Устройство для градуировки гибких гидроакустических протяженных буксируемых антенн (ГПБА) (варианты)

Устройство для градуировки гибких гидроакустических протяженных буксируемых антенн (ГПБАУ Варианты Полезная модель относится к технике гидроакустических измерений,
а более конкретно, к устройствам для измерения частотных характеристик чувствительности приемных гидроакустических антенн.
Гидроакустические гибкие протяженные буксируемые антенны (ГГТБА) находят широкое применение как в военной гидроакустике, так и в технике измерений подводной шумности рыбопромысловых судов. Они выполняются в виде пшанга, включающего в себя приемники, электронные блоки и линии электрических коммуникаций. Шланг заполняется изоляционным материалом с обеспечением нейтральной плавучести ГПБА. Длина активной части ГПБА у американской ГАС типа ТБ-16 порядка 180 м, длина кабель-тросса порядка 800 м. Буксировка за судном осуществляется с помощью кабель-буксира. Рабочий диапазон частот ГПБА обычно от 5 до 1000 Гц. А.А.Гуревич, Н.М.Гусев, Г.В.Яковлев. Гидроакустические системы с гибкими протяженными буксируемыми антеннами. Судостроение за рубежом, № 10 (214), 1984. - Л.: ЦНИИ  М.Соколов. Гибкие протяженные буксируемые антенны. - Морской сборник, 1985, № 3. - с.81-83.
В тех случаях, когда ГПБА используются для измерительных задач, они нуждаются в градуировке. Термин «градуировка означает выполнение измерительной процедуры, в результате которой получают количественные характеристики измерительного тракта в рабочем диапазоне частот. К таким основным характеристикам ГПБА относится частотная характеристика чувствительности. Под чувствительностью приемного тракта понимается модуль отношения напряжения на выходе сумматора ГПБА к давлению в плоской волне, падающей на антенну из направления главного максимума ее характеристики направленности М.Д.Смарышев, Ю.Ю.Добровольский. Гидроакустические антенны. Справочник. -Л.: Судостроение. - с.23.
G 01 Н 3/00
Известно устройство для градуировки преобразователей методом взаимности при линейном расположении преобразователей А.Е.Колесников. Акустические измерения. -Л., Судостроение, 1983. - с. 105. Устройство содержит три преобразователя: приемник, измеритель и обратимый преобразователь, связанные между собой через среду, генератор, усилитель и вольтметр, а также переключатель.
Недостатком устройства является невозможность его реализации для ГПБА.
Известно устройство для градуировки приемников звука замещением А.Е.Колесников. Акустические измерения. - Л., Судостроение, 1983. с.98. Устройство содержит последовательно соединенные генератор и излучатель звука, а также связанные с ними через среду последовательно соединенные измеряемый приемник, усилитель и вольтметр, а также образцовый приемник, помещаемый в ту же точку, что испытуемый (здесь и ниже под образцовым приемником понимается приемник с заранее измеренной чувствительностью).
Такое устройство не пригодно для измерения частотных характеристик ГПБА, т.е. практически невозможно осзтцествить замещение.
Известна градуировка с помощью пистонфона А.Е.Колесников. Акустические измерения. - Л.: Судостроение, 1983. - с. 116. Пистонфон представляет собой малую по сравнению с длиной волны камеру с жесткими стяжками, в которой имеется поршень, перемещаемый по гармоническому закону.
Недостатком градуировки с помощью пистонфона является невозможность обеспечить градуировку всей ГПБА в водной среде.
Наиболее близким по технической сущности является устройство для градуировки приемников звука методом сличения А.Е.Колесников. Акустические измерения. - Л.: Судостроение, 1983. - с.97. Устройство содержит последовательно соединенные генератор и излучатель зв5пка, акустически связанные через среду с двумя параллельными трактами образцового и испытываемого приемников, каждый из которых содержит последовательно соединенные приемник, усилитель, вольтметр.
Недостатком устройства-прототипа является непригодность его использования для ГПБА из-за невозможности расположения в одной точке и
ГПБА и образцовый приемник, а также большие временные затраты на измерения.
Задачей полезной модели является обеспечение фадз ровки ГПБА по частотной характеристике чувствительности в реальном буксируемом состоянии на заданной глубине и, по возможности, в короткое время.
Поставленная задача решается с помош;ью вариантов полезной модели, имеюш;их одно назначение, а именно: измерение частотных характеристик чувствительности ГПБА в реальном положении буксировки в возможно короткое время, т.е. достижение одного и того же технического результата с использованием измерительных способов гидроакустики.
