Устройство для излучения гидроакустических сигналов

 

Использование: для создания подводных излучателей с заданным спектром, применяемых, в частности, для градуировки и поверки гидроакустических измерительных систем в натурных условиях и создания гидроакустических сигналов для имитации искусственных и естественных морских источников звука. Сущность изобретения заключается в том, что с помощью гидроакустического преобразователя, подключенного через усилитель мощности к генератору электрических колебаний, и системы автоподстройки уровня звукового давления, содержащей гидрофон-свидетель, блок усиления и детектор, поддерживается требуемый уровень излучения. В генератор введен набор частотных фильтров, группа усилителей с регулируемым коэффициентом усиления и сумматор. Сам генератор выполнен многоканальным. В систему автоподстройки уровня звукового давления также введен набор частотных фильтров и усилителей, причем управляющие входы усилителей подключены к выходам специального блока управления спектром излучаемых акустических колебаний. Детекторы выполнены в виде корреляторов с линиями задержки, настроенными на время распространения звуковых колебаний от преобразователя до гидрофона-свидетеля. 5 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано для создания подводных излучателей с заданным спектром гидроакустических сигналов, применяемых, в частности, для градуировки и поверки гидроакустических измерительных систем в натурных условиях и для имитации искусственных и естественных морских источников звука.

Известно устройство для излучения гидроакустических сигналов, содержащее гидроакустический преобразователь, подключенный к генератору электрических колебаний.

Недостатком известного устройства является узкий частотный диапазон излучаемых гидроакустических сигналов, ограниченный, как правило, частотой резонанса колебательной системы преобразователя.

Известен комбинированный излучатель гидроакустических сигналов, включающий в себя несколько колебательных систем на различных резонансных частотах.

Недостатком комбинированного излучателя является сложность выполнения первичного преобразователя и неравномерность его амплитудно-частотной характеристики (АЧХ).

Наиболее близким по технической сущности и количеству общих признаков является устройство аналогично назначения, содержащее генератор электрических колебаний, широкополосный преобразователь, блок питания, усилитель мощности, подключенный к блоку питания и входу широкополосного преобразователя, систему автоподстройки уровня звукового давления излучаемых колебаний, включающую гидрофон-свидетель, расположенный на заданном расстоянии от широкополосного преобразователя, усилитель, вход которого соединен с выходом гидрофона-свидетеля, и детектор.

Описанное устройство принято за прототип.

Недостатком прототипа является невозможность синтезирования с его помощью заданной АЧХ излучателя, а значит, и получения известным устройством заданного спектра гидроакустических сигналов, необходимых, например, для имитации шумов судов или морских животных.

Данный недостаток ограничивает применение прототипа и в области метрологии гидроакустических измерений, в которой требуется получение нормированной равномерности АЧХ излучателя гидроакустических сигналов для градуировки и поверки гидроакустических измерительных систем в натуральных условиях, поскольку на равномерность АЧХ известного излучателя влияет неравномерность АЧХ гидрофона-свидетеля, достигающая у измерительных гидрофонов 2 дБ.

Другим недостатком прототипа является его слабая помехоустойчивость, поскольку на гидрофон-свидетель оказывают влияние помимо полезного сигнала все гидроакустические помехи, помимо полезного сигнала все гидроакустические помехи, присутствующие в море, т. е. система автоподстройки уровня звукового давления будет реагировать на них как на полезный сигнал от широкополосного преобразователя-излучателя.

Указанные недостатки ограничивают область применения известного устройства.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков, то есть расширение области применения устройства за счет получения возможности синтезирования спектра гидроакустических сигналов, и повышение помехоустойчивости.

Цель достигается тем, что в известном устройстве для излучения гидроакустических сигналов генератор электрических колебаний выполнен в виде N канального задающего генератора, первого набора N частотных фильтров, первой группы N усилителей с регулируемым коэффициентом усиления и сумматора, а система автоподстройки уровня звукового давления содержит второй набор N частотных фильтров, аналогичных первому набору, вторую группу N усилителей с регулируемым коэффициентом усиления, N-1 дополнительных детекторов, аналогичных первому детектору, и блок управления спектром излучаемых гидроакустических сигналов, при этом каждый из N детекторов системы автоподстройки уровня звукового давления дополнительно включает в себя интегратор, линию временной задержки и блок умножения, причем выход усилителя соединен параллельно с входами N частотных фильтров второго набора, выходы которых подключены к входам второй группы N усилителей с регулируемым коэффициентом усиления, управляющие входы которых соединены с N входами блока управления спектром излучаемых гидроакустических сигналов, а выходы - с первыми входами N блоков умножения соответствующих детекторов, вторые входы которых подключены к выходам N линий временной задержки, а выходы - к N интеграторам, выходы которых соединены с управляющими входами второй группы N усилителей с регулируемым коэффициентом усиления генератора электрических колебаний, выходы N канального задающего генератора которого через первый набор частотных фильтров подключены к входам N усилителей с регулируемыми коэффициентами усиления первой группы, выходы которых соединены с входами N линий временной задержки и с N входами сумматора, соединенного выходом с входом усилителя мощности.

