Способ измерения составляющих суммарной помехи работе приемной гидроакустической системы на швартовных испытаниях судна

Изобретение относится к гидроакустическим измерениям, а более конкретно к измерениям электрической и гидроакустических составляющих суммарной помехи работе гидроакустической станции (ГАС) на швартовных испытаниях судна (на стопе, при работающих машинах и механизмах). Техническим результатом является возможность определить (идентифицировать) шумовую, вибрационную и структурную составляющие помехи. Предложен способ измерения составляющих суммарной помехи работе приемной гидроакустической системы, выполненной в виде последовательно соединенных гидроакустической антенны, размещенной в корабельном обтекателе, и приемного тракта на швартовных испытаниях судна. Способ содержит определение энергетического спектра суммарной помехи на выходе приемной гидроакустической системы, определение энергетического спектра электрической составляющей помехи на выходе приемного тракта после замены гидроакустической антенны ее электрическим эквивалентом, определение энергетического спектра гидроакустической составляющей помехи в виде разности энергетических спектров суммарной помехи и электрической составляющей помехи. При этом на апертуру гидроакустической антенны устанавливают акустический экран с коэффициентом прохождения звука, обеспечивающим снижение уровня суммарной помехи до уровня -6 дБ от уровня электрической составляющей помехи. 1 ил.

 

Предлагаемый способ относится к гидроакустическим измерениям, а более конкретно к измерениям электрической и гидроакустических составляющих суммарной помехи работе гидроакустической станции (ГАС) на швартовных испытаниях судна (на стопе при работающих машинах и механизмах).

Помехи ограничивают дальность действия ГАС. Поэтому определение их составляющих является актуальной задачей, так как позволяет найти основные источники помех и, в случае необходимости, принять меры к их снижению.

Основными составляющими помехи гидроакустического происхождения работе ГАС из-за шума механизмов являются:

- шумовая составляющая помехи, обусловленная шумом механизмов, излученных корпусом судна в районе установки механизмов, а также шумом, проникающим из помещений судна в воду и пришедшим к гидроакустической антенне по водной среде; энергетический спектр шумовой составляющей помехи G_ш(f) на выходе приемного тракта антенны;

- виброакустическая составляющая помехи, образующаяся вследствие излучения оболочки обтекателя под воздействием вибраций, распространяющихся по корпусу судна и проникающих на обтекатель через узлы его сочленения с корпусом, а также за счет излучения близлежащих корпусных конструкций; энергетический спектр виброакустической составляющей помехи G_виб(f) на выходе приемного тракта антенны;

- структурная составляющая помехи - помеха на выходе приемной гидроакустической антенны из-за ее вибрации из-за шума механизмов; энергетический спектр структурной составляющей помехи G_стр(f) на выходе приемного тракта антенны.

Существенное значение на работу ГАС оказывают и электрические шумы, и наводки на электронные тракты ГАС; энергетический спектр электрической составляющей помехи G_эл (f) на выходе приемного тракта антенны.

На приемную гидроакустическую антенну одновременно воздействуют все составляющие помехи, т.е. на ее выходе энергетический спектр шума:

Для борьбы с помехами нужно определить эти составляющие.

Известен энергетический способ определения составляющих суммарной помехи, основанный на выявлении различий в интенсивности помехи при поочередном включении и выключении механизмов [В.М.Болгов, Д.Д.Плахов, В.Е.Яковлев. Акустические шумы и помехи на судах. - Л.: Судостроение, 1984. - с.176]. Недостатком этого способа является невозможность определить составляющие суммарной помехи: шумовую, вибрационную, структурную, электрическую.

Известен спектральный способ определения составляющих суммарной помехи, при котором по несущей и огибающей энергетического спектра помехи определяют отличительные признаки спектров источников помех при работающих и отключенных механизмах [А.П.Евтютов и др. Справочник по гидроакустике. - Л.: Судостроение, 1988. - c.199]. Недостатком спектрального способа является невозможность определить составляющие помехи: шумовую, вибрационную, структурную, электрическую.

Известен корреляционный способ, который позволяет измерить “бегущую” составляющую спектра суммарной помехи, создаваемую удаленными и близко расположенными источниками помех [А.П.Евтютов и др. Справочник по гидроакустике. - Л.: Судостроение, 1988. - c.199]. Этот способ также не позволяет различить помехи по способу их распространения, т.е. не позволяет выделить составляющие помехи: шумовую, вибрационную, структурную, электрическую.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ раздельного определения энергетического спектра гидроакустической и электрической составляющих помехи работе ГАС на швартовных испытаниях судна (на “стопе”) на выходе приемного тракта гидроакустической антенны G∑ (f); который содержит измерение энергетического спектра суммарной помехи на выходе приемного тракта, замену гидроакустической антенны ее электрическим эквивалентом, определение энергетического спектра электрической составляющей помехи, включающей наводки, на выходе приемного тракта G_эл (f) и определение гидроакустической составляющей помехи в виде:

Определенные таким образом энергетические спектры составляющих суммарной помехи приводят к стандартным условиям (к частоте 1 кГц, полосе 1 Гц, ненаправленному приему в предположении спада спектра 6 дБ на октаву с ростом частоты) по алгоритмам

где

f_эт - эталонная частота,

f₀ - среднегеометрическая частота фильтрации,

Δf - разрешение спектрального анализа,

k(f) - частотная характеристика коэффициента концентрации гидроакустической антенны,

γ(f) - частотная характеристика чувствительности приемного тракта гидроакустической антенны.

