала (за счет параметрического нелинейного влияния среды на акустический сигнал). За счет эффектов механических потерь в воде упругие волны низкой частоты будут распространяться на большие расстояния и восприниматься акустическим приемником 4, при этом высокочастотные упругие волны быстро затухнут. Поскольку область параметрического взаимодействия сигнала с промодулированной средой составляет несколько длин упругой волны λ (сигнала разностной частоты), то формируется диаграмма направленности акустически прозрачной антенной. Тип антенны и физика формирования диаграммы направленности в этом случае подобны формированию диаграмм направленности нелинейной гидроакустической антенной.

Изобретение относится к области гидроакустики. Способ передачи упругой волны в морской воде включает в себя формирование параметрической антенны излучателя с одновременным излучением упругой волны. Предпочтительно в ближней зоне излучателя модулируют по времени параметры среды, для чего в эту область, кроме упругой волны, вводят сигнал иной физической природы, подвергнутый частотно-временной модуляции, например электромагнитную волну или гидродинамический поток жидкости. Технический результат - увеличение коэффициентов нелинейности рабочей среды. 2 c и 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ передачи упругой волны в морской воде, включающий формирование параметрической антенны излучателя, с одновременным излучением упругой волны, отличающийся тем, что предпочтительно в ближней зоне излучателя модулируют по времени параметры среды, для чего в эту область, кроме упругой волны, вводят сигнал иной физической природы, подвергнутый частотно-временной модуляции, например электромагнитную волну. 2. Способ передачи упругой волны в морской воде, включающий формирование параметрической антенны излучателя, с одновременным излучением упругой волны, отличающийся тем, что предпочтительно в ближней зоне излучателя модулируют по времени параметры среды, для чего в эту область, кроме упругой волны, вводят сигнал иной физической природы, подвергнутый частотно-временной модуляции, - промодулированный по времени гидродинамический поток жидкости. 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что модуляцию гидродинамического потока осуществляют путем изменения плотности жидкости за счет ее управляемого насыщения газом. 4. Способ по п.2, отличающийся тем, что модуляцию гидродинамического потока осуществляют путем изменения плотности жидкости за счет управляемого изменения ее температуры. 5. Способ по п.2, отличающийся тем, что модуляцию гидродинамического потока осуществляют путем изменения плотности и упругости жидкости за счет управляемого изменения ее химического состава. 6. Способ по п.2, отличающийся тем, что модуляцию гидродинамического потока осуществляют путем проведения серии управляемых взрывов в рабочей зоне излучателя.