УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ И ИЗМЕРЕНИЯ ПОДВОДНОЙ ШУМНОСТИ РЫБОПРОМЫСЛОВЫХ, ПАССАЖИРСКИХ И ТРАНСПОРТНЫХ СУДОВ МОРСКОГО ФЛОТА (ВАРИАНТЫ)

Устройство ДЛЯ контроля и измерения подводной
шумности рыбопромысловых, пассажирских и
транспортных судов морского флота (варианты)
Полезная модель относится к технике гидроакустических измерений звуковых и инфразвуковых параметров подводной шумности судов морского флота.
Излучение шума в водную среду отрицательно влияет на биоцинозы морской среды (Е.В. Шишкова. О реакции рыб на звук в шумовых спектрах траулера. «Рыбное хозяйство, 1957,3 11).
Шум - это яд. Причем за каждые двадцать лет уровень шума судоходства возрастает примерно в 1,5 раза (десятый международный конгресс по акустике). Поэтому снижение шума судоходства, контроль и измерения этого подводного шума приобретают все большее значение.
Известно устройство для измерения подводного шума движущихся в море объектов из работы J. Pomeratz and G.F.Swanson. Underwater Pressure Fields of Small Naval Vessels in the 2-17 cps Bands af the Puget Sound Acoustic Randes. - U.S.Nav.Ord.Lab.Rep., 1022. 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 проводится 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.-C.345 - 346. Это устройство содержит параллельно соединенные линейную решетку гидрофонов, либо вытягиваемую в линию на дне, либо подвешиваемую вертикально, предварительные усилители, блок уплотнения информации, донный кабель, блок разуплотнения информации, широкополосный магнитофон.
Недостатком устройства является во-первых, необходимость оборудования специального измерительного полигона, во-вторых, отсутствие возможности контролировать и измерять подводный шум судна в процессе плавания, в-третьих, большие погрешности измерений, обусловленные нестационарностью шума при прохождении судна мимо измерительной решетки гидрофонов.
Наиболее близким ло технической сущности является устройство для контроля и измерения подводной шумности рыбопромысловых, пассажирских и транспортных судов ло свидетельству на полезную модель (заявка №2002101851/20(002179). Решение о выдаче свидетельства на полезную модель от 17.04.2002 г.). Это устройство - прототип содержит последовательно соединенные линейную решетку гидрофонов с электронными блоками в шланге, буксируемом за судном, блок уплотнения информации, кабельбуксир, блок разуплотнителя информации, блок формирования двух характеристик направленности, одна из которых нацелена на судно-буксировщик, а вторая отвернута на 180°, двухканальный спектроанализатор, блок комленсации гидроакустических помех, блок контроля и измерения подводной шумности, индикатор.
Недостатком устройства-прототипа является то, что компенсируется только часть помехи от динамических шумов моря и от шумов буксировки. Помехи судоходства от судов не компенсируются. Это особенно проявляется на низких частотах, когда характеристика направленности, ориентированная в направлении на судно-буксировщик, имеет большую ширину.
Задачей полезной модели является обеспечение измерений подводной шумности судна без использования морского полигона и в процессе плавания судна при снижении влияния мешающих шумов судоходства.
Полезная модель представляет собой варианты устройства, объединенные единством задачи и единым изобретательским замыслом.
Техническим результатом устройства является устранение недостатков, свойственных устройству-прототипу и обеспечение оперативности измерений и контроля в процессе плавания судна за его подводной шумностью при наличии мешающего судоходства.
Вышеуказанный технический результат достигается по первому варианту тем, что в устройство для контроля и измерения подводной шумности рыбопромысловых, пассажирских и транспортных судов морского флота, содержащее последовательно соединенные линейную решетку гидрофонов, предварительные усилители, блок уплотнения информации, буксировочный кабель-трос, блок разуплотнения информации, а также последовательно соединенные блок компенсации гидроакустических помех, блок контроля и измерения подводного шума судна и индикации подводного шума судна, также содержащее блок управления, синхровходы которого соединены с синхровходами и синхровыводами блоков уплотненгия и разуплотнения информации, блока компенсации гидроакустических помех, блока контроля и измерения подводного шума судна и его индикации, также содержащее устройство буксировки-выборки с блоком его управления, также содержащее излучатель тестового сигнала, введены новые признаки, а именно: параллельно соединенные первый и второй формирователи характеристик направленности двух подрешеток линейной решетки гидрофонов, компенсированных в направлении на судно и образованных двумя непересекающимися группами гидрофонов, количество гидрофонов в каждой из которых равно половине общего числа гидрофонов решетки, причем входы первого и второго формирователей соединены с выходами блока разуплотнения информации, соответствующими гидрофонам первой и второй подрешеток, а их выходы соединены в первым и вторым входами блока компенсации гидроакустических помех.
