ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ ЗВУКА В ЖИДКОЙ СРЕДЕ

Измеритель скорости звука в жидкой среде
Полезная модель относится к области акустических измерений и может быть использована для определения вертикального распределения скорости звука (ВРСЗ) в море.
Известны 1-3 измерители скорости звука в море. Так в статье 1 приведены технические характеристики судового измерителя скорости звука, состоящего из измерительного зонда, погружаемого в воду на кабель-тросе посредством палубной лебедки, и бортовой приемнорегистрирующей аппаратуры.
Зонд содержит частотные измерительные преобразователи скорости звука и гидростатического давления (глубины погружения), а также сумматор их выходных сигналов. Бортовая аппаратура включает в себя входной усилитель, канал скорости звука и канал глубины. Каждый канал состоит из последовательно включенных разделительного фильтра, умножителя частоты, цифрового частотомера и преобразователя частотакод-напряжение. Выходы каналов подсоединены к соответствующим входам двух координатного регистратора.
Достоинством данного измерителя скорости звука является относительно высокая точность и наглядность отображения результатов определения ВРСЗ в море на цифровых индикаторах и диаграммной бумаге двух координатного регистратора.
К его недостаткам следует отнести отсутствие автоматической обработки результатов измерений и выдачи их внешним потребителям.
За рубежом большое распространение получила аппаратура МК12 фирмы Sippican Соф. (США) для определения па ходу судна вертикального распределения гидрологических параметров: скорости звука, температуры и электропроводности морской воды 2. Аппаратура состоит из одноразовых проводных измерительных зондов трех типов:
7 G 01 Н 5/00
XBV-для измерения скорости звука, ХВТ-для измерения температуры и XCTD-для измерения температуры и электропроводности морской воды. Каждый зонд снабжен автономным источником электропитания (батареей).
В процессе измерений за борт судна сбрасывается зонд одного из перечисленных типов, аналоговый сигнал которого передается по изолированному проводу в бортовую часть аппаратуры. Она состоит из входного усилителя, аналогоцифрового преобразователя, блока определения измеряемого гидрологического параметра (скорости звука, температуры и электропроводности), блока расчета глубины зонда по скорости его пофужения, блока определения вертикального распределения гидрологического параметра, блока расчета вертикального распределения скорости звука по значениям температуры, электропроводности морской воды и глубины погружения измерительного зонда, блока архивизации на магнитном носителе измеренных и рассчитанных данных, блока выдачи их внешним потребителям, дисплея, на экране которого в табличном и графическом виде отображаются измеренные и рассчитанные гидрологические параметры в зависимости от глубины, а также блока управления аппаратурой.
Достоинством аппаратуры МК12 являются универсальность и сравнительно небольшие габариты. К ее недостаткам следует отнести отсутствие обработки результатов измерений и значительную стоимость теряемых в процессе измерений одноразовых проводных измерительных зондов, а также невозможность метрологического обеспечения определения глубины их нахождения по скорости погружения.
Наиболее близким по технической суш;ности к настояш;ей полезной модели является измеритель скорости звука в жидкой среде по полезной модели J42 13576 3. Он состоит из погружаемого на кабеле измерительного зонда, в котором размеш,ены частотный измерительный преобразователь скорости звука и частотный измерительный
mii
преобразователь гидростатического давления (глубины). Их выходы подключены к соответствующим входам амплитудного модулятора, выход которого подсоединен к входу схемы разделения сигналов. Первый выход этой схемы подключен к входу вторичного источника электропитания зонда, а второй ее выход подсоединен к кабелю. Другой конец кабеля электрически связан с бортовой аппаратурой, состоящей из схемы разделения сигналов, вторичного источника электропитания, канала скорости звука, канала глубины и цифрового вычислительного устройства, с дисплеем и блоком управления.
