Способ измерения шумности подводного аппарата Российский патент 2023 года по МПК G01V1/00 

Изобретение относится к области гидроакустических измерений, а именно к способам и устройствам измерения шумности морских судов.

Под шумностью морского судна понимается приведённый к расстоянию 1 м от него частотный спектр его шумоизлучения (в третьоктавных либо узких, как правило, одногерцовых полосах) при движении в конкретном положении (надводном, перископном либо подводном) и на конкретной скорости. Часто шумность кораблей и подводных лодок описывается более компактной характеристикой - уровнем шумоизлучения, приведённым к частоте 1 кГц, полосе 1 Гц и расстоянию 1 м от судна. Шумность измеряется в паскалях либо в децибелах относительно некоторого референтного уровня (в России за референтный уровень принят порог слышимости человека - 20 мкПа).

Измерению шумности подвергаются все военные корабли и подводные лодки, поскольку шумность определяет дистанцию обнаружения судна гидроакустическими средствами противника и потому она должна нормироваться заданными предельными уровнями.

Способам измерения шумности посвящено большое количество патентов, например [1 - 9]. Но все они сводятся к измерению приёмной системой с калиброванным приёмным трактом спектра шумоизлучения судна, проходящего мимо приёмника на контролируемой дистанции, с последующим приведением измеренного спектра к расстоянию 1 м (в некоторых случаях 50 м). Ввиду этого различные известные способы различаются между собой типом используемой приёмной системы и/или способом определения расстояния между судном и приёмной системой.

В работе [1] описаны способы измерения шумности ПЛ и НК на специальных полигонах с использованием приёмной системы с одиночным измерительным гидрофоном либо с лежащей на дне или вертикальной линейной антенной, а также с использованием сложного оборудования для контроля расстояния между антенной и судном.

Способ, описанный в [2], предусматривает измерение шумности ПЛ при помощи гибкой протяжённой буксируемой антенны (ГПБА). Новизна способа состоит в повышении точности измерения спектра шумоизлучения ПЛ-буксировщика ГПБА путём его сравнения со спектром специально излучаемого калиброванного сигнала.

Согласно способу, описанному в [3], измерение шумности ПЛ осуществляется также при помощи ГПБА. Новизна способа состоит в повышении точности измерения за счёт усреднения спектров ПЛ-буксировщика, измеренных разными приёмниками ГПБА.

В [4, 5] описан способ измерения шумности ПЛ при помощи ГПБА, буксируемой другой ПЛ.

В [6] описано развитие способа измерения шумности ПЛ при помощи ГПБА, буксируемой другой ПЛ. Новизна состоит в том, что ПЛ-измеритель зависает на определённой глубине, в результате чего ГПБА в силу положительной плавучести занимает вертикальное положение. Это позволяет добиться высокого разрешения в вертикальной плоскости и тем самым отстроиться от сигнальных лучей, отражённых от поверхности моря, вносящих искажения в измеряемый спектр шумоизлучения ПЛ.

В [7] описан способ измерения шумности судна с использованием лазерного гидрофона.

В [8] описан способ измерения расстояния между судном и приёмной системой на основе динамики доплеровской частоты стабильной узкополосной дискретной составляющей в спектре шумоизлучения судна.

В [9] описан способ измерения шумности судна с использованием комбинированного (векторно-скалярного) приёмника, расположенного неподвижно на дне водоёма.

В качестве прототипа выберем способ, описанный в [1]. Способ-прототип реализуется на специальном полигоне, оборудованном гидроакустической приёмной системой с ненаправленным калиброванным гидрофоном и системой измерения дистанции (СИД) между приёмной системой и измеряемым судном. СИД состоит из совмещённого с приёмной системой излучателя, излучающего широкополосные гидроакустические сигналы, и приёмной аппаратуры, временно устанавливаемой на измеряемое судно. Приёмная система, а также излучатель и приёмная аппаратура СИД оборудованы часами, синхронизированными с точностью в доли миллисекунды. Измерение шумности должно проводиться при волнении моря не более 1 балла, чтобы шум моря не вносил ощутимого вклада в принимаемый приёмной системой шум судна.

Способ-прототип включает следующие действия:

1) Измеряемое судно (ПЛ в подводном положении либо НК) заданным постоянным курсом с постоянной заданной скоростью двигается мимо гидроакустической антенны приёмной системы. Кратчайшее расстояние между гидроакустической антенной приёмной системы и судном не превышает 100 м.