При этом блок управления спектром излучаемых гидроакустических сигналов выполнен в виде набора N переключаемых делителей напряжения.

Кроме того, устройство дополнительно содержит блок фильтрации гидрофизических помех, выполненный в виде двух ограничителей, образцовой линии временной задержки, блока умножения и интегратора, при этом N линий временной задержки детекторов выполнены регулируемыми, образцовая линия временной задержки блока фильтрации гидрофизических помех - постоянной, причем выход сумматора генератора электрических колебаний через последовательно соединенные первый ограничитель и образцовую линию временной задержки подключен к первому входу блока умножения, блока фильтрации гидрофизических помех, второй вход этого блока умножения соединен с выходом второго ограничителя, вход которого подключен к выходу усилителя автоподстройки уровня звукового давления а выход - к входу интегратора, соединенного выходом с управляющими входами N регулируемых линий временных задержек детекторов.

При этом каждая из регулируемых линий задержек N основных детекторов выполнена в виде последовательно соединенных линий постоянной временной задержки и линии переменной, регулируемой временной задержки.

С целью повышения надежности работы устройства и устранения возможности выхода устройства из строя в момент подъема его из глубины на поверхность и погружения в воду устройство снабжено одним или двумя датчиками наличия гидростатического давления с выключателям, расположенными на одном уровне с широкополосным преобразователем и гидрофоном-свидетелем. При этом выключатели указанных датчиков включены последовательно в цепь подачи питания на усилитель мощности.

На чертеже представлена схема устройства для излучения гидроакустических сигналов.

Устройство содержит широкополосный гидроакустический преобразователь 1 электрических колебаний в акустические колебания, а также гидрофон-свидетель 2, расположенный на известном расстоянии от преобразователя 1. Имеется усилитель 3 мощности и усилитель 4 напряжения, подключенные соответственно к входу преобразователя 1 и выходу гидрофона-свидетеля 2.

Элементы 1, . . . , 4 образуют подводную часть 5 устройства, в которую также входят два датчика 6 и 7 наличия гидростатического давления, расположенные на одном уровне с преобразователем 1 и гидрофоном-свидетелем 2 и последовательно соединенные в цепи подачи питания от источника 8 на усилитель 3 мощности.

Устройство содержит также генератор 9 электрических колебаний, выполненный в виде N канального задающего генератора 10, набора из N частотных фильтров 11₁, . . . . , 11_N, группы N усилителей 12₁, . . . , 12_N с регулируемым коэффициентом усиления, и сумматор 13. К генератору электрических колебаний следует также отнести и усилитель 3 мощности, находящийся в подводной части 5 устройства, выделенной на чертеже в отдельный блок.

Имеется также система автоподстройки уровня звукового давления излучаемых колебаний, в которую помимо элементов подводной части 5 устройства, а именно гидрофона-свидетеля 2 и усилителя 4, входит блок 14, состоящий из N детекторов, и блок 15, состоящий из блока 16 управления спектром излучаемых гидроакустических сигналов, группы N усилителей 17₁, . . . , 17_N с регулируемым коэффициентом усиления и набора из N частотных фильтров 18₁, . . . , 18_N, аналогичных фильтрам 11₁, . . . , 11_N.

Каждый из детекторов 14 включает в себя регулируемую линию 19 временной задержки, блок 20 умножения и интегратор 21.

Устройство также содержит блок 22 фильтрации гидрофизических помех, выполненный в виде двух ограничителей 23,24, образцовой опорной линии 25 временной задержки, перемножитель 26 и интегратор 27.

Перечисленные блоки устройства связаны между собой следующим образом.