Кабель подключается к первому входу схемы разделения сигналов, второй вход которой подсоединен к соответствующему выходу вторичного источника электропитания бортовой аппаратуры. Канал скорости звука включает в себя последовательно включенные усилитель-ограничитель, первый разделительный фильтр и аналогоцифровой преобразователь. Канал глубины включает в себя последовательно включенные амплитудный детектор, усилитель-ограничитель, второй разделительный фильтр и аналого-цифровой преобразователь.
Выходы аналого-цифровых преобразователей подключены к соответствующим входам цифрового вычислительного устройства, который содержит блок определения скорости звука, блок определения гидростатического давления, блок определения глубины зонда по гидростатическому давлению, блок определения ВРСЗ, дисплей, блок архивизации и блок выдачи данных. При этом вход блока определения скорости звука подключен к выходу аналогоцифрового преобразователя канала скорости звука, а выход этого блока подсоединен к первому входу блока определения ВРСЗ. Вход блока определения гидростатического давления подключен к выходу аналогоцифрового преобразователя канала глубины, а выход этого блока через блок определения глубины по гидростатическому давлению подсоединен ко второму входу блока
определения ВРСЗ, выход которого подключен к соответствующим входам дисплея, блока архивизации и блока выдачи данных.
Достоинством измерителя скорости звука в жидкой среде по полезной модели №13576 является возможность более точного определения глубины погружения зонда по гидростатическому давлению, измерение которого метрологически обеспечено.
К недостаткам этого измерителя скорости звука следует отнести отсутствие автоматической обработки результатов измерений и относительно малые функциональные возможности.
Целью настоящей полезной модели является создание судового измерителя скорости звука в жидкой среде, преимущественно в море, с автоматической обработкой результатов измерений и расширенными функциональными возможностями для повышения эффективности функционирования судовых гидроакустических средств.
Поставленная цель достигается тем, что для обеспечения требуемой обработки результатов измерений в бортовой аппаратуре предлагаемого измерителя скорости звука в жидкой среде первый и второй разделительные фильтры выполнены цифровыми, а в цифровое вычислительное устройство дополнительно введены блок сглаживания ВРСЗ, блок аппроксимации ВРСЗ, блок достроения ВРСЗ до дна и сменный блок статистических данных.
Для расширения функциональных возможностей предлагаемого измерителя скорости звука в жидкой среде в цифровое вычислительное устройство дополнительно введены блок расчета глубины зонда по скорости его погружения, блок расчета ВРСЗ и блок построения лучевых картин по измеренному, обработанному и достроенному до дна ВРСЗ или по рассчитанному ВРСЗ.
Сущность полезной модели поясняется фигурами 1-4. На фиг. 1 изображена структурная схема измерителя скорости звука в жидкой среде. Фиг. 2-4 поясняют принципы функционирования блоков обработки
цифрового вычислительного устройства: фиг.2 - блока сглаживания ВРСЗ, фиг.З - блока аппроксимации ВРСЗ и фиг.4 - блока достроения ВРСЗ до дна. На каждом из фиг.2-4 представлены графические отображения массивов значений ВРСЗ: входного в блок - сплошной линией, выходного из блока - штриховой линией.
Предлагаемый измеритель скорости звука в жидкой среде включает в себя (фиг.1) измерительный зонд 1, в котором размепдены частотный измерительный преобразователь скорости звука (ИПСЗ) 2 и частотный измерительный преобразователь гидростатического давления (ИПГД) 3, выходы которых подсоединены к соответствующим входам сумматора сигналов (СС) 4. Выход сумматора сигналов (СС) подключен к входу схемы разделения сигналов (СРС) 5 зонда, первый выход которой подключен к входу вторичного источника электропитания (ВИЛ) 6 зонда, а второй ее выход подключен к герметичному изолированному проводнику (кабелю или проводу) 7.
