СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ЗВУКА В ВОДЕ
METHOD TO MEASURE ACOUSTIC SPEED IN WATER

Изобретение относится к области гидроакустических измерений и может быть использовано для измерения дистанционным акустическим способом вертикального распределения скорости звука в естественных водоемах.
Известны дистанционные акустические способы измерения вертикального распределения скорости звука в естественных водоемах. Так в способе, на основе которого выполнены устройства по патенту [1], производят излучение в море в сторону дна акустических импульсных гармонических сигналов. Вертикальная характеристика направленности (ХН) акустического источника пересекается с веером лепестков ХН акустической приемной системы. К приемной системе распространяются акустические сигналы, рассеянные от акустических рассеивателей, находящихся в объемах водной среды, ограниченных лепестками характеристик направленности (ХНХН) источника и приемника акустических колебаний. По измеренным значениям скорости звука на горизонте источника и приемника акустических колебаний, временам распространения акустических сигналов от источника до соответствующих рассеивателей и к акустической приемной системе, углам наклона лепестков ХН акустической приемной системы и известному расстоянию между расположенными на одном горизонте акустическим источником и приемной системой находят горизонты рассеивателей и значения скорости звука на них.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются низкая точность, обусловленная случайным, неконтролируемым положением акустических рассеивателей в объемах водной среды, ограниченных лепестками ХНХН источника и приемной системы, а также невозможность проведения измерений на ходу носителя аппаратуры из-за сильного влияния эффекта Доплера, который имеет место при распространении акустических сигналов по наклонным траекториям лепестков веера ХН акустической приемной системы.
В способе, на основе которого выполнено устройство по патенту [2], производят излучение в море акустического импульсного сигнала с внутренней частотной модуляцией несущих колебаний. Акустический импульс, распространяясь в сторону дна, рассеивается на различных неоднородностях водной среды. Рассеянный акустический сигнал принимается акустической приемной системой, содержащей два акустических приемника, расположенных на фиксированных расстояниях от акустического источника. Они через смеситель подключены к спектроанализатору. По результатам обработки принятых сигналов на спектроанализаторе определяются углы и времена прихода этих сигналов. По их значениям и по известным значениям расстояний между излучателем и акустическими приемниками вычислительное устройство находит вертикальное распределение скорости звука в море.
Причиной, препятствующей достижению технического результата, является использование большого количества мелких относительно длины акустической волны естественных акустических рассеивателей (в море - преимущественно зоопланктона) в каждом из объемов жидкой среды, ограниченных характеристиками направленности акустического источника и приемной системы, которых требуемого количества может не быть, а также невозможность проведения измерений на ходу носителя аппаратуры из-за сильного влияния эффекта Доплера, который имеет место при распространении акустических сигналов по наклонным траекториям ХН акустической приемной системы.
Наиболее близким по совокупности признаков и технической сущности к предлагаемому изобретению является способ измерения распределения скорости звука в жидкой среде, на основе которого выполнено устройство по авторскому свидетельству [3].
Акустический сигнал излучается приемоизлучателем. Отраженные от границ акустически неоднородных слоев жидкой среды акустические сигналы принимаются приемоизлучателем и двумя акустическими приемниками. Акустический приемоизлучатель и акустические приемники располагаются на одном горизонте. По измеренным значениям времен распространения акустических сигналов от источника звука до границ акустически неоднородных слоев водной среды и от них до акустических приемников (временам прихода принятых сигналов), скорости звука на горизонте акустических источника и приемников, известным расстояниям между ними находят распределение по глубине скорости звука в жидкой среде. Для повышения точности определения ВРСЗ на ходу судна дополнительно производят корректировку значений углов прихода принятых сигналов и эффективной длины расстояний от акустического источника до приемников.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются использование в качестве рассеивателей параллельных водной поверхности границ акустически неоднородных слоев жидкой среды, которых для выполнения достоверных измерений в естественных водоемах необходимого количества (~20 слоев) по глубине никогда нет, что приводит к некорректности учета влияния хода судна-носителя на показания аппаратуры посредством предлагаемой корректировки значений углов прихода принятых сигналов и эффективной длины расстояний от акустического источника до приемников.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, состоит в повышении точности и глубины измерения скорости звука на заданных горизонтах в естественных водоемах дистанционным акустическим способом на ходу носителя аппаратуры.
