Способ измерения чувствительности гидрофона в морских условиях методом сравнения в диапазоне низких частот

 

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для градуировки гидрофонов стационарных измерительных систем в инфразвуковом диапазоне.

Сущность изобретения заключается в том, что излучают звуковой сигнал источником, удаленным на значительное, в сравнении с глубиной места, расстояние, при котором градуируемый и помещаемый вблизи него образцовый гидрофоны оказываются в зоне однородности звукового поля, образующейся на участках максимумов интерференционной картины, а градуировка производится методом сравнения. 4 ил.

Изобретение относится к области гидроакустических измерений и может быть использовано при градуировке гидрофонов стационарных измерительных средств в диапазоне низких частот (когда длина звуковой волны по порядку величины сравнима с глубиной моря Н).

Известен способ градуировки гидрофона методом сравнения [1] состоящий в том, что градуируемый гидрофон и образцовый гидрофон подвергают одинаковому воздействию в условиях свободного пространства. Образцовый гидрофон и градуируемый гидрофон помещают на достаточно большом расстоянии R от излучателя, определяемом условием (где d линейные размеры преобразователей, l длина звуковой волны), для того, чтобы падающую волну можно было считать плоской, и определяют чувствительность градуируемого гидрофона g_г по формуле: γ_г = γ_ou_г/u_o, (1) где γ_o чувствительность образцового гидрофона; U_г, U_o электрические напряжения на выходах соответственно градуируемого и образцового гидрофонов.

Основные требования при применении метода сравнения состоят в создании хороших приближений к условиям свободного пространства и плоской волны при проведении измерений [1] Эти требования, как правило, удовлетворяются лишь в лабораторных условиях малых камер, акустических труб, искусственных бассейнов при градуировке преобразователей небольших размеров в области высоких частот.

Известен способ измерения чувствительности гидрофона в натурных условиях методом сравнения [2] состоящий в одновременном помещении градуируемого и образцового гидрофонов в поле излучателя и определении чувствительности градуируемого гидрофона по формуле: где R_г, R_о расстояния от излучателя соответственно до градуируемого и образцового гидрофонов. Применение направленного излучателя позволяет уменьшить влияние отражений от поверхности и дна моря. Данный способ требует точного контроля расстояний R_о, R_г, что достигается путем креплений гидрофонов и излучателя с помощью специальных жестких конструкций. При проведении измерений в диапазоне низких частот существенное влияние будут оказывать отражения от поверхности и дна моря. Применение направленного излучения в низкочастотном диапазоне затруднительно, так как размеры направленного низкочастотного излучателя должны быть слишком велики.

Целью 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.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе измерения чувствительности гидрофона в морских условиях методом сравнения с образцовым в диапазоне низких частот (когда длина звуковой волны λ по порядку величины сравнима с глубиной моря Н), состоящем в генерации гармонического сигнала частоты f с помощью источника звука и приеме гармонического акустического сигнала градуируемым и образцовым гидрофонами, помещают образцовый гидрофон чувствительности g_o на горизонтальном расстоянии, не превосходящем величины λ·[2π(1-n)]^-1 (где n показатель преломления вода-дно) от градуируемого так, чтобы глубины погружений образцового и градуируемого гидрофонов отличались на величину, не большую, чем λ[4π(1-n²)^1/2]^-1. Перемещают источник звука прямолинейным галсом с постоянной малой скоростью V (V/c <2·10^-3, где c скорость звука в воде) на постоянной глубине при горизонтальных расстояниях между источником и градуируемым гидрофоном больше пяти глубин моря. Измеряют на интервале ΔT, равном , средние уровни амплитуд сигналов на выходах градуируемого и образцового гидрофонов, отмечают те моменты времени t_i, где 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, определяют чувствительность градуируемого гидрофона γ_г по формуле: Наличие отличительных по сравнению с прототипом признаков указывает на соответствие предложенного технического решения критерию изобретения "новизна".

Отсутствие отличительных признаков не только в прототипе, но и в других технических решениях в данной и других областях техники указывает на соответствие предложенного решения критерию изобретения "изобретательский уровень".

Возможность практической реализации изобретения указывает на соответствие предложения критерию "техническая применимость".

На фиг. 1 приведена схема, поясняющая реализацию предлагаемого способа; на фиг. 2 пример структурной схемы блока определения чувствительности; на фиг.3 зависимость амплитуды звукового давления от горизонтального расстояния между источником и гидрофоном; на фиг.4 зависимость разности амплитуд от взаимного расположения гидрофонов в слое.

Схема, поясняющая работу по предлагаемому способу (фиг.1), состоит из водного слоя 1 с дном 2 и поверхностью 3. Градуируемый измерительный гидрофон 4, установленный на донной платформе 7, связан кабелем 6 с входом блока 11 определения чувствительности, второй вход которого соединен с выходом приемника 10 радиоканала. Образцовый гидрофон 5 опускается с борта судна 8, выход гидрофона 5 подключен к входу передатчика 9 радиоканала. Источник звука 12 буксируется на кабель-тросе судном 13.

