Способ определения уровня давления шумоизлучения движущегося объекта в натурном водоеме
Владельцы патента RU 2284484:
Федеральное Государственное Унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений" (ФГУП "ВНИИФТРИ") (RU)
Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для измерения характеристик шумоизлучения движущегося объекта в натурном водоеме. Техническим результатом изобретения является исключение искажения измеряемого гидроакустического сигнала широкополосным импульсным сигналом системы измерения дистанций (СИД) за счет использования узкополосной частотной составляющей, входящей в состав исследуемого шума. Способ определения уровня давления шумоизлучения движущегося объекта в натурном водоеме заключается в том, что на дне водоема устанавливают гидроакустическое рабочее средство измерений (РСИ) и направляют к нему исследуемый объект. РСИ измеряет кривую прохода объектом заданной точки водоема, а СИД непрерывно измеряет расстояние между объектом и РСИ. В СИД реализуется одночастотный доплеровский способ измерения параметров траектории движения объекта, что позволяет определить его скорость, траверзное время и траверзное расстояние без искажения спектра шумоизлучения исследуемого объекта. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение к относится к области гидроакустики и может быть использовано для измерения и контроля характеристик шумоизлучения движущегося объекта в натурном водоеме.
Известны способы того же назначения, заключающиеся в размещении в заданной области натурного водоема гидроакустического рабочего средства измерений (РСИ), направлении контролируемого объекта с равномерной скоростью V курсом к РСИ, измерении эффективных значений напряжений на различных частотах в текущие моменты времени t на выходе РСИ и определении уровня давления шумоизлучения движущегося объекта в момент времени t0 прохождения объектом траверзного расстояния d от объекта до РСИ /Патент РФ №2108007, кл. H 04 R 1/44, 1998; Патент РФ № 2063106, кл. H 04 R 29/00, 1996; Патент РФ № 2010456, кл. H 04 R 1/44, 1994 - прототип/.
Последний из аналогов принят за прототип.
Недостатком всех аналогов, включая прототип, является то, что в них измерение текущих дистанций между РСИ и контролируемым объектом, в том числе и траверзного расстояния d, проводится с помощью системы измерения дистанций (СИД) времяпролетным способом, который связан с импульсным режимом излучения сигнала. Импульсный сигнал, занимая широкую полосу частот, приводит к значительным искажениям сигнала гидроакустического поля контролируемого объекта. Кроме того, необходимость синхронизации временных шкал, определяющих моменты излучения импульсов и моменты их приема, существенно усложняют аппаратурную реализацию СИД.
Техническим результатом, возникающим при внедрении изобретения, является устранение указанных недостатков прототипа и аналогов за счет перевода работы СИД системы измерения параметров шумоизлучения движущегося объекта с время-пролетного (импульсного) на доплеровский (частотный) способ измерения текущих дистанций от объекта до РСИ.
Данный технический результат достигают за счет того, что в известном способе определения уровня давления шумоизлучения движущегося объекта в натурном водоеме, заключающемся в размещении в заданной области водоема гидроакустического РСИ, направлении контролируемого объекта с равномерной скоростью V к РСИ, измерении эффективных значений напряжений в текущие моменты времени t на выходе РСИ и определения уровня давления шумоизлучения контролируемого объекта в момент времени t0 прохождения последним траверзного расстояния d от объекта до РСИ, предварительно в спектре шумоизлучения объекта выделяют стабильную по частоте дискретную составляющую f0 и на выделенной дискретной составляющей измеряют распределение доплеровской частоты во времени f(t), возникающем при движении объекта относительно РСИ, при этом при больших отклонениях t от t0, когда наблюдается постоянство f(t), определяют значение скорости объекта по математическому соотношению
а в момент равенства нулю доплеровского сдвига частот фиксируют время t0 прохождения объектом траверзного расстояния d из математического соотношения
где с - скорость звука в воде.
Частоту f0 стабильной дискретной составляющей выбирают большей 500 Гц.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 представлена общая схема реализации способа; на фиг.2 - частотно-временная диаграмма и кривая прохода исследуемого объекта для пояснения существа способа.
Сущность способа заключается в том, что в натурном водоеме 1, например, на его дне 2 устанавливают гидроакустическое РСИ, например гидрофон 3 с блоком 4 предварительной обработки сигнала, соединенного подводным кабелем 5 с береговой обрабатывающей и регистрирующей аппаратурой 6.