Для достижения технического результата в предлагаемом способе измерения скорости звука в воде облучают импульсным акустическим сигналом одиночный относительно сильный естественный акустический рассеиватель, находящийся в водном объеме, ограниченным характеристиками направленности акустического излучателя-приемника и двух акустических приемников, причем оси характеристик направленности первого и второго акустического приемников пересекаются на одном горизонте с осью характеристики направленности акустического излучателя-приемника, последовательно изменяют углы наклона характеристик направленности первого и второго акустического приемников, а углы прихода принятых акустических сигналов определяют по их временам прихода до излучателя-приемника и обоих приемников.
В частности, излучают монохроматический (с гармоническим заполнением) импульсный акустический сигнал малой длительности.
В частности, излучают сложный импульсный акустический сигнал с внутренней гиперболической частотной модуляцией несущих колебаний, а времена прихода принятых сигналов определяют по временному положению максимумов взаимнокорреляционных функций излучаемого и принятых сигналов.
Сущность изобретения поясняется фигурами 1 и 2. На фиг.1 представлена структурная схема устройства для осуществления предлагаемого способа. На фиг.2 показана геометрия акустического зондирования водной среды.
Устройство (фиг.1) содержит: направленный акустический излучатель-приемник 1, первый 2 и второй 3 направленные акустические приемники, импульсно-модулированный генератор 4, ключ «прием-передача» 5, усилители принятых сигналов 6, четырехканальный аналого-цифровой преобразователь 7, вычислительное устройство 8 и контактный измеритель скорости звука 9. Остальные обозначения далее в тексте.
1i
2i
3i
1i
2i
3i
i
i
i
i
i
i
i
1iv
2iv
3iv
1iv1,
2iv
3iv
i
i
i
На фиг.2 при измерениях на стопе судна показаны: цифрами 1, 2 и 3 - положение акустического излучателя-приемника и приемников, сплошными линиями с направляющими стрелками - траектории распространения акустических сигналов, α, α и α, а также t, t и t - углы прихода и времена распространения от рассеивателя P(d,Z) принятых сигналов, расположенного на расстоянии - d от оси ХН излучателя. При измерениях на ходу судна представлены: цифрами 1v, 2v и 3v - положение акустического излучателя-приемника 1 и приемников 2 и 3 в моменты приема ими акустических сигналов, штриховыми линиями с направляющими стрелками - траектории распространения акустических сигналов распространения от рассеивателя P(d,Z) до соответствующих приемников. Обозначения α, α и α, а также t t и t - углы прихода и времена распространения от рассеивателя P(d,Z) принятых сигналов. Остальные обозначения далее в тексте.
Суть предложенного способа заключается в следующем.
i
i
i
1
1
2
o2i
o3i
o2
o3
i
i
i
2iV
3iV
1iV
С выхода импульсно-модулированного генератора 4 (фиг.1) электрический сигнал через ключ «прием-передача» 5 возбуждает направленный акустический обратимый преобразователь 1, функционирующий как излучатель-приемник. Соответствующий акустический сигнал, распространяясь по вертикали в водной среде, рассеивается от относительно сильного естественного рассеивателя P(d,Z), например рыбки, размеры которого l больше длины волны λ излучаемого акустического сигнала l>λ. Рассеянные акустические сигналы достигают при скорости судна V=0 излучателя-приемника 1 и установленных на одном горизонте с ним на фиксированных расстояниях D и D+D от него акустических приемников 2 и 3, оси характеристик направленности которых имеют углы наклона α и α. В процессе измерения скорости звука в естественном водоеме (в море) на заданных горизонтах значения углов наклона ХНХН приемников последовательно изменяют в пределах 0<α<π/2 и 0<α<π/2. Времена прихода принятых сигналов при скорости судна V (фиг.2), то есть времена распространения их от акустического излучателя-приемника 1 до рассеивателя P(d,Z) и от него к акустическим приемникам 2 и 3 в точках 2v и 3v, а также обратно к излучателю-приемнику 1 в точке 1v, соответственно равны T, T и T:
<mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mn>1</mn><mi>i</mi><mi>V</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mn>1</mn><mi>i</mi><mi>v</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mn>1</mn><mi>i</mi><mi>v</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mn>1</mn><mi>i</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mn>1</mn><mi>i</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow><mi>C</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mn>1</mn><mi>i</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mn>1</mn><mi>i</mi><mn>2</mn></mrow></msub></mrow><mi>C</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
;
<mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mn>1</mn><mi>i</mi><mi>V</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mn>1</mn><mi>i</mi><mi>v</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mn>2</mn><mi>i</mi><mi>v</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mn>1</mn><mi>i</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mn>1</mn><mi>i</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow><mi>C</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mn>2</mn><mi>i</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mn>2</mn><mi>i</mi></mrow></msub></mrow><mi>C</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
;
<mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mn>1</mn><mi>i</mi><mi>V</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mn>1</mn><mi>i</mi><mi>v</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mn>3</mn><mi>i</mi><mi>v</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mn>1</mn><mi>i</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mn>1</mn><mi>i</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow><mi>C</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mn>3</mn><mi>i</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mn>3</mn><mi>i</mi></mrow></msub></mrow><mi>C</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
.
