RU1797169C - Способ градуировки гидроакустического излучател - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к области гидроакустических измерений и может быть ис- пользованодл  градуировки низкочастотных гидроакустических излучателей в непрерывном режиме работы. Делью изобретени   вл етс  уменьшение глубины погружени  излучателей и расширение диапазона градуировки в область низких частот. Излучатель и гидрофон перемещают относительно поверхности воды, глубина их погружени  должна измен тьс  не меньше чем на половину длины волны на частоте градуировки, измер ют не менее двух экстремальных значений Ui, U2,...,Un на зажимах гидрофона, соответствующих интерференционным максимумам и минимумам пр мого и отраженного от поверхности воды акустических сигналов на гидрофоне, при этом ось, соедин юща  акустические центры, излучател  и гидрофона, ориентированна вертикально. Чувствительность излучател  Т определ т по формуле Т 1 . 1 i+Uj-H 1 , --2---2.3.5, 7..., где Ечувствительность образцового гидрофона; Ui - экстремальное значение электрического напр жени  на зажимах гидрофона; I - пор дковый номер экстремального значени ; п - число измеренных значений электрического напр жени  на зажимах гидрофона. 2 ил. (Л С

Description

Изобретение относитс  к области гидроакустических измерений и может быть ис- пользованодл  градуировки низкочастотных гидроакустических излучателей в непрерывном режиме работы.

Известен способ градуировки гидроакустических излучателей в непрерывном режиме работы с использованием образцового гидрофона, заключающийс  в том, что излучатель и гидрофон помещают в водном полупространстве, например, в естественном водоеме, в фиксированном друг относительно друга положении, глубина погружени  излучател  и гидрофона и ориентаци  оси, соедин ющей акустические центры излучател  и гидрофона, относительно поверхности воды выбираютс  из услови  отсутстви  интерференции пр мого и претерпевшего отражени  от поверхности воды акустических сигналов на гидрофоне, измер етс  электрическое напр жение на зажимах гидрофона на частоте градуировки, а давление, развиваемое излучателем, вычисл етс  как отношение напр жени  к чувствительности гидрофона.

Этот способ по своей технической сущности  вл етс  наиболее близким к за вл емому , выбран в качестве прототипа.

ч ю VJ

«

о о

Недостатком данного способа  вл етс  ограничение диапазона градуировки в низкочастотной области частотами пор дка 1 кГц. Это св зано с тем, что с понижением частоты перестают удовлетвор тьс  услови  свободного пространства, причем, в первую очередь из-за вли ни  поверхности воды, т.к. коэффициент ограничени  акустических сигналов от границы раздела вода- воздух практически равен единице, а возможность удалени  излучател  и гидрофона от поверхности воды (погружени  на большие глубины) весьма ограничены, т.к. излучатели имеют ограничени  по техническим характеристикам на максимальную глубину погружени , технологически сложно обеспечить спуск и стабилизацию положени  излучател  и гидрофона на глубину пор дка сотен метров и более и т.п. Кроме того, при значительных удалени х излучател  и гидрофона от поверхности воды одновременно с уменьшением акустического сигнала от поверхности происходит увеличение сигнала от второй естественной границы водоема - дна. Уменьшить акустический сигнал от поверхности можно также использу  направленность излучате- л  ориентиру  ось, соедин ющую акустические центры излучател  и гидрофона, относительно поверхности воды, так, чтобы направление излучени  акустического сигнала , отраженного от поверхности вида и прин того гидрофоном соответствовало минимуму на диаграмме направленности излучател .

Целью изобретени   вл етс  расширение функциональных возможностей и диапазона градуировки в область низких частот.