Этот способ описан в книге А.П.Евтютов и др. Справочник по гидроакустике. - Л.: Судостроение, 1988. - c.197.

Недостатком этого способа-прототипа является невозможность идентифицировать шумовую, вибрационную, структурную составляющие гидроакустической составляющей помехи.

Задачей предлагаемого способа является идентификация наряду с электрической составляющей помехи шумовой, виброакустической и структурной составляющих помехи.

Для решения поставленной задачи в способ измерения составляющих суммарной помехи работе приемной гидроакустической системы, выполненной в виде последовательно соединенных гидроакустической антенны, размещенной в корабельном обтекателе, и приемного тракта, на швартовных испытаниях судна, содержащий определение энергетического спектра суммарной помехи на выходе приемной гидроакустической системы, определение энергетического спектра электрической составляющей помехи на выходе приемного тракта после замены гидроакустической антенны ее электрическим эквивалентом, определение энергетического спектра гидроакустической составляющей помехи в виде разности энергетических спектров суммарной помехи и электрической составляющей помехи и приведение уровней помех к стандартным условиям, введены новые признаки, а именно: на апертуру гидроакустической антенны устанавливают акустический экран с коэффициентом прохождения звука, обеспечивающим снижение уровня суммарной помехи до уровня -6 дБ от уровня электрической составляющей помехи, измеряют полученный энергетический спектр и определяют энергетический спектр структурной составляющей помехи как разность энергетического спектра помехи, полученного при установке акустического экрана на апертуру гидроакустической антенны и энергетического спектра электрической составляющей помехи, снимают акустический экран с апертуры гидроакустической антенны и устанавливают акустический экран на наружную поверхность звукопрозрачной части корабельного обтекателя, измеряют полученный энергетический спектр помех, и энергетический спектр вибрационной составляющей помехи определяют как результат вычитания из энергетического спектра помехи, определенного при установке акустического экрана на наружную поверхность звукопрозрачной части обтекателя, энергетического спектра структурной составляющей помехи и энергетического спектра электрической составляющей помехи, а энергетический спектр шумовой составляющей помехи определяют как разность энергетических спектров суммарной помехи и суммы энергетических спектров структурной составляющей помехи, вибрационной составляющей помехи, электрической составляющей помехи.

Техническим результатом предлагаемого способа является возможность путем использования новых операций определить (идентифицировать) шумовую, вибрационную и структурную составляющие помехи.

На чертежи приведен график коэффициента прохождения звука через экран в виде слоя пористой резины при потерях η_c=0,1 при значении относительного волнового сопротивления материала слоя пористой резины m=0,1.

Реализация способа осуществляется приемной гидроакустической системой, содержащей последовательно соединенные гидроакустическую антенну, помещенную в корабельный обтекатель, и приемный тракт в виде последовательно соединенных усилителей, аналого-цифровых преобразователей, спектроанализатора, формирователя характеристик направленности и индикатора.

В качестве акустических экранов могут быть для гидроакустических систем надводных кораблей использованы слои из пористых резин. Для морских подводных объектов (МПО) - резины с цилиндрическими каналами, пеннополиуретаны и др. (смотрите В.Е.Глазанов. Экранирование гидроакустических антенн. - Л.: Судостроение, 1986. - 145с.).

Рассмотрим реализацию способа на примере идентификации составляющих помех для ГАС надводного судна с плоскими гидроакустическими антеннами, расположенными в обтекателях по левому и правому борту. Размеры каждой из антенн 800×400 мм. Рабочие частоты: от 10 до 40 кГц.

В качестве экрана был применен слой из пористой резины с коэффициентом потерь η_с=0,1 при значении относительного волнового сопротивления слоя пористой резины m=0,1 и скорости звука с=120 м·с^-1 Этот слой крепился к обтекателю и антенне на магнитных присосках.

Коэффициент прохождения звука через экран определяется в виде

где Р - акустическое давление в плоской волне, падающей на слой,

Р_пр - акустическое давление в прошедшей через слой волне. Аналогично, коэффициент отражения звука определяется в виде

где Р_oтр - акустическое давление в отраженной волне. Между В и А существует следующая взаимосвязь:

где L - функция, зависящая от механических потерь в слое и определяющая ту часть энергии, которая поглотится в слое при прохождении звука.