1i1
1i
1i2
1iv
2i
2iv
3i
3iv
Здесь V=V·cosα, V=V·cosα, V=V·cosα и V=V·cosα - проекции скорости перемещения судна, на путь распространения акустического сигнала до соответствующего акустического приемника;
C - скорость звука в воде.
1iV
2iV
3iV
0
1
2
2iv
3iv
Электрические принятые сигналы (фиг.1) с выходов приемников 2 и 3 через усилители 6, а также с выхода излучателя-приемника 1 через ключ «прием-передача» 5 и усилители 6, поступают на четырехканальный аналого-цифровой преобразователь 7, выходы которого подключены к вычислительному устройству 8. Последнее определяет времена прихода принятых сигналов T, T и T, вычисляет по их значениями, значению скорости звука C на горизонте акустических приемников, измеренному контактным измерителем скорости звука 9, значениям скорости судна V и расстояниям D, D углы прихода принятых сигналов α и α по формулам
2iv
3iv
-1
0.5
-1
0.5
α=2·arctg(A·B·P), α=2·arctg(A·B·P),
<mrow><mi>A</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mn>3</mn><mi>i</mi><mi>v</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mn>1</mn><mi>i</mi><mi>v</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><msub><mi>C</mi><mn>0</mn></msub><mo>/</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>D</mi><mrow><mn>1</mn><mi>i</mi><mi>V</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>D</mi><mrow><mn>2</mn><mi>i</mi><mi>V</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mn>3</mn><mi>i</mi><mi>v</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mn>1</mn><mi>i</mi><mi>v</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><msub><mi>C</mi><mn>0</mn></msub><mo>/</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>D</mi><mrow><mn>1</mn><mi>i</mi><mi>V</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>D</mi><mrow><mn>2</mn><mi>i</mi><mi>V</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mi>B</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mn>3</mn><mi>i</mi><mi>v</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mn>2</mn><mi>i</mi><mi>v</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><msub><mi>C</mi><mn>0</mn></msub><mo>/</mo><msub><mi>D</mi><mrow><mn>2</mn><mi>i</mi><mi>V</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mn>3</mn><mi>i</mi><mi>v</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mn>2</mn><mi>i</mi><mi>v</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><msub><mi>C</mi><mn>0</mn></msub><mo>/</mo><msub><mi>D</mi><mrow><mn>2</mn><mi>i</mi><mi>V</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mi>P</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mn>2</mn><mi>i</mi><mi>v</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mn>1</mn><mi>i</mi><mi>v</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><msub><mi>C</mi><mn>0</mn></msub><mo>/</mo><msub><mi>D</mi><mrow><mn>1</mn><mi>i</mi><mi>V</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mn>2</mn><mi>i</mi><mi>v</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mn>1</mn><mi>i</mi><mi>v</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><msub><mi>C</mi><mn>0</mn></msub><mo>/</mo><msub><mi>D</mi><mrow><mn>1</mn><mi>i</mi><mi>V</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
,
,
.
1iv
2iv
3iv
1iv
1iV
2iv
2iV
1iv
3iv
3iV
1iv
1iV
1
1iV
2iV
2iV
2iV
3iV
Здесь t, t и t - расчетное время распространения акустического сигнала от i-го рассеивателя соответственно до первой 1v, второй 2v и третьей 3v точки приема при скорости судна V, t=0.5·T, t=T-t, t=T-t; D=D-d+d, D=D-d+d - эффективное расстояние соответственно от приемоизлучателя 1 в точке 1v до приемника 2 в точке 2v и от приемника 2 в точке 2v до приемника 3 в точке 3v в моменты приема ими акустических сигналов при скорости судна V;
1iV
1iV
2iV
2iV
3iV
3iV
d=V·T, d=V·T и d=V·T - смещение за соответствующее время прихода приемоизлучателя 1 из точки 1 в точку 1v, а также приемника 2 в точку 2v и приемника 3 в точку 3v.
