RU2119728C1

RU2119728C1 - Method for measuring hydrophone sensitivity in sea

Info

Publication number: RU2119728C1
Application number: RU97106235A
Authority: RU
Inventors: А.В. Аграновский; А.В. Розенберг; В.Л. Чулков
Original assignee: Государственное предприятие конструкторское бюро "СПЕЦВУЗАВТОМАТИКА"
Priority date: 1997-04-17
Filing date: 1997-04-17
Publication date: 1998-09-27

Abstract

FIELD: acoustics. SUBSTANCE: method is based on calibration of hydrophone in low-frequency range using its comparison to reference hydrophone of known sensitivity γ_o. It involves submerging tested and reference hydrophones to different depths, spacing sound source and both tested and reference hydrophones by at least five sea depths. Relative position of reference and tested hydrophones which conforms to this condition provides difference of sound pressure in interference maximums below 1 dB. Calibration procedure involves rectilinear movement of sound source with low constant speed v (v/c < 2•10^-3, where c is velocity of sound in water), measuring average amplitude levels of signals at outputs of tested and reference hydrophones for time interval ΔT, which is equal to 8/3•H²/ λu, where H is sea depth, λ is wavelength of sound, detection of moments when instantaneous values of amplitudes are simultaneously greater than their average level. Tested hydrophone sensitivity γ_r is calculated using equation

, where u_o(t_i) is amplitude of signal at output of reference hydrophone in moments t_i, i=1, 2, ..., M, when instantaneous amplitude levels are greater than average level,

is signal amplitude at output of tested hydrophone in moments

, i=1, 2, ..., M; j_o is number of samples for shifting tested hydrophone signal with respect to reference hydrophone signal. EFFECT: increased field of application. 3 dwg

Description

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано при градуировке и калибровке гидрофонов стационарных измерительных средств в диапазоне низких частот (когда длина звуковой волны по порядку величины сравнима с глубиной моря). The invention relates to the field of hydroacoustics and can be used for calibration and calibration of hydrophones of stationary measuring instruments in the low frequency range (when the sound wavelength is comparable in order of magnitude with the depth of the sea).

Известен способ градуировки гидрофона методом сравнения [1], заключающийся в том, что градуируемый и образцовый гидрофоны подвергают одинаковому воздействию в условиях пространства. A known method of calibrating the hydrophone by the comparison method [1], which consists in the fact that the calibrated and exemplary hydrophones are subjected to the same effect in space.

Недостатком известного способа является ограниченность его применения случаем малых камер, т.е. случаем лабораторных условий. The disadvantage of this method is the limited application of the case of small cameras, i.e. case of laboratory conditions.

Известен способ определения чувствительности гидрофона в морских условиях методом сравнения в диапазоне низких частот [2], когда длина звуковой волны по порядку величины сравнима с глубиной моря, заключающийся в генерации гармонических сигналов частоты f с помощью источника звука и приеме гармонического акустического сигнала градуируемым и образцовым гидрофонами. При этом чувствительность γ_г градуируемого гидрофона определяют по формуле:

где
γ_o - чувствительность образцового гидрофона; U_г, U_о - электрические напряжения на выходах соответственно градуируемого и образцового гидрофонов; R_г, R_о - расстояние от излучателя соответственно до градуируемого и образцового гидрофонов.A known method for determining the sensitivity of a hydrophone in marine conditions by comparison in the low frequency range [2], when the sound wavelength is comparable in order of magnitude with the depth of the sea, which consists in generating harmonic signals of frequency f using a sound source and receiving a harmonic acoustic signal with calibrated and exemplary hydrophones . The sensitivity of γ _g graduated hydrophone is determined by the formula:

Where
γ _o - sensitivity of the model hydrophone; U _g , U _about - the electrical voltage at the outputs, respectively, graduated and exemplary hydrophones; R _g , R _about - the distance from the emitter, respectively, to the graduated and exemplary hydrophones.

