СПОСОБ ИСКАЖЕНИЯ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОГО ПОЛЯ РЫБОПРОМЫСЛОВОГО СУДНА Российский патент 2003 года по МПК G01S15/04 G01S15/96 

Изобретение относится к области нелинейной гидроакустики, в частности к формированию, усилению и излучению в неоднородную морскую среду интенсивных высокочастотных (ВЧ) сигналов специальной формы с помощью ВЧ преобразователей.

Задача, которая решается изобретением, заключается в искажении гидроакустического поля рыбопромыслового судна в интересах повышения эффективности промысла высокоподвижных рыб. При этом в низкочастотном (НЧ) диапазоне (наибольшей акустической чувствительности промысловых рыб и максимального уровня шумоизлучений судна) происходит уменьшение его интегрального уровня, а в ультразвуковом (УЗВ) диапазоне частот (области модуляционных ВЧ частот) происходит увеличение его интегрального уровня. Однако учитывая интенсивное затухание ВЧ сигналов, низкую акустическую чувствительность к ним промысловых рыб и особенности пространственного распределения ВЧ поля, обеспечивается снижение отрицательного воздействия ("отпугивания рыб") НЧ гидроакустического поля судна в диапазоне частот максимальной акустической чувствительности промысловых рыб на их поведенческие характеристики.

Способ реализуется следующим образом. В задающем блоке осуществляется формирование ВЧ сигнала накачки на частотах ω_нi, в блоке усиления происходит усиление ВЧ сигнала накачки до заданной интенсивности, а при помощи излучателя, установленного на подводной части рыбопромыслового судна, его направленное излучение в секторах максимальной интенсивности НЧ сигнала (НЧ шумоизлучений судна) на частоте Ω по носовым курсовым углам рыбопромыслового судна в направлении облавливаемого скопления промысловых рыб. Для повышения эффективности взаимодействия акустических волн ВЧ накачки и НЧ сигнала в качестве неоднородностей морской среды используются пузырьки воздуха в приповерхностном слое воды, а излучение интенсивного ВЧ сигнала накачки осуществляется в секторах максимальной интенсивности НЧ сигнала по носовым курсовым углам рыбопромыслового судна в направлении облавливаемого скопления промысловых рыб. При этом "i-частоты" интенсивного ВЧ сигнала накачки ω_нi близки к субгармонике резонансной частоты доминирующих в объеме пузырьков воздуха, их резонансной частоте ω_s и второй гармонике резонансной частоты. Рассеиваясь на неоднородностях водной среды - пузырьках воздуха в приповерхностном слое, обладающих собственной резонансной частотой, происходит интенсивное взаимодействие ВЧ сигнала накачки с НЧ сигналом с образованием на неоднородностях морской среды сигналов комбинационных частот ω_нi±Ω, которые интенсивно затухают в пространстве. Другими словами, происходит своеобразная "перекачка" акустической энергии из НЧ диапазона в ВЧ диапазон.

Известен способ излучения гидроакустических сигналов, заключающийся в облучении водной среды ВЧ акустическими сигналами близких частот и формировании в нелинейной среде сигналов комбинационных частот, распространяющихся направленно к цели, приеме отраженных сигналов с выделением полезного сигнала /Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика. - Л.: Судостроение, 1981, с.7-12/.

К недостаткам данного способа можно отнести следующие:
1. Низкая эффективность взаимодействия акустических волн ВЧ накачки и НЧ сигнала из-за слабой нелинейности водной среды.

2. Невозможность излучения сигналов комбинационных частот в заданных секторах и на удаленные в пространстве области.

3. Невозможность перераспределения акустической энергии из НЧ диапазона в ВЧ диапазон и в заданную пространственную область среды.

Известен способ формирования сигналов комбинационных частот, заключающийся в создании областей (завес) газовых пузырьков в удаленных от излучателя точках среды путем электролиза воды, излучении гидроакустических сигналов близких частот, которые взаимодействуют с собой с образованием волн комбинационных частот, распространяющихся направленно к цели, приеме и обработке отраженных сигналов /Кобелев Ю.А., Сутин А.М. Генерация разностной частоты в жидкости с пузырьками различных размеров. - Акуст. журн. - Т. 26. - Вып.6, 1980, с.860-865/.

