АКУСТИЧЕСКИЙ ВОЛНОГРАФ

Полезная модель является акустическим локатором, относящимся к области измерительной техники, в частности, к приборам для измерения и регистрации как уровня моря, так и параметров морского волнения методом импульсной эхолокации полигармоническим зондирующим сигналом, формирующимся в нелинейной водной среде при его распространении в вертикальном направлении от дна к границе раздела «вода-воздух».
Полезная модель может быть применена для измерения волнения моря по величине отклонения мгновенных значений уровня воды от среднего уровня моря в точке наблюдения, а также других параметров волнения - высоты, периода и длины волны с высокой точностью в значительном диапазоне изменения их величин. Акустический волнограф является до настоящего времени единственным средством для измерения параметров волнения с объектов, находящихся под водой, может обеспечивать измерения в течение длительного времени с высокой точностью, надежностью и стабильностью, делая полезную модель перспективной для включения в состав эталонных систем, необходимых для поверочных работ и стандартизации измерений на акватории морского полигона, в частности, на акватории летного бассейна гидроаэродрома по пат. №№2464205 РФ, 2539039 РФ.
В качестве первого аналога выбран эхолот ЭПО-10М, с помощью которого методом обращенного эхолота (излучение снизу вверх по нормали к границе раздела «вода-воздух») измеряется уровень воды в шлюзах, открытых водоемах и т.д., а также параметры ветрового волнения в условиях мелководья (см. Гидролокаторы ближнего действия. А.Н. Яковлев, Г.П. Каблов. Л.: Судостроение, 1983. с. 167-178). Устройство содержит задающий генератор, генератор-возбудитель, приемоизлучающий электроакустический преобразователь, входной каскад, схему временной автоматической регулировки усиления, приемный канал - отсчетный триггер, фильтр низкой частоты, указатель глубины, подавитель нулевой помехи. Устройство было разработано для автоматизации процесса дноуглубления в условиях изменяющегося уровня воды в открытых водоемах. Изменение уровней может быть вызвано сменой режима работы гидроэлектростанций в течение суток, при работе земснарядов в нижнем бьефе либо приливно-отливными явлениями при работе в морских условиях.
Данное устройство имеет недостатки и ограничения в применении:
1) ограничен диапазон проведения достаточно точных измерений прямым счетом основных элементов поверхностного волнения - высоты, длины и периода гравитационной волны, осуществляемых по временной задержке отражений импульсных сигналов от отдельных участков ее профиля. Это обусловлено недостаточной как разрешающей способностью по углу, так и помехоустойчивостью приемоизлучающего электроакустического преобразователя (поперечный размер «пятна» ~1,4 м на границе раздела «вода-воздух» при облучении импульсным ультразвуковым сигналом с глубины 10 м). Устройство обеспечивает в основном оценочные измерения уровня воды в водоеме за счет интегрирования параметров нескольких поверхностных волн попадающих в облучаемое «пятно»;
2) не позволяет оптимизировать характеристики зондирующего ультразвукового поля в соответствии с изменяющимися параметрами морского волнения. Так, эффективность проводимых акустическим волнографом измерений осложняется воздействием объемной реверберации, возникающей в приповерхностном аэрированном слое и маскирующей полезный сигнал от границы раздела «вода-воздух». Сила цели объемной реверберации, которая обусловлена наличием распределенных в воде морских организмов, различных частиц, неоднородной структурой водной среды и т.д., описывается следующим соотношением (см. Урик Р.Дж. Основы гидроакустики. - Л.: Судостроение, 1978. - 448 с.):
V
V
где S - сила рассеивания объема воды, принимаемая для приповерхностных слоев ≈(-70) дБ; c - скорость звука в воде, м/с; τ - длительность излучаемого импульса, с; z - дистанция от места установки гидроакустической антенны до точки наблюдения, м; Ψ - угол раскрыва основного лепестка характеристики направленности (ХН) антенны. Три последних слагаемых в (1) определяют величину реверберирующего объема конической формы, причем, уменьшение длины волны λ зондирующего ультразвукового сигнала в два, три, четыре раза позволяет пропорционально уменьшать поперечное сечение объема ультразвуковой посылки за счет пропорционального снижения угловой ширины основного лепестка ХН электроакустического преобразователя. В данном случае снижение уровня маскирующего действия объемной реверберационной помехи составит 3 дБ, 4,8 дБ, 6 дБ (в 1,41, 1,74, 2 раза) соответственно, что позволит снизить погрешность проводимых измерений параметров поверхностного волнения;
S
ср
3) не предусмотрена возможность регулировки угловой ширины основного лепестка ХН электроакустического преобразователя, в то время как использование именно полигармонического зондирующего ультразвукового сигнала, содержащего как низкочастотные, так и высокочастотные спектральные составляющие могло бы позволить измерять несколько значений «размаха» смещения водной поверхности, позволяя снизить погрешность проводимых измерений параметров поверхностного волнения. Так, сила поверхностного рассеяния S зависит от соотношения средней длины пути H между выступами и впадинами на морской поверхности, проходимой рассеянным в направлении источника сигналом, к длине волны λ сигнала и описывается соотношением (Урик Р.Дж. Основы гидроакустики. - Л.: Судостроение, 1978. - 448 с.)
причем, удовлетворительное совпадение расчетных и экспериментальных данных имеет место для значительного диапазона изменения значений : - от 4 до 200: наибольшей величине 200 при угле скольжения 10° и средней длине пути 0,05 м («размах» смещения водной поверхности вследствие ветрового воздействия ≈0,2 м) соответствует частота ультразвука 24 кГц, а наименьшей - 4 - при тех же условиях соответствует сигнал с частотой 480 Гц;
4) отсутствует описание приспособлений, обеспечивающих необходимое расположение и стабилизацию в пространстве основного лепестка ХН электроакустического преобразователя;
5) как следует из описания аналога (см. Гидролокаторы ближнего действия. А.Н. Яковлев, Г.П. Каблов. Л.: Судостроение, 1983. с. 170, табл. 4.1), при потребляемой электрической мощности устройства около 4 Вт (излучаемая акустическая мощность ~1 Вт) интенсивности излученной ультразвуковой волны с частотой заполнения 150 кГц при угловой ширине 7° основного лепестка ХН по уровню 0,7 не достаточно для того, чтобы начали проявляться нелинейные свойства водной среды и в канале распространения сформировался полигармонический зондирующий сигнал.
Причинами, препятствующими достижению заявляемого технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности рассмотренного устройства, затрудняющие получение достоверной информации о параметрах морского волнения в значительном диапазоне изменения их величин методом импульсной эхолокации в вертикальном направлении от дна к поверхности воды, так как устройство не позволяет оптимизировать характеристики зондирующего ультразвукового поля в соответствии с изменяющимися параметрами морского волнения, в частности, регулируя как угловую ширину основного лепестка ХН, так и величину помехоустойчивости электроакустического преобразователя в режиме приема, что снижает точность и приводит к регистрации недостоверных данных.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: электроакустический преобразователь, генератор, коммутатор, усилитель, индикатор-табло.