Для слоя с потерями [В.Е.Глазанов. Экранирование гидроакустических преобразователей. - Л.: Судостроение, 1986. - с. 24)]:

где - относительное волновое сопротивление материала слоя;

ρс - акустическое сопротивление материала слоя;

(ρс)_B - акустическое сопротивление воды;

- волновое число;

γ=α-iβ - постоянная распространения;

- коэффициент затухания;

- фазовый коэффициент;

η_c - коэффициент потерь по скорости.

Расчет по формуле (8) для нашего случая приведен на чертеже.

В соответствии с предложенным способом после измерения суммарной помехи на выходе приемного тракта при работающих машинах и механизмах гидроакустическая антенна была отключена и на вход приемного тракта был подключен электрический эквивалент антенны, имеющий с ней равное электрическое сопротивление. Были определены энергетические спектры суммарных помех G∑(f) и электрической составляющей помехи G_эл(f) и установлено, что для реализации требования снижения суммарной помехи до уровня - 6 дБ от уровня электрической составляющей помехи коэффициент прохождения через экран должен быть не более - 15 дБ. Как видно из чертежа это требование соблюдается при βl≥4. Следовательно, нужно выбрать толщину слоя пористой резины

где с - скорость звука в слое пористой резины,

f_n - нижняя частота рабочего диапазона.

Тогда толщина слоя пористой резины

Была выбрана толщина пористой резины 1=8 мм.

После этого на гидроакустическую антенну был установлен акустический экран, параметры которого соответствовали расчетным, антенна подключена ко входу приемного тракта и измерена помеха, представляющая собой сумму электрической и структурной составляющих помехи. Структурная составляющая помехи была определена энергетическим вычитанием из полученной таким образом суммы структурной и электрической составляющих помехи, спектра электрической составляющей помехи, ранее полученного при подключении ко входу приемного тракта электрического эквивалента. Затем акустический экран был снят с гидроакустической антенны и установлен на наружную поверхность звукопрозрачной части обтекателя и на выходе гидроакустической системы измерен спектр помехи, представляющей энергетическую сумму спектров виброакустической, структурной и электрической помех. Энергетический спектр вибрационной составляющей помехи был определен энергетическим вычитанием из этой суммы спектров структурной и электрической помехи, а энергетический спектр шумовой составляющей помехи был определен энергетическим вычитанием из энергетического спектра суммарной помехи энергетических спектров виброакустической составляющей помехи, структурной составляющей помехи и электрической составляющей помехи, энергетические вычитания осуществлялись вручную.

В результате выполнения описанных выше операций предложенного способа было установлено, что приведенные значения составляющих помехи следующие:

После этого были приняты меры по улучшению амортизации гидроакустической антенны. После чего приведенные к стандартным условиям составляющие помех оказались следующими:

Приведенная к стандартным условиям суммарная помеха составила:

Пористые резины выпускаются серийно. Поэтому возможность реализации способа сомнений не вызывает.

Способ измерения составляющих суммарной помехи работе приемной гидроакустической системы, выполненной в виде последовательно соединенных гидроакустической антенны, размещенной в корабельном обтекателе, и приемного тракта, на швартовных испытаниях судна, содержащий определение энергетического спектра суммарной помехи на выходе приемной гидроакустической системы, определение энергетического спектра электрической составляющей помехи на выходе приемного тракта после замены гидроакустической антенны ее электрическим эквивалентом, определение энергетического спектра гидроакустической составляющей помехи в виде разности энергетических спектров суммарной помехи и электрической составляющей помехи и приведение уровней помех к стандартным условиям, отличающийся тем, что на апертуру гидроакустической антенны устанавливают акустический экран с коэффициентом прохождения звука, обеспечивающим снижение уровня суммарной помехи до уровня –6 дБ от уровня электрической составляющей помехи, измеряют полученный энергетический спектр и определяют энергетический спектр структурной составляющей помехи как разность энергетического спектра помехи, полученного при установке акустического экрана на апертуру гидроакустической антенны, и энергетического спектра электрической составляющей помехи, снимают акустический экран с апертуры гидроакустической антенны и устанавливают акустический экран на наружную поверхность звукопрозрачной части корабельного обтекателя, измеряют полученный энергетический спектр помех и энергетический спектр вибрационной составляющей помехи определяют как результат вычитания из энергетического спектра помехи, определенного при установке акустического экрана на наружную поверхность звукопрозрачной части обтекателя, энергетического спектра структурной составляющей помехи и энергетического спектра электрической составляющей помехи, а энергетический спектр шумовой составляющей помехи определяют как разность энергетических спектров суммарной помехи и суммы энергетических спектров структурной составляющей помехи и вибрационной составляющей помехи электрической составляющей помехи.