Способ измерения шумоизлучения корабля

 

Изобретение относится к области гидроакустических измерений, а конкретнее, к способам измерения и контроля шумности подводных лодок. Сущность: способ заключается в том, что при движении подводной лодки с заданной скоростью V на глубине Н принимают сигналы гидроакустической антенной, буксируемой подводной лодкой. По энергетическому спектру сигналов судят о контролируемом параметре. Сигналы принимают всенаправленными приемниками антенны в N точках, расположенных на прямой по трассе движения подводной лодки заданной длины L ₀ на заданном расстоянии D первой точки от центра подводной лодки. Шумоизлучение определяют по среднему значению измеренных спектров. Длину L₀, расстояние D первой точки измерения и количество N точек измерения выбирают из соотношений:

где С - скорость звука в среде, H _min - минимальная глубина подводной лодки при измерении, D₀ - расстояние от центра подводной лодки до первой точки измерения, f_Н - нижняя частота рабочего диапазона измерения, f_В - верхняя частота рабочего диапазона измерения. Технический результат: повышение достоверности при измерении в низкочастотной области спектра. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Настоящее изобретение относится к области гидроакустических измерений, а конкретнее, к способам измерения и контроля шумности подводных лодок (ПЛ).

Известен ряд способов-аналогов измерения шумности ПЛ (см., например, Р.Д.Урик. Основы гидроакустики. Л.: Судостроение, 1978, с.344-347). Эти способы содержат проход корабля, шумность которого измеряется вблизи измерительного приемника, опускаемого со вспомогательного корабля, либо установленного на дне. Сигнал с приемника поступает на электронный приемный тракт и обрабатывается. Однако эти способы-аналоги предназначены для измерения шумности ПЛ в полигонных условиях. Они не пригодны для измерения шумности ПЛ с помощью гидроакустических средств самой измеряемой ПЛ в процессе ее эксплуатации в автономном плавании.

Известны гидроакустические системы с гибкими буксируемыми гидроакустическими антеннами (см., например, А.А.Гурвич, H.M.Гусев, Г.В.Яковлев. Гидроакустические системы с гибкими протяженными буксируемыми антеннами. Судостроение за рубежом. №10 (214), 1984, с.34-63). Однако эти системы не обеспечивают измерений шумности своей ПЛ ввиду недостоверности получаемых результатов из-за очень существенных интерференционных искажений.

Известен способ-аналог приема акустических сигналов, в котором для повышения отношения сигнала к помехе путем снижения псевдозвукового давления помехи, образующегося за счет турбулентных пульсаций, выбирают размеры приемника

L (или протяженную группу приемников при аддитивном сложении сигналов с них) большими

где U_c - скорость переноса вихрей в пограничном слое,

ω - круговая частота измерений, но меньшими, чем половина длины звуковой волны λ_В/2 в среде, где λ_В - длина волны звука на верхней частоте.

Этот способ предложен Скучиком (E.J.Skudrzyk and G.P.Haddle. Noise produktion in a turbulent boundary layer by smooth and rough surfaces. JASA, 1960, vol.32, №1). Он проверен в экспериментах, проведенных Корксом (G.M.Corcos. The discrimination by a sonar receivor between sound and local turbulent. Inst. Recerch Rep, 1960, ser 158, №1, July).

Дальнейшее развитие он нашел в работах Петровского (В.С.Петровский. Гидродинамические проблемы турбулентного шума. Л.: Судостроение, 1966, стр.209-227). Способ широко используется в буксируемых гидроакустических системах (см., например, А.А.Гурвич. Н.М.Гусев, Г.В.Яковлев. Гидроакустические системы с гибкими буксируемыми антеннами. Судостроение за рубежом. №10 (214), 1984, с.37). Физически указанный способ основан на том, что на приемнике с размером большим, чем радиус пространственной корреляции турбулентной пульсации, складывается как положительная, так и отрицательная составляющие давления, которые при этом усредняются. Так как в пограничном слое скорость переноса вихрей U _c≈U, т.е. примерно равен скорости перемещения, то величина

- число Маха, мало, т.к. скорость много меньше скорости звука в воде. При этом (см., например, вышеупомянутую книгу В.С.Петровского) длина волны турбулентной псевдозвуковой волны λ_турб много меньше длины звуковой волны в среде, т.к.

