ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ ЗОНД ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ЗВУКА В МОРЕ
HYDRODYNAMIC PROBE FOR MEASURING SEA SOUND SPEED

Изобретение относится к акустическим измерениям и может быть использовано, в частности, для измерения вертикального распределения скорости звука в море на ходу судна с передачей измерительной информации по гидроакустическому каналу связи.
Известны зонды для измерения скорости звука в море на ходу судна.
Так, в системе сбора океанографических данных МК12 [1] измерение скорости звука на ходу судна производится проводным зондом одноразового использования, который состоит из бортовой части и измерительного зонда, которые в исходном состоянии скреплены. Бортовая часть включает цилиндрический пластмассовый корпус с основанием, на котором с внутренней стороны установлена катушка с изолированным проводом, а на внешней стороне имеются контакты связи. Погружающийся измерительный зонд имеет обтекаемый корпус с грузом в носу и со стабилизатором в хвостовой части. В корпусе установлены герметичный блок и катушка с изолированным проводом. В герметичном блоке зонда размещены печатная плата с электроникой датчика скорости звука и батарея питания. По оси корпуса измерительного зонда имеется сквозное отверстие с установленной в нем акустической системой датчика скорости звука. При погружении зонда через отверстие протекает вода.
Одновременное разматывание провода с двух катушек обеспечивает равномерное погружение измерительного зонда на ходу судна. Когда на одной из катушек провод полностью размотается, он обрывается и измерительный зонд тонет. Связь погружающего зонда с бортовой аппаратурой судна осуществляется передачей по изолированному проводу электрического сигнала, частота которого пропорциональна значению измеряемой скорости звука в воде.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются сложность конструкции и значительная стоимость одноразового зонда, обусловленная в основном однократным использованием большого количества дорогостоящего изолированного провода. Кроме того, зонд имеет ограниченную предельную глубину погружения.
Гидроакустический одноразовый зонд по патенту США [2] содержит имеющий низкое гидродинамическое сопротивление герметичный корпус с хвостовым стабилизатором и грузом в носовой его части, по оси которого установлена акустическая система датчика скорости звука. Внутри корпуса размещены автономный источник питания, электроника датчика скорости звука и подключенный к его выходу усилитель мощности электрически связанный с акустическим цилиндрическим излучателем зонда, установленным на наружной поверхности корпуса зонда. Передача измерительной информации от погружающего зонда в бортовую аппаратуру судна осуществляется по гидроакустическому каналу связи сигналом, частота которого пропорциональна значению измеряемой скорости звука в воде
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются более сложная по сравнению с одноразовым проводным зондом конструкция и, соответственно, более высокая стоимость гидроакустического одноразового зонда, что ограничивает его применение для однократных измерений в море. Кроме того, зонд имеет ограниченную предельную глубину погружения.
Наиболее близким по технической сущности к предполагаемому изобретению является рассмотренный в работе [3] гидродинамический излучатель (подводная органная труба), состоящий из цилиндрической носовой части и пустотелого открытого с обоих концов акустического цилиндрического резонатора, которые по их общей оси жестко соединены элементами крепления. В носовой части установлен вкладыш, образующий на ее выходе сегментное сопло в виде усеченного цилиндра. Сегмент стенки акустического цилиндрического резонатора, расположенный напротив сопла, срезан до острой кромки, между которой и соплом имеется щель. Гидродинамический излучатель возбуждается водным потоком, направленным в его носовую часть. Частота акустического излучения в водную среду зависит от скорости водного потока, длины акустического цилиндрического резонатора и скорости звука в воде внутри его.
Причиной, препятствующей достижению технического результата, является конструкция маломощного лабораторного гидродинамического излучателя - прототипа, не предназначенного для измерений скорости звука в воде.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения, состоит в создании значительно более простого и дешевого по сравнению с известными аналогами одноразового гидродинамического зонда для измерения скорость звука в море на ходу судна с неограниченной предельной глубиной погружения.
Для достижения технического результата в предлагаемом гидродинамическом зонде для измерения скорости звука в море акустический пустотелый открытый с обоих концов цилиндрический резонатор имеет в нижней части кольцевую клиновидную кромку. Резонатор посредством элемента крепления с прорезями для протока воды острой кромкой установлен на фиксированном расстоянии от носовой части, выполненной в виде тела вращения, с низким гидродинамическим сопротивлением и являющейся грузом зонда. По его оси имеется сквозное отверстие, диаметр которого равен внутреннему диаметру акустического цилиндрического резонатора. В отверстии по его оси заподлицо с верхней поверхностью груза установлен вкладыш из цилиндра с конусом с соответствующими элементами его крепления к грузу, образующий с поверхностью отверстия кольцевое сопло.
