Способ измерения характеристик направленности излучающей гидроакустической антенны Российский патент 2024 года по МПК H04R29/00 

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для измерения характеристик направленности излучающих гидроакустических антенн гидроакустических комплексов различных объектов установки.

Гидроакустическая антенна является одной из основных частей гидроакустических комплексов и станций, во многом определяющей эффективность их работы. Поэтому в процессе разработки, испытаний и сдачи гидроакустических антенн большое значение имеет достоверное измерение их характеристик направленности.

Известен способ аналогичного назначения [Колесников А.Е. Акустические измерения. Л., Судостроение, 1983], подразумевающий проведение прямых измерений характеристик направленности непосредственно в зоне дифракции Фраунгофера (дальнем поле) гидроакустических антенн. Недостатком известного аналога является необходимость проведения измерений на достаточном удалении от поверхности гидроакустической антенны, определяемом неравенством:

где R - расстояние между гидроакустической антенной и измерительным зондом;

L - максимальный габаритный размер гидроакустической антенны;

λ - длина звуковой волны.

Такое удаление существенно снижает точность измерений вследствие влияния отражений сигналов от границ опытовой акваторий, а также флюктуацией сигналов во времени, связанной с особенностями его распространения. Для гидроакустических антенн больших волновых размеров расстояния, требуемые для реализации данного способа, могут составлять сотни метров, что зачастую превышает размеры выделенной для измерений акватории.

Известен способ аналогичного назначения [Э.В. Лабецкий, А.А. Янпольский, А.А. Янпольская Применение регрессионных методов при определении характеристик многоканальных систем // Обработка акустической информации в многоканальных системах. - Науч.-тех. сб.: вып. 6 (1). - Л:, 1984], подразумевающий проведение измерений характеристик направленности антенн в переходной зоне между ближней зоной, зоной дифракции Френеля и зоной Фраунгофера с последующим введением поправочных коэффициентов, учитывающих влияние кривизны волнового фронта.

Недостатком данного способа является необходимость определения поправочных коэффициентов для каждого геометрического конструктива (сфера, цилиндр, плоскость и т.д.) и размера гидроакустической антенны, углов и расстояний, на которых проводятся измерения. А для гидроакустических антенн больших волновых размеров по указанным выше причинам данный способ может быть также не применим.

Известен способ измерения характеристик направленности приемных гидроакустических антенн [В.В. Баскин, М.Д. Смарышев Об измерениях параметров многоэлементных антенн в зоне Френеля // Гидроакустика. - Науч.-тех. сб.: вып. 5. - СПб: Наука, 2004], подразумевающий проведение прямых измерений амплитуды и фазы сигналов на выходе каждого канала многоканальной гидроакустической антенны, последующее сложение сигналов с введением амплитудно-фазовых распределений, соответствующих условиям прихода сигналов из зоны дифракции Фраунгофера для всей апертуры гидроакустической антенны. Данный способ можно использовать при измерении характеристик направленности, как приемных, так и излучающих многоканальных гидроакустических антенн. Недостатками данного аналога является необходимость измерения расстояний от излучателя до каждого элемента гидроакустической антенны, а также введения в каждый канал гидроакустической антенны соответствующего амплитудно-фазового распределения. Кроме того, данный способ не может быть использован при измерении характеристик направленности одноканальных гидроакустических антенн.

Наиболее близким по количеству общих признаков является способ, описанный в статье [Г.Ю. Годзиашвили Разработка методики поверки измерительных излучателей, основанной на измерениях, проводимых в ближнем поле // Гидроакустика. - Науч.-тех. сб.: вып. 11 (1). - СПб: Наука, 2011].

Этот способ измерения характеристик направленности свободен от отмеченных недостатков предыдущих аналогов. Способ основан на использовании интегральной формулы Кирхгофа, позволяющей рассчитать значения акустического давления, формируемого излучающей гидроакустической антенной (ИГА) в зоне дифракции Фраунгофера (дальнем поле), через распределение акустического давления, измеренного на замкнутой поверхности, окружающей ИГА в зоне дифракции Френеля (ближнем поле).

Для реализации способа измерений, описанного в прототипе, выполняют следующие действия. ИГА размещают в водной среде на вертикальной штанге поворотного устройства. На вход ИГА с выхода усилителя мощности подают акустический тональный сигнал, заданной частоты. В зоне дифракции Френеля ИГА размещают измерительный зонд, подключенный к аналого-цифровому преобразователю (АЦП). Измерительный зонд представляет собой линейную приемную дискретную антенну, все приемные гидрофоны которой запараллелены. ИГА вращают на поворотном устройстве в диапазоне углов от 0° до 360° в азимутальной плоскости относительно оси вертикальной штанги. С помощью этого вертикального измерительного зонда и АЦП измеряют и регистрируют массив значений акустического давления, создаваемого излучением ИГА на цилиндрической поверхности в диапазоне углов от 0° до 360°.