что позволяет выбирать приемники или группы из них с размером, т.е. малыми в акустическом отношении размерами приемников, и следовательно, не потерять в чувствительности к акустическому полю и при условии обеспечить сканирование характеристики направленности.

Недостатком этого способа-аналога является невозможность с помощью его подавить интерференционные явления в когерентных сигналах, приходящих в ближней зоне акустической освещенности (БЗАО) по водно-водному и водно-поверхностному лучам и, следовательно, будет наблюдаться столь большая погрешность измерений, что они становятся недостоверными.

Способом-прототипом, наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к заявляемому изобретению, является способ, реализованный в устройстве для измерения шумоизлучения корабля по заявке на изобретение 3038348/18-28, авторское свидетельство 1840366, М.кл ³ G01Н 3/00, 2007 г. Этот способ содержит движение корабля при скорости V и на глубине Н при регламентном составе работающих механизмов, прием шумоизлучения своего корабля с помощью гибкой буксируемой за ПЛ гидроакустической антенной, на которой сформировано две характеристики направленности: одна нацеленная на акустический центр ПЛ, другая - повернутая относительно первой характеристики направленности на 180°, причем сигналы, принятые по каналам первой и второй характеристик направленности, вычитаются (см. фиг.1). Кроме того, излучают тест-сигнал, с которым сопоставляют шумоизлучение корабля.

Способ-прототип реализуется с помощью устройства для измерения шумоизлучения корабля, содержащего блок шумоизлучения и приемник акустических сигналов, выполненный в виде последовательно связанных гибкой буксируемой гидроакустической антенной, анализатор спектра, переключатель, блок перемножения, регистратор и включенных между переключением и блоком перемножения первого долговременного запоминающего устройства (ДЗУ) и блока деления, к которому также подключено второе ДЗУ. Устройство снабжено включенным между анализатором спектра и переключателем блоком смещения оценки, выполненным в виде последовательно связанных спектроанализатора, вычитателя и осреднителя, включенным между первым ДЗУ, переключателем и блоком деления последовательно связанными третье ДЗУ и блоком вычитания и включенными между блоком перемножения и регистратором параллельно связанными сумматором и анализатором погрешности, выполненным в виде последовательно связанных вычитателя, квадратора и накапливающего сумматора.

Недостатком способа-прототипа является невозможность обеспечить достоверные измерения в низкочастотной области спектра из-за интерференционных искажений, обусловленных отражениями шумоизлучения ПЛ от поверхности моря. Действительно, при направленном приеме суммарный энергетический спектр имеет вид (см. фиг.2):

где D₁, D ₂ - расстояние от акустического центра шумоизлучения ПЛ до приемника для прямого (водно-водного) и отраженного (водно-поверхностного) лучей соответственно;

G₀(ω) - приведенный к единичному расстоянию энергетический спектр шумоизлучения ПЛ в безграничной среде;

γ_ГБА(jω) - частотная характеристика чувствительности гибкой буксируемой антенны (ГБА);

К_отр(ω) - коэффициент отражения от поверхности моря;

R(ω,Θ) - радиус-вектор характеристики направленности в направлении водно-поверхностного луча;

Т₂ - время запаздывания отраженного луча по отношению к прямому лучу;

ω - круговая частота.

На низких частотах не представляется возможным создать такую направленность, чтобы отстроиться от отраженного сигнала. Кроме того, на низких частотах коэффициент отражения от поверхности моря можно считать равным единице с поворотом фазы на II. С учетом этого формула (1) примет вид, характерный для рассматриваемой ситуации:

При отсутствии отражений, т.е. при наличии только прямого сигнала, энергетический спектр не содержал бы интерференционного члена, т.е.

Очевидно, что относительная погрешность измерений энергетического спектра будет иметь вид

или, подставляя выражения (3) и (4)

Так как Cos_ωT₂ изменяется от нуля до ±1, погрешность достигает 100%, т.е. будет столь велика, что измерения становятся недостоверными. Расчетно учесть интерференционный член с Cos_ωT₂ не удается, так как для этого требуется прецизионное определение значения T ₂, что при наличии волнения поверхности моря и флюктуаций из-за этого измерить Т₂ практически не представляется возможным.