Известно, что в волноводе, образованном поверхностью 3 и дном 2 моря, амплитуда и фаза акустического поля, создаваемого тональным излучателем в водном слое 1, являются сложными функциями частоты, горизонтального расстояния r от излучателя 12 и горизонтов излучения Z₀ и приема Z звука [3] где P_l, K_l амплитуда и горизонтальная составляющая волнового вектора l-й моды, L число мод, распространяющихся в волноводе на частоте f.

На фиг. 3 показана зависимость амплитуды звукового давления от горизонтального расстояния r в модели волновода, состоящей из водного слоя толщиной H 272,93 м, плотности ρ 1,0 г/см³ и скорости звука в нем с 1451,4 м/с, лежащего на однородном упругом полупространстве, скорости продольных и поперечных волн в котором соответственно равны с₁ 2120,93 м/с, с_t 779,26 м/с, плотность r 2,56 г/см³, для частот 5 Гц (сплошная линия) и 10 Гц (пунктир).

Известно, что в зонах интерференционных максимумов звуковое поле в волноводе имеет характер, близкий к характеру квазиплоской волны [4, 5] Амплитуда звукового давления в интерференционных максимумах сравнительно мало меняется при не слишком больших (по сравнению с характерными периодами звукового поля по глубине и расстоянию) изменениях глубины приемника и горизонтального расстояния от приемника до излучателя. Фиг.4 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, находящегося на горизонтальном расстоянии r 1690 м от градуируемого гидрофона (глубины источника и приемника 150 м).

Предлагаемый способ, в отличие от аналога, не требует точного контроля расстояний от излучателя до образцового и градуируемого гидрофонов и использования направленного излучателя, а также, в отличие от прототипа, может применяться при существенных отражениях звукового сигнала от поверхности и дна моря.

Настоящий способ измерения чувствительности гидрофона в морских условиях методом сравнения в диапазоне низких частот реализуется следующим образом.

Образцовый гидрофон 5 известной чувствительности g_o помещают на горизонтальном расстоянии Δr не превосходящем величины Δr ≅ λ·[2π(1-n)]^-1 (где n - показатель преломления вода-дно, λ длина звуковой волны), от градуируемого гидрофона 4 так, чтобы глубины погружения образцового 5 и градуируемого 4 гидрофонов отличались на величину DZ определяемую условием ΔZ ≅ λ·[4π(1-n²)^1/2]^-1. Такое взаимное положение образцового 5 и градуируемого 4 гидрофонов обеспечивает то, что в интерференционных максимумах звукового поля источника акустические давления в точках расположения гидрофонов будут различаться меньше, чем на 1 дБ (см. фиг.4).

Перемещают источник звука 12 прямолинейным галсом с постоянной малой скоростью V <2·10^-3·с (где с 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 30·f^-1 источник 12 переместится на расстояние, меньшее λ/16
Измеряют на интервале времени ΔT определяемом условием:

средние уровни амплитуд сигналов на выходах градуируемого 4 и образцового 5 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, то есть когда выполняются условия:

соответствующие одновременному попаданию градуируемого и образцового гидрофонов в интерференционный максимум звукового поля источника, и определяют чувствительность градуируемого гидрофона по формуле:

Операция осреднения, использующаяся в формуле (4), позволяет уменьшить погрешность измерения чувствительности градуируемого гидрофона, оцениваемую соотношением:

Источники информации
1. Боббер Р. Гидроакустические измерения. М. Мир, 1974.

2. Болгов В. М. Плахов Д.Д. Яковлев В.Е. Акустические шумы и помехи на судах. Л. Судостроение, 1984, с.165 -170 (прототип).

3. Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. М. АН СССР, 1957.

4. Shaffer J.D. Fitzgerald R.M. Guthrie A.N. Coherence of low-frequency acoustic signals in the deep ocean. JASA, 1974, U5, N 4, p.1122 1125.

5. Грачев Г.А. Кузнецов Г.Н. О средней скорости изменения фазы акустического поля вдоль плоского волновода. Акуст.ж. 1985, т. 31, N 2, с.266 268.

Формула изобретения

Способ измерения чувствительности гидрофона в морских условиях методом сравнения с образцовым в диапазоне низких частот, когда длина звуковой волны λ по порядку величины сравнима с глубиной моря H, состоящий в генерации гармонических сигналов частоты f с помощью источника звука, приеме гармонического акустического сигнала градуируемым гидрофоном и образцовым гидрофоном, отличающийся тем, что образцовый гидрофон чувствительности g_o помещают на горизонтальном расстоянии, не превышающем величины
λ·[2π(1-n)]^-1,
где n показатель преломления вода-дно,
от градуируемого так, чтобы глубины погружений образцового и градуируемого гидрофонов отличались на величину, не большую, чем
λ[4π(1-n²)^1/2]^-1,
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 горизонтальных расстояниях между источником и градуируемым гидрофоном больших пяти глубин моря,
измеряют на интервале времени ΔT, равном

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_o(t_i) и градуируемого U_г(t_i) гидрофонов одновременно превосходят соответствующие им средние уровни, и определяют чувствительность градуируемого гидрофона по формуле .

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4