После окончания измерений рассчитывают массив значений функции Грина для выбранных координат в зоне дифракции Фраунгофера. Массив рассчитанных значений функции Грина перемножают с массивом измеренных значений акустического давления и интегрируют по углу в азимутальной плоскости, получая распределение акустического давления, формируемого ИГА в зоне дифракции Фраунгофера в азимутальной плоскости, представляющее собой характеристику направленности ИГА в азимутальной плоскости.

Прототип позволяет проводить измерения в непосредственной близости от поверхности ИГА, что в свою очередь позволяет существенно уменьшить влияние отражений сигналов от границ акватории и флюктуации сигналов во времени, на точность измерений. При расчете характеристик направленности ИГА в каждой точке в зоне дифракции Фраунгофера используются значения акустического давления, измеренные на всей поверхности, окружающей антенну в зоне дифракции Френеля, этим обусловлена повышенная информативность и помехоустойчивость прототипа. Прототип позволяет проводить измерения характеристик направленности как одноканальных, так и многоканальных ИГА различной конфигурации. При проведении измерений нет необходимости введения каких-либо амплитудно-фазовых распределений, как на элементах ИГА, так и на измерительном зонде.

Недостатком прототипа являются:

- наличие методической погрешности измерения характеристик направленности ИГА, вызванной незамкнутостью выбранной цилиндрической поверхности конечной высоты, определяемой линейным размером зонда, с помощью которого выполняется измерение распределения акустического давления, создаваемого ИГА в зоне дифракции Френеля.

- возможность измерения характеристик направленности ИГА только в азимутальной плоскости.

Задачей изобретения является обеспечение возможности измерения характеристик направленности ИГА относительно любой произвольной плоскости пространства с повышенной точностью.

Техническим результатом, получаемым при осуществлении изобретения, является уменьшение погрешности измерений характеристики направленности ИГА, путем использования замкнутой сферической измерительной поверхности, и реализация возможности измерения характеристики направленности ИГА в произвольной плоскости пространства.

Для обеспечения заявленного технического результата в способ измерения характеристики направленности ИГА, заключающийся в том, что ИГА, размещенную в водной среде на вертикальной штанге поворотного устройства, излучающую акустический тональный сигнал заданной частоты, вращают на поворотном устройстве в диапазоне углов от 0° до 360° вокруг оси штанги поворотного устройства, и измерительным зондом, размещенным в зоне дифракции Френеля ИГА, содержащим по крайней мере один канал, имеющий гидрофон, соединенный с приемной системой, измеряют распределение акустического давления, создаваемого излучением ИГА при ее вращении, в приемной системе запоминают массив полученных измеренных значений давления, рассчитывают массив функции Грина для выбранных координат в азимутальной плоскости в зоне дифракции Фраунгофера; массив, рассчитанных значений функции Грина перемножают с массивом измеренных значений акустического давления, получая распределение акустического давления, формируемого ИГА в зоне дифракции Фраунгофера, представляющее собой характеристику направленности ИГА, введены новые признаки, а именно: измерительный зонд выполняют многоканальным в виде образующей сферы, диаметр которой больше линейного размера ИГА, измерение акустического давления, создаваемого ИГА, производят на сферической поверхности в точках с заданными координатами в азимутальной и угломестной плоскостях, соответствующих размещению гидрофонов каналов измерительного зонда, измеренные значения акустического давления запоминают в виде двумерного массива А, имеющего размерность n×m, где n - количество отсчетов в азимутальной плоскости m - количество отсчетов в угломестной плоскости, определяемое количеством гидрофонов в измерительном зонде, расчет значений функции Грина в зоне дифракции Фраунгофера производят для выбранных угловых координат в азимутальной и угломестной плоскостях в виде двумерного массива значений G, имеющего размерность n×m, а характеристику направленности ИГА получают двойным интегрированием произведения двумерного массива рассчитанных значений функции Грина G и двумерного массива измеренных значений распределения акустического давления А по углу θ₀ в азимутальной плоскости в пределах от 0° до 360° и по углу ϕ₀ в угломестной плоскости в пределах от 0° до 180°.

Применение измерительного зонда в виде образующей сферы обеспечивает измерение акустического давления, формируемого ИГА на сферической замкнутой поверхности, устраняя источник методической погрешности прототипа - незамкнутость цилиндрической поверхности.

