СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ЗВУКА В ЖИДКОЙ СРЕДЕ Российский патент 2012 года по МПК G01H5/00 

Изобретение относится к области акустических измерений и может быть использовано для измерения вертикального распределения скорости звука в естественных водоемах.

Известны способы измерения распределения скорости звука в жидких средах. Так в способе, на основе которого выполнено устройство по авторскому свидетельству [1], характеристика направленности источника звуковых колебаний пересекается с веером характеристик направленности акустического приемника. К приемнику распространяются акустические сигналы, рассеянные от акустических рассеивателей, находящихся в объемах жидкой среды, ограниченных характеристиками направленности источника и приемника звуковых колебаний. По измеренным значениям скорости звука на горизонте источника и приемника звуковых колебаний, временам распространения акустических сигналов от источника до соответствующих рассеивающих объемов и обратно к акустическому приемнику, углам наклона характеристик направленности акустического приемника и известному расстоянию между расположенными на одном горизонте источником и приемником звука, находят горизонты рассеивающих объемов и значения скорости звука на них.

Причиной, препятствующей достижению технического результата, является использование большого количества относительно мелких естественных акустических рассеивателей (в море - крупного зоопланктона, мелких рыб) в каждом из объемов жидкой среды, ограниченных характеристиками направленности источника и приемника звуковых колебаний. В морской среде для некоторых сезонов года и времени суток на ряде горизонтов требуемого количества естественных рассеивателей может не быть. Для зондирования мелких естественных акустических рассеивателей требуется значительная мощность излучаемого акустического сигнала.

В способе, на основе которого выполнено устройство по авторскому свидетельству [2], характеристика направленности совмещенного с первым акустическим приемником источника звуковых колебаний пересекается с веером характеристик направленности второго акустического приемника. К приемникам распространяются акустические сигналы, отраженные от границ неоднородных слоев жидкой среды, находящихся в объемах, ограниченных характеристиками направленности источника и второго акустического приемника. По измеренным значениям скорости звука на горизонте источника и приемника звуковых колебаний, временам распространения акустических сигналов от источника до соответствующих границ неоднородных слоев жидкой среды и обратно к акустическим приемникам, разности между значениями несущих частот сигналов излучаемого и принятого вторым акустическим приемником, углам наклона характеристик направленности второго акустического приемника и известному расстоянию между расположенными на одном горизонте источником и вторым акустическим приемником, находят горизонты границ неоднородных слоев жидкой среды и значения скорости звука на них.

Причиной, препятствующей достижению технического результата, является использование рассеивающего звук неоднородного слоя в каждом из объемов жидкой среды, ограниченных характеристиками направленности источника и второго приемника звуковых колебаний. В реальной морской среде такая ситуация маловероятна. Рассеивающая способность неоднородных слоев мала. Для их зондирования требуется значительная мощность излучаемого акустического сигнала.

Наиболее близким по совокупности признаков и технической сущности к предлагаемому изобретению является способ измерения распределения скорости звука в жидкой среде по авторскому свидетельству [3]. В исследуемую среду источником излучают акустические колебания, которые рассеиваются от n искусственных отражателей (рассеивателей), прикрепленных к тросу на n фиксированных горизонтах, и распространяются далее к акустическим приемникам звука. Источник звука и акустические приемники располагаются на одном фиксированном горизонте. По измеренным значениям времен распространения звуковых колебаний от источника звука до n отражателей и от них до акустических приемников, скорости звука на горизонте источника и приемников звуковых колебаний, известным расстояниям между источником звука и акустическими приемниками находят распределение скорости звука в жидкой среде.

Причиной, препятствующей достижению технического результата, является необходимость крепления к тросу значительного количества искусственных акустических отражателей, выполнение фиксированными расстояний между акустическими приемниками, а также возможность функционирования измерительного устройства на основе этого способа только в стационарных условиях.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, состоит в функционировании в жидкой среде устройства на основе предлагаемого способа без использования измерительного зонда, искусственных отражателей, большого количества естественных акустических рассеивателей или неоднородных слоев, малая требуемая мощность акустического излучения.