Первый вариант устройства для градуировки ГПБА содержит как и устройство-прототип последовательно соединенные генератор и гидроакустический излучатель, акустически связанные через морскую среду с параллельными усилительными трактами ГПБА и образцового приемника. При этом образцовый приемник выполняется всенаправленным и располагается в акустическом центре ГПБА, лини задержек в ГПБА выбираются так, что характеристика направленности ГПБА ориентируется на гидроакустический излучатель. Генератор и гидроакустический излучатель выполняются с возможностью обеспечить широкополосный шумовой сигнал в рабочем диапазоне частот ГПБА. В устройство введены последовательно соединенные двзосканальный узкополосный спектроанализатор, парвый и второй входы которого соединены с выходами усилительного трактов и формирователя направленности ГПБА и усилителя образцового приемника, блок расчета частотной характеристики чувствительности ГПБА и индикатор.
ратора, переключателя  и приема сигнала, подключенного к всенаправленному образцовому приемнику, который выполнен обратимым, и к выходу усилительного тракта, блок вычисления чувствительности образцового приемника и второй индикатор, а импульсный генератор предназначен
для работы на частотах от /„  - до fe, где с - скорость звука в среде, h глубина погружения образцового приемника, /в - верхняя частота рабочего диапазона ГПБА.
Второй вариант устройства для градуировки гибких гидроакустических протяженных буксируемых антенн (ГПБА), также как и устройствопрототип, содержит последовательно соединенные генератор и излучатель, акустически связанные с ГПБА и приемником и с усилительным трактом и формирователем характеристик направленности ГПБА и усилителем приемника. Генератор выполнен в виде генератора -шума в рабочей полосе частот ГПБА; приемник выполнен обратимым, т.е. обладающим способностью работать как в режиме приема, так и излучения. Обратимый преобразователь включен через переключатель к выходу генератора пгума и расположен на кабель-троссе линейно по отношению к излз ателю и ГПБА; в устройство введены последовательно соединенные двухканальный узкополосный спектроанализатор, блок расчета частотной характеристики чувствительности ГПБА и индикатор.
Третий вариант устройства для градуировки гибких гидроакустических протяженных буксируемых антенн (ГПБА), как и устройствопрототип, содержит генератор. Генератор выполнен с возможностью создавать шумовой сигнал в рабочем диапазоне частот ГПБА, введен излучатель, выполненный широкополосным всенаправленным и помещенным в шланг ГПБА, введен обратимый широкополосный и всенаправлеьшый электроакустический преобразователь также встроенный в шланг ГПБА; он через переключатель, введенный в устройство, подключен к выходу пхумового генератора, в устройство также введены последовате.пьно соединенные переключатель приемных каналов ГПБА, подключенный к выходу усилительного тракта ГПБА, узкополосный спектроанализатор, блок поочередного расчета частотных характеристик чз ствительности приемных каналов, блок расчета частотной характеристики чувствительности ГПБА по измеренным
частотным характеристикам приемников и индикатор.
Техническим результатом всех вариантов полезной модели является обеспечение возможности градуировки (определения частотной характеристики чувствительности) ГПБА в процессе эксплуатации, в рабочем положении. Кроме того, по сравнению с прототипом обеспечивается ускорение градуировки за счет того, что она производится одновременно во всей рабочей полосе частот, а не по отдельным частотным точкам. Кроме того, поскольку ГПБА обычно используется для определения п мовых сигналов измерение частотных характеристик чувствительности ГПБА на шумовых тестовых сигналах наиболее оправдано.
Па фиг. 1 приведена блок-схема первого варианта устройства.
Па фиг. 2 приведена блок-схема первого варианта устройства с дополнительно введенным трактом градуировки образцового приемника методом самовзаимности.
Па фиг.З приведена блок-схема второго варианта устройства.
Па фиг.4 приведена блок-схема третьего варианта устройства.
Первый вариант устройства (фиг.1) содержит последовательно соединенные генератор шума 1 и широкополосный излучатель 2, акустически связанные через среду с последовательно соединенными ГПБА 3, усилительным трактом ГПБА 4, формирователем характеристик направленности ГПБА 5, двухканальным узкополосным спектроанализатором 6, блоком расчета частотной характеристики чувстврггельности ГПБА 7, индикатором 8, также содержит последовательно соединенные образцовый приемник 8 и усилительный тракт образцового приемника 9, выход которого подключен ко второму входу двухканального спектроанализатора 6.
разом. Переднающий тракт из генератора 1 и излучателя 2 создает шумовой сигнал, который принимается ГПБА 3, создавая на ее выходе энергетический спектр ОГПБА(/) в рабочем диапазоне частот/е fa, fe. На выходе образцового приемника 8 возникает энергетический спектр Gon(/)Так как чувствительность образцового приемника известна и равна ;ко(/), то частотная характеристика чувствительности ГПБА 3 имеет вид
yrnEA(f)-yo(f)(1)
Спектральный анализ производится в блоке 6, расчеты по формуле (1) в блоке 7. Чувствительность УГПБА(/) отображается на индикаторе 8.
Какизвестно М.О.Смарышев,Ю.Ю.Добровольский.
