Способ акустического мониторинга изменчивости параметров морских акваторий



Способ акустического мониторинга изменчивости параметров морских акваторий

 

G01N29/024 - Исследование или анализ материалов с помощью ультразвуковых, звуковых или инфразвуковых волн; визуализация внутреннего строения объектов путем пропускания через них ультразвуковых или звуковых волн через предметы (G01N 3/00-G01N 27/00 имеют преимущество; измерение или индикация ультразвуковых, звуковых или инфразвуковых волн вообще G01H; системы с использованием эффектов отражения или переизлучения акустических волн, например акустическое изображение G01S 15/00; получение записей с помощью способов и устройств, аналогичных используемым в фотографии, но с использованием ультразвуковых, звуковых или инфразвуковых волн G03B 42/06)

Владельцы патента RU 2563317:

Аносов Виктор Сергеевич (RU)
Кокорин Валерий Иванович (RU)
Жильцов Николай Николаевич (RU)
Чернявец Владимир Васильевич (RU)
Нестеров Николай Аркадьевич (RU)

Изобретение относится к акустическим измерениям и может быть использовано для измерения скорости звука в естественных водоемах. Предложен способ акустического мониторинга изменчивости параметров морских акваторий, заключающийся в формировании в морской среде акустической трассы распространения звука и обработке принятого приемным элементом трассы акустического сигнала, которой включает измерение скорости распространения звука, температуры и давления в образцовой зоне водоема на фиксированных горизонтах, свободной от загрязнений техногенного характера, при этом полученные значения измеренной скорости распространения звука являются эталонными значениями для данного водоема и заносятся в память вычислительного устройства средства акустического мониторинга, при формировании в морской среде акустической трассы распространения звука и обработке принятого приемным элементом трассы акустического сигнала, измерения скорости распространения звука выполняют при температуре и давлении, соответствующих температуре и давлению полученных эталонных значений скорости распространения звука на фиксированных горизонтах акватории исследуемого водоема. Технический результат заключается в повышении достоверности способа акустического мониторинга изменчивости параметров морских акваторий, а также расширении функциональных возможностей. 1 ил.

 

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для создания локальных региональных и глобальных акустических систем долговременного контроля вдоль трасс распространения звука таких параметров морской среды, как средняя температура вод и ее изменчивость, проекции на трассу скорости течения, наличие на трассе гидрофизических неоднородностей, льда, движения рыбных скоплений, прохождения судов и т.п.

Известны способы акустического мониторинга изменчивости параметров морских акваторий, систематизированных в журнале J. Acoust. Joe. Amer., 1994, 86, N 4 [1] и статье Проблемы метрологии и гидроакустических измерений, Менделеево, ВНИИФТРИ, 1992, с. 96-101 [2], которые можно свети к двум основным группам:

- монохроматические, в которых излучается и принимается тонально-импульсный сигнал на заранее выбранной частоте и осуществляется измерение времени распространения этого сигнала на трассе либо по фронту импульса, либо по фазе несущей;

- широкополосные, например, когда излучают и принимают линейно-частотно модулированный сигнал [2] для спектроскопии временных задержек или псевдослучайный сигнал в виде фазоманипулированной М-последовательности с определением времени распространения по корреляционной функции между принятым и излученным сигналами.

Общими признаками известных способов [1, 2] акустического мониторинга являются формирование в морской среде акустической приемно-излучающей трассовой схемы и обработка принятого приемным элементом трассовой схемы акустического сигнала, прошедшего трассу распространения звука.

Известный также способ акустического мониторинга, описанный в работе W.И. Munk, R.C. Spindel, A. Baggeroel, T.C. "Birdsall The heard island feasibility test" // J. Acoust. Joe. Amer., 1994, 96, N 4, pp. 2330-2342 [3] из журнала [1], обладает общими признаками известных способов [1, 2].

Недостатками известных способов акустического мониторинга являются необходимость излучения больших акустических мощностей для их реализации для получения требуемой точности измерений [2].

Известен также способ акустического мониторинга изменчивости параметров морских акваторий, техническим результатом, получаемым от внедрения которого, является значительное снижение требуемой мощности излучения для реализации способа, упрощение схемы реализации способа и повышение точности измерений при меньших временных реализациях обработки сигнала за счет самоадаптации автогенератора к условиям распространения звука на трассе (патент RU №2134432 С1, 10.08.1999 [4]).