Выход усилителя 4 параллельно подключен к фильтрам 18₁, . . . , 18_Nи к входу ограничителя 23 фильтра 22 гидрофизических помех. Выходы фильтров 18₁, . . . , 18_N через усилители 17₁, . . . , 17_N подключены к первым входам блоков 20₁, . . . , 20_N умножения. Управляющие входы усилителей 17₁, . . . , 17_N соединены с выходами блока 16 управления, выполненного, в частности, в виде набора N переключаемых делителей напряжения. Вторые входы блоков 20₁, . . . 20_N умножения подключены к выходам линий 19₁, . . . , 19_Nвременных задержек, входы которых соединены с выходами усилителей 12₁, . . . , 12_N, а управляющие входы - с выходами интегратора 27 фильтра 22 гидрофизических помех. Выходы блоков 20₁, . . . . , 20_N умножения подключены через интеграторы 21₁, . . . , 21_N к управляющим входам усилителей 12₁, . . . , 12_N. Выходы N канального задающего генератора 10 соединены через последовательно связанные частотные фильтры 11₁, . . . , 11_N и усилители 12₁, . . . , 12_N с входами сумматора 13, выход которого подключен к входу усилителя 3 мощности и входу первого ограничителя 24 фильтра 22 гидрофизических помех. Выход ограничителя 24 через образцовую линию 25 временной задержки подключен к первому входу перемножителя 26, второй вход которого соединен с выходом другого ограничителя 23, а выход - с входом интегратора 27.

Все электронные блоки устройства особенностей не имеют. Регулируемые линии 19₁, . . . , 19_N временных задержек могут быть выполнены в виде двух последовательно соединенных линий задержки, одна из которых - постоянная, а другая - регулируемая. Это удобно тем, что регулировка величины задержки ведется в данном устройстве относительно постоянной величины, определяемой временем распространения акустических сигналов от преобразователя 1 к гидрофону-свидетелю 2.

Датчики 6 и 7 наличия гидростатического давления могут быть выполнены по любой известной схеме.

Подводная 5 и надводная 9,14,15,22 части устройства соединены между собой кабелем (на чертеже не показан).

Устройство работает следующим образом.

Подводную часть 5 устройства опускают в рабочую среду, например в море. При этом происходит включение питания усилителя 3 мощности и ряда электронных блоков (на чертеже не показаны) в цепь питания источника 8 в тот момент, когда оба датчика 6,7 наличия гидростатического давления, а значит, и преобразователь 1 с гидрофоном-свидетелем 2 окажутся в жидкости. При отсутствии подобной блокировочной цепи (цепи блокировки непосредственно на чертеже не показаны) были бы возможны аварийный перегрев усилителя мощности преобразователя и перегрузка ряда электронных блоков.

N канальный задающий генератор 10 одновременно подает сигналы на N частотных фильтров 11₁, . . . . , 11_N, которыми электрические колебания разделяются по частоте. Частоты пропускания фильтров 11₁, . . . , 11_Nвыбираются обычно отвечающими определенному числовому ряду, например октавному. При этом ширина полосы в начале частотного диапазона будет значительно уже чем в конце его.

Сигналы различной частоты поступают с выходов фильтров 11₁, . . . , 11_N на входы соответствующих усилителей 12₁, . . . , 12_N с регулируемым коэффициентом усиления, коэффициент усиления которых меняется в зависимости от управляющего сигнала, поступающего с выхода системы автоподстройки уровня звукового давления, охватывающей преобразователь 1. С выходов усилителей 12₁. . . , 12_N сигналы различной частоты по кабелю (на чертеже не показан) попадают на сумматор 13 и с последнего - на вход усилителя 3 мощности подводной части 5 устройства. Усилитель 3 мощности направляет синтезированные соответствующим образом электрические колебания на преобразователь 1, который преобразует их в механические упругие колебания, излучаемые в водную среду.

Упругие колебания в виде акустического сигнала достигают гидрофона-свидетеля через время t_c= r/c, где r - расстояние между преобразователем 1 и гидрофоном-свидетелем 2; с - скорость звука. Последний преобразует их в электрический сигнал, усиливаемый усилителем 4 напряжения. Усиленный сигнал направляется на набор точно таких же частотных фильтров 18₁, . . . , 18_N, которые разделяют их на соответствующие частотные составляющие.

