Способ измерения распределения скорости звука в жидких средах
METHOD OF MEASURING DISTRIBUTION OF SOUND SPEED IN LIQUID MEDIUMS

Изобретение относится к акустическим измерениям и может быть использовано, в частности, для измерения скорости звука в воде при исследованиях Мирового океана.
Известны способы измерения распределения скорости звука в жидких средах. Так в способе, на основе которого выполнено устройство [авторское свидетельство СССР №1675687 на изобретение «Устройство для измерения вертикального распределения скорости звука в жидких средах», G01Н 5/00, 22.08.1989], расчет профиля вертикального распределения скорости звука осуществляется по известным значениям расстояния между излучателем и акустическими приемниками, угла прихода фронта отраженного сигнала, определяемого по спектральному составу смешанных сигналов, и измеренным соответственно этим углам времени и скорости звука на разных глубинах.
Недостатком этого аналога является невысокая точность измерения вертикального распределения скорости звука вследствие применения одной корреляционной приемной системы, включающей в себя два акустических приемника, и соответствующей ей геометрии решаемой задачи, а также отсутствие учета скорости течения, влияющего на точность определения скорости распределения звука.
В способе измерения распределения скорости звука в жидких средах [патент Российской Федерации №2456554 на изобретение «Способ измерения распределения скорости звука в жидкой среде», G01Н 5/00, 20.07.2010] облучают звуковыми колебаниями акустический рассеиватель, находящийся в жидкости на фиксированном горизонте, принимают рассеянный обратно от него акустический сигнал, измеряют скорость звука на горизонте источника и приемника звуковых колебаний, углы наклона характеристик направленности акустического приемника, соответствующие им времена распространения акустического сигнала от источника звуковых колебаний до рассеивателя и обратно к акустическому приемнику. При этом облучают сильный одиночный акустический рассеиватель звуковыми колебаниями последовательно по n+1 углам наклона одной характеристики направленности совмещенного с акустическим приемником источника звуковых колебаний, расположенного на фиксированном горизонте. По измеренным значениям скорости звука на горизонте источника и приемника, углов наклона одной характеристики направленности источника и приемника звуковых колебаний, соответствующих им временам распространения акустического сигнала от источника до рассеивателя и обратно, находят значение горизонта рассеивателя, значения горизонтов n нижних границ n слоев жидкой среды и n значений скорости звука на них.
Недостатком этого аналога является дополнительное погружение рассеивателя на фиксированный горизонт и отсутствие учета скорости течения, влияющего на точность определения скорости распределения звука.
Наиболее близким по совокупности признаков и технической сущности к предложенному изобретению является способ, на основе которого выполнено устройство по авторскому свидетельству [авторское свидетельство СССР №761845 на изобретение «Устройство для измерения вертикального распределения скорости звука в жидких средах», G01Н 5/00, 10.05.1978]. Этот способ выбран в качестве прототипа. Согласно ему характеристика направленности источника звуковых колебаний пересекается с веером характеристик направленности акустического приемника. К приемнику распространяются акустические сигналы, рассеянные от акустических рассеивателей, находящихся в объемах жидкой среды, ограниченных характеристиками направленности источника и приемника звуковых колебаний. По измеренным значениям скорости звука на горизонте источника и приемника звуковых колебаний, временам распространения акустических сигналов от источника до соответствующих рассеивающих объемов и обратно к акустическому приемнику, углам наклона характеристик направленности акустического приемника и известному расстоянию между расположенными на одном горизонте источником и приемником звука находят горизонты рассеивающих объемов и значения скорости звука на них.
Прототип содержит следующие признаки, сходные с существенными признаки заявленного изобретения: расположенным на заданном горизонте среды источником звуковых колебаний излучают акустические сигналы и поочередно с излучением принимают акустическими приемниками, расположенными на том же горизонте на заданных расстояниях от источника и друг от друга, сигналы, отраженные от акустических рассеивателей, находящихся в объемах жидкой среды, которые ограничены пересечением характеристики направленности источника с веером характеристик направленности приемников, измеряют значения скорости звука на горизонте источника и приемников, задают углы наклона характеристик направленности приемников и измеряют соответствующие им времена распространения сигналов от источника до рассеивающих объемов среды и далее до приемников, расчетным путем определяют горизонты залегания рассеивающих объемов среды и вычисляют значения С, скорости звука на этих горизонтах,
Недостатком прототипа является отсутствие учета скорости течения, влияющего на точность определения распределения скорости звука.