Другим недостатком способа-прототипа является необходимость при измерении своей шумности отвлекать тракты гибкой буксируемой антенны (ГБА) от обзора пространства, что в автономном плавании является крайне нежелательным, а в определенных ситуациях и недопустимым.

Третьим недостатком способа-прототипа является необходимость излучения тест-сигнала повышенной мощности, который хотя и повышает достоверность измерений, но является демаскирующим фактором недопустимым в автономном плавании.

Целью настоящего изобретения является обеспечение измерения шумоизлучения ПЛ в процессе в эксплуатации в низкочастотной области спектра.

Поставленная цель достигается путем введения в способ, содержащий движение ПЛ на заданной скорости V, заданной глубине Н, и прием шумоизлучения с помощью буксируемой за ПЛ гибкой гидроакустической антенной, дополнительных операций энергетического осреднения сигналов, принимаемых всенаправленно в N точках, лежащих на прямой, расположенной в горизонтальной плоскости по трассе движения ПЛ, и имеющей длину

где С - скорость звука в среде;

f _н - нижняя частота измерений;

H_min - минимальное заглубление ПЛ, при которой измеряется шумность;

D - расстояние от акустического центра шумоизлучения ПЛ до начала прямой L₀ при движении на минимальном заглублении.

Далее с помощью лебедки и кабель-троса, исходя из глубины погружения Н, располагают начало прямой L ₀ на расстояние

и производят энергетическое осреднение шумоизлучения в N точках

где f_в - верхняя частота рабочего диапазона измерений (см. фиг.3).

Ниже приводится анализ, подтверждающий сущность изобретения. Произведем осреднение энергетического спектра вдоль прямой L₀ , т.е. найдем

или, что то же самое, выполним осреднение за время запаздывания

где ΔТ=0 при L=0, т.е. ΔT характеризует изменение Т₂ на горизонтальном участке длиной L₀. Изменениями D и D ₁ можно пренебречь. Поэтому

Вычислим интерференционный член

После интегрирования найдем, что

Произведя тригонометрические преобразования для интерференционного члена, получим следующее выражение:

Задаваясь значением найдем, это наблюдается при всех x≥2π. Таким образом, заведомо ужесточенное условие подавления интерференционного члена может быть записано в виде

или, учитывая, что ω=2πf, это условие может быть записано в виде

на всех частотах f∈[f_H, f_B] и, следовательно, должны соблюдаться в первую очередь на нижней частоте измерений. Следовательно, окончательно, условие подавления интерференционного члена следует записать в виде

Очевидно, что

а

где С - скорость звука в среде.

Находя ΔТ из выражений (19) и (20) и подставляя в неравенство (18), найдем после алгебраических преобразований условие на длину прямой L₀, вдоль которой ведется осреднение энергетического спектра

Неравенство (21) является основным неравенством, используемым в настоящей заявке на изобретение. Укажем на два частных случая. Во-первых, при Н<D

Во-вторых, при H>D и L₀ <D

Поскольку наибольшая длина L₀ необходима на малых глубинах погружения, то за минимальную глубину погружения Н выберем Н_min (например, H _min=50 м), при которой еще может выполняться движение ПЛ в автономном плавании. Тогда необходим выбор длины прямой по формуле (7), что и требовалось доказать.

При фиксированной длине L₀ при изменении Н с целью обеспечения неизменности выбранных условий измерений необходимо выбирать расстояние D₀ от акустического центра ПЛ до начала прямой L₀ Целесообразно f _н выбрать равной нижней рабочей частоте диапазона, которая составляет обычно несколько десятков Герц. В этом случае и мы приходим к условию (8), что и требовалось доказать.

Расстояние от акустического центра до этой прямой устанавливают равным D₀, стравливая для этого кабель-трос с лебедки в зависимости от глубины Н, причем прием сигнала осуществляют в N точках эквидистантно расположенных на прямой L ₀ и выполняют его энергетическое осреднение по формуле

и находят приведенное к единичному расстоянию шумоизлучение ПЛ по формуле

Для полноты решения поставленной цели необходимо конкретизировать число N точек, в которых осуществляют прием сигнала, а также уточнить, что следует понимать под низкочастотной областью спектра.