Известный способ [2] требует точного контроля расстояний R_г, R_о, что достигается путем крепления гидрофонов и излучателя с помощью специальных жестких конструкций. Кроме того, при проведении измерений в диапазоне низких частот существенное влияние будут оказывать отражения от поверхности и дна моря. Применение направленного излучения в низкочастотном диапазоне затруднено, так как размеры направленного низкочастотного излучателя должны быть слишком велики.The known method [2] requires precise control of the distances R _g , R _about , which is achieved by attaching hydrophones and emitter using special rigid structures. In addition, when measuring in the low frequency range, reflections from the surface and bottom of the sea will have a significant effect. The use of directional radiation in the low-frequency range is difficult, since the dimensions of the directional low-frequency emitter must be too large.

Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является расширение области применения метода сравнения для градуировки гидрофонов в натурных условиях в диапазоне низких частот при наличии существенных отражений звуковых волн от поверхности и дна моря. The technical result obtained from the implementation of the invention is to expand the scope of the comparison method for calibrating hydrophones in natural conditions in the low frequency range in the presence of significant reflections of sound waves from the surface and bottom of the sea.

Данный технический результат достигается за счет того, что в известном способе определения чувствительности гидрофона в морских условиях методом сравнения с образцовым гидрофоном в диапазоне низких частот, когда длина λ звуковой волны по порядку величины сравнима с глубиной H моря, заключающемся в генерации гармонического сигнала частоты f с помощью источника звука и приеме гармонического акустического сигнала градуируемым и образцовым гидрофонами, прием гармонического акустического сигнала градуируемым и образцовым гидрофонами проводят при глубинах погружения градуируемого и образцового гидрофонов, различающихся на величину, не большую, чем

где
n - показатель преломления вода-дно, при этом перемещают источник звука прямолинейным галсом с постоянной малой скоростью v при v/c < 2•10^-3, где c - скорость звука в воде, на постоянной глубине при горизонтальном расстоянии между источником и градуируемым гидрофоном, большем пяти глубин моря, измеряют на интервале времени ΔT, равном

средние уровни амплитуд сигналов на выходах градуируемого и образцового гидрофонов, отмечают те моменты времени, когда текущие значения амплитуд сигналов на выходах градуируемого и образцового гидрофонов одновременно превосходят соответствующие им средние уровни, причем образцовый гидрофон чувствительности γ₀ помещают на горизонтальном расстоянии от градуируемого гидрофона, не превышающем величины

(1)
где
Θ - угол между направлением движения источника и линией, соединяющей градуируемый и образцовый гидрофоны, при этом горизонтальное расстояние между источником звука и образцовым гидрофоном также должно превышать пять глубин моря, а чувствительность γ_г градуируемого гидрофона определяют по математическому соотношению:

(2)
где
U_о(t_i) - амплитуда сигнала на выходе образцового гидрофона в моменты времени t_i, i = 1,2, ...,M, когда текущие значения амплитуды превосходят средний уровень,

- амплитуда сигнала на выходе градуируемого гидрофона в моменты времени

i = 1,2,...,M, причем число j_о отсчетов, на которое нужно сдвинуть сигнал на выходе градуируемого гидрофона относительно сигнала на выходе образцового гидрофона, определяется по минимуму функции:

(3)
где
N_г - начальная точка окна, m - число точек в окне, которое выбирается из условия
m•Δt ≥ 8/3 H²(λυ)^-1,
где
Δt - интервал времени между отсчетами.This technical result is achieved due to the fact that in the known method for determining the sensitivity of a hydrophone in marine conditions by comparing it with an exemplary hydrophone in the low frequency range, when the wavelength λ of the sound wave is comparable in order of magnitude with the depth H of the sea, which consists in generating a harmonic signal of frequency f with using a sound source and receiving a harmonic acoustic signal by calibrated and exemplary hydrophones, receiving a harmonic acoustic signal by graduated and exemplary hydrophones, drive at depths of immersion of the calibrated hydrophone and model differing by an amount not greater than