В основу изобретения поставлена задача создания способа измерения распределения скорости звука в жидких средах, совокупностью существенных признаков которого достигается новое техническое свойство - устранение фактора влияния скорости течения на измеренные значения скорости звука за счет внесения поправки в групповую скорость, из которой определяется скорость звука. Указанное новое свойство обеспечивает технический результат изобретения - повышение точности определения распределения скорости звука в жидкой среде.
i
г
г
i
i
Задача изобретения решается тем, что в способе измерения распределения скорости звука в жидких средах, который заключается в том, что расположенным на заданном горизонте среды источником звуковых колебаний излучают акустические сигналы и поочередно с излучением принимают акустическими приемниками, расположенными на том же горизонте на заданных расстояниях от источника и друг от друга, сигналы, отраженные от акустических рассеивателей, находящихся в объемах жидкой среды, которые ограничены пересечением характеристики направленности источника с веером характеристик направленности приемников, измеряют значения скорости звука на горизонте источника и приемников, задают углы наклона характеристик направленности приемников и измеряют соответствующие им времена распространения сигналов от источника до рассеивающих объемов среды и далее до приемников, расчетным путем определяют горизонты залегания рассеивающих объемов среды и вычисляют значения С, скорости звука на этих горизонтах, новым является то, что дополнительно определяют сумму проекций скорости течения V на характеристики направленности приемников, используя для вычисления доплеровский сдвиг частоты, получаемый из сигналов источника и приемников, и вычисляют откорректированные значения С скорости звука на горизонтах залегания рассеивающих объемов среды по выражению C=C±V
Сущность изобретения поясняется с помощью иллюстрации, на которой представлена совмещенная схема измерений скорости звука для двух случаев - с использованием профилографа с вертикальным приемопередатчиком и с наклонным.
«Прямоугольная схема» измерений включает расположенные на заданном горизонте среды профилограф 1 с вертикальным 2 приемопередатчиком и корреляционную систему для «прямоугольной схемы» с акустической эквидистантной линейной антенной решеткой, состоящей из n расположенных на заданном расстоянии от профилографа 1 приемников 3, 4 с шагом между ними D. «Наклонная схема» измерений включает расположенные на заданном горизонте среды профилограф 1 с наклонным 5 приемопередатчиком и корреляционную систему для «наклонной схемы» с акустической эквидистантной линейной антенной решеткой, состоящей из n расположенных на заданном расстоянии от профилографа 1 приемников 6, 7 с шагом между ними D.
Способ при «прямоугольной» или при «наклонной» схемах измерений осуществляют следующим образом.
i
x
0
i
i
Излучателем 2 или излучателем 5 профилографа 1 излучают акустические импульсы, заполненные синусоидальным сигналом определенной частоты, и поочередно с излучением принимают сигналы соответственно или акустическими приемниками 3, 4, или приемниками 6, 7. Частота заполнения выбирается в зависимости от необходимой глубины зондирования. Направляемые в исследуемую среду сигналы отражаются от естественных акустических рассеивателей, которые находятся в объемах среды, которые ограничены пересечением характеристики направленности (2 или 5) источника излучения с веером характеристик направленности приемников (соответственно 3, 4 или 6, 7). Задавая углы наклона характеристик направленности приемников, измеряют по переднему фронту акустического сигнала время Δt распространения сигналов от источника до рассеивающих объемов среды и далее до приемников. Затем расчетным путем определяют горизонты залегания рассеивающих объемов среды и вычисляют значения С скорости звука на этих горизонтах. Дополнительно определяют доплеровский частотный сдвиг Δƒ между излученным и принятым сигналами и по величине его определяют горизонтальный вектор скорости течения V. Затем угол приема эквидистантной линейной антенной решетки α изменяют и переходят на следующую глубину z, где измерения вновь повторяют по описанному выше алгоритму, пока не пройдет весь профиль скорости звука и течения с шагом Δz. Определяют сумму проекций вектора скорости течения V на соответствующий акустический луч и вносят эту поправку в величину скорости звука С.
i
При «прямоугольной схеме» зондирования скорость С в i-м слое определяем итерационным методом из выражения
0
где С - скорость звука на горизонте размещения антенных систем.
i
x
Данное уравнение позволяет рассчитать скорость звука С в i-м слое, однако при вычислении скорости звука по трассе луча не учитывается проекция V горизонтальной скорости течения, которая вносит погрешность в измеренную скорость звука.
Используя электрический сигнал, снимаемый с разнесенных акустических приемников, можно определить профиль вертикального распределения вектора скорости течения с учетом эффекта Доплера
c
где Δƒ - доплеровский сдвиг частоты.
i
i
Задаваясь необходимым шагом Δz по глубине z, последовательно определяем средние значения скорости звука в i-м слое. Определяем сумму проекций скорости течения V на соответствующий луч, используя уравнение (2) при cosα=0, и вносим эту поправку в величину скорости звука С.
Таким образом, мы уменьшаем погрешность определения скорости звука в слое воды. Величина этой погрешности может достигать 0,3% при средней величине скорости звука в океане ~1500 м/сек и максимальной скорости течения ~5 м/сек.