Вторым концом герметичный изолированный проводник 7 электрически связан с бортовой аппаратурой 8 измерителя скорости звука. Он подключен к первому входу схемы разделения сигналов (СРС) 9 бортовой аппаратуры. Второй вход этой схемы подсоединен к соответствующему выходу вторичного источника электропитания (ВИЛ) 10 бортовой аппаратуры. Выход схемы разделения сигналов (СРС) 9 подключен к входу аналогоцифрового преобразователя (АЦП) 11. Выход аналогоцифрового преобразователя (АЦП) 11 подсоединен к входу первого разделительного фильтра - цифрового фильтра сигнала скорости звука (ЦФСЗ) 12 и к входу второго разделительного фильтра - цифрового фильтра сигнала гидростатического давления (ЦФД) 13. Выход первого разделительного фильтра (ЦФСЗ) 12 через блок определения скорости звука (БОСЗ) 14 подключен к первому входу блока определения ВРСЗ (БОВРСЗ) 15. Выход второго цифрового разделительного фильтра (ЦФД) 13 через последовательно электрически включенные блок определения
гидростатического давления (БОД) 16 и блок определения глубины (БОН) 17 зонда по гидростатическому давлению подключен ко второму входу блока определения ВРСЗ (БОВРСЗ) 15. К третьему входу блока определения ВРСЗ (БОВРСЗ) 15 подсоединен выход блока расчета глубины (БРН) 18 зонда по скорости его погружения. Вход этого блока подключен к выходу первого цифрового разделительного фильтра (ЦФСЗ) 12.
Выход блока определения ВРСЗ (БОВРСЗ) 15 электрически связан с первым входом блока архивизации (БАРХ) 19 и через последовательно электрически включенные блок сглаживания ВРСЗ (БСГ) 20 и блок аппроксимации ВРСЗ (БАП) 21 - с первым входом блока достроения ВРСЗ до дна (БДД) 22, второй вход которого подключен к первому выходу сменного блока статистических данных (СБСД) 23. Выход блока достроения ВРСЗ до дна (БДД) 22 подсоединен ко второму входу блока архивизации (БАРХ) 19, к входу блока выдачи данных (БВД) 24, к первому входу дисплея (ДС) 25 и к первому входу блока построения лучевых картин (БП.ЛК) 26, выход которого подключен к третьему входу дисплея (ДС) 25. Второй выход сменного блока статистических данных (СБСД) 23 подсоединен к первому входу блока расчета ВРСЗ (БРВРСЗ) 27, первый выход которого подключен к второму входу блока построения лучевых картин (БПЛК) 26, а второй его выход подсоединен к второму входу дисплея (ДС) 25. Блок управления (БУП) 28 электрически связан с вторым входом блока расчета ВРСЗ (БРВРСЗ) 27, с третьим входом блока построения лучевых картин (БПЛК) 26, а также с другими блоками измерителя скорости звука в жидкой среде, непосредственные связи с которыми на фиг. 1 не указаны, чтобы его не загромождать.
Предлагаемый измеритель скорости звука в жидкой среде функционирует следующим образом. Измерительный зонд 1 на кабеле (или изолированном проводе) опускается в жидкую среду (морскую воду). По мере его погружения частотный измерительный преобразователь
скорости звука (РШСЗ) 2 преобразует измеренные величины скорости звука в воде С в соответствующие значения частоты выходного электрического сигнала/(с, а частотный измерительный преобразователь гидростатического давления (РШГД) 3 преобразует измеренные величины гидростатического давления Ц в соответствующие значения частоты выходного электрического сигнала Р(Д).
В сумматоре сигналов (СС) 4 оба выходных сигнала электрически суммируются и через схему разделения сигналов (СРС) 5 поступают на кабель 7. Одновременно со схемы разделения сигналов (СРС) 5 на вторичный источник электропитания (ВИЛ) 6 подается из бортовой аппаратуры напряжение И, которое преобразуется в напряжения Ипз, необходимые для электропитания блоков измерительного зонда.