2) В процессе движения судна приёмная система принимает шум, излучаемый судном, и записывает его в память своего вычислителя с привязкой ко времени.

3) В процессе движения судна приёмник СИД в фиксированные моменты времени излучает импульсные сигналы, которые принимает приёмная аппаратура СИД, временно установленная на судне, с фиксацией в памяти своего вычислителя времени приёма каждого сигнала. Период излучения сигналов СИД превышает время распространения сигнала на максимально возможное расстояние между приёмной системой и судном, что обеспечивает однозначную привязку принятого сигнала к излучённому.

4) По завершении движения судна мимо приёмной системы выполняется обработка записанных в памяти процессора приёмной системы принятого шумового сигнала судна и записанного в памяти приёмной аппаратуры СИД моментов времени приёма излучённых сигналов СИД. Первый этап обработки состоит в вычислении последовательности привязанных ко времени узкополосных (как правило, с полосой 1 Гц) энергетических спектров шума судна , В², (где - частота -й составляющей спектра) и сопоставлении с каждым -м спектром расстояния , м, между приёмной системой и судном. Расстояние определяется путём умножения скорости звука на глубине гидроакустической антенны приёмной системы на разность времён приёма и излучения соответствующего импульсного сигнала СИД.

5) На втором этапе обработки с использованием каждого -го энергетического спектра, измеренного в -й момент времени, осуществляется вычисление уровней шумоизлучения судна в третьоктавных фильтрах, приведённых к расстоянию 1 м:

где

- уровень шумоизлучения судна в -м третьоктавном фильтре, измеренный в -й момент времени и приведённый к расстоянию 1 м;

- передаточная характеристика приёмного тракта приёмника, соответствующая -му третьоктавному фильтру, В/Па;

- минимальный и максимальный номера спектральных составляющих узкополосного энергетического спектра , принадлежащих -му третьоктавному фильтру (границы третьоктавных фильтров приведены в ГОСТ 17168-82).

6) На третьем этапе обработки осуществляется усреднение уровней , полученных с использованием нескольких (до 20-ти) энергетических спектров , измеренных на интервале времени прохождения судном кратчайшего расстояния от приёмной системы:

где

- усреднённый уровень шумоизлучения судна в -м третьоктавном фильтре, приведённый к расстоянию 1 м;

- начальный и конечный номера усредняемых уровней .

Описанный способ-прототип широко применяется на практике. Вместе с тем он имеет ряд недостатков в случае измерения шумностей обитаемых и необитаемых подводных аппаратов (ПА):

1) Для реализации способа требуется специально оборудованный полигон. Таких полигонов в стране несколько и все они располагаются вблизи крупных судостроительных заводов. В результате требуется организация дорогостоящей специальной доставки на эти полигоны ПА, изготавливаемых, как правило, на других предприятиях.

2) Измеряемое судно должно временно оборудоваться приёмной аппаратурой СИД, что в случае ПА (особенно необитаемых) весьма затруднительно.

3) ПА имеют низкую шумность, на которую не рассчитаны имеющиеся полигоны, использующие в качестве гидроакустической антенны ненаправленный гидрофон..

Решаемая техническая проблема - совершенствование способов измерения шумности морских судов.

Технический результат - обеспечение высокой точности измерения шумности ПА вне специально оборудованных полигонов.

Заявляемый технический результат достигается тем, что для измерения шумности ПА используется временный полигон (фиг.1) с глубиной не менее 30 м, оборудованный заякоренным радиогидроакустическим буем (РГБ) 3 с направленной гидроакустической антенной и калиброванным приёмным трактом. Направленная гидроакустическая антенна позволяет повысить помехоустойчивость приёма шума малошумных ПА, а также измерять пеленги ПА при его проходе мимо РГБ, что обеспечивает определение расстояния между ПА и приёмной системой без дооборудования ПА специальной аппаратурой СИД.

Антенна РГБ должна быть заглублена не менее чем на 10 м. Измерение шумности должно проводиться при волнении моря не более 1 балла, чтобы шум моря не вносил ощутимого вклада в принимаемый РГБ шум ПА.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем (фиг.1):

1) ПА 2 в подводном положении с постоянной заданной скоростью движется к РГБ 1 постоянным курсом, обеспечивающим прохождение мимо РГБ на расстоянии не более 10 м.