Указанна  цель достигаетс  тем, что в известном способе градуировки гидроакустических излучателей в непрерывном режиме работы с использованием образцового гидрофона излучатель и гидрофон перемещаютс  по глубине на рассто ние не менее половины длины волны на частоте градуировки, измер етс  не менее двух экстремальных значений электрического напр жени  Ui, U2, ...Un на зажимах гидрофона, соответствующих интерференционным максимумам и минимумам пр мого и отраженного от поверхности воды акустических сигналов на гидрофоне, при этом ось, соедин юща  акустические центры излучател  и гидрофона, должна быть ориентирована вертикально, минимальна  глубина погружени  излучател  и гидрофона ограничиваетс  четвертью длины волны на частоте градуировки, а электрическое напр жение U определ етс  как

1 T1Ui+Ui + i о „ , 7 U - , i, --2--п 3 3- 5 7- Как показывает анализ интерференционных  влений при сложении двух гармонических акустических сигналов одинаковой частоты пространственное распределение амплитуды результирующего акустического сигнала будет определ тьс  соотношени ми между фазами и амплитудами этих двух сигналов в той или иной точке пространства. При этом результирующее пространственное распределение амплитуд образует независ щуюот времени

интерференционную картину, котора  соответствует изменению разности фаз составл ющих акустических сигналов при переходе от точки к точке. Если излучатель и гидрофон перемещаютс  в водном полупространстве в фиксированном друг относительно друга положении, то результирующее пространственное распределение амплитуд, регистрируемое по электрическому напр жению, измер емому на

зажимах гидрофона, будет определ тьс  соотношени ми между фазами и амплитудами пр мого и отраженного от поверхности воды акустического сигнала, причем фаза и амплитуда пр мого акустического сигнала

будут оставатьс  неизменными (в силу фиксированного положени  излучател .и гидрофона друг относительно друга), а амплитуда и фаза сигнала, отраженного от поверхности воды, будут измен тьс : амплитуда сигнала , отраженного от поверхности воды, будет измен тьс  обратно пропорционально , а фаза - пр мо пропорционально изменению длины луча излучатель - поверхность воды - гидрофон.

Кроме того, амплитуда и фаза акустического сигнала, отраженного от поверхности воды, будет зависеть от ориентации оси, соедин ющей акустические центры излучател  и гидрофона, относительно поверхности воды, кроме частного случа  излучател  с круговой диаграммой направленности. Если ось, соедин юща  акустические центры излучател  и гидрофона ориентирована вертикально , что угловое направление луча излучатель .- поверхность воды - гидрофон относительно излучател  будет оставатьс  неизменным и амплитуда, и фаза акустического сигнала, отраженного от поверхности, не будет зависеть от диаграммы направленности излучател  при изменении глубины погружени  излучател  и гидрофона, а экстремальные значени : максимумы и минимумы интерференционной картины, регистрируемые по электрическому напр жению , измер емому на зажимах гидрофона . будут наблюдатьс  при разности хода лучей пр мого и отраженного от поверхности воды акустических сигналов, кратной половине длины полны на частоте градуировки , т.е. максимумы и минимумы интерференционной картины будут чередоватьс  при изменении глубины погружени  излучател  и гидрофона на величину, кратную четверти длины волны на частоте градуировки. Минимальна  глубина погружени  излучател , если излучатель расположен над гидрофоном , или гидрофона, если он расположен над излучателем, при которой по вл етс  первое экстремальное значение на интерференционной картине равно четверти длины волны на частоте градуировки. Поэтому минимальна  глубина погружени  излучател  и гидрофона при их перемещении ограничиваетс  четвертью длины волны на частоте градуировки.

Если перемещение начинаетс  из положени , при котором на гидрофоне регистрируетс  экстремальное значение амплитуды результирующего акустического сигнала, то дл  регистрации следующего экстремального значени  необходимо изменить глубину погружени  излучател  и гидрофона на четверть длины волны на частоте градуировки , разность хода лучей пр мого и отраженного от поверхности воды акустических сигналов изменитс  при этом на половину длины волны на частоте градуировки, однако , в общем случае, когда перемещение начинаетс  из положени , при котором на гидрофоне может регистрироватьс  некоторое промежуточное значение амплитуды результирующего сигнала, необходимо изменить глубину погружени  излучател  и гидрофона на величину не менее половины длины волны на частоте градуировки дл  регистрации не менее двух экстремальных значений амплитуды результирующего сигнала .