jiv
jiv
jiv
oji
В процессе измерений производится запоминание найденных значений времен t(α) и углов α прихода принятых сигналов, для всех углов α наклона ХН акустических приемников (j=2 и 3). После чего вычислительным устройством 8 определяются значения скорости звука в воде на заданных горизонтах, то есть распределение скорости звука по глубине С (Z) по известным соотношениям [4]
<mrow><mi>C</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>Z</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msub><mi>C</mi><mn>0</mn></msub><mrow><mo>[</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mo>∂</mo><mi>I</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>Z</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mo>∂</mo><mi>Z</mi></mrow></mfrac></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>,</mo></mrow>
где
<mrow><mi>I</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>Z</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mn>2</mn><mfrac><mrow><msup><mrow><mi>sin</mi></mrow><mn>2</mn></msup><mo stretchy="false">(</mo><mi>π</mi><mo>−</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mn>2</mn><mi>i</mi><mi>v</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><msup><mrow><mi>sin</mi></mrow><mn>2</mn></msup><msub><mi>α</mi><mrow><mn>3</mn><mi>i</mi><mi>v</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mi>sin</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>π</mi><mo>−</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mn>2</mn><mi>i</mi><mi>v</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mn>3</mn><mi>i</mi><mi>v</mi></mrow></msub></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>cos</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>π</mi><mo>−</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mn>2</mn><mi>i</mi><mi>v</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><mi>cos</mi><msub><mi>α</mi><mrow><mn>3</mn><mi>i</mi><mi>v</mi></mrow></msub></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>⋅</mo><mrow><mo>{</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>cos</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>π</mi><mo>−</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mn>2</mn><mi>i</mi><mi>v</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mn>3</mn><mi>i</mi><mi>v</mi></mrow></msub></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mo>}</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><msub><mi>C</mi><mn>0</mn></msub><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>t</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>α</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>−</mo><msub><mi>t</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow>
;
<mrow><mi>Z</mi><mo>=</mo><msub><mi>Z</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><mfrac><mrow><msup><mrow><mi>sin</mi></mrow><mn>3</mn></msup><msub><mi>α</mi><mrow><mn>3</mn><mi>i</mi><mi>v</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mi>cos</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>π</mi><mo>−</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mn>2</mn><mi>i</mi><mi>v</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><msup><mrow><mi>sin</mi></mrow><mn>3</mn></msup><mo stretchy="false">(</mo><mi>π</mi><mo>−</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mn>2</mn><mi>i</mi><mi>v</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><mi>cos</mi><msub><mi>α</mi><mrow><mn>3</mn><mi>i</mi><mi>v</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>cos</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>π</mi><mo>−</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mn>2</mn><mi>i</mi><mi>v</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><mi>cos</mi><msub><mi>α</mi><mrow><mn>3</mn><mi>i</mi><mi>v</mi></mrow></msub></mrow><mo>]</mo></mrow><msup><mrow><mrow><mo>{</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>cos</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>π</mi><mo>−</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mn>2</mn><mi>i</mi><mi>v</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mn>3</mn><mi>i</mi><mi>v</mi></mrow></msub></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mo>}</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><msub><mi>C</mi><mn>0</mn></msub><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>t</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>α</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>−</mo><msub><mi>t</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow>
;
1iv
2iv
t(α)=t(α)+t(α);
<mrow><msub><mi>t</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>D</mi><mrow><mn>2</mn><mi>i</mi><mi>V</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>C</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mi>sin</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>π</mi><mo>−</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mn>2</mn><mi>i</mi><mi>v</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><mi>sin</mi><msub><mi>α</mi><mrow><mn>3</mn><mi>i</mi><mi>v</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mi>sin</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>π</mi><mo>−</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mn>2</mn><mi>i</mi><mi>v</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mn>3</mn><mi>i</mi><mi>v</mi></mrow></msub></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>
;
<mrow><msub><mi>Z</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>D</mi><mrow><mn>2</mn><mi>I</mi><mi>V</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mi>sin</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>π</mi><mo>−</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mn>2</mn><mi>i</mi><mi>v</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><mi>sin</mi><msub><mi>α</mi><mrow><mn>3</mn><mi>i</mi><mi>v</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mi>sin</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>π</mi><mo>−</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mn>2</mn><mi>i</mi><mi>v</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mn>3</mn><mi>i</mi><mi>v</mi></mrow></msub></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>
.
2iv
3iv
2iv
2iv
2i
3iv
3iv
3i
Абсолютные погрешности расчета углов прихода принятых акустических сигналов α и α к точкам приема 2v и 3v при скорости хода судна V равны Δα=α-α и Δα=α-α.