2) В процессе движения ПА РГБ 1 принимает шум ПА и записывает его в память своего процессора с привязкой ко времени.

3) Одновременно РГБ 1 периодически с периодом в несколько секунд измеряет и запоминает с привязкой ко времени пеленга ПА . Если вследствие низкой шумности ПА его пеленгование РГБ на протяжении всего маршрута не представляется возможным, ПА периодически с периодом в единицы секунд излучает сигналы гидролокатором, по которым РГБ осуществляет пеленгование ПА.

4) По завершении измерений выполняется обработка записанных в памяти процессора РГБ шумового сигнала ПА и массива пеленгов ПА. Первый этап обработки состоит в вычислении последовательности привязанных ко времени узкополосных (с полосой 1 Гц) энергетических спектров шума ПА , В², и сопоставлении с каждым -м спектром расстояния , вычисляемого по формуле (см. фиг.1)

где

- расстояние между ПА и РГБ в момент времени , м;

- расстояние проходимое ПА за время , м;

- момент времени прохождения кратчайшего расстояния между ПА и РГБ, с;

- известная (заданная) скорость ПА, м/с

- кратчайшее расстояние между ПА и РГБ, м.

Способ вычисления и описан ниже.

5) На втором этапе обработки с использованием каждого -го энергетического спектра по формуле (1) осуществляется вычисление уровней шумоизлучения ПА в третьоктавных фильтрах , приведённых к расстоянию 1 м.

6) На третьем этапе обработки по формуле (2) осуществляется усреднение уровней , полученных с использованием нескольких (до 20-ти) энергетических спектров , измеренных на интервале времени прохождения ПА кратчайшего расстояния от РГБ.

Остановимся на способе вычисления входящих в формулу (3) кратчайшего расстояния между ПА и РГБ и момента времени прохождения кратчайшего расстояния между ПА и РГБ .

Из прямоугольного треугольника на фиг.1 следует:

где

- угол между пеленгами ПА в моменты времени и , град;

- значение пеленга ПА, измеренного в момент времени , град;

- пеленг ПА в момент времени прохождения кратчайшего расстояния между ПА и РГБ, град.

Неизвестными в уравнении (4) являются 3 переменные - , и . Для их определения воспользуемся методом наименьших квадратов, который состоит в нахождении значений переменных , и , соответствующих минимуму функции , определяемой по формуле

где

- количество измеренных пеленгов ПА.

Решение (5) будем осуществлять следующим образом:

- определяются начальные приближения искомых величин , и . Для этого строится зависимость скорости изменения пеленга ПА от времени. Точка максимума этой зависимости принимается за момент прохождения кратчайшего расстояния. Соответствующие этой точке значения переменных и принимаются за начальное приближение переменных и ;

- подставляя в формулу (3) для любого начальные приближения параметров и , определяется начальное приближение переменной ;

- вокруг начальных приближений переменных , и формируются малые интервалы, в которых методом перебора определяются значения переменных , и , обеспечивающие минимум функции (5).

Точность определения переменных , и зависит от точности измерения пеленгов ПА и количества измеренных пеленгов. Проведённое моделирование показало, что при среднеквадратической погрешности (СКП) пеленгования 2°, обеспечиваемой РГБ, относительная СКП оценки расстояния между ПА и РГБ не превышает 20% уже при обработке 15-ти пеленгов.

Отличительными признаками заявляемого способа являются:

- использование вместо стационарной приёмной системы с ненаправленным гидрофоном временно устанавливаемых в районе базирования ПА РГБ с направленной антенной, применение которой позволяет повысить помехоустойчивость приёмного тракта, что важно при измерении шумности малошумных ПА;

- вместо использования специальной СИД, требующей дооборудования ПА приёмником сигналов СИД, определение дистанции между ПА и приёмной системой по динамике изменения пеленга ПА при известной скорости ПА, что не требует дооборудования ПА.

Определим точность измерения шумности ПА предложенным способом.

Поскольку относительные среднеквадратические погрешности (СКП) оценок сомножителей в правой части формулы (1) малы, то согласно [10]

где - дисперсии в -й момент времени соответственно оценок уровня шумоизлучения ПА в -м третьоктавном фильтре, приведённого к расстоянию 1 м, расстояния между ПА и РГБ и уровня в третьоктавном фильтре до приведения в расстоянию 1 м.

