СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОГО СИГНАЛА НА ФОНЕ ПОМЕХ Советский патент 2009 года по МПК G01S3/86 

Предлагаемое изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано при разработке приемных устройств и антенн, работающих в диапазоне инфразвуковых и низких звуковых частот, например в буксируемых антеннах или гидроакустических буях.

При вертикальных (здесь и далее под вертикальными понимаются смещения в направлении силы тяжести) перемещениях приемника звукового давления (П) изменяется величина воздействующего на него гидростатического давления, что эквивалентно воздействию на П переменного звукового давления помехи.

Назовем этот вид помехи "гидростатической помехой" (ГП).

Известен способ выделения акустического сигнала, на фоне помех, предложенный в 1966 г. Клячкиным и Яковлевым (авт. свид. №1840052).

Этот способ состоит в том, что прием сигнала и помехи производят одновременно по двум каналам: по каналу давлений и по каналу колебательных скоростей с последующим перемножением напряжений на выходах этих каналов и осреднением выходного эффекта по времени. В принципе, этот способ мог бы быть использован и для подавления ГП, однако применение его на низких звуковых и инфразвуковых частотах весьма затруднено, т.к. практически невозможно осуществить приемник колебательной скорости, имеющий достаточно высокую чувствительность к сигналу в этом диапазоне частот и приемлемые габариты.

Действительно, если в качестве приемника скорости использовать акселерометр, имеющий нулевую плавучесть, его чувствительность, необходимая для приема колебательного ускорения, обусловленного давлением 0,2 бара в плоской волне, на фоне шумов усилителя на частоте 1 Гц а приемник градиента давления, примененный в тех же целях, должен иметь габарит в направлении прихода сигнала ≈4 м при чувствительности каждого приемника пары к давлению γ_р=400 мкв/бар.

В то же время ГП может быть определяющей именно в диапазоне инфразвуковых и низких звуковых частот, где смещения приемников достигают достаточно большой величины. (Например, по результатам натурных испытаний вертикальные смещения гибкой протяженной буксируемой антенны при ее движении на частоте 3 Гц ξ_h=2,5 мм).

Целью предлагаемого изобретения является повышение отношения сигнал/помеха в области инфразвуковых и низких звуковых частот, путем компенсации ГП.

Предлагаемый способ выделения акустического сигнала на фоне ГП состоит в следующем: вертикальную составляющую переменного смещения приемника звукового давления измеряют при помощи вертикально ориентированного датчика смещения, нечувствительного к давлению, и напряжение на выходе датчика смещения вычитают из напряжения на выходе приемника звукового давления.

Изменение гидростатического давления δ P_ст при вертикальном смещении П определяется смещением ξ_h и удельным весом среды ρg:

δP_ст=ρgξ_h

где ρ - плотность,

g - ускорение силы тяжести.

Для воды при смещении на 1 см изменение давления составляет 10³ дин/см². При переменных смещениях П в вертикальном направлении на выходе его появляется напряжение ГП - V_гп, амплитуда и фаза которого определяются амплитудой и фазой вертикального перемещения П:

U_гп=δP_стγ_p≅1000γ_pξ_h,

где γ_p - чувствительность П.

В качестве датчика вертикального смещения может быть использован, например, акселерометр (А), ориентированный в направлении действия силы тяжести и жестко соединенный с П.

Напряжение на выходе А - U_A определяется ускорением :

где γ_A - чувствительность акселерометра к ускорению.

Так как то, проинтегрировав два раза по времени напряжение с выхода акселерометра, получим напряжение U_A, пропорциональное смещению и не зависящее от гидростатического и звукового давления.

U_A'=Kγ_Aξ_h,

K - усиление схемы интегрирования.

Если далее это напряжение усилить в раз, то оно по амплитуде и фазе будет равно напряжению ГП на выходе П и может быть использовано для ее полной компенсации путем простого вычитания.

Можно показать также, что вибрации, вызываемые действием градиента давления полезного сигнала, значительно меньше вибраций, приводящих к появлению ГП соответствующей величины. Так, например, на частоте 3 Гц ускорение движения частиц жидкости в плоской волне (в пределе - ускорение приемника и виброприемника) при давлении полезного сигнала в один бар составляет: ; при нейтральной плавучести приемника.

Вертикальное ускорение при ГП=1 бару на частоте 3 Гц составляет 4·10^-4 g. Разница более трех порядков, она увеличивается направленными свойствами вертикально-ориентированного А (минимум в горизонтальной плоскости, в которой находятся преимущественные направления прихода сигнала). Таким образом, очевидно, что А практически не принимает полезного сигнала. Поэтому при вычитании величина полезного сигнала не будет ослабляться.

Предлагаемый способ компенсации ГП с использованием А был проверен экспериментально. На фиг.1 представлена схема эксперимента.

На фиг.1:

1 - приемник (П),

2 - акселерометр (А),

3 - виброприемник, измеряющий вибрацию стенда W,

4 - сосуд с водой.

На фиг.2 представлены результаты эксперимента:

1 - расчетная величина ГП,

2 - величина ГП до компенсации,

3 - величина ГП после компенсации.

Видно, что в данном случае предлагаемый способ позволил снизить ГП в 6÷8 раз. Можно предположить, что при более тщательной постановке эксперимента ГЦ может быть скомпенсирована еще в большей степени, вплоть до уровня, определяемого чувствительностью П к вибрации в воде.

Натурные исследования показывают, что амплитуда вибраций акустических приемников на низких частотах может достигать большой величины. Это особенно актуально для приемников буксируемых гидроакустических антенн, для которых ГП на низких частотах является определяющей, Предлагаемый способ позволяет скомпенсировать ГП и, таким образом, повысить помехоустойчивость гидроакустических антенн, работающих в диапазоне инфразвуковых и низких звуковых частот.

Способ выделения акустического сигнала на фоне помех основан на одновременном приеме помехи по двум разным каналам и приеме давления по одному из этих каналов. По второму каналу принимают вертикальную составляющую смещения приемника давления, и электрические сигналы на выходе этих каналов вычитают. Технический результат - компенсации помехи, вызванной вертикальным перемещением приемника звукового давления на низких звуковых и инфразвуковых частотах. 2 ил.

Способ выделения акустического сигнала на фоне помех, основанный на одновременном приеме помехи по двум разным каналам и приеме давления по одному из этих каналов, отличающийся тем, что, с целью компенсации помехи, вызванной вертикальным перемещением приемника звукового давления на низких звуковых и инфразвуковых частотах, по второму каналу принимают вертикальную составляющую смещения приемника давления, и электрические сигналы на выходе этих каналов вычитают.