0,7
В качестве второго аналога по совокупности признаков и принципу действия выбран прибор Wave sonar канадской фирмы ASL Environmental Sciences (разработан на основе Upward looking instrument, the Ice Profiling Sonar - IPS, «вверхсмотрящий» сонар-профилограф нижней кромки льда, см. www.aslenv.com.; Fissel, D.B., Birch, J.R., Borg, K., Melling, Н. Wave measurements using upward-looking sonar for continental shelf application. In Proc. Offshore Technology Conference, Houston, TX, USA, 3-6 May 1999). Устройство содержит герметичный цилиндрический корпус и установленный на его крышке электроакустический преобразователь, которой излучает в воду в направлении нормали к границе раздела «вода-воздух» короткие импульсы ультразвуковых сигналов с частотой заполнения 420 кГц. Электроакустический преобразователь поршневого типа обеспечивает угловой раствор θ=1,8° по уровню (-3 дБ) основного лепестка ХН, что позволяет обеспечить на поверхности моря как малый диаметр «пятна облучения» (0,9 м, 3,1 м и 6,3 м для дистанций 30 м, 100 м и 200 м соответственно), так и высокое пространственное разрешение по углу. Внутри корпуса размещены электронные блоки, включающие в себя генератор коротких импульсных посылок, приемник отраженных от поверхности воды сигналов, аналого-цифровой преобразователь, процессор, блок памяти и батарейный источник питания. Прибор устанавливается в составе притопленной буйковой станции на несущем буе с поплавками, заглубленном от поверхности воды на дистанцию до 225 м/55 м и закрепленном в необходимой точке подводного объема с помощью троса и донного якоря (заглубление до 2000 м). В устройстве высота волны измеряется прямым методом по временной задержке отраженного импульсного сигнала от поверхности воды, чем достигается достаточно высокая точность и достоверность измерений. Период волны измеряется в результате обработки серии экспериментальных наблюдений, полученных эхозондированием с периодичностью не менее двух измерений в секунду. Для измерения спектра направленности волнения требуется одновременно использовать три синхронизированных прибора, разнесенных по дну на некоторой базе и установленных в вершинах треугольника.
Данное устройство имеет недостатки и ограничения в применении:
1) используется моностатическая схема одночастотного эхолотирования, причем, его работа надежна, если эхосигнал от поверхности превышает по своей амплитуде сигналы поверхностной реверберации. Сила цели поверхностной реверберации, определяется выражением (см. Урик Р.Дж. Основы гидроакустики. - Л.: Судостроение, 1978. - 448 с.)
S
где ψ - ширина угла раскрыва по уровню 0,7 основного лепестка ХН электроакустического преобразователя. Три последних слагаемых в (3) определяют величину реверберирующей рассеивающей площади, образованной приповерхностностными рассеивателями, причем, выбор длины волны λ зондирующего ультразвукового сигнала позволяет изменять уровень маскирующей поверхностной реверберационной помехи. Однако данный подход не реализован в аналоге;
2) ограничен диапазон возможного проведения измерений прямым счетом основных элементов поверхностного волнения, причем, устройство имеет достаточную точность только для длиннопериодных гравитационных волн. В то же время для гравитационных волн с малой длиной эхосигналы от участков ее профиля будут наблюдаться на индикаторе как интегральная отметка флюктуирующей амплитуды, что приводит к регистрации недостоверных данных. Это обусловлено отсутствием возможности изменения как разрешающей способности по углу, так и помехоустойчивостью электроакустического преобразователя аналога, что выражается в невозможности регулировки поперечного размера «пятна засветки» (диаметр составляет 2 м и 8 м при зондировании с глубины 55 м и 225 м соответственно) на границе раздела «вода-воздух», облучаемой импульсным ультразвуковым сигналом;
3) поплавковая система стабилизации пространственной ориентации основного лепестка ХН электроакустического преобразователя прибора Upward looking instrument канадской фирмы ASL Environmental Sciences подвержена влиянию придонных течений, что снижает точность и достоверность измерений высоты волны эхометодом по временной задержке отраженного импульсного сигнала от поверхности воды.
4) для измерения спектра направленности волнения требуется одновременно использовать три синхронизированных прибора, разнесенных по дну на некоторой базе и установленных в вершинах треугольника, что усложняет и удорожает измерительные технологии, снижает точность проведения необходимых косвенных измерений.
5) устройство предназначено для долговременной автономной работы по измерению амплитуд поверхностных волн, что предполагает ограниченно-рапределенное во времени энергопотребление (до трех месяцев при дальности 100 м и периодичности излучаемых посылок 4 Гц на несущей частоте 420 кГц при стандартной батарее-аккумуляторе с зарядом 200 А×час), что не позволяет излучать мощные ультразвуковые волны конечной амплитуды, т.е. не обеспечена возможность генерации в водной среде полигармонического зондирующего сигнала за счет нелинейных эффектов.
Причинами, препятствующими достижению заявляемого технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности рассмотренного устройства, затрудняющие получение достоверной информации о параметрах морского волнения в значительном диапазоне изменения их величин методом импульсной эхолокации в вертикальном направлении от дна к поверхности воды, так как устройство не позволяет оптимизировать характеристики зондирующего ультразвукового поля в соответствии с изменяющимися параметрами морского волнения, в частности, регулируя как угловую ширину основного лепестка ХН, так и величину помехоустойчивости электроакустического преобразователя в режиме приема, что снижает точность и приводит к регистрации недостоверных данных.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: электроакустический преобразователь, генератор, коммутатор, усилитель.
В качестве прототипа выбран гидроакустический волнограф (см. Электронный ключ к океану. А.Л. Простаков. - Л. «Судостроение», 1978, с. 126-128), содержащий электроакустический преобразователь, который расположен в водной среде на донной поверхности акватории и соединен с береговой аппаратурой, состоящей из коммутатора, излучающего тракта, включающего генератор, и приемного тракта, включающего последовательно соединенные резонансный усилитель, настроенный на частоту  излучаемого сигнала, амплитудный детектор, пороговое устройство, счетчик импульсов, запоминающий регистр, тактовый генератор, цифро-аналоговый преобразователь, цифровое табло, интегратор и самописец, а также блок управления, сигнальные выходы которого соединены с управляющими входами генератора, резонансного усилителя, настроенного на частоту  излучаемого сигнала, и счетчика импульсов. Электроакустический преобразователь поршневого типа содержит рефлектор-отражатель, обеспечивающий формирование узкого основного лепестка ХН, причем, для стабилизации необходимой пространственной ориентации основного лепестка ХН электроакустический преобразователь устанавливается на механическом двойном кардановом подвесе. Электроакустический преобразователь через коммутатор подключается или к излучающему, или к приемному трактам гидроакустического волнографа. Блок управления запускает генератор импульсных посылок, запирая приемный тракт защитным импульсом на время излучения и ожидания прихода эхосигнала от поверхности с учетом максимально возможного изменения уровня моря, вызываемого волнением, и выдает импульс начала счета. Счетчик начинает регистрировать импульсы, поступающие на его вход с тактового генератора. Принятый эхосигнал после резонансного усилителя, настроенного на частоту  излучаемого сигнала, и амплитудного детектора поступает на пороговое устройство, срабатывающее в момент прихода переднего фронта сигнала и останавливающее счетчик. Подсчитанное число тактовых импульсов заносится в запоминающий регистр ЭЦВМ, выдается на цифровое табло и после преобразования из цифровой формы в аналоговое напряжение на самописец. Интегратор со стрелочным или цифровым индикатором показывает осредненное за период от 1 с до 999 с значение волнения. В волнографе частота следования зондирующих импульсов и масштаб самописца автоматически переключаются в зависимости от фактической высоты волн, например, диапазоны измерения высоты волн (0-5) м и (0-10) м или (0-7,5) м и (0-15) м. В целях повышения разрешающей способности по дальности длительность зондирующего импульса берется равной (50-100) мкс. Тогда разрешающая способность при отражении от горизонтальной поверхности составляет (4-8) см и несколько ухудшается при отражении от наклонной поверхности. Угловая ширина основного лепестка ХН электроакустического преобразователя, снабженного рефлектором-отражателем, берется равной 2°, что обеспечивает отражение энергии от сравнительно небольшого пятна «засветки» на водной поверхности и уменьшает ошибки измерения, вызываемые наклоном отражающей поверхности.