Данный технический результат достигается за счет того, что в известном способе акустического мониторинга изменчивости параметров морских акваторий, заключающемся в формировании в морской среде акустической приемно-излучающей трассовой схемы и обработке принятого приемным элементом трассовой схемы акустического сигнала, прошедшего трассу распространения звука схемы, принятый приемным элементом трассовой схемы сигнал подают на излучающую сторону трассы и нелинейно усиливают до появления режима автогенерации в трассовой схеме на одной из частот, определяемой гидрофизическими условиями на трассе распространения звука, затем измеряют частоту автогенерации в трассовой схеме, по значению которой судят об изменениях параметров морской среды [4].

В частном случае формирование режима автогенерации трассовой схемы через морскую среду проводят в двух направлениях: прямом и обратном.

При этом в трассе распространения звука могут выделить требуемую группу лучей (мод), а режим автогенерации трассовой схемы возбудить при использовании выделенный луч (мод), при этом в качестве приемного элемента используют вертикально ориентированную гидроакустическую антенну.

При обработке принятого приемным элементом трассовой схемы акустического сигнала анализируют спектры изменчивости частоты автогенерации, по которым судят о природе изменчивости гидрофизических параметров морской среды.

Известный способ акустического мониторинга изменчивости параметров морских акваторий [4] наряду с его достоинствами обладает и существенным недостатком.

Как известно, скорость звука в воде (с) зависит от температуры, ее состава (наличия в ней различных химических элементов и примесей) и плотности. И может быть измерена как непосредственно, так и рассчитана по эмпирическим формулам, представляющим собой зависимости вида (Справочник по гидроакустике / А.П. Евтютов, А.Е. Колесников, У.А. Корепин и др. - 2 изд., перераб. и доп. - Л.: Судостроение, 1988. - 552 с. ):

где с0 - опорное значение скорости звука при Т=0°C, S=35‰, Р=9,806 Па;

ΔСT, ΔCS, ΔСP, ΔСTSP - поправки на температуру, соленость, давление и совместное влияние температуры, солености и давления.

Наибольшее влияние на изменение скорости звука оказывает температура воды. Так при изменении температуры на 1°C при температуре воды 10°C скорость звука изменяется на 3,6 м/с, при температуре 15°C изменяется на 3,2 м/с. В то же время изменение солености на 1‰ (при S=30…35‰) вызовет изменение скорости звука на 1,40±0,01 м/с; изменение давления на 10 м глубины вызывает изменение скорости звука на 0,165…0,185 м/с.

Кроме того, изменение состава и плотности воды, вызванное ее загрязнением, приведет к изменению скорости распространения звука в ней.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение достоверности способа акустического мониторинга изменчивости параметров морских акваторий, а также расширение функциональных возможностей.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе акустического мониторинга изменчивости параметров морских акваторий, заключающемся в формировании в морской среде акустической трассы распространения звука и обработке принятого приемным элементом трассы акустического сигнала, в котором в качестве приемного элемента трассы используют вертикально ориентированную гидроакустическую антенну, с помощью которой в акустической трассе распространения звука выделяют требуемую группу лучей, возбуждают режим автогенерации с использованием выделенных лучей путем направления принятого гидроакустической антенной сигнала на излучающую сторону трассы и нелинейного усиления до появления режима автогенерации на одной из частот, определяемой гидроакустическими условиями на трассе, при этом при обработке принятого гидроакустической антенной сигнала анализируют спектры изменчивости частоты автогенерации, по которым судят о природе изменчивости гидрофизических параметров морской среды, в отличие от прототипа способ акустического мониторинга изменчивости параметров морских акваторий дополнительно включает измерение скорости распространения звука, температуры и давления в образцовой зоне водоема на фиксированных горизонтах, свободной от загрязнений техногенного характера, при этом полученные значения измеренной скорости распространения звука являются эталонными значениями для данного водоема и заносятся в память вычислительного устройства средства акустического мониторинга, при формировании в морской среде акустической трассы распространения звука и обработке принятого приемным элементом трассы акустического сигнала, измерения скорости распространения звука выполняют при температуре и давлении, соответствующих температуре и давлению полученных эталонных значений скорости распространения звука на фиксированных горизонтах акватории исследуемого водоема.

