СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ЗВУКА
METHOD OF MEASURING SOUND SPEED

Настоящее изобретение относится к области гидроакустики и предназначено для измерения скорости звука для проведения гидроакустических исследований и измерительных работ гидроакустической аппаратуры.
Все измерения в гидроакустике производятся с использованием оценки скорости звука. (В.Н. Матвиенко, Ю.Ф. Тарасюк. Дальность действия гидроакустических средств. - Л.: Судостроение, 1981 г.)
Существуют прямые и косвенные методы определения скорости распространения звука в воде. Косвенные методы предполагают предварительное измерение температуры воды и солености воды, и дальнейший расчет по известным номограммам скорости звука. (В.А. Комляков. Корабельные средства измерения скорости звука и моделирования акустических полей в океане. - СПб.: Наука, 2003 г., с. 50-87).
Эти способы позволяют определять скорость звука по конкретным измерениям температуры и солености, которые могут быть произведены путем забора проб воды и проведения химического анализа при процедуре измерения температуры. Измерение производится с использованием специальных судов и стандартных океанографических измерительных средств, в которые входят глубоководный опрокидывающийся термометр, термометр-глубомер, батитермограф, а также комплексные гидрологические зонды. Количество параметров измеряемых зондом и измерительных каналов зависит от выполняемых им конкретных задач. Информация об измеренных параметрах передается в бортовые приборы по кабель-тросу. Недостатками этого метода являются необходимость специализированного судна и длительная процедура измерения для получения оценки скорости звука по трассе.
Существуют прямые методы измерения скорости звука при использовании конкретных приборов, которые измеряют скорость звука на глубине нахождения с использованием интерферометрических методов, фазовых методов, импульсных методов и частотных методов. Эти приборы, как правило, устанавливаются на борту судна и измеряют скорость звука при погружении до определенной глубины. Для расчетов траекторий распространения сигналов используется таблицы, снятые для всех глубин и для всех морей и океанов, в которых указаны значения скоростей звука на различных глубинах. Как правило, эти значения являются устаревшими и не всегда соответствуют решаемым задачам (там же, с. 98). Есть разовые гидрофизические зонды, которые погружаются до дна и по мере погружения передают информацию о значении скорости звука на конкретной глубине. Этот способ является дорогим и затратным и не всегда может быть использован при решении конкретных задач для получения скорости звука по трассе.
Здесь надо учитывать то обстоятельство, что измерение происходит в одной конкретной точке по глубине и считается, что такое же распределение скорости звука будет по всей трассе распространения сигнала, что не всегда соответствует действительности. Практически никто не проводил измерение скорости звука по трассе ввиду сложности работ и трудности их сопоставления.
Известен способ измерения скорости звука по трассе с использованием взрывных источников излучения, который рассматривается в работе: Роберт Дж. Урик. Основы гидроакустики. - Л.:  Судостроение, 1978 г., с. 165-200.
Наиболее близким аналогом, который целесообразно принять за прототип, является дистанционное измерение скорости звука с использованием гидроакустического канала. ( В.А. Комляков. Корабельные средства измерения скорости звука и моделирования акустических полей в океане. - СПб.: Наука, 2003 г., с. 149-153.
Способ содержит излучение зондирующего сигнала неподвижным источником, передачу по радиоканалу времени излучения, прием сигнала распространения неподвижным источником, определение скорости распространения сигнала по известной дистанции и времени распространения от момента прихода радиосигнала и момента прихода гидроакустического сигнала.
Недостатком такого способа является зависимость оценки скорости звука от точности измерения дистанции, необходимость радиоканала и гидроакустического канала одновременно.
Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности измерения скорости звука по трассе, получение реальных результатов по изменчивости скорости звука по трассе в процессе измерений с использованием одного гидроакустического канала измерения и без учета точности измерения дистанции.
1
N
1
N
Указанный технический результат может быть достигнут в том случае, если в известный способ, содержащий излучение гидроакустического зондирующего сигнала неподвижным источником и прием зондирующего сигнала, введены новые операции, а именно: излучение зондирующего сигнала производят через постоянные промежутки времени Т, сохраняя длительность зондирующего сигнала постоянной, прием эхосигнала осуществляют приемным устройством, движущимся по траектории распространения зондирующего сигнала навстречу, определяют скорость V движения носителя приемного устройства, определяют время прихода первого зондирующего сигнала t, определяют время прихода N-го зондирующего сигнала t, а скорость звука между неподвижным источником зондирующего сигнала и подвижным носителем приемного устройства определяют по формуле: C=(N-1)VT/{t-t+(N-1)T}.