Данное устройство имеет недостатки и ограничения в применении:
1) размером «облучаемого пятна» на поверхности воды ограничен диапазон возможного проведения измерений прямым счетом основных элементов поверхностного волнения - высоты, длины и периода гравитационной волны, что обусловлено невозможностью регулировки как угловой разрешающей способности, так и помехоустойчивости электроакустического преобразователя за счет как изменения параметров рефлектора-отражателя, так и излучения зондирующих сигналов с другими частотами;
2) используется моностатическая схема одночастотного эхолотирования, что ограничивает его работоспособность в «коротковолновом» диапазоне параметров морского волнения. Хотя очевидно, что выбор длины волны λ зондирующего ультразвукового сигнала мог бы позволить регулировать как угловую ширину основного лепестка ХН, так и величину помехоустойчивости электроакустического преобразователя в режиме приема. Однако данный подход не реализован в прототипе;
3) работа волнографа осложнена сильным воздействием объемной реверберации, возникающей в приповерхностном аэрированном слое и маскирующей полезный сигнал от границы раздела «вода-воздух». В данных условиях изменение длины волны λ зондирующего ультразвукового сигнала может позволить изменять поперечное сечение объема ультразвуковой посылки за счет регулировки угловой ширины основного лепестка ХН электроакустического преобразователя;
4) ХН электроакустического преобразователя имеет значительный уровень бокового излучения, который составляет примерно 20% от величины основного лепестка, что может привести к грубой ошибке в определении местоположения отражающей поверхности и т.д., огранивая работоспособность при повышенном волнении;
5) при измерении расстояния с помощью эхометода возникает погрешность за счет аппаратурного времени запаздывания, возникающего за счет переходных процессов в приемном тракте и проявляющегося в «затягивании» переднего фронта эхосигнала Использование полигармонического зондирующего ультразвукового сигнала, содержащего как низкочастотные, так и высокочастотные спектральные составляющие, может позволить снизить эффект возникновения аппаратурного времени запаздывания при флуктуациях уровней принимаемых информативных сигналов при измерении параметров поверхностного волнения за счет их перемножения или суммирования. Однако в прототипе данный подход не реализован;
6) устройство предназначено для долговременной работы в прибрежной мелководной зоне в связи, с чем донный электроакустический преобразователь с рефлектором-отражателем, соединен кабелем с аппаратурой, расположенной на берегу. Волнограф потребляет электрическую мощность до 100 Вт, излучая в водную среду акустическую мощность около 1 Вт; т.е. в прототипе не предусмотрено излучение мощных ультразвуковых волны конечной амплитуды, т.е. отсутствует возможность генерации в водной среде полигармонического зондирующего сигнала за счет нелинейных эффектов, что, однако, может быть достаточно легко реализовано за счет поступления дополнительной энергии от расположенной на берегу части устройства.
Причинами, препятствующими достижению заявляемого технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности рассмотренного устройства, затрудняющие получение достоверной информации о параметрах морского волнения в значительном диапазоне изменения их величин методом импульсной эхолокации в вертикальном направлении от дна к поверхности воды, так как устройство не позволяет оптимизировать пространственно-угловые характеристики зондирующего ультразвукового поля в соответствии с изменяющимися параметрами морского волнения, в частности, регулируя как угловую ширину основного лепестка ХН, так и величину помехоустойчивости электроакустического преобразователя в режиме приема, что снижает точность и приводит к регистрации недостоверных данных.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: электроакустический преобразователь, который расположен в водной среде на донной поверхности акватории, и соединен с береговой аппаратурой, состоящей из коммутатора, излучающего тракта, включающего генератор, и приемного тракта, включающего последовательно соединенные резонансный усилитель, настроенный на частоту  излучаемого сигнала, амплитудный детектор, пороговое устройство, счетчик импульсов, запоминающий регистр, тактовый генератор, цифро-аналоговый преобразователь, цифровое табло, интегратор и самописец, а также блок управления, сигнальные выходы которого соединены с управляющими входами генератора, резонансного усилителя, настроенного на частоту  излучаемого сигнала, и счетчика импульсов.
Техническим результатом полезной модели является увеличение точности при регистрации параметров морского волнения в диапазоне изменения их величин методом импульсной эхолокации в вертикальном направлении от дна к поверхности воды.
1
3
2
3
M
3
3
1
3
2
3
M
3
1
3
2
3
M
3
Технический результат достигается тем, что в береговую аппаратуру акустического волнографа дополнительно введены в излучающий тракт усилитель мощности, установленный между генератором и коммутатором, а в приемный тракт для обработки высокочастотных и низкочастотных спектральных составляющих эхосигнала с частотами  и F=1/2τ, F=3/2τ, F=(2m-1)/2τ, которые формируются в водной среде за счет нелинейных эффектов как самовоздействия, так и самодемодуляции импульсного мощного сигнала с частотой заполнения  и длительностью τ, -[(n-1)+m] параллельно включенных цепочек из последовательно соединенных резонансных усилителей, настроенных на частоты  и F=1/2τ, F=3/2τ, F=(2m-1)/2τ, и амплитудных детекторов, таким образом, что их входы объединены и подключены к выходу коммутатора, а выходы каждого амплитудного детектора через аттенюаторы с регулируемыми коэффициентами передачи соединены с входами перемножителя, выход которого подключен ко входу порогового устройства, причем, для обработки спектральной составляющей эхосигнала с частотой  выход соответствующего амплитудного детектора через дополнительный аттенюатор с регулируемым коэффициентом передачи соединен с первым сигнальным входом перемножителя, а управляющие входы всех аттенюаторов, [(n-1)+m] резонансных усилителей, настроенных на соответствующую спектральную составляющую  и F=1/2τ, F=3/2τ, F=(2m-1)/2τ, тактового генератора, цифрового табло, самописца и интегратора соединены с соответствующими выходами блока управления. Кроме того, технический результат достигается тем, что для обеспечения облучения с донной поверхности взволнованной границы раздела «вода-воздух» электроакустический преобразователь с вертикально стабилизированной в пространстве акустической осью характеристики направленности является составным элементом приемоизлучающего антенного устройства по пат. №104732 РФ, которое установлено на дне в заданной точке акватории.