Измерив одновременно при одной и той же температуре и давлении скорость распространения звука в исследуемой точке водоема и в образцовой зоне прямым способом и получив некоторую разность показаний, можно с определенной степенью вероятности выявить отличие в составе (минерализации) и плотности исследуемых проб воды.

Для реализации способа акустического мониторинга изменчивости параметров морских акваторий могут быть использованы схемы измерения скорости распространения звука прототипа [4] с добавлением каналов измерения температуры и гидростатического давления или аналогичные подводные зонды промышленного изготовления.

Способ осуществляется следующим образом.

Способ акустического мониторинга изменчивости параметров морских акваторий включает измерение скорости распространения звука, температуры и давления в образцовой зоне водоема на нескольких фиксированных горизонтах, свободной от загрязнений техногенного характера, например, посредством известного измерителя [6], дополнительно снабженного каналами измерения температуры и гидростатического давления.

Полученные при этом значения измеренной скорости распространения звука являются эталонными значениями для данного водоема и заносятся в память вычислительного устройства средства акустического мониторинга.

При формировании в морской среде акустической трассы распространения звука и обработке принятого приемным элементом трассы акустического сигнала измерения скорости распространения звука выполняют при температуре и давлении, соответствующих температуре и давлению полученных эталонных значений скорости распространения звука на нескольких горизонтах акватории исследуемого водоема.

В настоящее время разработаны и применяются целый ряд контактных и бесконтактных способов определения физико-химического состава водоемов и измерения загрязненности воды (нейтронно-активационный, рентгеноспектральный, атомно-абсорбционный и атомно-эмиссионный анализ, спектрофотометрический и флуориметрический методы, инфракрасная спектрометрия и т.п.). Учитывая, что скорость распространения звука в воде зависит от ее гидрофизических и гидрохимических характеристик, предлагаемый способ определения загрязненности воды измерением скорости звука в ней может быть предложен в качестве одного из них.

Очевидным преимуществом данного подхода является возможность оперативного определения скорости звука прямым способом (по измерению промежутка времени прохождения акустического луча определенного расстояния) in situ и тем самым оперативно устанавливать факт загрязнения данного участка водоема. По мере накопления статистического материала по данным измерениям может использоваться и относительный способ определения загрязненности (по измерению поправок за счет разности скорости звука, электропроводности и плотности воды с применением соответствующих эмпирических зависимостей).

Задача исключения влияния изменения температуры при проведении измерений, может быть решена одновременным измерением скорости распространения звука при одних и тех же условиях (при одинаковой температуре и давлении) в образцовой (незагрязненной) пробе и в определяемой на загрязнение воде на нескольких фиксированных горизонтах.

Измерение температуры воды необходимо, поскольку ее влияние на скорость звука в воде при различных значениях варьируется. Как правило, современные измерители скорости звука оснащены датчиками температуры.

В зависимости от цели исследований технология измерений указанным способом может варьироваться. Так для обследования загрязненности какого-либо участка водоема возможно проведение замеров в узлах равномерной или неравномерной сети измерений расположенной по исследуемому водоему (фигура).

Если предположительно или точно известно место источника загрязнения, то целесообразно сгущение сети измерений у этого источника с последующим разрежением сети по мере удаления от него. Для определения степени загрязнения воды каким-либо промышленным или сельскохозяйственным предприятием возможна организация сравнительного контроля проведением замеров у водозабора и у водоотведения данного предприятия.

Рассматривая величину погрешности предлагаемого способа и полагая, в первом приближении, измеряемые скорости звука в исследуемой воде и эталонной пробе статистически независимыми, можно допустить, что средняя квадратическая погрешность (СКП) способа будет равна:

где mиз - СКП измерителя скорости звука;

СКП современных измерителей скорости звука, например Valeport Mini SVS, составляет не более 0,02 м/с. То есть СКП способа не превысит 0,028 м/с.

Для сравнения такая величина изменения скорости звука при температуре воды 15°C в практически пресной воде (соленость 0÷1‰) будет определяться изменением солености примерно в 0,25‰. (Зубов Н.Н. Океанологические таблицы. Гидрометеоиздат. Л. 1957 г. - 407 с. ).

Предлагаемый способ измерения скорости распространения звука позволяют с достаточными разрешением и оперативностью устанавливать факт загрязнения воды в водоеме и оценивать величину этого загрязнения с последующим анализом физико-химического состава по известным методикам.