Рассмотрим процедуру определения скорости звука по трассе.
1
0
0
0
0
Единственным параметром который может быть измерен при обнаружении зондирующего сигнала является время обнаружения t=t+D/C, где C - скорость звука. Время излучения зондирующего сигнала t не известно и дистанция D между приемным устройством и неподвижным источником зондирующего сигнала не известна также, скорость звука так же не известна.
2
2
0
0
0
0
Если принят второй сигнал, измерено время приема второго сигнала t, то это время равно t=t+Т+(D-VT)/C, где Т - время между моментами излучения зондирующих сигналов, V - скорость движения носителя приемного устройства, (D-VT) - новая дистанция распространения. Составим уравнения относительно дистанции - D/C.
0
1
0
Для первого сигнала D/C=t-t.
0
2
0
Для второго сигнала D/C=t-t-Т+VT/C.
Решим уравнение относительно скорости распространения звука:
1
0
2
0
1
0
2
0
t-t=t-t-T+VT/C; t-t-t+t+T=VT/C.
1
2
Откуда получим: C=VT/(t-t+T), С - скорость звука, измеренная за время между двумя зондирующими сигналами.
3
0
0
Если принят третий сигнал: t=t+2Т+(D-2VT)/C.
0
3
0
Для третьего сигнала D/C=t-t-2T+2VT/C.
1
3
Откуда получим: С=2VT/(t-t+2Т), где C - скорость звука, измеренная за время между тремя зондирующими сигналами.
N
1
N
Если принято N сигналов и измерены времена приема сигналов t, тогда скорость звука на момент измерения между N зондирующими сигналами будет равна C=(N-1)VT/{t-t+(N-1)T} относительно первого принятого зондирующего сигнала. Поскольку дистанция, проходимая приемным устройством, установленным на подвижном носителе, между посылками существенно меньше, чем дальность между источником зондирующего сигнала и приемником, то можно считать, что оценка скорости звука принадлежит дистанции приема N-го зондирующего сигнала. За время между измерениями оценка скорости звука на трассе не может существенно изменится.
0
0
Рассмотрим пример, который позволит оценить ошибку расчета измерения скорости звука предложенным способом. Пусть дистанция между излучателем и приемником равна Д=10000 м. Время между излучениями зондирующего сигнала Т=10 с. Скорость движения приемника V=10 м/с. Положим для расчета скорость распространения сигнала по трассе C=1500 м/с.
0
Имеем следующие расчетные оценки при t=0:
1
0
0/
1
t=t+ДC; t=6,6666 с.
2
0
0
2
t=t+T+(Д-VT)/C; t=16,6 с.
Расчетная скорость звука при распространении по трассе при измерении по двум последовательным сигналам С=1515 м/с, что отличается от оценки скорости звука, принятой для расчета на 1%.
Рассчитаем скорость звука при распространении по трассе при измерении по трем последовательным сигналам С:
3
0
0
t=t+2Т+(Д-2VT)/C;
3
t=26,533 с.
Получим расчетную оценку скорости звука C=1503 м/с, что отличается от оценки скорости звука, принятой для расчета на 0,2%. При этих измерениях приемное устройство прошло 200 м, что существенно меньше дистанции 10000 м.
Точность измерения интервала между излучениями может быть обеспечена современными методами достаточно высокая и составлять величину порядка 0,001 с = 1 мс. Длительность излучаемого сигнала может быть выбрана порядка 1 мс, что в условиях прямого распространения обеспечит большое отношение сигнал/помеха при измерении по переднему фронту. Точность измерения скорости движения современными измерителями составляет величину меньше 0,01 м/с. (А.В. Богородский, Д.Б. Островский. Гидроакустические навигационные и поисково-обследовательские средства. - СПб.: ЛЭТИ, 2009 г., с. 48). В этих условиях ошибка оценки скорости звука при двух последовательных измерениях за счет ошибки скорости движения будет в пределах 1 м/с.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой представлено блок-схема устройства, реализующего заявленный способ.