1. Недостаточная эффективность взаимодействия акустических волн из-за ограниченных размеров области (завесы) газовых пузырьков.

2. Сложность создания газовых пузырьков заданного диаметра (заданной резонансной частоты). В заданной области присутствуют газовые пузырьки различного размера, что в значительной степени осложняет возможность использования их резонансных свойств при облучении гидроакустическими сигналами определенной частоты.

3. Невозможность излучения сигналов комбинационных частот в заданных секторах и на удаленные в пространстве области.

4. Невозможность перераспределения акустической энергии из НЧ диапазона в ВЧ диапазон и в заданную пространственную область среды.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому относится способ направленного излучения НЧ гидроакустических сигналов, основанный на формировании, усилении и излучении интенсивного ВЧ сигнала накачки в неоднородную морскую среду на частотах ω_нi, близких к резонансной частоте биологических рассеивателей звука, доминирующих в данном районе, образовании волн комбинационных частот, распространяющихся направленно к цели, приеме и обработке отраженных сигналов. / Бахарев С.А., Буланов В.А. - Патент РФ 2096807 по заявке 94003782, приоритет 01.02.94 г.

1. Недостаточная эффективность взаимодействия акустических волн ВЧ накачки и НЧ сигнала из-за постоянных вертикальных миграций биологических звукорассеивающих слоев (ЗРС) по глубине.

2. Ограниченность диапазонов частот взаимодействующих волн ВЧ накачки и НЧ сигнала. Типичные резонансные частоты биологических ЗРС не превышают 15-20 кГц /Акустика океана. /Под ред. Л.М. Бреховских. - М.: Наука, 1974, с. 527/, а поэтому диапазоны ВЧ накачки и НЧ полезного сигнала ограничены сверху частотами порядка 15-20 кГц и 1,5-2 кГц соответственно.

3. Невозможность перераспределения акустической энергии из НЧ диапазона в ВЧ диапазон и в заданную пространственную область среды.

Задача, которая решается изобретением, заключается в разработке способа, свободного от перечисленных выше недостатков.

Технический результат предложенного способа заключается в возможности длительного и эффективного искажения характера гидроакустического поля рыбопромыслового судна в интересах снижения отрицательного влияния его НЧ излучений на поведенческие характеристики высокоподвижных промысловых рыб.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе, основанном на формировании, усилении и излучении в неоднородную морскую среду интенсивного ВЧ сигнала накачки на частотах ω_нi, близких к резонансной частоте рассеивателей звука, доминирующих в данном районе, образовании сигналов комбинационных частот и их распространении в определенном направлении, интенсивный ВЧ сигнал накачки на частотах ω_нi взаимодействует с НЧ гидроакустическим полем рыбопромыслового судна на частоте Ω в диапазоне частот наибольшей акустической чувствительности промысловых рыб, в качестве рассеивателей звука используются пузырьки воздуха в приповерхностном слое воды, излучение интенсивного ВЧ сигнала накачки ω_нi осуществляется в секторах максимальной интенсивности НЧ сигнала по носовым курсовым углам рыбопромыслового судна в направлении облавливаемого скопления промысловых рыб, при этом "i-частоты" интенсивного ВЧ сигнала накачки ω_нi близки к субгармонике резонансной частоты пузырьков воздуха, их резонансной частоте ω_s и второй гармонике резонансной частоты.

Повышение эффективности взаимодействия акустических волн ВЧ накачки и НЧ сигнала достигается за счет использования в качестве неоднородностей морской среды пузырьков воздуха в приповерхностном слое воды. При этом "i-частоты" интенсивного ВЧ сигнала накачки ω_нi близки к субгармонике резонансной частоты пузырьков воздуха, их резонансной частоте ω_s и второй гармонике резонансной частоты.

Расширение диапазонов частот взаимодействующих волн ВЧ накачки и НЧ сигнала достигается за счет использования в качестве неоднородностей морской среды пузырьков воздуха в приповерхностном слое воды. Типичные резонансные частоты пузырьков воздуха в приповерхностных слоях находятся в диапазоне частот от единиц кГц до 100 кГц /Акустика океана. /Под ред. Л.М. Бреховских. - М.: Наука, 1974, с.389/, а поэтому диапазон НЧ полезного сигнала (до 10 кГц) полностью перекрывает диапазон частот максимальной акустической чувствительности (до 5-7 кГц) промысловых дальневосточных рыб /Сороким М.А. Слуховые способности некоторых дальневосточных рыб. / Автореферат диссертации к. б.н. - М.: ИЭМЭЖ, 1984, 28 с./.