По второму варианту в устройство для контроля и измерения подводной шумности рыбопромысловых, пассажирских и транспортных судов введены следующие новые признаки: параллельно соединенные первый и второй формирователи характеристик направленности двух подрешеток линейной решетки гидрофонов, компенсированных в направлении на судно и образованных двумя непересекающимися группами гидрофонов, количество гидрофонов в каждой из которых равно половине общего числа гидрофонов решетки, причем входы первого и второго формирователей соединены с выходами блока разуплотнения информации, соответствующими гидрофонам первой и второй подрешеток, а их выходы соединены в первым и вторым входами введенного в устройство анализатора взаимного спектра, формирующего коспектр на первом выходе анализатора и квадратурный спектр на втором выходе анализатора в направлении компенсации на судно, причем первый и второй выходы анализатора соединены с первым и вторым входами блока компенсации гидроакустических помех.
Сущность полезной модели поясняется фиг. 1 и фиг. 2, где на фиг. 1 приведена блок-схема первого варианта устройства, на фиг. 2 - блок-схема второго варианта устройства.
Первый вариант устройства для контроля и измерения подводной шумности рыбопромысловых, пассажирских и транспортных судов (фиг. 1) содержит последовательно соединенные линейную решетку гидрофонов 1, предварительные усилители 2, блок уплотнения информации 3, буксировочный кабель-трос 4, блок разуплотнения информации 5, также содержит параллельно соединенные первый 6 и второй 7 формирователи характеристик направленности с подрешеток линейной решетки гидрофонов. Линейная решетка гидрофонов 1 состоит из двух одинаковых подрешеток расположенных друг за другом по ее длине и содержащих половину общего числа гидрофонов каждая. Блок формирования разностной характеристики направленности (ХН) 8 и блок формирования суммарной ХН 9, также содержит последовательно соединенные блок компенсации гидроакустических помех 10, первый и второй входы которого соединены с выходами блоков 8 и 9, блок контроля и измерения подводного шума 11 и индикатор 12, также содержит устройство буксировки-выборки 13с блоком управления 14, также содержит блок управления 15, синхровходы и синхровыходы которого соединены с блоками 3, 5, 10, 11, 12, также содержит излучатель тестового сигнала 16, гидроакустически связанный через морскую среду с линейной решеткой гидрофонов 1.
Работа первого варианта устройства осуществляется следующим образом. С помощью устройства буксировки-выборки 13 линейная решетка гидрофонов 1 вместе с предварительными усилителями 2, блоком уплотнения информации 3 и буксировочным кабель-тросом 4 по команде блока 14 сматывается с лебедки и буксируется за судном на расстоянии длины кабель-троса.
Эти блоки принимают и преобразуют сигналы и помехи в среде. В блоке 5 происходит разуплотнение информации и в блоках 6 и 7 формируются характеристики направленности с первой и второй подрешеток линейной решетки гидрофонов 1. Если в решетке 1 имеется 2п ненаправленных гидрофонов, то каждая из характеристик направленности подрешетки имеет вид:
где А - длина звуковой волны в морской среде,
/ - расстояние между центрами гидрофонов,
«о - направление компенсации, отсчитываемое от перпендикуляра к центру линейной решетки.
Если корма судна находится вдоль линии решетки, то, вводя компенсацию 0  -, обеспечивается направление оси ХН на судно, т.е. Jao  f  1. В блоке 8 формируется
правленности решетки  Ja,ao)  («o
, 2п где к  - - волновое число, а Компенсацию ао выбирают -
направлении
,aQ  7, «0   2sin
уV- /
,|j  0
В блоке 9 формируется из сигналов с половины решетки 1 суммарная характеристика направленности решетки ,ао)   0 +
(sinа-si п
т.к.
на
судно,
Ы ( .,Л
- (sin«-ll
и, следовательно, при
2
Ы f .
- Ism а - si: 2  расстояние между центрами подрешеток линейной решетки. разностная характеристика («o  , что обеспечивает нуль разностной ХН  f -2cos
Компенсацию
CtQ
Ы f .ч
+(a,ao)  i «о yj
- (sina-l)
НИИ на судно RA a,aQ  -  1.
В блоке 10 осуществляют компенсацию от помех мешающего судоходства, динамического шума моря и помех буксировки, вычитая из энергии сигнала по суммарной ХН энергию сигнала по разностной ХН, используя то, что по суммарной ХН энергия сигнала содержит сумму шума суднабуксировщика и помех, а по разностной ХН энергия сигнала содержит только помехи, т.к. в направлении судна-буксировщика разностная ХН имеет ноль, а суммарная ХН имеет единицу. В блоке 11 выполняют контроль за подводным шумом судна-буксировщика путем сопоставления уровня этого шума с уровнем шума, который наблюдался при этой же скорости судна на ходовых испытаниях. Для измерения уровня этого шума дополнительно сравнивают уровень шума судна с тестовым сигналом, излучаемым с кормы судна с помощью излучателя 16, который предварительно градуируется по излучаемому им акустическому давлению. Результаты контроля и измерения подводной шумности отображаются на индикаторе 12. Блок управления 15 обеспечивает синхронизацию цифровых блоков устройства.