Так как последовательность экстремальных значений амплитуды результирующего сигнала при изменении глубины погружени  излучател  и гидрофона на величину не менее половины длины волны на частоте градуировки регистрируетс  в виде последовательности экстремальных значений электрического напр жени  Ui, Ш, ..., Un, измер емого на зажимах гидрофона, то пара соседних значений напр жений Ui, UH-I будет соответствовать максимуму м минимуму или минимуму и максимуму амплитуды результирующего сигнала: в случае максимума -синфазному сложению пр мого акустического сигнала и сигнала, претерпевшего отражение от поверхности воды, в случае минимума - противофазному сложению сигнала, претерпевшего отражение от поверхности воды с пр мым сигналом. Поэтому , если вычислить полусумму пары соседних значений Ui, Ui+1 или Ui, Ui-i. то составл ющие результирующей амплитуды

акустического сигнала на гидрофоне, обусловленные отражением от поверхности воды , будут компенсироватьс , однако компенсаци  будет неполной и результат вычислени  будет отличатьс  от напр жени , которое было бы на зажимах гидрофона при отсутствии акустического сигнала, отраженного от поверхности воды будут компенсироватьс , однако компенсаци  будет неполной и результат вычислени  будет отличатьс  от напр жени , которое было бы на зажимах гидрофона при отсутствии акустического сигнала, отраженного от поверхности воды на величину ±AUi. 1+1 или ±AUi,M, котора  имеет смысл методическо .й составл ющей систематической погрешности

f Cf 1 - Л

пропорциональна

-. t С С i Т « А .

0.5(n 1-ri-M 1H.,5A) 1, где п. rui - длина луча излучатель - поверхность воды - гидрофон при напр жени х Ui, UH-I соответ5 ственно;

А - длина волны на частоте градуировки .

Пары соседних значений AUi,i-i и AUi, j+1 имеют противоположный знак, поэ0 тому если глубина погружени  излучател  и гидрофона измен етс  на величину более половины длины волны на частоте градуировки и измер етс  более двух экстремальных значений электрических напр жений

5 Ui. то величина

1 А- Ui + U 4-1 ,| .1 ---2----«-2-3.5,7,...

оказываетс  близкой к величине электриче0 ского напр жени , которое было бы на зажимах гидрофона при отсутствии отраженного от поверхности воды акустического сигнала.

Таким образом, изменение глубины по5 гружени  излучател  и гидрофона и измерение экстремальных значений электрического напр жени  на зажимах гидрофона, соответствующих экстремальным значе.ни м амплитуды результирующе0 го акустического сигнала на гидрофоне, позвол ет уменьшить вли ние отраженного от поверхности воды акустического сигнала на результат изменений в целом, и проводить градуировку излучателей вблизи по5 верхности воды.

Известное техническое решение имеет признаки, в некоторо.й степени сходные с отличительными признаками за вл емого изобретени , в частности в примере реализации способа, вз того в качестве прототипа , использованы признаки помещени  излучател  и гидрофона в водное полупространство в фиксированном друг относительно друга и поверхности воды положении и измерение электрического напр жени  на зажимах гидрофона. Эти признаки позвол ют определить акустическое давление, развиваемое излучателем в водной среде как отношение электрического напр жени  на зажимах гидрофона U к его чувствительности при отсутствии акустического сигнала, отраженного от поверхности воды.

На фиг. 1 схематично представлен один из вариантов установки дл  градуировки излучателей; на фиг. 2 - зависимость электрического напр жени  на зажимах гидрофона, соответствующего амплитуде результирующего акустического сигнала на гидрофоне в зависимости от глубины погружени  излучател  и гидрофона.