Упрощение перераспределения акустической энергии из НЧ диапазона в ВЧ диапазон и в заданную пространственную область среды достигается за счет того, что пузырьки воздуха распределены вокруг промыслового судна относительно равномерно на значительных расстояниях, а в качестве НЧ сигнала используется НЧ шумоизлучение рыбопромыслового судна.

Отличительными от прототипа признаками заявляемого способа являются:
1. Интенсивный ВЧ сигнал накачки на частоте ω_нi взаимодействует с НЧ гидроакустическим полем промыслового судна на частоте Ω в диапазоне частот наибольшей акустической чувствительности промысловых рыб.

2. В качестве рассеивателей звука, доминирующих в данном районе, используются пузырьки воздуха в приповерхностном слое воды.

3. Излучение интенсивного ВЧ сигнала накачки ω_нi осуществляется в секторах максимальной интенсивности НЧ сигнала рыбопромыслового судна по его носовым курсовым углам и в направлении облавливаемых рыб.

4. "I-частоты" интенсивного ВЧ сигнала накачки ω_нi близки к субгармонике резонансной частоты пузырьков воздуха, их резонансной частоте ω_s и второй гармонике резонансной частоты.

Наличие отличительных от прототипа признаков позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого способа критерию "новизна".

Анализ известных технических решений с целью обнаружения в них указанных отличительных признаков показал следующее.

Признаки 1, 3 являются новыми и не известно их использование для уменьшения отрицательного влияния НЧ излучений промыслового судна на поведенческие характеристики высокоподвижных промысловых рыб.

Признак 2 является хорошо известным в нелинейной гидроакустике.

Признак 4 является известным в нелинейной акустике, однако не известно его использование для уменьшения отрицательного влияния НЧ шумоизлучений судна на поведенческие характеристики промысловых рыб.

Таким образом, наличие новых существенных признаков, в совокупности с известными, обеспечивает появление у заявляемого решения нового свойства, не совпадающего со свойствами известных технических решений - обеспечивать длительное и эффективное искажения характера гидроакустического поля рыбопромыслового судна в интересах снижения его отрицательного влияния на поведенческие характеристики высокоподвижных рыб.

В данном случае мы имеем новую совокупность признаков и их новую взаимосвязь, причем не простое объединение новых признаков и уже известных в гидроакустике, а именно выполнение операций в предложенной последовательности и приводит к качественно новому эффекту.

Данное обстоятельство позволяет сделать вывод о соответствии разработанного способа критерию "существенные отличия".

На фиг.1,а представлено взаимное расположение рыбопромыслового судна (4) с блоками формирования (1), усиления (2) и излучения (3) интенсивного ВЧ сигнала накачки, а также скопления рыб (5) относительно дна и приповерхностного пузырькового слоя.

На фиг. 1,б представлена типовая спектрограмма сигналов ВЧ накачки и НЧ сигнала в процессе реализации разработанного способа искажения гидроакустического поля рыбопромыслового судна.

Способ реализуется следующим образом. В блоке (1) осуществляется формирование ВЧ сигнала накачки на частотах ω_нi, в блоке (2) происходит усиление ВЧ сигнала накачки до заданной интенсивности, а при помощи излучателя (3), установленного на подводной части рыбопромыслового судна (4), его направленное излучение в секторах максимальной интенсивности НЧ сигнала на частоте Ω по носовым курсовым углам рыбопромыслового судна и в направлении облавливаемого скопления промысловых рыб (5). Для повышения эффективности взаимодействия акустических волн ВЧ накачки и НЧ сигнала в качестве неоднородностей морской среды используются пузырьки воздуха в приповерхностном слое воды, а излучение интенсивного ВЧ сигнала накачки осуществляется в секторах максимальной интенсивности НЧ сигнала по носовым курсовым углам рыбопромыслового судна в направлении облавливаемого скопления промысловых рыб. При этом "i-частоты" интенсивного ВЧ сигнала накачки ω_нi близки к субгармонике резонансной частоты пузырьков воздуха, их резонансной частоте ω_s и второй гармонике резонансной частоты. Рассеиваясь на неоднородностях водной среды (пузырьках воздуха в приповерхностном слое, обладающих собственной резонансной частотой ω_s), происходит интенсивное взаимодействие ВЧ сигнала накачки с НЧ сигналом с образованием на неоднородностях морской среды сигналов комбинационных частот ω_нi±Ω, которые интенсивно затухают в пространстве. Другими словами, происходит своеобразная "перекачка" акустической энергии из НЧ диапазона в ВЧ диапазон.