1
3
2
3
M
3
3
1
3
2
3
M
3
1
3
2
3
M
3
Для достижения технического результата в акустический волнограф, содержащий электроакустический преобразователь, который расположен в водной среде на донной поверхности акватории, и соединен с береговой аппаратурой, состоящей из коммутатора, излучающего тракта, включающего генератор, и приемного тракта, включающего последовательно соединенные резонансный усилитель, настроенный на частоту  излучаемого сигнала, амплитудный детектор, пороговое устройство, счетчик импульсов, запоминающий регистр, тактовый генератор, цифро-аналоговый преобразователь, цифровое табло, интегратор и самописец, а также блок управления, сигнальные выходы которого соединены с управляющими входами генератора, резонансного усилителя, настроенного на частоту  излучаемого сигнала, и счетчика импульсов, дополнительно введены в излучающий тракт усилитель мощности, установленный между генератором и коммутатором, а в приемный тракт для обработки высокочастотных и низкочастотных спектральных составляющих эхосигнала с частотами  и F=1/2τ, F=3/2τ, F=(2m-1)/2τ, которые формируются в водной среде за счет нелинейных эффектов как самовоздействия, так и самодемодуляции импульсного мощного сигнала с частотой заполнения  и длительностью τ, -[(n-1)+m] параллельно включенных цепочек из последовательно соединенных резонансных усилителей, настроенных на частоты  и F=1/2τ, F=3/2τ, F=(2m-1)/2τ и амплитудных детекторов, таким образом, что их входы объединены и подключены к выходу коммутатора, а выходы каждого амплитудного детектора через аттенюаторы с регулируемыми коэффициентами передачи соединены с входами перемножителя, выход которого подключен ко входу порогового устройства, причем, для обработки спектральной составляющей эхосигнала с частотой  выход соответствующего амплитудного детектора через дополнительный аттенюатор с регулируемым коэффициентом передачи соединен с первым сигнальным входом перемножителя, а управляющие входы всех аттенюаторов, [(n-1)+m] резонансных усилителей, настроенных на соответствующую спектральную составляющую  и F=1/2τ, F=3/2τ, F=(2m-1)/2τ, тактового генератора, цифрового табло, самописца и интегратора соединены с соответствующими выходами блока управления. Кроме того, технический результат достигается тем, что для обеспечения облучения с донной поверхности взволнованной границы раздела «вода-воздух» электроакустический преобразователь с вертикально стабилизированной в пространстве акустической осью характеристики направленности является составным элементом приемоизлучающего антенного устройства по пат. №104732 РФ, которое установлено на дне в заданной точке акватории.
1
2
3
1
2
3
На фиг. 1 представлена структурная схема заявляемого устройства; на которой блоки береговой аппаратуры ограничены замкнутой штриховой линией; на фиг. 2 показано изменение аппаратурного времени запаздывания (Δt; Δt; Δt) при флуктуациях уровня принимаемого информативного сигнала (E; E; E), вызванных, например, изменением коэффициента отражения от контролируемой взволнованной границы раздела «вода-воздух»; на фиг. 3 представлены ХН антенны рыбопоисковой аппаратуры (РПА) «Сарган-К» для акустических полей на сигнале основной частоты и его высших гармониках, формирующихся в воде; на фиг. 4 и фиг. 5 - представлены обобщенные результаты экспериментальных измерений интерференционных антенн в нелинейном режиме излучения, где на вертикальных осях нанесены величины безразмерного параметра  и уровень бокового излучения  акустического поля соответственно, а на горизонтальных осях - номер гармоники n; на фиг. 6 представлен энергетический спектр низкочастотного самодемодулированного сигнала, сформировавшегося в воде для РПА «Сарган-ЭМ», излучающего в штатном высокочастотном (ВЧ) режиме зондирующего импульса с частотой заполнения 135 кГц; на фиг. 7 представлена расчетная зависимость для осевого распределения уровня звукового давления формирующегося в воде самодемодулированного импульса при работе в режиме параметрического излучения (РПИ) РПА «Сарган-ЭМ»; на фиг. 8 представлены угловые распределения уровней звукового давления рабочих сигналов РПА «Сарган-М» для режимов: параметрического излучения (кривая 2), на высокой 135 кГц (кривая 1) и низкой 20 кГц (кривая 3) частотах.
Береговая аппаратура акустического волнографа (фиг. 1, блоки находящиеся внутри штрихового контура) содержит коммутатор «прием-передача», а также тракты как излучения, так и приема. В излучающем тракте генератор 1 соединен через последовательно включенные усилитель мощности 2 и коммутатор 3 с электроакустическим преобразователем 4, расположенным в верхней части многоэлементного донного приемоизлучающего антенного устройства (ПАУ) 5 (фиг. 1, полусферическая конструкция, расположенная на донной поверхности в заданной точке акватории). Акустическая ось электроакустического преобразователя 4 расположена вертикально, т.е. облучение короткими ультразвуковыми импульсами взволнованной границы 7 раздела сред «вода-воздух» осуществляется по кратчайшему расстоянию через нелинейную водную среду 6, причем, эхосигналы принимаются тем же электроакустическим преобразователем 4 в течение паузы между последовательными импульсами излучения. В приемном тракте береговой аппаратуры волнографа электроакустический преобразователь 4 соединен через коммутатор 3 со входами [(n-1)+m] параллельно включенных цепочек (где n=1, 2, 3, i, и m=1, 2, 3, j, - целые числа) из последовательно соединенных резонансных усилителей 8, настроенных на различные спектральные составляющие, амплитудных детекторов 9 и аттенюаторов 10 с регулируемыми коэффициентами передачи. Выходы каждой цепочки соединены с соответствующими сигнальными (n+m) - входами перемножителя 11. Выход перемножителя 11 через пороговое устройство 12 и счетчик импульсов 13 соединен с входом запоминающего регистра 14 ЭЦВМ, который также соединен как с входом цифрового табло 15, так и через цифро-аналоговый преобразователь 16 с входами самописца 17 и интегратора 18. Два других входа счетчика импульсов 13 соединены с выходами как тактового генератора 19, так и блока управления 20, причем, другие дополнительные выходы последнего соединены с управляющими входами генератора 1, резонансных усилителей 8 и аттенюаторов 10.
