Устройство измерения подводной шумности судна

Устройство измерения подводной шумности судна
Полезная модель относится к области гидроакустических измерений, а конкретнее, к измерениям подводной шумности рыболовецких и транспортных судов.
Известно, что подводный акустический шум рыболовецкого судна снижает рыбопромысловый улов (например, Friegon Gary J. Связь между частотными составляющими шума, производимого рыболовными судами и их уловом. JASA, 1979, 66, №1, -p.p. 296-299). В связи с этим принимаются меры по снижению подводного шума рыболовецких судов (например, Г.А. Хорошев, В.А. Плотников, Д.Д. Плахов, В.М. Болгов. Некоторые особенности проблемы снижения шумов в судостроении. Тезисы доклада на 8 Акустической конференции, -М: 1974, - с. 166). Поэтому контроль и измерения этого подводного шума приобретают все большее значение.
Известно устройство для измерения подводного шума движущимися в море объектами из работы J. Pomeratz and G.F. Swanson. Underwater Pressure Fields of Small Naval Vessels in the 2-17 and 7-35 cps Bands at the Puget Sound Acouatic Ranges. - U.S. Nav. Ord. Lab. Rep., 1022. 1979. Это устройство содержит последовательно соединенные одиночный гидрофон, опускаемый с вспомогательного судна, усилитель, широкополосный магнитофон. Шум судна, проходящего мимо приемного гидрофона, регистрируется на ленту магнитофона, после чего анализируется и приводится к единичному расстоянию.
Недостатком этого устройства является невозможность контролировать и измерять подводный шум в процессе плавания судна.
Известно устройство, описанное в книге Р.Д. Урик. Основы гидроакустики. -Л.: Судостроение, 1978. -с.345-346. Это устройство содержит параллельно соединенные линейную решетку гидрофонов, вытягиваемую в линию на дне либо подвешиваемую вертикально, предварительные усилители, донный многожильный кабель, переключатель, широкополосный магнитофон.
Недостатком этого устройства является, во-первых, необходимость оборудования специального измерительного полигона, во-вторых, отсутствие возможности контролировать и измерять подводный шум судна в процессе плаваje« pV«ft
о о
G 01S 3/80
ния, в-третьих, наличие погрешности измерений, обусловленной нестационарностью шума при прохождении вдоль измерительной решетки гидрофонов.
Наиболее близким по технической сущности устройством является полезная модель по патенту РФ № 25946 от 2002г.
Устройство для контроля и измерения подводной шумности рыбопромысловых, пассажирских и транспортных судов (патент на полезную модель № 25946) содержит последовательно соединенные линейную решетку гидрофонов, предварительные усилители, блок уплотнения информации, буксировочный кабель-трос, блок разуплотнения информации, блок формирования характеристик направленности, спектроанализатор, блок компенсации гидроакустических помех, блок контроля и измерения подводного шума, индикатор. Также содержит излучатель тестового сигнала, устройство буксировки и выборки с переменной скоростью с блоком управления, также содержит устройство управления.
Недостатком устройства - прототипа является то, что при малых волновых размерах линейной решетки гидрофонов (-  1, где L длина линейной решетки гидрофонов, X - длина волны) измерения недостаточно достоверны из-за интерференционных искажений, обусловленных отражениями от дна или поверхности моря. Это наблюдается либо при малых длинах линейной решетки гидрофонов, либо на низких частотах, когда характеристика направленности пространственно не отфильтровывает отраженные от дна или поверхности моря звуковые лучи.
Задачей полезной модели является снижение влияния интерференционных искажений по результатам измерения принимаемого подводного шума судна с использованием гибкой протяженной буксируемой антенной (ГПБА) и обеспечение в результате этого достоверных измерений уровня этого подводного шума.
Техническим результатом полезной модели является повышение точности измерений уровня подводной шумности судна при малых волновых размерах ГПБА (для низких частот).