В соответствии с теоремой Котельникова исходное колебание Cos_ωТ₂ может быть полностью восстановлено по результату его дискретизации с интервалом не менее двух отсчетов на период, на верхней частоте (см., например, Н.К.Игнатьев "Дискретизация и ее приложение", изд. "Связь", М., 1960, стр.83).

Очевидно, что длине прямой L₀ соответствует запаздывание между лучами от Т₂ до Т ₂+ΔT₀, где из выражений (15) и (16) вытекает

При этом, если при L=0 наблюдается Cos _ωТ₂, то при L=L ₀ наблюдается Cos_ωB(T₂+ΔT₀). Очевидно, число отсчетов N должно быть вдвое больше числа периодов функции Cos_ωТ₂ на длине L ₀, т.е. на верхней частоте рабочего диапазона

и, следовательно,

т.е. отсчеты энергетического спектра необходимо брать через каждые

Подставляя значение ΔТ₀ из выражения (26), окончательно найдем условие (9), что и требовалось доказать.

Очевидно, что за верхнюю частоту f_B предлагаемого способа целесообразно выбрать такую частоту, при которой аддитивная антенна длиной L₀, компенсированная вдоль оси, не будет обеспечивать пространственную отстройку от интерференции. При наличии направленного приема

Для линейной антенны (см., например, М.Д.Смарышев, Ю.Ю.Добровольский "Гидроакустические антенны. Справочник по расчету направленных свойств гидроакустических антенн", изд. "Судостроение", Л., 1984, стр.135) характеристика направленности описывается функцией

где

При компенсации вдоль прямой Θ₀=0 и, следовательно

Очевидно также, что в нашем случае направление на отраженный луч, который стремится пространственно подавить

Так как

то

и, следовательно,

Как и ранее, зададимся что реализуется при заведомо ужесточенном условии

Тогда, окончательно

Формула (39) не является ограничением верхней рабочей частоты для данного способа. Способ реализуется и на более высоких частотах. На частотах f∈[f_H, f_B] способ-прототип не может обеспечить достоверность измерений. Когда нельзя обеспечить пространственное выделение одного водно-водного луча по способу-прототипу, энергетическое осреднение на N приемниках вдоль прямой L ₀ остается единственно возможным, тем более, что в низкочастотной области невозможно использовать частотное осреднение по широкой полосе частот, поскольку для анализа дискретных составляющих f_g требуется разрешение

Существенно новой операцией в предлагаемом способе является воздействие на материальный объект-сигнал принимаемое антенной ПЛ шумоизлучение своей ПЛ, которое измеряется. Если в способе-прототипе шло аддитивное сложение сигналов, снимаемых с приемников с теми или иными временными задержками, т.е. путем формирования направленности, и дальнейшей обработке подвергался просуммированный сигнал, то в предлагаемом способе на специально выбранной длине L₀ в N точках размещают всенаправленные приемники; сигнал с каждого приемника преобразуется в энергетический спектр (квадрируется, осредняется и т.д.); далее энергетические спектры осредняют по ансамблю из N реализации. Новыми в предлагаемом способе являются и выбор длины горизонтальной прямой L₀, расстояния D ₀ до начала прямой, а также количество точек N на прямой L₀, в которых необходимо вести прием со спектральной обработкой.

Операции, использованные в способе для борьбы за достоверность измерений путем подавления интерференционных искажений позволяют отказаться от излучения демаскирующего сигнала, а также от формирования двух характеристик направленности с вычитанием сигналов по их каналам, ввиду улучшения отношения сигнала к помехе за счет накопления. Авторам неизвестны технические решения содержащие признаки, отличающие предложенный способ от прототипа, что позволяет считать его отвечающим критерию существенных отличий.

На фиг.1 приведено пояснение к забортному тракту в способе-прототипе. Здесь: 1 - ПЛ; 2 - лебедка, на которую наматывается кабель-трос и гибкая буксируемая антенна (ГБА); 3 - кабель-трос; 4 - ГБА (описание блок-схемы устройства-прототипа приведено ранее).

На фиг.2 приведено пояснение к выполненным расчетам. Здесь: 5 - водно-поверхностный луч (звуковые волны, отраженные от поверхности моря); 6 - водно-водный луч.

На фиг.3 приведено пояснение к выбору длины прямой L. Здесь: 7 - прямая длины L ₀, вдоль которой размещается гирлянда из N приемников (или ГБА, содержащая N всенаправленных приемников).