3
M1
3
M2
3
M3
3
MJ
3
Mm
3
3
M1
3
M2
3
M3
3
MJ
3
Mm
3
M1
3
M2
3
M3
3
MJ
3
Mm
3
Работа акустического волнографа происходит следующим образом. Блок управления 20 вырабатывает синхроимпульс, поступающий на управляющий вход тактового генератора 19, причем, изменение скорости звука в водной среде учитывается с помощью изменения тактовой частоты его выходного сигнала. С выхода тактового генератора 19 начинают поступать импульсы на вход счетчика импульсов 13, причем, одновременно с этим с дополнительных выходов блока управления 20 поступают импульсы на управляющие входы как резонансных усилителей 8 («запирают» на время излучения и ожидания прихода эхосигнала от границы раздела), так и генератора 1, вырабатывающего радиоимпульс U1 длительностью τ с гармоническим заполнением с частотой . Данный радиоимпульс после усилителя мощности 2 поступает через коммутатор 3 на электроакустический преобразователь 4, который, являясь составным элементом донного многочастотного гидроакустического приемоизлучающего антенного устройства (ПАУ) 5, излучает мощный зондирующий сигнал накачки U2 в водную среду 6. Водная среда 6 обладает нелинейностью своих упругих свойств, что приводит к возникновению при распространении импульса интенсивной ультразвуковой волны нелинейных эффектов - самовоздействия и самодемодуляции (см. Мюир Т.Дж. Нелинейная акустика и ее роль в геофизике морских осадков // Акустика морских осадков / Пер. с англ.; Под ред. Ю.Ю. Житковского. - М.: Мир, 1977. - с. 227-273), которые можно рассматривать как результат воздействия нелинейного изменения упругих свойств среды на характеристики мощного импульсного зондирующего сигнала накачки с частотой  в области распространения. Получение достоверной информации о параметрах морского волнения с помощью акустического волнографа обеспечивается применением для облучения границы раздела «вода-воздух» 7 не только сигнала накачки с частотой , но и сформировавшихся в водной среде 6 акустических сигналов как высоко-, так и низкочастотного диапазонов: - высших гармонических составляющих с частотами , где n=2, 3, …, i, … - порядковый номер гармоники, и спектральных составляющих с частотами F=1/2τ, F=3/2τ, F=5/2τ, F=(2j-1)/2τ, F=(2m-1)/2τ, где m=1, 2, 3, …, j, - порядковый номер максимума в спектре, τ - длительность излученного импульса соответственно. Нелинейные эффекты в акустическом поле, формируемом электроакустическим преобразователем 4, позволяют разделить в пространстве процессы преобразования электрической энергии в акустическую (электроакустический преобразователь 4) и формирования направленного излучения (участок водной среды 6, в котором взаимодействуют частотные составляющие спектра мощного импульса накачки, соответствующие его тональному заполнению и огибающей). В объеме «бестелесной» антенны распределены нелинейные источники указанных выше акустических сигналов, в результате чего при небольших поперечных размерах электроакустического преобразователя 4 генерируются НЧ (самодемодуляция) и ВЧ (самовоздействие) акустические сигналы в пределах небольших телесных углов при практически полном отсутствии бокового поля. Полигармонический зондирующий сигнал U3, содержащий спектральные составляющие с частотами , где n=1, 2, 3, … - порядковый номер гармоники, и F=1/2τ, F=3/2τ, F=5/2τ, F=(2j-1)/2τ, F=(2m-1)/2τ, где m=1, 2, 3, …, j, - после распространения в водной среде 6 достигает взволнованной границы раздела «вода-воздух» 7 и отражается от нее, причем, все отраженные составляющие полигармонического сигнала несут определенную амплитудную, фазовую и частотную информацию об облучаемой границе раздела 7, позволяя на каждой указанной выше частоте судить об отражательной способности, акустическом сопротивлении и кинематических характеристиках границы раздела «вода-воздух» 7, а также и о закономерности изменения ее удаления от электроакустического преобразователя 4, входящего в состав донного многочастотного гидроакустического приемоизлучающего антенного устройства 5, Отраженный полигармонический сигнал U4 достигает электроакустического преобразователя 4, находящегося в режиме приема, который вырабатывает электрические сигналы, соответствующие указанным выше спектральным компонентам с частотами  и F=1/2τ, F=3/2τ, F=5/2τ, F=(2j-1)/2τ, F=(2m-1)/2τ. Уровни каждого из электрических сигналов определяются амплитудными характеристиками направленности  и , а также чувствительностями  и  в режиме приема электроакустического преобразователя 4 для каждой из рассеянных границей раздела «вода-воздух» акустических волн с указанными выше частотами колебаний, где θ - угол прихода рассеянных волн, отсчитываемый от нормали к плоскости антенны. Эффективность направленного действия электроакустического преобразователя 4 в режиме приема эхосигналов в полосе частот, соответствующей указанному выше диапазону дискретных отраженных компонент сформировавшегося излучения, даже в предположении их некогерентности будет повышена, так как суммарная интенсивность есть результат энергетического суммирования интенсивностей отдельных спектральных составляющих, причем, если в пределах полосы пропускания приемного тракта дискретный спектр частотных составляющих является равномерным, то общая ХН по интенсивности  представляет собой среднее арифметическое их ХН  для электроакустического преобразователя 4 на отдельных частотных составляющих (см. Евтютов А.П., Митько В.Б. Инженерные расчеты в гидроакустике. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Судостроение, 1988. - 288 с.)
P⋅j,i
где R(θ) - ХН по давлению на j,i-той частоте дискретной составляющей спектра, (n+m) - общее число дискретных частотных составляющих спектра эхосигнала. На выходе (n+m) канального приемного тракта обработки амплитудных характеристик дискретных частотных составляющих спектра эхосигнала после усиления (резонансные усилители 8), детектирования (детекторы 9), изменения амплитуд (аттенюаторы 10) и перемножения (перемножитель 11) выделенных видеоимпульсных сигналов  получаем результирующее напряжение U9=U5×U6×…×U7×U8×…, соответствующее результирующему эхосигналу от облучаемой границы раздела «вода-воздух», которое подается на вход порогового устройства 12. Перемножение электрических сигналов U5×U6×…×U7×U8×…, уровни каждого из которых пропорциональны аналогичным пространственным ХН электроакустического преобразователя 4, обеспечит сохранение электрических сигналов большой амплитуды, соответствующих основным лепесткам на акустической оси электроакустического преобразователя 4, и ослабление электрических сигналов малой амплитуды, соответствующих добавочным максимумам для других внеосевых направлений, что эквивалентно уменьшению угловой ширины главного максимума и подавлению дополнительных максимумов в результирующей ХН преобразователя 4. Точность измерения ординат волны в ее вершине и подошве близка к разрешающей способности как в вертикальном (длительность зондирующего импульса), так и горизонтальном (угловая ширина по уровню 0,7 основного лепестка ХН) направлениях, а на склонах - определяется протяженностью «пятна засветки», причем, повышение точности измерений в акустическом волнографе можно осуществить при реализации многоканального приемного тракта, воплощающего подход к обработке эхосигналов спектральных составляющих, описанный соотношением (4). Таким образом, выбор набора регистрируемых частот эхосигналов и способ обработки в многоканальном приемном тракте акустического волномера позволит регулировать основные параметры в приеме обратимого электроакустического преобразователя 4: остроту направленного действия, угловую ширину основного лепестка, число, направления и величину дополнительных максимумов ХН.