Учитывая, что дисперсия спектральной составляющей равна квадрату самой спектральной составляющей, из (6) получим:

Т.е. соответствующая -му моменту времени относительная СКП оценки приведённого к расстоянию 1 м уровня шумоизлучения ПА в -м третьоктавном фильтре равна относительной СКП оценки расстояния между ПА и РГБ на тот же момент времени.

При усреднении оценок по формуле (2) формула (7) принимает вид:

Как выше было показано, относительная СКП оценки расстояния между ПА и РГБ не превышает 20%. Если принять, что усреднению по формуле (5) подвергается 20 оценок уровней в третьоктавных фильтрах, можно сделать вывод, что относительная СКП оценок уровней шумоизлучения в третьоктавных фильтрах не будет превышать 5% или 0,5 дБ. В большинстве практических случаев требуется измерять шумность объектов со СКП не более 1…2 дБ [11].

Поскольку предлагаемый способ не требует специально оборудованного полигона и обеспечивает высокую точность измерения шумности ПА, можно утверждать, что технический результат - обеспечение высокой точности измерения шумности ПА вне специально оборудованных полигонов - достигнут.

Источники информации:

1. Урик Р. Дж. Основы гидроакустики // Л.: Судостроение. 1978.

2. Авторское свидетельство РФ №1840366.

3. Авторское свидетельство РФ №1840507.

4. Патент США 3659256.

5. Гурвич А.А., Гусев Н.М., Яковлев Г.В. Гидроакустические системы с гибкими протяжёнными гидроакустическими антеннами // Судостроение за рубежом. 1984. №10 (24).

6. Авторское свидетельство РФ №1840512.

7. Патент РФ №2167500.

8. Патент РФ №2284484.

9. Патент РФ №2284485.

10. Вентцель Е.С., Овчаров Л.А. Теория вероятностей и её инженерные приложения // М.: Наука. 1988. с.273

11. Данилов В.Н., Грушин А.А. Специальное метрологическое обеспечение гидроакустических средств // Петродворец. 1990.

Изобретение относится к области гидроакустических измерений, а именно к способам и устройствам измерения шумности морских объектов. Заявленный способ измерения шумности подводного аппарата заключается в том, что используется временный полигон, оборудованный заякоренным радиогидроакустическим буем с направленной гидроакустической антенной и калиброванным приёмным трактом, а текущее расстояние между подводным аппаратом и радиогидроакустическим буем определяется по изменению пеленга подводного аппарата, периодически измеряемого радиогидроакустическим буем с последующей обработкой полученных результатов. Технический результат – обеспечение высокой точности измерения шумности обитаемых и необитаемых подводных аппаратов вне специально оборудованных полигонов. 1 ил.

Способ измерения шумности подводного аппарата (ПА), включающий движение ПА в подводном положении с постоянными курсом и скоростью мимо гидроакустической приёмной системы, приём приёмной системой шума ПА в широком диапазоне частот с записью его с привязкой ко времени в память процессора приёмной системы, периодическое с циклом в несколько секунд измерение текущего расстояния между ПА и гидроакустической приёмной системой, вычисление последовательности узкополосных энергетических спектров шума ПА, записанного в память процессора приёмной системы с привязкой к расстоянию между ПА и гидроакустической приёмной системой, вычисление с использованием каждого узкополосного спектра и соответствующего ему расстояния между ПА и гидроакустической приёмной системой приведённых к расстоянию 1 м уровней шума ПА в третьоктавных фильтрах, усреднение приведённых уровней шума ПА третьоктавных спектров, вычисленных с использованием нескольких последовательных узкополосных спектров, отличающийся тем, что в качестве приёмной системы используется заякоренный радиогидроакустический буй (РГБ) с направленной гидроакустической антенной и калиброванным приёмным трактом, а расстояние между ПА и РГБ в -й момент времени определяется по формуле

,

где

– известная (заданная) скорость движения ПА;

- кратчайшее расстояние между ПА и РГБ;

- момент времени прохождения кратчайшего расстояния между ПА и РГБ,

причём кратчайшее расстояние между ПА и РГБ и момент времени прохождения кратчайшего расстояния между ПА и РГБ , а также пеленг ПА в момент времени прохождения кратчайшего расстояния между ПА и РГБ определяются путём нахождения минимума функции

,

где

– пеленг ПА, измеренный в момент времени ;

– количество измеренных пеленгов ПА при прохождении ПА мимо РГБ.