На фиг.2 представлен внешний вид усилителя мощности (индекс "а") и излучателя ВЧ сигнала (индекс "б"), используемых при реализации разработанного способа. Данная аппаратура позволила обеспечить излучение ВЧ сигналов накачки в диапазоне частот от 10 до 100 кГц.

На фиг. 3, для примера, представлены зависимости параметра нелинейности морской воды от частоты сигнала (индекс "а") и глубины излучателя сигналов (индекс "б"), заимствованные из работ В.А. Буланова / Буланов В.А. Акустика микронеоднородных жидкостей и методы акустической спектроскопии. /Диссертация д. т. н. - Вл-к.: ИПМТ ДВО РАН, 1996, с.358-391/. Как видно из фиг. 3, максимальные значения нелинейного параметра регистрируются в диапазоне частот от 10 до 50 кГц при нахождении излучателя сигналов на горизонте от 5-7 м (осадка типового рыбопромыслового судна), что хорошо согласуется с нашими результатами, полученными в других географических районах.

На фиг.4 представлены результаты экспериментальных исследований по пространственному распределению НЧ гидроакустического поля рыбопромыслового судна проекта 503 в горизонтальной (индекс "а") и вертикальной (индекс "б") плоскостях на частоте 1 кГц. Как видно из фиг. 4,а, на острых курсовых углах данного судна регистрируется наибольший уровень его гидроакустического поля. При этом даже на удалении ~2 км уровень НЧ шумоизлучений судна превышает уровень помехи ~ на 5 дБ.

Анализируя данные, представленные на фиг.4,б, можно также заметить характерную направленность "вперед-вниз" НЧ гидроакустического поля судна и в вертикальной плоскости. Другими словами, НЧ гидроакустическое поле рыбопромыслового судна даже на относительно высокой частоте (~1 кГц) уже на расстоянии ~2 км может оказывать отрицательное влияние на скопления рыб - объект промысла. Естественно, что на частотах порядка 20-50 Гц (нижняя граница диапазона частот акустической чувствительности промысловых рыб) указанная выше величина существенно возрастет /Урик Р.Дж. Основы гидроакустики. - Л.: Судостроение, 1978, с.371-392/.

На фиг. 5а, б в виде спектрограмм представлены результаты экспериментальных исследований при использовании всего лишь одной ВЧ частоты ВЧ сигнала накачки, соответствующей субгармонике (~16 кГц) резонансной частоты (~32 кГц) пузырьков, находящихся в приповерхностном слое моря при ветровом волнении 3-4 балла. Для наглядности диапазон частот от 1 Гц до 20 кГц условно разбит на 5 характерных участков. Даже не вдаваясь в глубокий анализ представленных результатов, можно заметить, что излучение ВЧ сигнала накачки на частоте ~ 16 кГц привело к снижению интегрального уровня НЧ гидроакустического поля рыбопромыслового судна ~ на 20 дБ в диапазоне частот ниже ~1 кГц и ~ на 6...12 дБ в диапазоне частот от 1 до 5 кГц. В то же время в диапазоне частот от 13 до 19 кГц зарегистрировано увеличение ~ на 12...16 дБ интегрального уровня ВЧ гидроакустического поля рыбопромыслового судна.

На фиг. 5в представлено, для примера, пространственное распределение в горизонтальной плоскости НЧ (на частоте 1 кГц) и ВЧ (на частоте 13 кГц) гидроакустического поля рыбопромыслового судна типа СТР пр.503. Как видно из фиг. 5в, при использовании ВЧ излучателя на частоте ~16 кГц произошло существенное искажение гидроакустического поля данного судна /Бахарев С.А., Бондарь Л. Ф. и др. Исследование влияния гидрофизических параметров морской среды на акустическом поле в морской шельфовой зоне. - Отчет о НИР "Акватория". - Вл-к, Дальрыбвтуз, 1999, с. 137-177/.