На фиг.4 приведена блок-схема устройства для реализации предлагаемого способа. Здесь: 8 - всенаправленные приемники, электрически соединенные с многожильным кабель-тросом 3; 9 - концевой направитель; 10 - усилитель (в устройстве имеется N таких усилителей); 11 - спектроанализатор (в устройстве используется N спектроанализаторов); 12 - накапливающий сумматор, 13 - индикатор, 14 - блок управления.

На фиг.5 приведена блок-схема блока управления 14. Здесь: 15 - генератор тактовых сигналов, 16 - первая линия задержки (ЛЗ-1); 17 - вторая линия задержки (ЛЗ-2).

Для реализации способа использовалось устройство, приведенное на фиг.4. Устройство содержит параллельно-последовательно соединенные N приемников 8, N усилителей 10, N спектроанализаторов 11, накапливающий сумматор 12, индикатор 13, а также блок управления 14, соединенный со спектроанализаторами 11, накапливающим сумматором 12 и индикатором 13. Блок управления содержит последовательно соединенные генератор тактовых сигналов 15 и первую 16 и вторую 17 линии задержек, соединенные с блоками 11, 12 и 13.

Работа устройства осуществлялась следующим образом. Для проведения измерений гирлянда приемников 8 стравливалась с лебедки 2 и буксировалась с помощью кабель - троса 3 на длину D₀. Сигналы с N приемников усиливались с помощью усилителей 10, проходили спектральную обработку с помощью спектроанализаторов 11, осреднялись в накапливающем сумматоре 12. Результаты измерений отображались на индикаторе 13.

Техническое построение блоков, входящих в устройство, известно из практики создания гидроакустических средств и из технической литературы. Выполнение кабель-троса 3, приемников 8, концевого направителя 9 известно из практики создания гибких буксируемых гидроакустических антенн. Спектроанализаторы 11, накапливающие сумматоры 12 и индикаторы 13 также известны, например, из книги А.К.Новикова "Корреляционные измерения в корабельной акустике", изд. "Судостроение", Л., 1971 г. стр.62-87 и др., из книги П.П.Орнатского "Автоматические измерения и приборы", изд. "Вища школа", Киев, 1980 г. и другие.

Следует отметить, что гирлянда приемников 8 не является антенной: сигналы с приемников суммируются энергетически, а не аддитивно или мультипликативно, т.е. эта гирлянда не обладает основным свойством антенны - способностью обеспечивать пространственно избирательный прием звука в водной среде.

С использованием ГБА способа-прототипа погрешность достигла величины ±94%. При использовании предлагаемого способа - интерференционная погрешность измерений не превышала 13%. Таким образом, предложенный способ обеспечил достоверность измерений и выполнение их со сравнительно небольшой погрешностью.

Технические преимущества предлагаемого способа заключаются в обеспечении измерений на низких частотах, в повышении точности измерений за счет подавления ошибок, обусловленных интерференцией водно-водного и водно-поверхностного лучей.

Формула изобретения

1. Способ измерения шумоизлучения подводной лодки, заключающийся в том, что при движении подводной лодки с заданной скоростью V на глубине Н принимают сигналы гидроакустической антенной, буксируемой подводной лодкой, по энергетическому спектру которых судят о контролируемом параметре, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности при измерении в низкочастотной области спектра, принимают сигналы всенаправленными приемниками антенны в N точках, расположенных на прямой по трассе движения подводной лодки заданной длины L₀ на заданном расстоянии D первой точки от центра подводной лодки, шумоизлучение определяют по среднему значению измеренных спектров, а длину L ₀, расстояние D первой точки измерения и количество N точек измерения выбирают из соотношения:

где С - скорость звука в среде;

Н _min - минимальная глубина подводной лодки при измерении;

D₀ - расстояние от центра подводной лодки до первой точки измерения;

f_H - нижняя частота рабочего диапазона измерения;

f _B - верхняя частота рабочего диапазона измерения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют один всенаправленный приемник, перемещают его равномерно от точки, расположенной на заданном расстоянии D, на расстояние L₀ , а осреднение энергетического спектра производят через интервалы времени Δt₀ выбираемые из соотношения

где Δt_PMB - интервалы реального масштаба времени;

V - скорость перемещения приемника.

РИСУНКИ