Where
n is the water-bottom refractive index, while the sound source is moved by a straight line tack with a constant low speed v at v / c <2 • 10 ^-3 , where c is the speed of sound in water, at a constant depth with a horizontal distance between the source and the calibrated hydrophone greater than five depths of the sea, measured on a time interval ΔT equal to

the average levels of signal amplitudes at the outputs of the graduated and reference hydrophones, note those times when the current values of the signal amplitudes at the outputs of the calibrated and reference hydrophones simultaneously exceed their corresponding average levels, and the reference sensitivity hydrophone γ _{0 is} placed at a horizontal distance from the calibrated hydrophone not exceeding values

(1)
Where
Θ - the angle between the direction of movement of the source and the line connecting the calibrated and model hydrophones, while the horizontal distance between the sound source and the model hydrophone should also exceed five depths of the sea, and the sensitivity γ _{g of the} calibrated hydrophone is determined by the mathematical ratio:

(2)
Where
U _о (t _i ) - the amplitude of the signal at the output of the exemplary hydrophone at time t _i , i = 1,2, ..., M, when the current values of the amplitude exceed the average level,

- the amplitude of the signal at the output of the calibrated hydrophone at time

i = 1,2, ..., M, and the number j _of samples, by which you want to shift the signal at the output of the graduated hydrophone relative to the signal at the output of the exemplary hydrophone, is determined by the minimum of the function:

(3)
Where
N _g is the starting point of the window, m is the number of points in the window, which is selected from the condition
m • Δt ≥ 8/3 H ² (λυ) ^-1 ,
Where
Δt is the time interval between samples.

Изобретение поясняется чертежом, на фиг. 1 которого представлена схема для реализации способа; на фиг. 2 - зависимость амплитуды звукового давления от горизонтального расстояния между источником звука и гидрофоном; на фиг. 3 - зависимость разности амплитуд сигналов от взаимного расположения гидрофонов в слое. The invention is illustrated in the drawing, in FIG. 1 which presents a diagram for implementing the method; in FIG. 2 - dependence of the amplitude of sound pressure on the horizontal distance between the sound source and the hydrophone; in FIG. 3 - dependence of the difference in signal amplitudes on the relative position of hydrophones in the layer.

На схеме для реализации способа (фиг. 1) обозначены следующие позиции: водный слой 1 с дном 2 и поверхностью 3; градуируемый и образцовый гидрофоны 4, 5. Градуируемый гидрофон 4 установлен на донной платформе 6 и связан кабелем 7 со входом блока 8 определения чувствительности, второй вход которого соединен с выходом приемника 9 радиоканала. Образцовый гидрофон 5 опускается с борта судна 10. Выход гидрофона подключен ко входу передатчика 11 радиоканала. Источник звука 12 буксируется на кабель-тросе судном 13. In the diagram for implementing the method (Fig. 1), the following positions are indicated: water layer 1 with bottom 2 and surface 3; graduated and exemplary hydrophones 4, 5. A graduated hydrophone 4 is mounted on the bottom platform 6 and connected by a cable 7 to the input of the sensitivity determination unit 8, the second input of which is connected to the output of the radio channel receiver 9. An exemplary hydrophone 5 is lowered from the side of the vessel 10. The output of the hydrophone is connected to the input of the transmitter 11 of the radio channel. The sound source 12 is towed on a cable cable by a ship 13.

Способ основан на следующих теоретических предпосылках. The method is based on the following theoretical premises.