Для достижения технического результата в предлагаемом способе измерения распределения скорости звука в жидкой среде облучают звуковыми колебаниями акустический рассеиватель, находящийся в жидкости на фиксированном горизонте, принимают обратно рассеянный от него акустический сигнал, измеряют скорость звука на горизонте источника и приемника звуковых колебаний, углы наклона характеристик направленности акустического приемника, время распространения акустического сигнала до рассеивателя и обратно к акустическому приемнику. Введены новые признаки - облучают звуковыми колебаниями сильный одиночный акустический рассеиватель последовательно по n+1 углам наклона одной характеристики направленности совмещенного с акустическим приемником источника звуковых колебаний, расположенного на одном фиксированном горизонте. По измеренным значениям скорости звука на горизонте совмещенного с акустическим приемником источника звуковых колебаний, углов наклона одной характеристики направленности совмещенного с акустическим приемником источника звуковых колебаний, соответствующих им временам распространения акустического сигнала до рассеивателя и обратно к совмещенному с акустическим приемником источнику звуковых колебаний, находят значение горизонта рассеивателя, значения горизонтов n нижних границ n слоев жидкости и n значений скорости звука на них решением системы из n+1 уравнений,

В частности, при определении значений горизонтов и скорости звука на них используют априорную информацию о распределении скорости звука в жидкости.

Сущность изобретения поясняется фигурами 1 и 2. На фиг.1 представлена схема облучения звуковыми колебаниями одиночного акустического рассеивателя. На фиг.2 в графическом виде представлены результаты компьютерного моделирования восстановления известного вертикального распределения скорости звука в жидкой среде.

Суть предложенного способа заключается в следующем.

Для измерения распределения скорости звука в жидкости, например вертикального распределения скорости звука в море, совмещенный с акустическим приемником источник звука ИП (фиг.1), располагают на фиксированном горизонте 0. Акустический источник-приемник ИП последовательно излучает n+1 раз звуковые колебания под углами наклона одной характеристики направленности α_j, j=1, 2, …, n, n+1, α_j≤π/2 в сторону сильного одиночного акустического рассеивателя Р, расположенного на фиксированном горизонте Z. При этом n равно количеству слоев с постоянными вертикальными градиентами скорости звука, на которые разбивается водная среда от горизонта 0 до горизонта Z. Рассеянные от сильного одиночного рассеивателя Р акустические сигналы распространяются к акустическому приемнику ИП, совмещенному с источником звука. В качестве сильного рассеивателя в жидкой среде может быть, например, крупная рыба. На фиг.1 символами Z_i, i=1, 2, …, n-1, n, Z_n=Z обозначены горизонты нижних границ слоев. Измеряют времена распространения t_j, j=1, 2, …, n, n+1, акустического сигнала от источника-приемника звука ИП к акустическому рассеивателю Р и обратно до акустического приемника-источника звука ИП. Далее по измеренному значению скорости звука С₀ на горизонте источника-приемника звука ИП, измеренным значениям углов наклона характеристики направленности α_j источника-приемника звука ИП, соответствующим им измеренным значениям времен t_j, находят значение горизонта рассеивателя Z, значения горизонтов Z_i нижних границ слоев и значения скорости звука C_i, i=1, 2, …, n-1, n на них.

Значения Z_i, i=1, 2, …, n-1, n, горизонтов нижних границ слоев определяется из соотношения

Здесь k_i·Z=Z_i-Z_i-1 - толщина i-го водного слоя с постоянным вертикальным градиентом скорости звука, k_i=(Z_i-Z_i-1)/Z - коэффициент, по которому определяют толщину слоя k_i≤1, , если k₁=k₂=k_i=k_n, то k_i=1/n.