вых
вх
0
1
2
3
1
2
3
Д
вых.уст
Д
вых.уст
Д
вх
-α⋅t
В предлагаемом акустическом волнографе передний фронт видеоимпульсного напряжения U9=U5×U6×…×U7×U8×…, соответствующего результирующему эхосигналу от облучаемой границы раздела 7 «вода-воздух», используется как характерный признак поступления отраженной от границы раздела «вода-воздух» посылки. Из теории электрических цепей (см. Гоноровский И.С. Радиосигналы и переходные процессы в радиоцепях. М., Связьиздат, 1954) известно, что воздействие импульса гармонического колебания с частотой, равной собственной частоте избирательной системы (например, на резонансный усилитель 8) приводит к возникновению переходных процессов, проявляющихся в «затягивании» переднего и заднего фронтов. Так, выходной сигнал описывается следующим выражением U=U⋅к⋅(1-e)sinωt, где к - коэффициент усиления для непрерывного сигнала,  - постоянная времени системы. Возникновение запаздывания в формировании огибающей установившегося импульсного выходного сигнала (передний фронт) приводит к появлению аппаратурного времени задержки (фиг. 2), которое добавляется ко времени пробега измеряемого расстояния упругими волнами и может вносить погрешность в результаты измерений. Аппаратурное время задержки определяется совместным действием двух факторов - полосой пропускания тракта и уровнем дискриминации сигнала при его детектировании. В эхо-импульсных устройствах уровень дискриминации вводится в приемный тракт для исключения ложных показаний устройства при наличии внешних акустических и других помех, причем, для фиксации информативного сигнала необходимо его превышение над установленным порогом дискриминации. На фиг. 2 показано изменение аппаратурного времени запаздывания (Δt; Δt; Δt) при флуктуациях уровня принимаемого информативного сигнала (E; E; E), вызванных, например, изменением коэффициента отражения от контролируемой взволнованной границы раздела «вода-воздух», откуда видно, что увеличение амплитуды информативного сигнала приводит к уменьшению аппаратурного времени запаздывания. Для возможно большего ослабления флуктуаций аппаратурного времени задержки, определяющего величину погрешности проводимых измерений, необходимо как уменьшать порог дискриминации, так и увеличивать уровень полезного информативного сигнала. В предлагаемом устройстве именно использование полигармонического зондирующего ультразвукового сигнала, содержащего как низкочастотные, так и высокочастотные спектральные составляющие, может позволить снизить величину аппаратурного времени запаздывания при увеличении уровня результирующего информативного сигнала за счет перемножения. Обозначив относительный уровень дискриминации ε=U/U, где U - абсолютный уровень дискриминации; U - установившаяся амплитуда выходного сигнала, а также ε=U/к⋅U, запишем выражение для аппаратурного времени задержки . Приведем расчетные значения как времени аппаратурного запаздывания (мксек), так и соответствующего дополнительного расстояния (см) до отражающей границы раздела при относительных уровнях дискриминации 0,5; 0,3; 0,1 от установившейся величины сигнала U9: 220 мксек и 16,3 см; 114 мксек и 8,1 см; 33 мксек и 2,4 см. Итак, в устройстве полученное видеоимпульсное напряжение U9, соответствующего результирующему эхосигналу от облучаемой границы раздела 7 «вода-воздух», поступает на вход порогового устройства 12, которое срабатывает в момент прихода переднего фронта сигнала и останавливает счетчик импульсов 13. Подсчитанное число тактовых импульсов заносится в запоминающий регистр 14 ЭЦВМ, выдается на цифровое табло 15, а также после цифро-аналогового преобразования в блоке 16 поступает на входы как самописца 17, так и интегратора 18. В устройстве высота волны измеряется прямым методом по временной задержке отраженного импульсного сигнала от поверхности воды, чем достигается достаточно высокая точность и достоверность измерений. Период волны измеряется в результате обработки серии экспериментальных наблюдений, полученных эхозондированием.
0,7 НЧ
ВЧ рез
НЧ
ВЧ рез
НЧ
Проиллюстрируем возможность получения различной точности отображения рельефа взволнованной границы раздела «вода-воздух» с использованием каналов обработки амплитудных характеристик эхосигналов ВЧ (самовоздействие) и НЧ (самодемодуляция) приемного тракта устройства. Например, по границе раздела со скоростью υ распространяется гравитационная волна, у которой облучаются снизу две соседние «подошвы» профиля одинаковой величины, расположенных на расстоянии λ/2 и разделенных размахом (2A - двойная амплитуда) волнового процесса (фиг. 1), отметки, от которых на волнограмме могут сливаться в одну, что может привести к неработоспособности устройства. Рассчитаем величину угла Δθ, при отклонении на который в области основного лепестка ХН электроакустического преобразователя 4, оператор уверенно зафиксирует уменьшение амплитуды сигнала от каждой из соседних «подошв» профиля одинаковой величины, т.е. они будут зарегистрированы раздельно с определенной точностью отображения волнового профиля на границе раздела «вода-воздух». Величиной этого угла Δθ характеризуют точность пеленгования, например, для максимального метода пеленгования , где μ - коэффициент, величина которого при использовании оператором визуального индикатора, составляет (0,05-0,15); для слухового индикатора - ≥0,2. Оценим точность максимального метода пеленгования НЧ и ВЧ амплитудными трактами макета параметрического гидролокатора ближнего действия (см. Волощенко В.Ю. Параметрические локаторы для ближнего подводного эхопоиска. LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH, OmniScriptum & Co. KG, Heinrich-Bocking-Str. 6-8 66121, Saarbrucken, Germany, https://www.ljubljuknigi.ru/store/ru/book/isbn/978-3-659-48014-0, 2015 г., 137 с.), который может быть использован в режиме волнографа. В данном устройстве угловая ширина основного лепестка результирующих ХН приемно-излучающей системы по уровню 0,7 составляет: ВЧ канал - при предлагаемой обработке сигналов  при отсутствии боковых лепестков; НЧ канал - для сигнала разностной частоты F=20 кГц θ=6,4° при наличии боковых лепестков с уровнями до 13%, что должно обеспечить при вертикальном лоцировании с донного ПАУ 5, расположенного на глубине 20 метров, следующие величины разрешающей способности по углу D ~ 0,2 м и D ~ 0,8 м соответственно. В данном случае при визуальном пеленговании соседних «подошв» профиля одинаковой величины оператором (μ=0,1) с помощью данной локационной системы точность пеленгования Δθ будет составлять: для ВЧ тракта при предлагаемой обработке - Δθ=0,28°; для НЧ тракта на сигнале разностной частоты F=20 кГц - Δθ=1,3°.
В качестве примера иллюстрирующего работоспособность и эффективность излучающего тракта предлагаемого акустического волнографа могут быть рассмотрены результаты испытаний рыбопоисковой аппаратуры (РПА) серии «Сарган» в штатных режимах, мощность излучения обратимой интерференционной антенны которой достаточна для проявления нелинейности упругих свойств водной среды при распространении импульсного сигнала конечной амплитуды с частотой заполнения , т.е. формированию полигармонического зондирующего сигнала как с высокочастотными  (самовоздействие), так и низкочастотными (самодемодуляция) спектральными составляющими. Двухчастотная интерференционная антенна РПА «Сарган-К» позволяет излучать в водную среду акустический сигнал основной частоты  или 135 кГц, причем, предусмотрена возможность облучения разных по величине водных объемов (режимы «Широкая диаграмма направленности (ДН)» и «Узкая диаграмма направленности (ДН)») на каждой из данных частот за счет электрического возбуждения как центральной части, так и всех пьезоэлементов, составляющих поршневую апертуру.