Известно, что в волноводе, образованном поверхностью 3 и дном 2 моря, амплитуда |P| и фаза акустического поля, создаваемого тональным излучателем в водном слое 1, являются сложными функциями частоты f, горизонтального расстояния r от источника звука 12 и горизонтов излучения z_о и приема z звука [3]:

(4)
где
P_l, K_l - амплитуда и горизонтальная составляющая волнового вектора l-ой моды, L - число мод, распространяющихся в волноводе на частоте f.It is known that in the waveguide formed by the surface 3 and bottom 2 of the sea, the amplitude | P | and the phase of the acoustic field created by the tonal emitter in the water layer 1 are complex functions of the frequency f, the horizontal distance r from the sound source 12 and the emission horizons z _о and reception z of sound [3]:

(4)
Where
P _l , K _l is the amplitude and horizontal component of the wave vector of the lth mode, L is the number of modes propagating in the waveguide at a frequency f.

На фиг. 2 представлена зависимость амплитуды звукового давления от горизонтального расстояния r в модели волновода, состоящей из водного слоя толщины H=272,93 м, плотности ρ = 1,0 г/см³ и скорости звука в нем c = 1451,4 м/с, лежащего на однородном упругом полупространстве, скорости продольных и поперечных волн в котором соответственно равны c₁ = 2120,93 м/с, c_t = 779,26 м/с, плотность ρ = 2,56 г/см³ для частот 5 Гц (сплошная линия) и 10 Гц (пунктир).In FIG. 2 shows the dependence of the amplitude of the sound pressure on the horizontal distance r in the waveguide model, consisting of a water layer of thickness H = 272.93 m, density ρ = 1.0 g / cm ³ and sound speed in it c = 1451.4 m / s, lying on a homogeneous elastic half-space, in which the velocities of longitudinal and transverse waves are respectively equal to c ₁ = 2120.93 m / s, c _t = 779.26 m / s, density ρ = 2.56 g / cm ³ for frequencies of 5 Hz ( solid line) and 10 Hz (dashed line).

Известно, что в зонах интерференционных максимумов звуковое поле в волноводе имеет характер, близкий к характеру квазиплоской волны [4]. Амплитуда звукового давления в интерференционных максимумах сравнительно мало меняется при не слишком больших (по сравнению с характерными периодами интерференции звукового поля по глубине и расстоянию) изменениях глубины приемника и горизонтального расстояния от приемника до излучателя. It is known that in the zones of interference maxima the sound field in the waveguide has a character close to that of a quasiplane wave [4]. The amplitude of the sound pressure at the interference maxima changes relatively little with not too large (compared to the characteristic periods of the sound field interference in depth and distance) changes in the depth of the receiver and the horizontal distance from the receiver to the emitter.

Фиг. 3 наглядно иллюстрирует этот факт: на ней приводится зависимость модуля отклонения друг от друга амплитуд звукового давления на градуируемом и образцовом гидрофонах от взаимного расположения гидрофонов в случае, когда оба гидрофона попадают в интерференционный максимум звукового поля источника частоты 5 Гц, находящемся на горизонтальном расстоянии r = 1690 м от градуируемого гидрофона (глубина источника и приемника равна 150 м). FIG. Figure 3 illustrates this fact: it shows the dependence of the modulus of deviation of the sound pressure amplitudes from the calibrated and exemplary hydrophones on the relative position of the hydrophones in the case when both hydrophones fall into the interference maximum of the sound field of a 5 Hz frequency source located at a horizontal distance r = 1690 m from the calibrated hydrophone (source and receiver depth is 150 m).

Способ реализуется следующим образом. The method is implemented as follows.