Источники информации

1. Авторское свидетельство SU №640221 А, 30.12.1978.

2. Смирнов А.Д. Импульсная ультразвуковая измерительная аппаратура. - М.: Энергия, 1967, с. 100,108.

3. Колесников А.Е. Ультразвуковые измерения. - М.: Издательство стандартов, 1970, с. 55-73.

4. Патент DE №4409999 А1, 15.15.1994.

5. Патент DE №4315794 Al, 17.11.1994.

6. Патент RU №2208823 C2, 10.07.2003.

Способ акустического мониторинга изменчивости параметров морских акваторий, заключающийся в формировании в морской среде акустической трассы распространения звука и обработке принятого приемным элементом трассы акустического сигнала, в котором в качестве приемного элемента трассы используют вертикально ориентированную гидроакустическую антенну, с помощью которой в акустической трассе распространения звука выделяют требуемую группу лучей, возбуждают режим автогенерации с использованием выделенных лучей путем направления принятого гидроакустической антенной сигнала на излучающую сторону трассы и нелинейного усиления до появления режима автогенерации на одной из частот, определяемой гидроакустическими условиями на трассе, при этом при обработке принятого гидроакустической антенной сигнала анализируют спектры изменчивости частоты автогенерации, по которым судят о природе изменчивости гидрофизических параметров морской среды, отличающийся тем, что способ акустического мониторинга изменчивости параметров морских акваторий дополнительно включает измерение скорости распространения звука, температуры и давления в образцовой зоне водоема на фиксированных горизонтах, свободной от загрязнений техногенного характера, при этом полученные значения измеренной скорости распространения звука являются эталонными значениями для данного водоема и заносятся в память вычислительного устройства средства акустического мониторинга, при формировании в морской среде акустической трассы распространения звука и обработке принятого приемным элементом трассы акустического сигнала, измерения скорости распространения звука выполняют при температуре и давлении, соответствующих температуре и давлению полученных эталонных значений скорости распространения звука на фиксированных горизонтах акватории исследуемого водоема.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и решает задачу повышения точности оценки параметров принимаемого акустического сигнала в условиях влияния реверберационной помехи.

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для создания локальных региональных и глобальных акустических систем долговременного контроля вдоль трасс распространения звука таких параметров морской среды, как средняя температура вод и ее изменчивость, проекции на трассу скорости течения, наличия на трассе гидрофизических неоднородностей, льда, движения рыбных скоплений, прохождения судов и т.п.

Изобретение относится к гидроакустической технике, в частности к области активной гидролокации. Согласно изобретению активный гидролокатор, включает процессорный блок, приемо-передающий блок, соединительный кабель от процессорного к приемо-передающему блоку, антенный блок гидролокатора со встроенным сигнальным и управляющим кабелем, при этом приемо-передающий блок выполнен выносным и содержит две фазируемые антенные решетки, работающие в паре, одна из которых - излучающая с веерной диаграммой направленности, установлена внутри корпуса с возможностью вращения в горизонтальной плоскости вокруг оси, проходящей через ее геометрический центр, а другая - приемная антенная решетка, неподвижно закреплена на корпусе и выполнена в виде кольца, охватывающего герметичный корпус, заполненный жидкостью для компенсации гидростатического давления внешней среды.
Применение: Изобретение относится к области рыболовства и предназначено для диагностики гидробионтов (обнаружения, определения местоположения и перемещения, вида, возраста, пола и состояния).

Изобретение относится к гидролокации, конкретно к пассивным способам акустического обнаружения и локации подводных пловцов в толще воды, и может быть использовано при проведении подводных поисковых и спасательных работ, осуществлении охраны береговых сооружений и пляжей со стороны водной среды или охраны подводных сооружений, а также охраны судов на якорной стоянке, морских нефтяных платформ, входов в порты, опор мостов, каналов, акваторий гидростанций.

Изобретение относится к области подводной навигации и, в частности, может быть использовано для определения собственных координат АНПА при его перемещении подо льдом в высоких арктических широтах.

Настоящее изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для разработки гидроакустической аппаратуры различного назначения. Способ позволяет автоматически обнаруживать гидроакустические сигналы шумоизлучения объектов.