Значение Z и значения скорости звука C_i, i=1, 2, …, n-1, n, на нижних границах слоев при облучении звуковыми колебаниями одиночного акустического рассеивателя по схеме фиг.1, находятся решением системы из n+1 уравнений

Здесь t₁(π/2) - время распространения акустического сигнала от источника-приемника звука ИП к акустическому рассеивателю Р и обратно до акустического приемника-источника звука ИП для α_j=π/2;

C_i - значение скорости звука на нижней границе i-го слоя;

α_i+1,j - угол выхода луча из i-го слоя при j-м угле наклона характеристики направленности акустического источника-приемника ИП находят из соотношения

где α_j - угол наклона характеристики направленности акустического источника-приемника ИП.

При определении значений горизонтов Z_i и решении системы уравнений необходимо знание количества слоев n водной среды и соответственно количества n и значения коэффициентов k_i, начальное приблизительные значение горизонта рассеивателя Z и начальные приблизительные значения скорости звука C_i на нижних границах слоев. Начальное приблизительное значение Z можно определить по судовому эхолоту или по времени t₁(π/2) распространения акустического сигнала от источника-приемника звука ИП к акустическому рассеивателю Р и обратно до акустического приемника-источника звука ИП для α_j=π/2, принимая за приближенное среднее значение скорости звука по глубине измеренное значение С₀.

Количество слоев водной среды и соответственно количество коэффициентов k_i и их значений в общем случае произвольны. Однако при увеличении количества слоев увеличивается число уравнений системы, усложняется и понижается точность ее решения.

Начальные приблизительные значения скоростей звука C_i на нижних границах слоев можно найти итерационным подбором на ЭВМ, полагая, что они отличаются не более чем на ±10% от измеренного значения С₀ [4]. Итерационный подбор усложняет решение системы уравнений.

Значительно упрощается определение количества слоев водной среды и соответственно количества и значений коэффициентов k_i, начальных приблизительных значений Z и C_i при использовании априорной информации о вертикальном распределении скорости звука - результатов предварительных измерений другим способом, например аппаратурой с погружающимся зондом, или материалов банка океанографических данных. Априорная информация используется только один раз перед первым измерением распределения скорости звука предлагаемым способом. Далее при следующих измерениях распределения скорости звука в данном районе моря предлагаемым способом количество слоев, коэффициентов k_i и их значений остаются неизменными, а в качестве начальных приблизительных значений Z и C_i используются их предыдущие измеренные значения.

Проверка возможности реализации предлагаемого способа производилась компьютерным моделированием восстановления известного вертикального распределения скорости звука (ВРСЗ) в море. В качестве известного было выбрано измеренное и аппроксимированное по трем слоям ВРСЗ, характерное для мелкого моря летом. Полагали, что звук отражается сильным рассеивателем, находящимся на глубине Z=220 м.

Исходные данные и результаты компьютерного моделирования представлены в таблицах 1…3 и на фиг.2.

Таблица 1 Известное ВРСЗ Z_iИ, м 0 20 60 220 k_iИ - 0,091 0,182 0,727 C_iИ, м/с 1450 1451 1430 1460

Здесь Z_iИ, k_iИ и C_iИ - известные значения соответствующих величин.

По материалам банка океанографических данных для данного района моря были определены приближенные значения Z_iП, k_iП и C_iП этих величин.

Таблица 2 Приближенные значения Z_iП, k_iП и C_iП Z_iП, м 0 22 63 225 k_iП=k_i - 0,098 0,191 0,711 C_iП, м/c 1450 1455 1445 1450

По исходным данным таблицы 1 определялись для 4-х углов наклона характеристики направленности α_j четыре значения времен t_j распространения акустического сигнала от источника-приемника звука ИП к рассеивателю Р и обратно до акустического приемника-источника звука ИП и далее с использованием исходных данных таблицы 2 на ЭВМ решалась система из 4-х уравнений.