Образцовый гидрофон 5 известной чувствительности γ_o располагают на горизонтальном расстоянии Δr, не превосходящем величины Δr ≤ λ [2π(1-n)^-1] от градуируемого гидрофона 4, так чтобы глубины погружения образцового 5 и градуируемого 4 гидрофонов отличались на величину Δz, определяемую условием Δz ≤ λ [4π(1-n²)^1/2]^-1.
Такое взаимное положение образцового и градуируемого гидрофонов обеспечивает то, что в интерференционных максимумах звукового поля источника акустические давления в точках расположения гидрофонов будут различаться меньше, чем на 1 дБ (фиг. 3).An exemplary hydrophone 5 of known sensitivity γ _o is positioned at a horizontal distance Δr not exceeding Δr ≤ λ [2π (1-n) ^-1 ] from the calibrated hydrophone 4, so that the immersion depths of the exemplary 5 and graduated 4 hydrophones differ by Δz determined by the condition Δz ≤ λ [4π (1-n ² ) ^1/2 ] ^-1 .
This relative position of the exemplary and graduated hydrophones ensures that at the interference maxima of the sound field of the source, the acoustic pressures at the locations of the hydrophones will differ by less than 1 dB (Fig. 3).

Перемещают источник звука 12 прямолинейным галсом с постоянной скоростью v при v/c < 2•10^-3 (где c - скорость звука в воде) на постоянной глубине при горизонтальных расстояниях r, больших пяти глубин моря. Указанное ограничение скорости v обеспечивает то, что на интервале времени Δt = 30f^-1 источник 12 переместится на расстояние, меньшее λ/ 16.
Измеряют на интервале времени

средние уровни амплитуд сигналов на выходах градуируемого

и образцового

гидрофонов. Отмечают те моменты времени t_i, i = 1,2,..., M, когда текущие значения амплитуд сигналов на выходах образцового U_о(t_i) и градуируемого U_г(t_i) гидрофонов одновременно превосходят соответствующие им средние уровни, т.е. когда выполняются условия:

соответствующие одновременному попаданию градуируемого и образцового гидрофонов в интерференционный максимум звукового поля источника, и определяют чувствительность градуируемого гидрофона по формуле (2).Move the sound source 12 in a straight line tack with a constant speed v at v / c <2 • 10 ^-3 (where c is the speed of sound in water) at a constant depth at horizontal distances r, greater than five depths of the sea. The specified speed limit v ensures that, in the time interval Δt = 30f ^{-1, the} source 12 moves to a distance less than λ / 16.
Measured on a time interval

average levels of amplitudes of signals at the outputs of a graduated

and exemplary

hydrophones. Those times t _i , i = 1,2, ..., M are noted when the current values of the amplitudes of the signals at the outputs of the exemplary U _о (t _i ) and graded U _g (t _i ) hydrophones simultaneously exceed the corresponding average levels, t .e. when the conditions are met:

corresponding to the simultaneous entry of the calibrated and exemplary hydrophones into the interference maximum of the sound field of the source, and the sensitivity of the calibrated hydrophone is determined by the formula (2).

Анализ формулы (2) показывает, что в способе устраняется погрешность из-за разнесенности гидрофонов вдоль линии движения излучателя путем обработки сигналов, регистрируемых гидрофонами, сдвинутых во времени. An analysis of formula (2) shows that the method eliminates the error due to the diversity of hydrophones along the line of movement of the emitter by processing signals recorded by hydrophones shifted in time.

То есть дискретные отсчеты сигналов, регистрируемых градуируемым и образцовым гидрофонами в одни и те же моменты времени, сдвигаются друг относительно друга так, чтобы совместить отсчеты, относящиеся к разным моментам времени, но к одинаковым расстояниям между излучателем и, соответственно, градуируемым и образцовым гидрофонами. That is, the discrete samples of the signals recorded by the calibrated and exemplary hydrophones at the same time instants are shifted relative to each other so as to combine the samples relating to different instants of time, but to the same distances between the emitter and, accordingly, the graduated and exemplary hydrophones.

Подобную трансформацию сигнала отображает математическая формула (3). A similar transformation of the signal is displayed by the mathematical formula (3).

С другой стороны, смещенность сигналов из-за разности глубин гидрофонов устранить при обработке сигналов в данном способе невозможно. Поэтому необходимо, чтобы в эксперименте глубины погружения гидрофонов сильно не различались, т.е. чтобы выполнялось условие (1). On the other hand, the bias of the signals due to the difference in the depths of the hydrophones cannot be eliminated during signal processing in this method. Therefore, it is necessary that in the experiment the immersion depths of hydrophones do not differ much, i.e. so that condition (1) is satisfied.