По кабелю 7 суммарный электрический сигнал f(c) + Р(Д) передается в бортовую аппаратуру 8 измерителя скорости звука и поступает на вход схемы разделения сигналов (СРС) 9. На другой вход этой схемы с соответствующего выхода вторичного источника электропитания (ВИЛ) 10 бортовой аппаратуры на кабель подается напряжение Из к измерительному зонду 1. На вход вторичного источника электропитания подается напряжение Ис бортовой сети, с остальных его выходов снимаются напряжения Ип для электропитания блоков бортовой аппаратуры.
С выхода схемы разделения сигналов (СРС) 9 суммарный сигнал измерительных преобразователей f(c) + Р(Ц) поступает на вход аналогоцифрового преобразователя (АЦП) 11, который преобразует его в последовательность цифровых отсчетов. Эта последовательность подается на цифровые разделительные фильтры сигнала скорости звука (ЦФСЗ) 12 и сигнала гидростатического давления (ЦФД) 13. На выходе цифрового разделительного фильтра (ЦФСЗ) 12 будет иметь место последовательность цифровых отсчетов, соответствующих текущим дискретным значениям сигнала скорости звука/fcy), а на выходе цифрового
разделительного фильтра (ЦФД) 13 - последовательность цифровых отсчетов, соответствующих текущим дискретным значениям сигнала гидростатического давления F(ff).
Цифровые последовательности сигналов f(c) и Р(Д) поступают соответственно в блок определения скорости звука (БОСЗ) 14 и блок определения гидростатического давления (БОД) 16.
Вначале в обоих блоках по одинаковому алгоритму определяются значения частот сигналов. Из оцифрованной последовательности, поступеаемой в блок (БОСЗ) 14 или (БОД) 16 делается выборка из N полных периодов частоты сигналов, переходы сигнала через ноль из отрицательных значений в положительные аппроксимируются прямой линией, соединяющей точки близлежащих отсчетов, и на ней находится точка перехода сигнала через ноль. Частота сигнала/ Гц определяется по соотношению
/  (r,.-r,,+Ar,,-ArJ,
где То - частота дискретизации, Гц;
N - количество полных периодов в выборке; TK, TH - время конца и начала выборки, с; А1„, AtK - разница между временем перехода сигнала через ноль и временем отсчета для первого и последнего целого периода в выборке, с.
Далее в блоке (БОСЗ) 14 по текущим значениям/, частоты сигналов скорости звука f(c) находятся соответствующие им значения скорости звука С, м/с
Одновременно в блоке (БОД) 16 по текущим значениям f частоты сигнала гидростатического давления Р(Д) определяются соответствующие им значения гидростатического давления Р, кг/см
./2,5.
Затем в блоке определения глубины зонда по гидростатическому давлению (БОН) 17 производится пересчет поступивших из блока (БОД) 16 значений гидростатического давления Р, кг/см в соответствующие им значения глубины И, м погружения зонда
Я 9.727(Р, + АР)-2,04 10/,
где zip, - поправка на отклонение от нулевого показания измерительного преобразователя гидростатического давления, кг/см.
В предлагаемом измерителе скорости звука предусмотрена возможность подключения к бортовой аппаратуре одноразового проводного измерительного зонда, у которого нет измерительного преобразователя гидростатического давления и на выходе имеет место один сигнал скорости звука f(c). В данном режиме работы бортовой аппаратуры текущая глубина Д м погружаемой части одноразового проводного зонда определяется блоком расчета глубины (БРН) 18 по скорости его погружения. Этот блок начинает функционировать в момент появления на выходе цифрового разделительного фильтра (ЦФСЗ) 12 сигнала скорости звука при контакте погружаемой части одноразового зонда с водной поверхностью. Определение глубины производится по формуле
где V - начальная скорость погружения одноразового зонда,м/с;
а - коэффициент, учитывающий изменение массы погружаемой части одноразового зонда, м/с t - текущее время от момента контакта погружаемой части зонда с водой, с.
Н Vt +at
поступают в блок определения ВРСЗ (БОВРСЗ) 15. В этом блоке из массивов значений глубин Д и соответствующих скоростей звука С/ составляется массив значений (Сс, HJ) измеренного вертикального распределения скорости звука в море.