Вышеуказанный технический результат достигается в предлагаемом устройстве за счет использования, как и в устройстве-прототипе, последовательно соединенных линейной решетки гидрофонов, блока предварительных усилителей, блока уплотнения информации, буксировочного кабель-троса, блока разуплотнения информации, блока формирования характеристик направленности, спектроанализатора, блока измерения подводной шумности, индикатора, также содержащего последовательно соединенных блока управления устройством буксировки-выборки и устройства буксировки-выборки, соединенного с буксировочным кабель-тросом, также содержащего устройство управления, синхровходы и синхровыходы соединены с блоками устройства, также содержащего излучатель тестового сигнала.
В устройство введен накапливающий сумматор, вход которого соединен с выходом спектроанализатора, а выход со входом блока измерения подводной шумности судна, а синхровходы и синхровыходы устройства управления соединены с накапливающим сумматором.
На фиг. 1 приведена блок-схема устройства измерения подводной шумности судна.
На фиг. 2 приведено пояснение к работе устройства.
Устройство измерения подводной шумности судна содержит последовательно соединенные линейную решетку гидрофонов 1, блок предварительных усилителей 2, блок уплотнения информации 3, буксировочный кабель-трос 4, блок разуплотнения информации 5, блок формирования характеристик направленности 6, спектроанализатор 7, накапливающий сумматор 8, блок измерения подводной шумности судна 9, индикатор 10, также содержит излучатель тестового сигнала 11, также содержит последовательно соединенные блок управления устройством буксировки и выборки 12 и устройство буксировки и выборки с переменной скоростью 13, также содержит устройство управления измерением подводной шумности судна 14, синхровходы и синхровыходы которых соединены с блоками 3, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 13.
Работа устройства измерения подводной шумности судна осуществляется следующим образом. С помощью устройства буксировки и выборки 12 линейная решетка гидрофонов 1 вместе с предварительными усилителями 2, блоком уплотнения информации 3 и буксировочным кабель-тросом 4 по команде блока управления устройством буксировки и выборки 13 сматывается с лебедки и буксируется за судном на расстоянии длины кабель-троса. При этом обеспечивается возможность изменения скорости буксировки в процессе работы. Подводные гидроакустические шумы принимаются гидрофонами линейной
решетки 1, преобразуются в электрические напряжения, усиливаются в блоках 2, далее в блоке 3 осуществляется уплотнение информации либо с использованием частотного уплотнения, либо путем дискретизации информации. Это связано с тем, что кабель-трос 5 обычно выполняется с малым числом жил, меньших количества гидрофонов в ГПБА.
На выходе кабель-троса в бортовой аппаратуре осуществляется в блоке 5 разуплотнение информации. В блоке 6 формируются характеристики направленности для диапазона частот, при которых -  1.
в спектроанализаторе 7 вырабатываются энергетические спектры.
Как известно (например, Д. Бендат, А. Пирсол. Применение корреляционного и спектрального анализа. -М.: Мир, 1983. -с. 78), для работы спектроанализатора в реальном масштабе времени, т.е. в темпе поступления информации, необходимо вырабатывать реализации энергетического спектра за интервалы времени о согласно условию
° 17-()
где Afp,c. - разрешающая способность спектрального анализа.
Таким образом, в процессе измерений спектроанализатор вырабатывает реализации энергетического спектра дискретно с шагом по времени Ato.
В блоке 9 выполняют контроль за подводным шумом судна путем сопоставления спектра этого шума со спектром шума, который наблюдался при этой же скорости при ходовых испытаниях судна. Для измерения спектра этого шума дополнительно сравнивают спектр шума судна с тестовым сигналом, излучаемым с кормы судна с помощью излучателя 11, который предварительно градуируется по излучаемому акустическому давлению. Результаты контроля и измерения подводной шумности отображаются на индикаторе 10.
Блок управления 14 обеспечивают синхронизацию работы цифровых блоков устройства.