Сущность изобретения поясняется чертежами на фигурах 1 и 2. На фиг. 1 представлена конструкция гидродинамического зонда для измерения скорости звука в море, а на фигуре 2 показан его поперечный разрез.
Зонд состоит из носовой части - груза 1, с низким гидродинамическим сопротивлением. В сквозном отверстии груза имеется вкладыш 2 из цилиндра с конусом и его элементы крепления к грузу 3. Над грузом по его оси посредством элемента крепления 4, в виде соединительной втулки с прорезями для протока воды, установлен акустический пустотелый цилиндрический открытый с обоих концов резонатор 5 с кольцевой клиновидной кромкой в нижней части.
Гидродинамический зонд для измерения вертикального распределения скорости звука в море функционирует следующим образом.
V
Зонд сбрасывается на ходу судна в воду. Груз 1 с низким гидродинамическим сопротивлением и пустотелый цилиндрический резонатор, выполняющий одновременно и роль стабилизатора положения, обеспечивают вертикальное погружение зонда с постоянной скоростью . С такой же скоростью в отверстие в нижней части груза зонда поступает вода.
На выходе отверстия груза в сечении кольцевого сопла скорость водного потока увеличивается до значения
U = V⋅R
/(R
-r
),
2
2
2
R
где  - радиус отверстия груза;
r
- радиус вкладыша. С этой скоростью водный поток поступает на кольцевую клиновидную кромку акустического пустотелого цилиндрического резонатора, вызывая то с наружной, то с внутренней стороны кромки резонатора образование вихрей с частотой
F = 0.5⋅U/h.
h
Здесь  - расстояние между грузом и резонатором (ширина кольцевой щели).
Эти вихри вызывают возбуждение звука в воде внутри цилиндрического резонатора. Собственные резонансные частоты открытого с обоих концов цилиндрического резонатора равны
f = n⋅C
/2L,
p
п
п=
где  = 1,2,3… - целое положительное число, чаще всего выбирают 1;
С
р
- скорость звука в воде внутри резонатора.
где С - скорость звука в море (в безграничной водной среде);
ρ - плотность воды;
Е
- модуль упругости (Юнга) материала стенки резонатора;
R
H
- наружный радиус резонатора;
R
R
BH
=  - внутренний радиус резонатора;
L
- длина резонатора.
f
F
V
U
const
f
С
р
Возникшие в резонаторе акустические колебания в свою очередь оказывают обратное воздействие на процесс вихреобразования у щели. При ≈описываемая акустическая система переходит в режим самовозбуждения. Так как скорость погружения зонда постоянна и при этом  = , то частота  акустического самовозбуждения зонда будет зависеть только от скорости звука в водной среде внутри резонатора, то есть при прочих равных условиях от скорости звука в море С. Возбуждаемый зондом звук излучается в окружающее водное пространство и по гидроакустическому каналу передается на судно, которое снабжено соответствующей приемной, обрабатывающей и регистрирующей аппаратурой.
Текущая глубина погружения зонда Z определяется по известной скорости его погружения V и текущему времени t от момента его сброса в воду Z=V⋅t.
Предлагаемый одноразовый гидродинамический зонд для измерения скорости звука в море обладает значительными преимуществами перед известными проводными и гидроакустическими одноразовыми зондами аналогичного назначения. В нем нет ни одного электронного элемента, источника электропитания, провода или акустических преобразователей. Он может быть изготовлен из низкосортной стали. То есть гидродинамический зонд значительно проще и дешевле известных зондов. Кроме того, в гидродинамическом зонде отсутствуют герметичные отсеки, поэтому он погружается до любой глубины не разрушаясь.
СПИСОК БИБЛИОГРАФИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ
1. МК 12 Oceanographic Data Acquisition System. Sipping Inc. 1994. 144 p.
2. Pat. 3932833 US. Int. CI. G01H 5/00; G01K 13/00. Instrument for direct measurement of the velocity of sound in a fluid / Massa F., Massa D.P. Filed 22.04.1970. Publ. 13.01.1976.
3. Yoshikawa S. Underwater organ pipes // J. Acoust. Soc. Jpn. 1984. Vol. (E) 5. №4. P. 211-221.