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к конструированию многоэлементных антенн гидроакустических комплексов надводных кораблей и подводных лодок. Предложена многоэлементная гидроакустическая антенна, содержащая основание, на котором закреплены секции, в которых размещены стержневые пьезокерамические преобразователи, каждая секция заключена в герметичный корпус и содержит на лицевой стороне пластину, в отверстиях которой установлены передние накладки стержневых пьезокерамических преобразователей, герметично соединенные со стенками отверстий резиновыми развязками-уплотнениями, и каждая секция имеет электрический вывод.

Изобретение относится к гидроакустической технике, конкретнее к области активной гидролокации, в том числе к активным гидролокаторам, предназначенным для обнаружения объектов, измерения координат и параметров движения обнаруженных объектов.

Изобретение относится к техническим средствам охраны объектов со стороны водной среды с прямой передачей информации в пункт приема об обнаруженных подводных целях через границу вода-воздух на основе эффекта параметрического взаимодействия электромагнитных и акустических колебаний, организованных на границе вода-воздух.

Изобретение относится к освоению подводных месторождений полезных ископаемых, преимущественно жидких и газообразных, а именно к сооружению технологических комплексов, предназначенных для обустройства морских глубоководных нефтегазовых месторождений и работающих в экстремальных условиях.

Изобретение относится к автоматизированной регистрации в реальном времени морских млекопитающих. Техническим результатом является повышение точности регистрации в режиме реального времени морских млекопитающих.

Использование: для акустического согласования пьезоэлемента иммерсионного ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя с контролируемой средой. Сущность изобретения заключается в том, что выполняют формирование между пьезоэлементом и контролируемой средой протектора и размещение с другой стороны пьезоэлемента демпфера, при этом толщину пьезоэлемента и толщину протектора определяют исходя из резонансной частоты пьезоэлемента fпэ=(1,10÷1,12)f+(0,1÷0,2), где f - эффективная частота эхо-импульса, а материалы протектора и демпфера выбирают с акустическими сопротивлениями из диапазонов, удовлетворяющих определенным соотношениям.

Использование: для ультразвуковой дефектоскопии. Сущность изобретения заключается в том, что разбивают пьезоэлементы антенной решеткой на несколько подрешеток, присваивают каждому излучающему элементу подрешетки свой зондирующий сигнал из набора псевдоортогональных сигналов, выполняют одновременное излучение в объект контроля всеми элементами подрешетки и принимают из него ультразвуковые сигналы с помощью любой подрешетки с последующим декодированием принятых эхо-сигналов для формирования набора эхо-сигналов, который можно было бы получить при излучении и приеме всеми парами элементов антенной решетки, при этом для каждой из пар подрешеток и для каждого положения антенной решетки используется свой набор псевдоортогональных сигналов, например кодов Касами или линейно-частотно-модулированных сигналов, а декодирование для формирования набора эхо-сигналов для восстановления изображения отражателей методом C-SAFT производится методом максимальной энтропии.

Изобретение относится к перинатологии и предназначено для снижения перинатальной заболеваемости при поздних преждевременных родах. Сущность способа: в сроках 34-36 недель беременности при угрозе преждевременных родов проводят ультразвуковую фетометрию.

Изобретение относится к технике горного дела, добыче полезных ископаемых, в частности к устройствам для изучения физико-механических свойств горных пород, и может быть использовано в геологии, горной, газовой и нефтяной промышленности для расчета предельной величины давления гидроразрыва пласта.
Изобретение относится к метрологии, в частности к устройствам для измерения звукопоглощающих свойств жидкостей. Устройство содержит тональный аудиометр, к которому подключен костный телефон-вибратор с ремешком для его фиксации в заданном положении.

Использование: для определения коэффициента акустоупругой связи. Сущность изобретения заключается в том, что образец нагружают до заданного значения напряжения в материале и измеряют время распространения акустической волны в направлении, перпендикулярном направлению нагружения, при этом растягивают или сжимают образец до напряжения σ, меньшего предела пропорциональности материала, измеряют время t1 распространения акустической волны между двумя параллельными поверхностями образца, разгружают образец, соответственно сжимают или растягивают образец до напряжения σ, измеряют время t2 распространения акустической волны между указанными поверхностями образца и определяют коэффициент акустоупругой связи по заданному математическому выражению.
Наверх