В области низких частот, при которых мала волновая длина линейной решетки гидрофонов 1, характеристика направленности имеет малую пространственную избирательность. Поскольку шум от судна к линейной решетке гидрофонов 1 поступают по водно-водному лучу 15 и водно-донному лучу 16 (фиг. 2), энергетический спектр принимаемого подводного шума судна на выходе тракта описывается соотношением
)  GoWr( 4яО
где Go((o) - приведенный к единичному расстоянию энергетический спектр подводного шумоизлучения судна в безграничной среде;
у((о) - частотная характеристика электроакустической чувствительности линейной решетки гидрофонов 1;
D - расстояние от акустического центра подводного шумоизлучения судна до акустического центра линейной решетки гидрофонов 1 по водно-водному (прямому) акустическому лучу;
D - расстояние от акустического центра подводного шумоизлучения судна до акустического центра решетки гидрофонов 1 по трассе водно-донного (отраженного) акустического луча;
Котр(о)) - частотная характеристика коэффициента отражения подводного шумоизлучения судна от дна моря;
в) - круговая частота;
72 - время запаздывания отраженного луча по отношению к прямому
7-,,(3)
где С - скорость звука в водной среде.
Последнее слагаемое в (2) учитывает интерференцию сигналов от обоих лучей. При отсутствии отражений от дна, т.е. при наличии только прямого сигнала по водно-водному лучу энергетический спектр
GfW  GoHrW -l- (4)
(Coso)T + К„М4л / -
G (и) - Gf (ш)  JG (и))  D GfW
Так как интерференционный сомножитель CoscoT2 изменяется от нуля до ±1, погрешность может быть настолько велика, что измерения становятся недостоверными. Расчетным путем учесть интерференционный член невозможно, т.к. отсутствует текущая информация о коэффициенте отражения Komp(fo).
Поэтому в процессе измерений, изменяя скорость буксировки ГПБА, перемещают решетку гидрофонов 1 по горизонтальной прямой, изменяя задержку
Тогда, усредненное значение энергетического спектра за период измерений равно
,
1
--- lG,(a),T,)dT,,
AT-, т
2 7-2
где АТ2 - изменение времени запаздывания прямого и отраженного лучей, обеспечиваемое изменением скорости буксировки ГПБА в процессе измерений. Подставляя (1) в (6), найдем
где интерференционный член равен
-1 72+ d72/ гг,
1  - Cos(i)T.,dT,  Coscol Т.,, I I  2 j
Z)
„„,(,).Со.й.Г,
(5)
(6)
(7)
2яОД
с,- 0)ЛТ
Sin
(8)
G)AT
при всех X  2,57t. Тогда, в терминах соотношения (8) это условие подавления интерференционного члена запишется в виде
,
2,5яг
(9)
I/-A7; 2,5 или
на всех частотах от нижней /„ до верхней fe частоты. Следовательно, окончательно, для подавления интерференционного члена должно выполняться условие:
Arj
Например, при/,20Гц должно быть обеспечено (Т  ОД2с.
Накапливающий сумматор 8 осуществляет упомянутую операцию усреднения энергетического спектра (8) в процессе измерений дискретно через интервалы Ato. Поэтому
(KH
Чтобы исключить влияние на результаты измерений Go((o) неизвестного параметра Котр((о), создают с помощью излучателя 11 тестовое излучение I с уровнем на порядок большим, чем капливающего сумматора 8 „ес,М  , (й)|г„р (foif 4яО 4л:Д
(10)
(11)
...и
(12)
4яО
4яО, К.М Go((o) и определяют на выходе на
G..(14)
,A)
Частотная характеристика энергетического спектра подводного излучения судна GO(CO) отображается на индикаторе 10.
Реализация расчетной процедуры (14) в блоке 9 по выходным сигналам с накапливающего сумматора 8 позволяет осуществлять текущий контроль уровня подводного шумоизлучения судна с использованием индикатора 10.
Линейная решетка гидрофонов 1 с электронными блоками 2 и 3 конструктивно выполняется в виде сейсмокос или гибких протяженных гидроакустических буксируемых антенн, описанных, например, в Naval Forces, 1981, 3, № 5, с.64-69, а также в статье А.А. Гурвич, Н.М. Гусев, Г.В. Яковлев. Гидроакустические системы с гибкими протяженными буксируемыми антеннами. - Судостроение за рубежом, № 10 (24), 1984. -с.34-53.
Построение накапливающего сумматора известно, например, из книги Ж. Макс. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях. Том 2. -М.: Мир, 1983.-c.87 или из книги под ред. Б.Н. Малиновского. Справочник по цифровой технике Киев, 1974.-c.128.
Таким образом, устройство измерения подводной шумности рыбопромысловых и транспортных судов обеспечивает достижение заданного технического результата.