a
3
1
2
M
3
На фиг. 3 представлены ХН антенны РПА «Сарган», где z - расстояние, на котором находился гидрофон от антенны; 2 - диаметр антенны, абсолютная погрешность измерения угловой ширины основного лепестка ХН по уровню 0,7 составляла (±0,2)°. Используя нанесенный на представленных записях горизонтальный и вертикальный масштабы, оценим пространственные характеристики акустических полей для сигнала основной частоты и его высших гармоник, формирующихся в воде: 1) антенна РПА «Сарган-К» в режиме «Широкая ДН» (◊, фиг. 3, слева) имеет: на частоте  ширину основного лепестка ХН по уровню 0,7  и уровень бокового излучения  на частоте  и  на частоте  и  2) антенна РПА «Сарган-К» в режиме «Узкая ДН» (⊗, фиг. 3, справа) имеет: на частоте  ширину основного лепестка ХН по уровню 0,7  и уровень бокового излучения  на частоте  и  на частоте  и  Антенна комплекса «Сарган-К» в режиме излучения низкочастотного сигнала (♦) имеет: на частоте  ширину основного лепестка ХН по уровню 0.7  и уровень бокового излучения  на частоте  и  на частоте  и  (см. Волощенко В.Ю. Рыбопоисковая аппаратура на основе нелинейного эффекта самовоздействия: перспективы модернизации LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG, Heinrich-Bocking-Str. 6-8 66121, Saarbrucken, Germany, https://www.ljubljuknigi.ru/store/ru/book/isbn/978-3-659-11100-6), 2012 г., 107 c.). Для иллюстрации общих закономерностей и особенностей формирования акустических полей высших гармоник экспериментальные данные для интерференционных антенн (каждой соответствует свой символ: • - поршневой электроакустический преобразователь диаметром 76 мм - см. Lockwood J.С., Muir Т.G., Blackstock D.Т. Directive harmonic generation in the radiation field of a circular piston // J. Acoust. Soc. Amer., 1973, v. 33, P. 1148-1153; ⊕ - интерференционная антенна эхолота «Язь»; ♦ - интерференционная антенна РПА «Сарган-К» в режиме излучения 19,7 кГц; ⊗ - интерференционная антенна РПА «Сарган-К» в режиме «Узкая ДН» на частоте  ◊ - интерференционная антенна РПА «Сарган-К» в режиме «Широкая ДН» на частоте  * - интерференционная антенна «Таймень-М» - см. Волощенко В.Ю. Рыбопоисковая аппаратура на основе нелинейного эффекта самовоздействия: перспективы модернизации LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG, Heinrich-Bocking-Str. 6-8 66121, Saarbrucken, Germany, https://www.ljubljuknigi.ru/store/ru/book/isbn/978-3-659-11100-6;) следует объединить по наблюдаемому эффекту - уменьшению угловой ширины основного лепестка по уровню 0,7 и ослаблению уровня бокового излучения ХН - имеющиеся экспериментальные данные по соответствующим высшим гармоникам. Так, например, уменьшение угловой ширины по уровню 0,7 для основного лепестка ХН при излучении антенны проиллюстрируем с помощью безразмерного параметра , динамика изменения которого характеризует пространственные отличия сформировавшихся акустических полей антенны на гармонике с частотой  и сигнале основной частоты  соответственно. Экспериментальные результаты в таком виде представлены на фиг. 4 и фиг. 5, где на вертикальных осях нанесены величины безразмерного параметра  и уровень бокового излучения  акустического поля соответственно, а на горизонтальных осях - номер гармоники n. Из представленных зависимостей следует, что угловая ширина основного лепестка по уровню 0,7 и уровень бокового поля ХН антенн для формирующихся в водной среде акустических сигналов кратных частот уменьшаются, причем, при увеличении порядкового номера гармоники данные эффекты проявляются в большей степени. Следует отметить, что в рамках развития научного направления «Нелинейная гидроакустика» режим параметрического излучения (РПИ) на эффекте самодемодуляции был первым успешно внедрен в РПА «Сарган-К», «Сарган-ЭМ» (см. Кобяков Ю.С., Кудрявцев Н.Н., Тимошенко В.И. Конструирование гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры. - Л.: Судостроение, 1986. - 272 с.), что расширило эксплуатационные возможности изделия при несложных доработках схемных решений. Например, в РПА «Сарган-ЭМ» при излучении в штатном высокочастотном (ВЧ) режиме зондирующего импульса с частотой заполнения 135 кГц в воде формируется низкочастотный самодемодулированный сигнал, энергетический спектр которого имеет максимумы и минимумы (фиг. 6), расстояние между которыми на оси частот обратно пропорционально длительности излученного импульса, а также зависит от времен как нарастания, так и спада его фронтов. Как видно из фиг. 6, один из максимумов энергетического спектра приходится на второй резонанс (19,7 кГц) амплитудно-частотной характеристики обратимой интерференционной антенны, что и позволяет осуществлять в режиме параметрического излучения эхопоиск за счет регистрации данной спектральной компоненты отраженного низкочастотного сигнала. Отметим, что термин «самодетектирование» в научной среде в настоящее время заменен аналогичным «самодемодуляция», применяемым как за рубежом, так и в нашей стране (см. Гидроакустическая энциклопедия / Под общ. ред. В.И. Тимошенко. - Таганрог: Изд-во ТРТУ, 1999. - 788 с., Мюир Т.Дж. Нелинейная акустика и ее роль в геофизике морских осадков // Акустика морских осадков / Пер. с англ.; Под ред. Ю.Ю. Житковского. - М.: Мир, 1977. - с. 227-273). Рассмотрим более подробно пример численного расчета характеристик режима параметрического излучения (РПИ) в серийной РПА «Сарган-ЭМ», в частности, как энергетического спектра (фиг. 6) самодемодулированного импульса (см. Кобяков Ю.С., Кудрявцев Н.Н., Тимошенко В.И. Конструирование гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры. - Л.: Судостроение, 1986. - 272 с. рис. 7.23 на стр. 128), так и осевого распределения уровня звукового давления (фиг. 7) формирующегося в воде сигнала (см. Кобяков Ю.С., Кудрявцев Н.Н., Тимошенко В.И. Конструирование гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры. - Л.: Судостроение, 1986. - 272 с. рис. 7.24 на стр. 128). Из графика (фиг. 6) следует, что при излучении эхолотом «Сарган-ЭМ» импульсов с частотой заполнения 135 кГц (длительность излученного импульса τ=175 мкс, длительности как нарастания, так и убывания фронтов τ+τ=58 мкс, частота следования импульсов ) формируется за счет нелинейности упругих свойств водной среды распространения низкочастотный широкополосный сигнал, в спектре которого в областях частот (2,85 кГц, 8,57 кГц, 12,85 кГц, 19,95 кГц, F=(2m-1)/2τ, где m=1, 2, 3, … - порядковый номер максимума в спектре) содержатся максимумы энергии, причем, четвертый максимум энергии самодемодулированного импульса (заштрихован на фиг. 6) соответствует одной из резонансных частот (19.7 кГц) обратимой интерференционной антенны. Из графиков (фиг. 7) следует, что осевые распределения уровней звукового давления как в пресной (кривая 1), так и соленой (кривая 2) водной среде аналогичны известным характеристикам для излучающих параметрических антенн, следует отметить низкую эффективность генерации самодемодулированных спектральных составляющих в сравнении с высокочастотными  (самовоздействие) гармониками волны конечной амплитуды с основной частотой заполнения  (см. Волощенко В.Ю. Рыбопоисковая аппаратура на основе нелинейного эффекта самовоздействия: перспективы модернизации LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG, Heinrich-Bocking-Str. 6-8 66121, Saarbrucken, Germany, https://www.ljubljuknigi.ru/store/ru/book/isbn/978-3-659-11100-6). Интересно сопоставить угловые распределения (фиг. 8) уровней звукового давления рабочих сигналов РПА «Сарган-М» для режимов: параметрического излучения (кривая 2), на высокой 135 кГц (кривая 1) и низкой 20 кГц (кривая 3) частотах (см. Новиков Б.К., Тимошенко В.И. Параметрические антенны в гидролокации. - Л.: Судостроение, 1989. - 256 с. рис. 6.14 на стр. 174). Итак, в РПИ самодемодулированное излучение практически не имеет бокового поля, основной лепесток близок к главному максимуму излучения на частоте 135 кГц, причем, по уровню 0,7 основной лепесток практически в пять раз уже в сравнении с главным максимумом излучения на частоте 20 кГц.