Применение многоканального измерительного зонда обеспечивает измерение акустического давления, формируемого ИГА в зоне дифракции Френеля, как в азимутальной плоскости, так и в угломестной, что в свою очередь обеспечивает возможность расчета значений характеристик направленности, формируемых ИГА в зоне дифракции Фраунгофера в произвольных плоскостях.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, 2, 3 при этом на фиг. 1 представлена схема измерений, реализующая способ, на фиг. 2 - результат математического моделирования измерения характеристики направленности ИГА предложенным способом, имеющей волновой размер 10 λ × 10 λ, где λ - длина волны акустического тонального сигнала. На фиг. 2 сплошной линией обозначена расчетная теоретическая характеристика направленности ИГА, пунктирной линией - характеристика направленности ИГА, измеренная предложенным способом. На фиг. 3 представлен результат измерения характеристики направленности реальной ИГА, имеющей волновой размер 25 λ × 3,5 λ, предложенным способом. На фиг. 3 сплошной линией обозначена характеристика направленности ИГА, измеренная известным способом [Колесников А.Е. Акустические измерения. Л., Судостроение, 1983], подразумевающим проведение прямых измерений характеристики направленности непосредственно в зоне дифракции Фраунгофера, пунктирной линией - характеристика направленности ИГА, измеренная предложенным способом.

Измерительная схема (фиг. 1) содержит поворотное устройство 3 (УП), снабженное вертикальной штангой, на которой закреплена испытуемая излучающая гидроакустическая антенна 1, в данном примере цилиндрическая. Управление работой поворотного устройства 3 (УП) осуществляется с помощью подключенного к нему пульта управления 4 (ПУ). Для передачи и регистрации текущих угловых координат штанги поворотного устройства 3 (УП) пульт управления 4 (ПУ) соединен с компьютером 8 (ПК).

В непосредственной близости от поверхности излучающей гидроакустической антенны 1, расположен измерительный зонд 2 в виде образующей сферы, обращенный открытой стороной к излучающей гидроакустической антенне. Диаметр измерительного зонда 2 должен превышать вертикальный размер излучающей гидроакустической антенны 1. Измерительный зонд 2 соединен со входом многоканального аналого-цифрового преобразователя 7 (АЦП), выход которого соединен с компьютером 8 (ПК). Компьютер 8 (ПК) также соединен со входом генератора сигналов 6 (Г), выход которого соединен со входом усилителя мощности 5 (УМ). Выход усилителя мощности 5 (ИМ) подключен непосредственно к гидроакустической антенне 1.

Все устройства, используемые в схеме измерений (фиг. 1), известны и не требуют отдельной разработки [Справочник по гидроакустике Л., Судостроение, 1988].

С помощью схемы измерений (фиг. 1) предложенный способ реализуется следующим образом.

Излучающую гидроакустическую антенну 1 размещают в водной среде на вертикальной штанге поворотного устройства 3 (УП). По команде от компьютера 8 (ПК), на выходе генератора сигналов 6 (Г) формируется тональный сигнал, заданной частоты и амплитуды, далее этот сигнал поступает на усилитель мощности 5 (УМ), где усиливается и поступает на вход излучающей гидроакустической антенны 1. В водной среде в непосредственной близости от поверхности излучающей гидроакустической антенны 1 размещают измерительный зонд 2, выполненный многоканальным, в виде образующей сферы. С помощью пульта управления 4 (ПУ) запускают вращение штанги поворотного устройства 3 (УП) с закрепленной на ней излучающей гидроакустической антенной 1. С выхода пульта управления 4 (ПУ) в компьютер 8 (ПК) поступают данные о текущих угловых координатах штанги в азимутальной плоскости.

Сигналы, принятые измерительным зондом 2 поступают на вход многоканального аналого-цифрового преобразователя 7 (АЦП), где оцифровываются и записываются в память компьютера 8 (ПК) в виде массива значений акустического давления А, имеющего размерность n×m, где n - количество отсчетов в азимутальной плоскости, определяемое частотой дискретизации АЦП, m - количество отсчетов в угломестной плоскости, определяемое количеством гидрофонов в измерительном зонде. После окончания измерения с помощью выражения (2) осуществляют расчет массива значений функции Грина G:

где, - массив значений функции Грина;

θ₀ - угловая координата в азимутальной плоскости на сферической поверхности в зоне дифракции Френеля, определяемая угловым датчиком поворотного устройства 3 (УП);

ϕ₀ - угловая координата в угломестной плоскости на сферической поверхности в зоне дифракции Френеля, определяема положением гидрофона в измерительном зонде 2;

R₀ - радиус измерительного зонда;

θ - задаваемая угловая координата в азимутальной плоскости на сферической поверхности в зоне дифракции Фраунгофера;

ϕ - задаваемая угловая координата в угломестной плоскости на сферической поверхности в зоне дифракции Фраунгофера;

R - задаваемый радиус сферической поверхности в зоне дифракции Фраунгофера;

k - волновое число.