Таблица 3 Результаты компьютерного моделирования восстановления известного ВРСЗ α_j, рад π/2 π/3 π/4 π/6 t_j, с 0.304653 0.351331 0.429181 0.602459 Z_i, м 0 21 63 220 C_i, м/с 1450 1452,9 1429,7 1459,6

На фиг.2 представлены результаты компьютерного моделирования восстановления известного вертикального распределения скорости звука в море в графическом виде. Сплошной линией обозначен известный ВРСЗ, а штриховой линией - восстановленный ВРСЗ.

СПИСОК БИБЛИОГРАФИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ

1. А.с. 761845 СССР. G01H 5/00. 10.05.78. Устройство для измерения вертикального распределения скорости звука в жидких средах / Серавин Г.Н. Опубл. 07.09.80. Бюл. изобр. №33.

2. А.с. 1585691 СССР. G01H 5/00. 22.04.88. Устройство для измерения вертикального распределения скорости звука в жидких средах / Наговицин В.А., Сысоев А.Г., Денисов А.Н., Фороща Е.С. Опубл. 15.08.90. Бюл. изобр. №30.

3. А.с. 1460619 СССР. G01H 5/00. 08.08.87. Способ измерения распределения скорости звука в жидкой среде / Серавин Г.Н., Пономаренко А.П. Опубл. 23.02.89. Бюл. изобр. №7.

4. Справочник по гидроакустике / Под ред. А.Е.Колесникова. Л.: Судостроение, 1982, 340 с.

Изобретение относится к области акустических измерений и может быть использовано для измерения вертикального распределения скорости звука в естественных водоемах. Техническим результатом изобретения является упрощение проведения измерений. Согласно способу облучают звуковыми колебаниями акустический рассеиватель, находящийся в жидкости на фиксированном горизонте, принимают рассеянный обратно от него акустический сигнал, измеряют скорость звука на горизонте источника и приемника звуковых колебаний, углы наклона характеристик направленности акустического приемника, соответствующие им времена распространения акустического сигнала от источника звуковых колебаний до рассеивателя и обратно к акустическому приемнику. При этом облучают сильный одиночный акустический рассеиватель звуковыми колебаниями последовательно по n+1 углам наклона одной характеристики направленности совмещенного с акустическим приемником источника звуковых колебаний, расположенного на фиксированном горизонте. По измеренным значениям скорости звука на горизонте источника и приемника, углов наклона одной характеристики направленности источника и приемника звуковых колебаний, соответствующих им временам распространения акустического сигнала от источника до рассеивателя и обратно, находят значение горизонта рассеивателя, значения горизонтов n нижних границ n слоев жидкой среды и n значений скорости звука на них, решением системы из n+1 уравнений. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 3 табл.

1. Способ измерения распределения скорости звука в жидкой среде, состоящий в том, что облучают звуковыми колебаниями акустический рассеиватель, находящийся в жидкости на фиксированном горизонте, принимают рассеянный обратно от него акустический сигнал, измеряют скорость звука на горизонте источника и приемника звуковых колебаний, углы наклона характеристик направленности акустического приемника, соответствующие им времена распространения акустического сигнала от источника звуковых колебаний до рассеивателя и обратно к акустическому приемнику, отличающийся тем, что облучают сильный одиночный акустический рассеиватель звуковыми колебаниями последовательно по n+1 углам наклона одной характеристики направленности совмещенного с акустическим приемником источника звуковых колебаний, расположенного на фиксированном горизонте, по измеренным значениям скорости звука на горизонте источника и приемника звуковых колебаний, углов наклона одной характеристики направленности совмещенного с акустическим приемником источника звуковых колебаний, соответствующих им временам распространения акустического сигнала от источника до рассеивателя и обратно к совмещенному с источником акустическому приемнику, находят значение горизонта рассеивателя, значения горизонтов n нижних границ n слоев жидкой среды и n значений скорости звука на них, решением системы из n+1 уравнений.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при определении значений горизонтов и скорости звука на них используют априорную информацию о распределении скорости звука в жидкой среде.