Устройство (фиг. 1) содержит неподвижный автономный гидролокатор 1 зондирующего сигнала. Установленная на движущемся объекте антенна 2 через приемное устройство 3, блок 4 измерения времен прихода зондирующего сигнала, блок 5 памяти, блок 6 измерения разности времен прихода первого и N-го зондирующих сигналов соединена с блоком 7 определения скорости звука на трассе. Второй выход блока 4 соединен со вторым входом блока 6. Выход блока 8 соединен со вторым входом блока 7.
Гидролокатор 1, антенна 2 и приемное устройство 3 являются известными устройствами, которые подробно описаны в отечественной литературе: А.С. Колчеданцев. Гидроакустические станции. - Л.: Судостроение, 1982 г., А.Н. Яковлев, Г.П. Кабаков. Гидролокаторы ближнего действия. - Л.: Судостроение, 1983 г. В качестве неподвижного гидролокатора может быть использован автономный маяк-ответчик, который может быть установлен в любой точке и на любой глубине. Такой маяк является разовым устройством и его включение осуществляется либо по команде либо в определенное время. (А.В. Богородский, Д.Б. Островский. Гидроакустические навигационные и поисково-обследовательские средства.- СПб.: ЛЭТИ, 2009 г, с. 10-40). Блок измерения 4 времен прихода является известным устройством, который может быть реализован по схеме одноканального цифрового обнаружителя. (А.Н. Яковлев, Г.П. Кабаков. Гидролокаторы ближнего действия,  с.107). Блок 6 измерения разности времен, блок 5 памяти и блок 7 определения скорости звука по трассе являются стандартными процедурами цифровой вычислительной техники и могут быть реализованы программным образом на любых вычислительных средствах. Все блоки, используемые для определения скорости звука, могут быть выполнены в тех же спецпроцессорах, на которых реализуется работа приемных трактов современных гидролокационных станций. Это стандартные спецпроцессоры, которые работают по разработанным программам и жесткой логике управления при поступлении исходной информации. (Ю.А. Корякин, С.А. Смирнов, Г.В. Яковлев. Корабельная гидроакустическая техника. - СПб.: Наука, 2004 г., с. 281-289). Практически все указанные процедуры могут быть реализованы на современных компьютерах и ноутбуках, в которых реализованы вычислительные программы Матлаб, Матсард и др. (А.Б. Сергиенко. Цифровая обработка сигналов. - СПб.: «БХВ - Петербург», 2011 г. ). Гидроакустический измеритель собственной скорости движения блок 8 является известным устройством, которые выпускаются серийно и устанавливаются на всех современных судах. (А.В. Богородский, Д.Б. Островский. Гидроакустические навигационные и поисково-обследовательские средства. - СПб.:  ЛЭТИ , 2009 г., с. 40-81).
1
N
Реализация предложенного способа с помощью устройства (фиг. 1) осуществляется следующим образом. Неподвижный автономный гидролокатор 1 излучает короткие зондирующие сигналы с постоянной заранее известной частотой повторения, что определяет длительность Т между зондирующими сигналами. С помощью предлагаемого устройства происходит работа следующим образом. Сигнал распространяется в водной среде и принимается антенной 2, преобразуется в электрический сигнал и передается в приемное устройство 3, где усиливается, фильтруется и передается в блок 4 измерения времен прихода. В блоке 4 определяется момент превышения амплитудой зондирующего сигнала порогового уровня. Зондирующие сигналы являются сигналами прямого распространения и имеют большую амплитуду, поэтому приемные устройства не решают задачу повышения отношения сигнал/помеха. Практически для любых принятых сигналов на выходе приемного устройство будет наблюдаться большое отношение сигнал/сигнала при измерениях по переднему фронту. Измеренное значение времени запоминаются в блоке 5 в цифровом виде, и поступает в блок 6 для измерения разности времен между принятым сигналом и первым сигналом. Таким образом, формируется пара сигналов, которая передается в блок 7 определения скорости звука по трассе, где выбирается разность интервалов последовательных пар измерений t-t, и с использованием оценки собственной скорости V, которая поступает из блока 8 измерения собственной скорости, и при известном интервале между излучениями зондирующего сигнала Т определяется оценка скорости звука по трассе С на момент измерения.
Таким образом, предложенная процедура измерения последовательных временных интервалов позволяет определять скорость распространения звука по трассе с использованием неподвижного излучателя и подвижного приемника.