Примечание: параметры ВЧ и НЧ сигналов подробнее раскрываться не будут, так как работы в этом направлении еще продолжаются.

Существенное повышение эффективности взаимодействия акустических волн ВЧ накачки и НЧ сигнала достигнуто за счет использования в качестве неоднородностей морской среды пузырьков воздуха в приповерхностном слое воды. Так как одновременно используются "i-частоты" интенсивного ВЧ сигнала накачки ω_нi (близкие к субгармонике резонансной частоты пузырьков воздуха, их резонансной частоте ω_s и второй гармонике резонансной частоты), то эффективность искажения гидроакустического поля судна будет еще выше, чем в рассмотренном на фиг.5а,б примере.

Расширение диапазонов частот взаимодействующих волн достигнуто за счет использования в качестве неоднородностей морской среды пузырьков воздуха в приповерхностном слое воды.

Упрощение перераспределения акустической энергии из НЧ диапазона в ВЧ диапазон и в заданную пространственную область среды достигнуто за счет того, что пузырьки воздуха распределены вокруг промыслового судна относительно равномерно и на больших расстояниях.

Изобретение относится к области нелинейной гидроакустики, в частности к формированию, усилению и излучению в неоднородную морскую среду интенсивных высокочастотных (ВЧ) сигналов специальной формы с помощью ВЧ преобразователей. Предлагаемый способ заключается в том, что формируют, усиливают и направленно излучают в неоднородную морскую среду интенсивный высокочастотный (ВЧ) сигнал накачки на частотах ω_нi, близкий к резонансной частоте рассеивателей звука, доминирующих в данном районе, в качестве которых используют пузырьки воздуха в приповерхностном слое воды. ВЧ сигнал накачки на частотах ω_нi взаимодействует с низкочастотным (НЧ) сигналом рыбопромыслового судна на частоте Ω в диапазоне частот наибольшей акустической чувствительности промысловых рыб, с образованием сигналов комбинационных частот ω_нi±Ω, которые интенсивно затухают в пространстве. Излучают интенсивный ВЧ сигнал накачки на частотах ω_нi в секторах максимальной интенсивности НЧ сигнала по носовым курсовым углам рыбопромыслового судна в направлении облавливаемого скопления промысловых рыб, при этом используются "i-частоты" интенсивного ВЧ сигнала накачки на частотах ω_нi близкие к субгармонике резонансной частоты пузырьков воздуха в приповерхностном слое воды, их резонансной частоте ω_s и второй гармонике резонансной частоты. Достигаемым техническим результатом изобретения является возможность длительного и эффективного искажения характера гидроакустического поля рыбопромыслового судна в интересах снижения отрицательного влияния его НЧ излучений на поведенческие характеристики высокоподвижных промысловых рыб. 5 ил.

Способ искажения гидроакустического поля рыбопромыслового судна, основанный на формировании, усилении и излучении в неоднородную морскую среду интенсивного высокочастотного сигнала накачки на частотах ω_нi, близких к резонансной частоте рассеивателей звука, доминирующих в данном районе, образовании сигналов комбинационных частот и их распространении в определенном направлении, отличающийся тем, что для взаимодействия интенсивного высокочастотного сигнала накачки на частотах ω_нi и низкочастотного сигнала рыбопромыслового судна на частоте Ω в диапазоне частот наибольшей акустической чувствительности промысловых рыб, с образованием сигналов комбинационных частот ω_нi±Ω, которые интенсивно затухают в пространстве, в качестве рассеивателей звука используют пузырьки воздуха в приповерхностном слое воды, излучают интенсивный высокочастотный сигнал накачки на частотах ω_нi в секторах максимальной интенсивности низкочастотного сигнала по носовым курсовым углам рыбопромыслового судна в направлении облавливаемого скопления промысловых рыб, при этом используются "i-частоты" интенсивного высокочастотного сигнала накачки на частотах ω_нi близкие к субгармонике резонансной частоты пузырьков воздуха в приповерхностном слое воды, их резонансной частоте ω_s и второй гармонике резонансной частоты.