Установка содержит образцовый гидрофон 1, градуируемый излучатель 2, источник электрических гармонических колебаний 3, измеритель электрического напр жени  4, подъемно-спусковой механизм 5 и раму 6. Рама 6 механически соединена с тросом подъемно-спускового механизма 5. На раме креп тс  гидрофон 1 и излучатель 2 так, что вертикальна  ориентаци  рамы и оси, соедин ющей акустические центры излучател  и гидрофона, осуществл етс  под их собственным весом. Если этого недостаточно, то используетс  дополнительный груз Р. Источник электрических гармонических колебаний 3 подключен с помощью электрического кабел  к зажимам излучател  2, зажимы гидрофона t подключены с помощью электрического кабел  к измерителю электрического напр жени  4, Под воздействием источника 3 излучатель 2 излучает акустический гармонический сигнал, который распростран етс  в водной среде, воспринимаетс  гидрофоном 1 и регистрируетс  в виде электрического напр жени  на измерителе 4. При этом акустический сигнал на гидрофоне 1 представл ет собой сумму пр мого акустического сигнала и сигнала, претерпевшего отражение от поверхности воды.

Способ осуществл етс  следующим образом .

С помощью подъемно-спускового механизма 5 измен етс  глубина погружени  рамы 6, а следовательно, и глубина погружени  гидрофона 1 и излучател  2. При этом амплитуда и фаза пр мого акустического сигнала на гидрофоне остаютс  неизменными , амплитуда акустического сигнала

на гидрофоне, отраженного от поверхности воды измен етс  обратно пропорционально , а фаза - пр мо пропорционально рассто нию излучатель - поверхность воды - гидрофон. Амплитуда результирующего акустического сигнала на гидрофоне регистрируетс  по электрическому напр жению, измер емому на его зажимах измерителем 4. Одновременно с изменением глубины погружени  излучател  и гидрофона измерителем 4 регистрируетс  электрическое напр жение на зажимах гидрофона (фиг. 2) и измер ютс  его экстремальные значени , которые осциллируют относительно величины электрического напр жени , которое было бы на зажимах гидрофона при отсутствии акустического сигнала от поверхности. Значени  пол.усумм соседних пар экстремальных значений 0,5- (Ui+Uj+i) также осциллируют относительно величины, однако размах осцилл ции значительно меньше (фиг. 2), а величина напр жени 

Гу

Ui +Ui+i

,,3,5,7,...

близка к величине U.

Таким образом, за вл емый способ обеспечивает уменьшение глубины погружени  излучател  и гидрофона и расширение диапазона градуировки в область низких частот.

Техническим преимуществом за вл е- мого способа по отношению к известному  вл етс  то, что он позвол ет реализовать

практически процедуру градуировки низкочастотных излучателей в относительно мелких естественных водоемах и тем самым уменьшить материальные затраты, св занные с организацией работ в глубоководных

районах мирового Океана.

Claims (1)

1. Формула изобретени  Способ градуировки гидроакустического излучател , при котором погружают в жидкость гидрофон и излучатель на измеренных рассто ни х друг от друга и от поверхности воды, измер ют величину электрического напр жени , снимаемого с зажимов гидрофона, на частоте градуировки, а давление, развиваемое излучателем, рассчитывают как отношение измеренного

   электрического напр жени  к заранее определенной чувствительности гидрофона, отличающийс  тем, что, с целью расширени  функциональных возможностей и диапазона градуировки в область низких частот,излучатель и гидрофон погружают на глубину, равную не менее чем половине длины звуковой волны, измер ют не менее двух экстремальных значений электрического напр жени  Ui....Un, соответствующих интерференционным максимумам и минимумам пр мого и отраженного от поверхности воды акустических сигналов на гидрофоне, при этом ось, соедин ющую акустические центры излучател  и гидрофона,

   ориентируют вертикально, дополнительно рассчитывают чувствительность излучател  Т по формуле

   1 Д- 1Ui + Ui + 1

   T-l 1 Е

   1

   n-1,i2 .3.5.7,..., где Е - чувствительность гидрофона;

   Ui - экстремальное значение электрического напр жени  на зажимах гидрофона;

   1 - пор дковый номер экстремального значени ;

   п - число измеренных значений электрического напр жени  на зажимах гидрофона .

   Фиг.1

   ГЛУВИНА