с
n
с
n
0
с
n
с
0
0
Рассмотрим динамику изменения помехоустойчивости χ электроакустического преобразователя 4 в режиме приема, входящего в состав донного многоэлементного приемоизлучающего антенного устройства (ПАУ) 5, характеризующей его способность в силу пространственной избирательности выделять информативный сигнал с частотой  используемой спектральной компоненты полигармонического эхосигнала от взволнованной границы раздела «вода-воздух» на фоне помех. Итак, помехоустойчивость χ определяется отношением как мощностей P, P сигнала и помех на выходе преобразователя, так и интенсивностей сигнала и помехи I, I, измеренных в месте нахождения преобразователя при условии его отсутствия, а также его коэффициентом осевой концентрации K для направления θ=0, которое в нашем случае совпадает с вертикально стабилизированной в пространстве акустической осью ХН χ=P/P=(I/I)×K. Известно эмпирическое соотношение (см. В.А. Зарайский, А.М. Тюрин Теория гидролокации Л., 1975, 604 с.), позволяющее осуществить приближенный расчет коэффициента концентрации , причем, как следует из приведенных выше данных (фиг. 3) величина знаменателя уменьшается с ростом частоты  используемой спектральной составляющей, т.е. увеличивается как коэффициент концентрации K, так и помехоустойчивость χ.
Ветровое воздействие на водную поверхность заключается в том, что он создает на ее поверхности давление в направлении своего движения, причем, комбинация поверхностного натяжения и гравитационных сил создает каппилярно-гравитационные волны, для которых соотношение частоты ℵ и длины волны Λ в «глубокой» воде (глубина Д больше половины длины Λ поверхностной волны) описываются следующим выражением (см. К. Клей, Г. Медвин. Акустическая океанография: Основы и применения. - Пер. с англ. Под ред. Ю.Ю. Житковского. - М.: Мир, 1980. - 580 с.)
2
3
2
3
2
2
2
где Θ=2πℵ - угловая частота (рад/с), К=2π/Λ - волновое число, ℵ - частота (Гц), Λ - длина волны (м), g - ускорение силы тяжести (9,8 м/с), α - поверхностное натяжение, ρ - плотность воды (кг/м). При малых длинах волн (больших К) в соотношении доминирует второй член и с учетом, что К=Θ/⊂, получается соотношение для капиллярных волн Θ=α×К/ρ или ⊂=α×К/ρ, т.е фазовая скорость капиллярных волн возрастает с уменьшением длины волны. Скорость гравитационных волн возрастает с увеличением длины волны в соответствии с выражением Θ=К×g или ⊂=g/K, например, для гравитационных волн при длинах Λ от 1 м до 100 м фазовые скорости ⊂ находятся в диапазоне от 1 м/с до 10 м/с соответственно.
M1
3
M2
3
M3
3
MJ
3
Mm
3
Специфические условия эксплуатации акустического волнографа определяются непрерывным изменением формы отражающей поверхности границы раздела 7 и расстояния до нее. Положение отражающей поверхности «вода-воздух» 7 меняется от горизонтального для гребня или подошвы до крутонаклонного на ее скатах, причем, основной составляющей принимаемого полигармонического сигнала является сигнал зеркального отражения от горизонтальных участков поверхности 7. Предположим, что длина горизонтального участка взволнованной отражающей границы раздела «вода-воздух» - гребня или подошвы гравитационной волны - приблизительно составляет Λ/14, причем, этому участку «облучения» соответствует угол  - острота максимума основного лепестка ХН, в пределах которого каналы приемного тракта устройства нечувствительны к изменению уровней  эхосигналов на используемых спектральных компонентах с частотами  и F=1/2τ, F=3/2τ, F=5/2τ, F=(2j-1)/2τ, F=(2m-1)/2τ. Учитывая, что острота максимума  основного лепестка ХН плоского поршневого электроакустического преобразователя 4 на данных сигналах описывается соотношением , где d - диаметр преобразователя (см. Евтютов А.П., Митько В.Б. Инженерные расчеты в гидроакустике. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Судостроение, 1988. - 288 с.), данные величины можно связать соотношением , где z - глубина расположения электроакустического преобразователя 4 относительно границы раздела. Исходя из этого соотношения можно для заданных глубин z расположения антенны РПА «Сарган» («обращенный» эхолот) рассчитать диапазон минимальных длин гравитационных волн, «оптимально» регистрируемых методом прямого счета на определенной спектральной составляющей зондирующего полигармонического сигнала. Так, для z=100 м при использовании модернизированной антенны «Сарган-ЭМ» (диаметр d=0,5 м) спектральным составляющим 40 кГц, 60 кГц, 135 кГц, 270 кГц и 405 кГц соответствуют «оптимально» регистрируемые минимальные длины гравитационных волн Λ - 30 м, 20 м, 8,9 м, 4,5 м и 3 м, которые распространяются со скоростями 6 м/с, 5 м/с, 3 м/с, 2 м/с и 1,6 м/с (расчет) соответственно. Итак, глубины 100 м - на спектральной составляющей 405 кГц наиболее оптимально можно регистрировать параметры морского волнения с длинами волн от 3 метров и более (точность отображения взволнованной границы раздела «вода-воздух» ~0,53°); на спектральной частоте 270 кГц наиболее оптимально можно регистрировать параметры морского волнения с длинами волн от 4,5 метров и более (точность отображения взволнованной границы раздела «вода-воздух» ~0,6°); на спектральной частоте 135 кГц наиболее оптимально можно регистрировать параметры морского волнения с длинами волн от 8,9 метров и более (точность отображения взволнованной границы раздела «вода-воздух» ~0,9°) и т.д.
Таким образом, введенные блоки в совокупности с описанными связями расширяют эксплуатационные возможности акустического волнографа, позволяя получать достоверную информацию о параметрах морского волнения в значительном диапазоне изменения их величин, за счет оптимизации характеристик зондирующего ультразвукового поля, в соответствии с изменяющимися параметрами морского волнения, в частности, регулируя как угловую ширину основного лепестка ХН, так и величину помехоустойчивости электроакустического преобразователя 4, являющегося элементом донного приемоизлучающего антенного устройства 5, обеспечивая повышение точности и приводя к регистрации уточненных данных.