2iv
3iv
2iv
2iv
2i
3iv
3iv
3i
Абсолютные погрешности расчета времен распространения акустических сигналов от i-го рассеивателя t и t к точкам приема 2v и 3v при скорости хода судна V равны Δt=t-t и Δt=t-t.
jiv
1
2
i
i
i
im
i
i
2iv
3iv
2iv
3iv
-4
-5
-4
Для удовлетворительного восстановления искомого распределения скорости звука в воде по глубине C(Z) при проведении измерений на ходу судна необходимо, чтобы значения Δt<5·10 с [5]. В предлагаемом способе измерения скорости звука в воде это условие соблюдается. Так, при D=25 м, D=50 м, V≈5 м/с, постоянной по глубине скорости звука в море C≈1500 м/с и для наихудшего случая расположения акустического рассеивателя P(d,Z) на расстоянии d=-Z·tgθ от оси характеристики напрвленности излучателя, имеющей, как и у акустических приемников, ширину раствора 2θ≈3°, получаем для Z≈150 м значения абсолютных погрешностей Δt≈8·10 с и Δt≈1,9·10 с, при этом Δα≈0,4° и Δα≈0,3°.
i
2iv
3iv
jiv
-4
-3
У дистанционного устройства-прототипа с акустическим излучателем-приемником и одной акустической приемной системой из двух приемников [3] (прямоугольная схема зондирования) при тех же самых исходных данных для Z≈150 м имеем значения абсолютных погрешностей Δt≈6·10 с и Δt≈1,5·10 с, то есть значительно больше, чем в предлагаемом способе. При этом дополнительно имеет место неконтролируемые изменения углов прихода до Δα≈±1,5°. Эти обстоятельства исключают возможность измерения с большой точностью в естественных водоемах (в море) скорости звука на заданных горизонтах на ходу судна дистанционным устройством-прототипом.
Наиболее часто встречающиеся в естественных водоемах акустические рассеиватели - мелкие рыбы и ракообразные, которые могут быть использованы в дистанционной аппаратуре измерения скорости звука, являются слабыми отражателями акустических сигналов. В предлагаемом способе акустические приемники являются направленными, что позволяет измерять значения скорости звука в водоемах относительно простыми дистанционными устройствами на глубинах примерно до 100 м посредством излучения импульсных монохроматических (с гармонической несущей) малой длительности акустических сигналов.
Для зондирования естественных рассеивателей на значительных (более 100 м) глубинах, необходимо излучать сложный импульсный акустический сигнал, у которого τ·Δf1, где τ - длительность, а Δf - ширина спектра сигнала. При этом значения времен прихода определяются по временному положению максимумов взаимнокорреляционных функций излучаемого и принятых сигналов. В предлагаемом способе для увеличения глубины зондирования излучают сложный акустический сигнал с внутренней гиперболической частотной модуляцией (ГЧМ) несущих колебаний, так как все остальные известные сложные акустические сигналы при наличии эффекта Доплера настолько сильно изменяют при распространении в водной среде свой спектральный состав, что не могут быть использованы для взаимнокорреляционной обработки. У сложного сигнала с ГЧМ мгновенная частота определяется соотношением [6]
0
f=f/(1-k·t),
0
где f - начальная частота при f=0, k - параметр, характеризующий крутизну модулирующей функции.
СПИСОК БИБЛИОГРАФИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ
1. Patent 3388372 USA. Cl. 340-3. Determination of ocean sound velocity profiles / De Witz G.H. Filed 22.05.67. Publ. 11.06.68.
2. А.с. 1675687 СССР. G01H 5/00. 22.08.89. Устройство для измерения вертикального распределения скорости звука в жидких средах / Бравичев А.С. Опубл. 07.09.91. Бюл. изобр. №33.
3. А.с. 1585691 СССР. G01H 5/00. 22.04.88. Устройство для измерения вертикального распределения скорости звука в жидких средах / Наговицин В.А., Сысоев А.Г, Денисов А.Н., Фороща Е.С. Опубл. 15.08.90. Бюл. изобр. №30.
4. Осташев В.Е. О возможности восстановления вертикальных профилей скорости звука в бистатической схеме акустического зонирования атмосферы и океана // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1984. Т.20. №2. С.199-203.
5. Бухгейм А.Л., Зенкова Н.П. О дистанционном определении характеристик слоистых сред // Геология и геофизика. 1981. №7. С.81-88.
6. Зарайский В.А., Тюрин A.M. Теория гидролокации. Л.: ВМОЛУА. 1975. 604 с.