Разделенные по частотам сигналы поступают на входы усилителей 17₁, . . . , 17_N, коэффициенты усиления которых задаются заранее с помощью блока 16 управления спектром излучаемых колебаний. Набор делителей напряжения блока 16 подобран предварительно в лабораторных условиях таким образом, чтобы излучатель через преобразователь 1 имитировал в пространство, например, шумы различных видов надводных и подводных объектов, а также голоса морских организмов. Предусмотрена также возможность получения равномерной АЧХ устройства на всех рабочих частотах для проведения градуировки и поверки гидроакустических измерительных систем в натурных условиях с помощью стандартных гидроакустических сигналов устройства.

Сигналы с выходов усилителей 17₁, . . . , 17_N направляются на блок 14 детекторов. Детекторы 14 выполнены по аналогии с корреляторами, в них фильтруются и подаются на управляющие входы усилителей 12₁, . . . , 12_Nгидроакустические сигналы, попадающие через время t на гидрофон-свидетель 2 от преобразователя 1.

Сигналы, не коррелирующие с излучением преобразователя 1, детекторами 14 не пропускаются. Это осуществляется следующим образом. Допустим, для простоты генерируется и излучается синусоидальный сигнал с частотой ω_i . Сигналы с выходов усилителей 12₁, . . . , 12_N генератора 9 электрических колебаний U_isin ω_it направляются на линии 19₁, . . . , 19_Nвременной задержки, которыми задерживаются на время t₃= t_c, затем подаются на один из входов блоков 20₁, . . . , 20_N умножения. На второй вход этих перемножителей подаются сигналы U₂sin ω_i(t+ r/c) с выходов усилителей 17₁, . . . , 17_N. Сигналы U₁sin ω_it и U₂sin ω_i(t+ r/c) перемножаются. При этом на выходе перемножителей после интегрирования получают сигналы U_вых= cos(t-r/c) (1) Если время задержки t₃= r/c, то U_вых= (2) т. е. сигнал максимальный.

Таким образом, управляющим сигналом в цепи обратной связи устройства является сигнал (1), пропорциональный функции корреляции двух сигналов. При достаточно большом времени интегрирования функция корреляции двух сигналов флуктуационного типа стремится к нулю, в связи с чем помехи на выходах интеграторов 21₁, . . . , 21_N детекторов 14 практически отсутствуют. Соответствующие корреляционные компоненты в выходном сигнале также будут отсутствовать и эффект шумоподавления будет высок на каждой из частот.

Сумматор 13 осуществляет сложение всех частотных компонент сигналов от N канального задающего генератора 10 в соответствующей пропорции, и синтезированный электрический сигнал направляется на усилитель мощности, а оттуда на преобразователь 1, излучающий гидроакустический сигнал заданного спектра. Сигнал частично поступает на вход гидрофона-свидетеля 2, после чего описанные в устройстве процессы повторяются.

Изменение гидрофизических свойств среды, в частности температуры, солености, концентрации взвесей, приводит к изменению скорости звука и передаточной функции среды. Это, в свою очередь, изменяет время распространения акустических волн t_c на базе r и амплитуду упругих колебаний на входе гидрофона-свидетеля 2. То есть величины U₁, U₂ и r/c в уравнении (1) будут изменяться при изменении гидрофизических параметров среды, что будет приводить к изменению уровня излучаемых сигналов. Для уменьшения влияния изменений посторонних факторов на работу устройства в него введен фильтp 22 гидрофизических помех, работающий следующим образом.

Ограничители 23,24 ограничивают амплитуды напряжений U₁, U₂, а времена задержек t₃ линий 19₁, . . . , 19_N временных задержек изменяются в соответствии с изменениями скорости звука в среде. При этом в фильтpе 22 гидрофизических помех имеется образцовая опорная линия 25 временной задержки, время задержки которой задается равным ожидаемому времени распространения звука на расстоянии r. Если это время изменилось, то на выходе перемножителя 26 и интегратора 27 произойдет изменение выходных сигналов, которые изменят время задержки линий 19₁, . . . , 19_N. Поскольку вариации времен задержек при этом невелики, линии 19₁, . . . , 19_Nцелесообразно выполнять в виде последовательно соединенных двух линий задержки: постоянной и переменной (управляемой).

Таким образом, заявленное техническое решение позволяет значительно расширить область применения устройства не только за счет получения возможности синтезирования любого спектра гидроакустических сигналов, но и за счет повышения помехоустойчивости устройства, поскольку на заявленное устройство практически не влияют гидроакустические и гидрофизические помехи.

(56) Авторское свидетельство СССР N 445176, кл. Н 04 R 17/00, 1972.