Второй вариант устройства для контроля и измерения подводной шумности рыбопромысловых, пассажирских и транспортных судов (фиг.2) содержит последовательно соединенные линейную решетку гидрофонов 1, предварительные усилители 2, блок уплотнения информации 3, буксировочный кабель-трос 4, блок разуплотнения информации 5, первый и второй форми71
выбирают Ofn  -
, следовательно, в направле2
рователи характеристик направленности с подрешеток линейной решетки 1, анализатор взаимного спектра 17, блок компенсации гидроакустических помех 10, блок контроля и измерения подводного шума 11, индикатор 12, также содержит устройство буксировки - выборки 13 со своим блоком управления 14, также содержит блок управления 15, также содержит излучатель тестового сигнала 16, гидроакустически связанный через морскую среду с линейной решеткой гидрофонов 1. Подрешетки линейной решетки гидрофоноф организованы также как в первом варианте усатройства.
Работа второго варианта устройства осуществляется следующим образом. С помощью устройства буксировки - выборки 13 линейная решетка гидрофонов 1 вместе с предварительными усилителями 2, блоком уплотнения информации 3 и буксировочным кабель-тросом 4 по команде блока 14 сматывается с лебедки и буксируется за судном на расстоянии длины кабель-троса. Эти блоки принимают и преобразуют сигналы и помехи в среде. В блоке 5 происходит разуплотнение информации и в блоках 6 и 7 формируются характеристики направленности Ri(a,(D} с первой и второй подрешеток, сформированных так же в первом варианте устройства линейной решетки 1. Сигналы выходов блоков б и 7 поступают на анализатор взаимного спектра 17, который формирует действительную часть (коспектр) и мнимую часть (квадратурный спектр) взаимного спектра Gi2(o)). При этом
G,(((o)(a,+Gjj((D
где G(G)) - энергетический спеюр сигнала от подводного шума судна-буксировщика;
d - расстояние  центрами половин линейной решетки гидрофонов 1;
k- волновое число;
а - угол, отсчитываемый от перпендикуляра к центру линейной решетки;
Gn(G)) - энергетический спектр помех для половин линейной
решетки 1;
ао - угол компенсации.
Тогда коспектр, определяемый анализатором взаимного спектра 17, имеет вид
5i2 (и)  G(G)} (Sma - Sma )к1 (а, со + GU (ш)
„тс7U
При компенсации  при угле а-- характеристика направленности имеет максимум, равный единице, т.е. она нацелена на судно, и, следовательно.
(7Г
Su k.     () - я ()
Квадратурный спектр, определяемый анализатором взаимного спектра 17, имеет вид
Qu ()  G(u))(Sina - Sina ) к1 (а, со +  (ш , „7Г
,UM:(f л:
буксировщика по этой характеристике направленности приниматься не будет, т.е. Q,,a    Gn((o}.
В блоке 10 производится компенсация гидроакустических помех путем вычитания из коспектра модуля квадратурного спектра.
12И-Й2НВ блоке контроля и измерения подводного шума 11 выполняется контроль за подводным шумом судна - буксировщика путем сопоставления
энергетического спектра этого шума G((U) с энергетическим спектром этого
шума Gucn(o)), который наблюдался при этой же скорости судна на ходовых
испытаниях. Для измерения энергетического спектра этого шума дополнительно сравнивают энергетический спектр шума судна с энергетическим спектром тестового сигнала, излучаемого с кормы судна с помощью излучателя 16, который предварительно градуируется по энергетическому спектру гидроакустического излучения. Результаты контроля и измерения энергетического спектра подводной шумности отображаются на индикаторе 12. Блок 15 обеспечивает синхронизацию работы цифровых устройств.
Оба варианта полезной модели успешно решают задачу контроля и измерения подводной шумности рыбопромысловых, пассажирских и транспортных судов морского флота. Первый вариант наиболее целесообразен при широкополосном анализе подводной шумности судна в заданном диапазоне частот. Второй вариант наиболее целесообразен при узкополосном анализе подводной шумности судна, когда анализируется энергетический спектр G((D) со спектральным разрешением Л/.
Линейная решетка гидрофонов 1 с электронными блоками 2 и 3 конструктивно выполняется в виде сейсмокосы или гибких протяженных гидроакустических буксируемых антенн, описанных, например, в Naval forces, 1981, 3, №5, с.64-69 или 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. В последней статье содержится также описание блоков уплотнения и разуплотнения информации 3 и 5, а также блоков формирования характеристик направленности 6. Спектроанализатор 17 строится на принципах, описанных, например, в книге С.Л. Марпл-МЛ. «Цифровой спектральный анализ и его приложения. М.Мир, 1990, с 460-469.
Таким образом, устройство для контроля и измерения подводной шумности рыбопромысловых, пассажирских и транспортных судов обеспечивает достижение заданного технического результата.
. 12