В блоке сглаживания ВРСЗ (БСГ) 20 производится проверка массива (Cii Hi) измеренного ВРСЗ на предмет обнаружения и удаления грубых выбросов значений скорости звука.
В блоке (БСГ) 20 последовательно для каждых двух соседних значений входного массива (С/; Hj) ВРСЗ (сплошная линия фиг.2) рассчитываются вертикальные градиенты скорости звука G/, с
абсолютные значения которых сравниваются с заданным значением G. Из входного массива fC,; Hj) ВРСЗ удаляются те значения, при которых I Gj I  G. в результате на выходе блока (БСГ) 20 получают новый, сглаженный массив значений fU/; HI) ВРСЗ (штриховая линия на фиг.2) без грубых выбросов значений скорости звука.
В блоке аппроксимации ВРСЗ (БАП) 21 производится кусочнолинейная аппроксимация сглаженного ВРСЗ. В итоге вместо относительно плавного входного ВРСЗ (сплошная линия на фиг.З) на выходе блока (БАП) 21 будет иметь место массив значений (С,; Я) аппроксимированного ВРСЗ, который отображается в виде отрезков прямых линий (штриховые линии на фиг.З), находящихся в слоях с постоянными вертикальными градиентами скорости звука.
В блоке достроения ВРСЗ до дна (БДД) 22 производится достроения аппроксимированного ВРСЗ до полного, от поверхности до дна, ВРСЗ. Этот блок функционирует совместно со сменным блоком статистических данных (СБСД) 23, в котором хранятся для данного района Мирового океана по сезонам года массивы статистических ВРСЗ с их вероятностями
с -С
Я,.,-Я,
и вертикальными градиентами у дна, а также массивы статистических вертикальных распределений солености морской воды.
На входе блока (БДД) 22 поступает массив значений (С/; Н)а (первые сверху сплошные линии на фиг.4), а из блока (СБСД) 23 выбирается массив значений (С-с, Н)с , соответствующий наиболее подходящему для данного сезона года в данном районе океана статистическому ВРСЗ Ci(Hi)c до глубины 2000 м (вторые сплошные линии на фиг.4) и значения вертикальных градиентов скорости звука у дна для глубин свыще 2000 м, по которым рассчитывается ВРСЗ у дна Ci(Hi) (щтрих пунктирная линия на фиг.4). Далее производится «сшивка верхней части выбранного статистического ВРСЗ - Ci(H)c с нижней частью аппроксимированного ВРСЗ - Ci(Hi)a и нижней части ВРСЗ - Ci( - с верхней частью рассчитанного ВРСЗ у дна Ci(H)д. В результате на выходе блока (БДД) 22 будет иметь место массив значений fC/; Hj), соответствующий полному, от поверхности до дна, ВРСЗ - С(Н) (штриховые линии на фиг.4) для данного района океана, где проводились измерения скорости звука.)
Массивы значений измеренного ВРСЗ с выхода блока определения ВРСЗ (БОВРСЗ) 15 и обработанного ВРСЗ с выхода блока достроения ВРСЗ до дна (БДД) 22 помещаются для хранения в блок архивизации (БАРХ) 19. Массив значений обработанного ВРСЗ - С(Н) с выхода блока (БДД) 22 через блок выдачи данных (БВД) 24 передается гидроакустическим системам судна, а также может быть отображен в табличном или графическом виде на экране дисплея (ДС) 25.
В предлагаемом измерителе скорости звука предусмотрена возможность расчета ВРСЗ по вертикальным распределениям в море температуры и солености, который производится в блоке расчета ВРСЗ (БРВРСЗ) 27. Массив значений распределения температуры по глубине (Ti, Hj) вводится в блок (БРВРСЗ) 27 вручную посредством клавишного пульта блока управления (БУП) 28. Массив значений распределения солености по
глубине (Si, Hi) выбирается из сменного блока статистических данных (СБСД)23.