Колесников А. Е. Акустические измерения. Л. : Судостроение, 1983, с. 148.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗЛУЧЕНИЯ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ , содеpжащее генеpатоp электpических колебаний, шиpокополосный пpеобpазователь, блок питания, усилитель мощности, подключенный к блоку питания и входу шиpокополосного пpеобpазователя, систему автоподстpойки уpовня звукового давления излучаемых колебаний, включающую гидpофон-свидетель, pасположенный на заданном pасстоянии от шиpокополосного пpеобpазователя, усилитель, подключенный к выходу гидpофона-свидетеля, и детектоp, отличающееся тем, что генеpатоp электpических колебаний выполнен в виде N-канального задающего генеpатоpа, пеpвого набоpа N частотных фильтpов, пеpвой гpуппы N усилителей с pегулиpуемым коэффициентом усиления и сумматоpа, а система автоподстpойки уpовня звукового давления содеpжит втоpой набоp N частотных фильтpов, аналогичных пеpвому набоpу, втоpую гpуппу N усилителей с pегулиpуемым коэффициентом усиления, N - 1 дополнительных детектоpов и блок упpавления спектpом излучаемых гидpоакустических сигналов, пpи этом каждый из N детектоpов системы автоподстpойки уpовня звукового давления дополнительно включает в себя интегpатоp, линию вpеменной задеpжки и блок умножения, пpичем выход усилителя гидpофона-свидетеля соединен паpаллельно с входами N частотных фильтpов втоpого набоpа, выходы котоpых подключены к входам втоpой гpуппы N усилителей с pегулиpуемым коэффициентом усиления, упpавляющие входы котоpых соединены с N выходами блока упpавления спектpом излучаемых гидpоакустических сигналов, а выходы - с пеpвыми входами N блоков умножения соответствующих детектоpов, втоpые входы котоpых подключены к выходам N линий вpеменной задеpжки, а выходы - к N интегpатоpам, выходы котоpых соединены с упpавляющими входами втоpой гpуппы N усилителей с pегулиpуемым коэффициентом усиления генеpатоpа электpических колебаний, выходы N-канального задающего генеpатоpа котоpого чеpез пеpвый набоp частотных фильтpов подключены к входам усилителей с pегулиpуемыми коэффициентами усиления пеpвой гpуппы, выходы котоpых соединены с входами N линий вpеменной задеpжки и N входами сумматоpа, соединенного выходом с входом усилителя мощности.

2. Устpойство по п. 1, отличающееся тем, что блок упpавления спектpом излучаемых гидpоакустических сигналов выполнен в виде набоpа N пеpеключаемых делителей напpяжения.

3. Устpойство по п. 1, отличающееся тем, что оно дополнительно содеpжит блок фильтpации гидpофизических помех, выполненный в виде двух огpаничителей, обpазцовой линии вpеменной задеpжки, блок умножения и интегpатоpа, пpи этом N линий вpеменной задеpжки детектоpов выполнены pегулиpуемыми, а обpазцовая линия вpеменной задеpжки блока фильтpации гидpофизических помех - постоянной, пpичем выход сумматоpа генеpатоpа электpических колебаний чеpез последовательно соединенные пеpвый огpаничитель и обpазцовую линию вpеменной задеpжки подключен к пеpвому входу блока умножения блока фильтpации гидpофизических помех, втоpой вход блока умножения блока фильтpации гидpофизических помех соединен с выходом втоpого огpаничителя, вход котоpого подключен к выходу усилителя системы автоподстpойки уpовня звукового давления, а выход - к входу интегpатоpа, соединенного выходом с упpавляющими входами N pегулиpуемых линий вpеменной задеpжки детектоpов.

4. Устpойство по пп. 1 и 3, отличающееся тем, что каждая из pегулиpуемых линий вpеменной задеpжки детектоpов выполнена в виде последовательно соединенных линий постоянной и пеpеменной вpеменной задеpжки.

5. Устpойство по п. 1, отличающееся тем, что в него дополнительно введен датчик наличия гидpостатического давления с выключателем, pасположенный на одном уpовне с шиpокополосным пpеобpазователем, электpически подключенный между блоком питания и усилителем мощности.

6. Устpойство по пп. 1 и 5, отличающееся тем, что в него дополнительно введен втоpой датчик наличия гидpостатического давления с выключателем, pасположенный на одном уpовне с гидpофоном-свидетелем, включенный между блоком питания и усилителем мощности последовательно и пеpвым датчиком наличия гидpостатического давления.

РИСУНКИ

Рисунок 1