Таким образом, в отличие от прототипа, данный способ может применяться при существенных отражениях звукового сигнала от поверхности и дна моря. Thus, unlike the prototype, this method can be used for significant reflections of the sound signal from the surface and bottom of the sea.

Источники информации. Sources of information.

1. Боббер Р. Гидроакустические измерения. - М.: Мир, 1974. 1. Bobber R. Hydroacoustic measurements. - M.: Mir, 1974.

2. Болгов В.М., Плахов Д.Д., Яковлев В.Е. Акустические шумы и помехи на судах. Л., Судостроение. 1984, с. 165 - 170 - прототип. 2. Bolgov V.M., Plakhov D.D., Yakovlev V.E. Acoustic noise and interference on ships. L., Shipbuilding. 1984, p. 165 - 170 - prototype.

3. Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. - М.: АН СССР, 1957. 3. Brekhovskikh L.M. Waves in layered media. - M .: AN USSR, 1957.

4. Грачев Г.А., Кузнецов Г.Н. О средней скорости изменения фазы акустического поля вдоль плоского волновода. Акуст. ж., 1985, 31, N 2, с. 266 - 268. 4. Grachev G.A., Kuznetsov G.N. About the average rate of phase change of an acoustic field along a plane waveguide. Acoustics Zh., 1985, 31, N 2, p. 266 - 268.

Claims

A method for determining the sensitivity of a hydrophone in marine conditions by comparing it with an exemplary hydrophone in the low frequency range, when the sound wavelength λ is comparable in order of magnitude with the sea depth H, which consists in generating a harmonic acoustic frequency signal using a sound source and receiving a harmonic acoustic signal calibrated and exemplary hydrophones, characterized in that the reception of a harmonic acoustic signal by calibrated and exemplary hydrophones is carried out at a depth of immersion of degrees Rui and hydrophones model differing by an amount not greater than
λ [4π (1-n ² ) ^1/2 ] ^-1 ,
where n is the refractive index of the water-bottom,
while moving the sound source in a straight line tack with a constant low speed V at V / c <2 • 10 ^-3 , where c is the speed of sound in water, at a constant depth with a horizontal distance between the source and the graduated hydrophone greater than five depths of the sea, measured time interval ΔT equal to
ΔT = 8/3 • H ² / λ • V,
the average levels of signal amplitudes at the outputs of the graduated and reference hydrophones, note those times when the current values of the signal amplitudes at the outputs of the calibrated and reference hydrophones simultaneously exceed their corresponding average levels, and the reference sensitivity hydrophone γ _{0 is} placed at a horizontal distance from the calibrated hydrophone not exceeding values
λ [(1-n) cosθ] ^-1 ,
where θ is the angle between the direction of motion of the source and the line connecting the calibrated and reference hydrophones,
the horizontal distance between the sound source and the model hydrophone should also exceed five depths of the sea, and the sensitivity γ _{g of the} graduated hydrophone is determined by the mathematical ratio

where U ₀ (t _i ) is the amplitude of the signal at the output of the exemplary hydrophone at times t _i , i = 1, 2, ..., M, when the current values of the amplitude exceed the average level;
U _r (t _{i + j0} ) is the amplitude of the signal at the output of the graduated hydrophone at time t _{i + j0} , i = 1, 2, ..., M,
moreover, the number j ₀ samples by which it is necessary to shift the signal at the output of the graduated hydrophone relative to the signal at the output of the model hydrophone is determined by the minimum

where N _g is the starting point of the window;
m - the number of points in the window, which is selected from the condition
m • Δt≥8 / 3 • H ² (λV) ^-1 ,
Δt is the time interval between samples.