Расчет значений скорости звука С, м/с на заданных горизонтах Я, м нроизводится по известной формуле Вильсона
С  1449.14 + да + АС. + ДС„,
где АС,  4,57211-4, f-2, f+7, AC,  l,398(S-35)+l,(S-35);
АС„  0,1656+1,64802 ,,,,, .
В предлагаемом измерителе скорости звука имеется блок построения лучевых картин (БПЛК) 26, который производит расчет и отображение на экране дисплея (ДС) 25 лучевой картины, характеризующей распространение акустической энергии в море для плоскослоистой модели морской среды. Для расчетов используется измеренный и обработанный ВРСЗ - С(Н) или ВРСЗ, рассчитанный в блоке (БРВРСЗ) 27, а также исходные данные, вводимые в блок (БПЛК) 26 из блока управления (БУП) 28 вручную посредством клавиатуры:
глубина приемной антенны Но, м;
ширина характеристики направленности приемной антенны О, град;
количество рассчитываемых лучей N;
угол наклона характеристики направленности приемной антенны а, град;
начальная Д, и конечная Д, дистанции расчета, км.
При расчете траектории луча, горизонт Я,, который он пересекает, разбивается на п слоев с постоянными вертикальными градиентами скорости звука и толщинами А Я,. Расстояние Л„ км, на котором луч пересекает горизонт Я/ находится по соотношению
л,  у
где рассчитываемые по исходным данным и ВРСЗ
С о и «о - скорость звука и угол прихода луча на горизонт приемной антенны, м/с и град
а/ и а/./ - углы скольжения луча на верхней и нижней границе i-го слоя, град ACi - приращение скорости звука в i-м слое, м/с.
Текущие координаты Д и RI для каждого луча в диапазоне заданных значений Д, и Д преображаются в сигналы, необходимые для функционирования дисплея (ДС) 25, на экране которого отображается траектория i-го луча и в конечном итоге для N лучей - искомая лучевая картина.
Блок управления (БУП) 28 автоматически управляет работой цифрового вычислительного устройства. Посредством клавиатуры блока управления осуществляется включение и выключение измерителя скорости звука, выбор режимов его функционирования, ввод необходимых исходных данных в соответствующие блоки вычислительного устройства.
Как следует из изложенного, измеритель скорости звука в жидкой среде по данной полезной модели имеет значительные преимущества по сравнению с прототипом. В нем производится необходимая для повышения эффективности судовых гидроакустических средств обработка результатов измерений. Имеется возможность работы на ходу судна с одноразовыми проводными измерительными зондами скорости звука, производить расчет ВРСЗ по результатам измерений в данном районе другими средствами вертикального распределения температуры, а также рассчитывать и отображать на экране дисплея лучевые картины, характеризующие распространение акустической энергии в море. Это позволяет значительно расширить по сравнению с прототипом функциональные возможности предлагаемого измерителя скорости звука.
13
СоАЯДзша, -sina |)
AC, cosccg
Разработан и изготовлен онытный образец измерителя скорости звука в жидкой среде но данной нолезной модели. Анпаратура онытного образца вынолнена на микроэлементной базе. В вычислительном устройстве бортовой анпаратуры иснользованы новейшие быстродействующие и высокоточные программируемые микропроцессоры,объединяющие
функции нескольких вычислительных блоков и позволяющие оперативно изменять их программы функционирования при появлении новых, более совершенных алгоритмов.
Источники информации
15
1.Горская А.И., Жилина Н.А., Комляков В.А., Цветков В.А. Измерение скорости звука в воде. Геодезия и картография. 1982. №6. С.52-54.
2.МК-12. Oceanographic Data Acquisition System. Sippican Inc. 1995.
3.Свидетельство на полезную модель №13576, МПК 7 G 01 Н 5/00 по заявке №99122079/20 от 19.10.1999 г., опуб. 27.04.2000 г. Обладатели: МГП «Спектр и АОЗТ ЛПАИ «Инварт.