С помощью выражения (3) выполняют расчет значений давления, формируемых гидроакустической антенной в зоне дифракции Фраунгофера в точках с координатами (R, θ, ϕ), затем проводят двойное интегрирование произведения двумерного массива рассчитанных значений функции Грина G и двумерного массива измеренных значений распределения давления А по углу θ₀ в азимутальной плоскости в пределах от 0° до 360° и по углу ϕ₀ в угломестной плоскости в пределах от 0° до 180°:

где

- массив значений акустического давления, измеренных в зоне дифракции Френеля;

- рассчитанное значение акустического давления, формируемое гидроакустической антенной в зоне дифракции Фраунгофера. Распределение акустического давления, формируемого гидроакустической антенной в заданной плоскости в зоне дифракции Фраунгофера, представляет собой характеристику направленности гидроакустической антенны в заданной плоскости.

Результаты выполненного математического моделирования измерения характеристики направленности ИГА (фиг. 2) и результаты измерения характеристики направленности реальной ИГА (фиг. 3) подтверждают возможность использования выражений (2) и (3) и предложенной схемы (фиг. 1) для измерения характеристик направленности, формируемых излучающими гидроакустическими антеннами в зоне дифракции Фраунгофера.

Таким образом, совокупность результатов математического моделирования, результатов измерения характеристики направленности реальной ИГА, а также примененных технических решений, в частности реализация замкнутой сферической измерительной поверхности и применение многоканального измерительного зонда позволило обеспечить измерение характеристики направленности, формируемых излучающими гидроакустическими. антеннами гидроакустических комплексов, в произвольных плоскостях с минимальной методической погрешностью, достигая, тем самым, заданного технического результата.

Предложенный способ может быть использован при разработке методик измерения характеристик направленности излучающих гидроакустических антенн в условиях опытовых бассейнов, измерительных полигонов, а также непосредственно в условиях объектов установки гидроакустических комплексов при использовании специализированных поворотных устройств.

Использование: изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для измерения характеристик направленности излучающих гидроакустических антенн гидроакустических комплексов различных объектов установки. Сущность: способ включает измерение акустического давления, формируемого излучающей гидроакустической антенной на сферической поверхности в зоне дифракции Френеля, и последующий расчет с использованием интегральной формулы Кирхгофа распределения акустического давления, формируемого излучающей гидроакустической антенной в зоне дифракции Фраунгофера в произвольной плоскости пространства. Измерительный зонд выполняют многоканальным в виде образующей сферы, диаметр которой больше линейного размера излучающей гидроакустической антенны. Технический результат: обеспечение измерения характеристики направленности, формируемой излучающими гидроакустическими антеннами гидроакустических комплексов в произвольных плоскостях с минимальной методической погрешностью. 3 ил.

Способ измерения характеристик направленности излучающей гидроакустической антенны (ИГА), заключающийся в том, что ИГА, размещенную в водной среде на вертикальной штанге поворотного устройства, излучающую акустический тональный сигнал заданной частоты, вращают на поворотном устройстве в диапазоне углов от 0° до 360° вокруг оси штанги поворотного устройства, и измерительным зондом, размещенным в зоне дифракции Френеля ИГА, содержащим по крайней мере один канал, имеющий гидрофон, соединенный с приемной системой, измеряют распределение акустического давления, создаваемого излучением ИГА при ее вращении, в приемной системе запоминают массив полученных измеренных значений давления, рассчитывают массив функции Грина для выбранных координат в азимутальной плоскости в зоне дифракции Фраунгофера; массив рассчитанных значений функции Грина перемножают с массивом измеренных значений акустического давления, получая распределение акустического давления, формируемого ИГА в зоне дифракции Фраунгофера, представляющее собой характеристику направленности ИГА, отличающийся тем, что измерительный зонд выполняют многоканальным в виде образующей сферы, диаметр которой больше линейного размера ИГА, измерение акустического давления, создаваемого ИГА, производят на сферической поверхности в точках с заданными координатами в азимутальной и угломестной плоскостях, измеренные значения акустического давления запоминают в виде двумерного массива А, имеющего размерность n × m, где m - количество отсчетов в азимутальной плоскости, m - количество отсчетов в угломестной плоскости, определяемое количеством гидрофонов в измерительном зонде, расчет значений функции Грина в зоне дифракции Фраунгофера производят для выбранных угловых координат в азимутальной и угломестной плоскостях в виде двумерного массива значений G, имеющего размерность n × m, а характеристику направленности ИГА получают двойным интегрированием произведения двумерного массива рассчитанных значений функции Грина G и двумерного массива измеренных значений распределения акустического давления А по углу в азимутальной плоскости в пределах от 0° до 360° и по углу в угломестной плоскости в пределах от 0° до 180°.