По аналогии с прототипом движущийся исследуемый объект, например надводное судно 7, направляют с равномерной скоростью V к отградуированному в единицах звукового давления гидрофону 3, который регистрирует давление шумоизлучения объекта в текущие моменты времени t с помощью блока 4 предварительной обработки информации и береговой обрабатывающей и регистрирующей аппаратуры 6.
При этом снимается так называемая кривая прохода 8 (фиг.2).
Одновременно измеряется распределение дистанции между объектом и РСИ. В береговой аппаратуре 6 происходит нормирование измеренного уровня давления W шумоизлучения на различных частотах к измеренной в те же моменты времени t дистанции.
Определение искомого уровня давления шумоизлучения движущегося объекта, нормированного к единице дистанции, проводят в момент времени t0, в который подводное судно 7 проходит на траверзном расстоянии d от РСИ. Поскольку именно в этот момент наблюдается максимальное соотношение сигнал/шум в принимаемом РСИ сигнале.
В отличие от прототипа в рассматриваемом способе определения уровня давления шумоизлучения движущегося объекта в натурном водоеме измерение траверзного расстояния d осуществляют доплеровским способом без введения в состав СИД исследуемого объекта дополнительного импульсного источника излучения.
Для этого с помощью узкополосных фильтров береговой обрабатывающей и регистрирующей аппаратуры 6 в принятом спектре шумоизлучения движущегося объекта W(t) выделяют стабильную по частоте дискретную составляющую f0 и прослеживают ее доплеровское уширение во времени t движения объекта относительно неподвижного РСИ.
Проводимый анализ доплеровской частоты f(t) во времени дает информацию о кинематических характеристиках движущегося объекта (скорости V и времени t0), по которым затем по формуле (2) рассчитывают траверзное расстояние d.
На фиг.2 слева приведен типичный ход частотно-временной зависимости 9 для движущегося относительно неподвижного гидрофона 3 надводного судна 7, получаемой с помощью береговой аппаратуры, включающей в себя кроме типовых блоков, представленных в прототипе, компьютер со специальной разработанной программой.
В соответствии с выражением (2) и ходом кривой 9 (фиг.2) f(t) при больших отклонениях t от t0 изменяется медленно (практически постоянна). Это дает возможность по выражению (1) определить скорость V движения объекта.
Напротив, в момент прохождения судном 1 траверзного расстояния d (фиг.1, 2) относительно гидрофона 3 доплеровский сдвиг частот равен нулю. Это дает возможность определить момент времени t0.
Подставляя полученные значения V и t0 в уравнение (2), можно найти траверзное расстояние d без искажений исследуемого сигнала исследуемого гидроакустического поля дополнительным широкополосным сигналом СИД, как это происходит в прототипе.
Учитывая, что на низких частотах f0 и малых скоростях V движения объекта абсолютная величина полезного сигнала доплеровского сдвига частот мала, а время усреднения по условиям измерений ограничено, целесообразно для устойчивого выделения доплеровских частот выбирать дискретную составляющую f0>500 Гц,
Параметрическое уравнение (2) найдено путем решения функционала
где Wi весовая функция; 
- измеренные значения частот методом наименьших квадратов.
Таким образом, применение данного способа позволит исключить искажение измеряемого гидроакустического сигнала широкополосным импульсным сигналом СИД за счет использования в последнем узкополосной частотной составляющей, входящей в состав исследуемого шума.
1. Способ определения уровня давления шумоизлучения движущегося объекта в натурном водоеме, заключающийся в размещении в заданной области водоема гидроакустического рабочего средства измерений, направлении контролируемого объекта с равномерной скоростью V курсом к рабочему средству измерений, измерении на различных частотах эффективных значений напряжений на выходе рабочего средства измерений в текущие моменты времени t, измерении в момент времени t0 траверзного расстояния d от объекта до рабочего средства измерений и определении в момент времени t0 уровня давления шумоизлучения движущегося объекта, отличающийся тем, что предварительно в спектре шумоизлучения движущегося объекта выделяют стабильную по частоте дискретную составляющую f0 и на выделенной дискретной составляющей дополнительно измеряют распределение доплеровских частот во времени f(t), возникающем при движении контролируемого объекта относительно неподвижного рабочего средства измерений, при этом при больших отклонениях t от t0, когда наблюдается постоянство f(t), определяют значение скорости объекта по математическому соотношению
а в момент равенства нулю доплеровского сдвига частот фиксируют время t0 прохождения объектом траверзного расстояния d до рабочего средства измерений, определяемого из математического соотношения
где с - скорость звука в воде.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что частоту f0 стабильной дискретной составляющей выбирают большей 500 Гц.