Гидроакустические антенны. Справочник. - Л.: Судостроение, 1983. с. 142, при обычно используемом в ГПБА четном относительно центра антенны в виде отрезка прямой амплитудном и нечетном фазовом распределении антенна имеет фазовый центр, совпадающий с ее геометрическим центром. Поэтому образцовый приемник целесообразно расположить в фазовом центра антенны, обычно в ее геометрическом центре. При таком расположении образцового приемника не сказывается на результаты измерений 7гпБА(1) амплитудное распределение шумового сигнала, связанное с тем, что измеритель создает волны, акустическое давление которых снижается пропорционально расстоянию от излучателя 2. Поэтому на ближней к излучателю половине ГПБА 3 будет повышенное акустическое давление, а на дальней - пониженное. Это практически не повлияет на результирующее значение чувствительности всей ГПБА 3. В тех случаях, когда амплитудное распределение вдоль ГПБА 3 не четное, необходимо выбирать расстояние г от излучателя до ГПБА 3 из условия г  5,5 /, где / - длина ГПБА, предполагая допустимость, что 20% изменения давления практически не скажутся на результатах измерения частотных характеристик чувствительности ГПБА.
V on(j)
соединенные переключатель 11, соединенный с образцовым приемником 9 и усилителем 10, имнульсвпый генератор 12, блок вычисления чувствительности 13 и второй индикатор 14.
Работа дополнительно введенного тракта градуировки образцового
приемника методом самовзаимности осзшдествляется следующим образом: излученный импульс, создаваемый импульсным генератором 10 и образцовым всенаправленным обратимым приемником 8, который усиливается и поступает на блок вычисления чувствительности образцового приемника 12. Искомая чувствительность находится в блоке 12 по формуле:
К„,,Р™.(2)
где ui - напряжение, создаваемое импульсным генератором 10; w - напряжение на выходе приемника 8 после приема отраженного импульса от поверхности моря; h - глубина погружения приемника 8; Я- параметр взаимности для сферических волн. Диапазон частот такой градуировки ограничен /,  3с / /2, где с - скорость звука и верхней частотой рабочего диапазона у. Причем, измерения производятся при волнении моря, когда высота волн много меньше длины волны на.
Второй вариант устройства (фиг.З) для градуировки гибких гидроакустических протяженных буксируемых антенн (ГПБА) содержит последовательно соединенные генератор шума 1, переключатель 16, широкополосный излучатель 2, также содержит обратимый преобразователь 16, подключенный ко второму выходу переключателя 15. Устройство содержит также последовательно соединенные ГПБА 3, усилительный тракт ГПБА 4, формирователь характеристик направленности ГПБА 5, двухканальный спектроанализатор 6, блок расчета частотной характеристики чувствительности ГПБА 7, индикатор 8, также содержит усилительный тракт 9, вход которого через переключатель 15 подключен к выходу обратимого преобразователя 16, а выход - ко второму входу двз жанального спектроанализатора 6.
разом. Измеритель 2, обратимый преобразователь 15 и ГПБА 3 расположены на одной линии в дальней зоне ГПБА. Характеристика направленности ГПБА 3 ориентируется на из.лучатель 2. Сперва излучают шумовой тестовый сигнал с помощью тракта генератор 1 и излучатель 2 и регистрируют энергетические спектры на выходе ГПБА 3 G7( и на выходе обратимого преобразователя 15 . Затем регистрируют энергетический спектр на выходе ГПБА 3 и на малом сопротивлении  включенном последовательно с ГПБА 3 G4(f). Тогда частотная характеристика ГПБА 3 определяется из соотношения
((f(f}
(7Ж7) J
где Я - параметр взаимности; К - коэффициент, учитывающий положения излучателя 2, преобразователя 15 и акустического центра ГПБА 3.
Третий вариант устройства (фиг.4) содержит последовательно соединенные генератор щума 1, переключатель 15, обратимый преобразователь, встроенный в шланг 17, усилительный тракт 9, двухканальный узкополосный спетроанализатор 6, блок поочередного расчета частотных характеристик чувствительности приемников ГПБА 20, блок памяти частотных характеристик чувствительности приемников 21, блок расчета частотной характеристики чувствительности ГПБА по измеренным частотным характеристикам чувствительности приемников 22, индикатор 8, также содержит последовательно соединенные ГПБА 3, усилительный тракт ГПБА 4, переключатель приемников ГПБА 18, выход которого подключен ко второму входу двухканального узкополосного спектроанализатора 6, также содержит широкополосный излучатель, встроенный в шланг 19, вход которого соединен с выходом переключателя 15.
Работа третьего варианта устройства принципиально отличается от второго варианта тем, что измеряется чувствительность не всей ГПБА 3 в целом, а поочередно измеряется чувствительность каждого приемного блока, встроенного в шланг ГПБА 3, а затем определяется расчетным путем
частотная характеристика чувствительности всей ГПБА 3. Частотные характеристики чувствительности / приемных элементов  определяются по алгоритму формулы 3 и в присутствии всех остальных элементов ГПБА 3, которые не рабочих частотах ГПБА являются ненаправленными. Поэтому
чувствительность ГПБА
(/)),(4)
где п - общее число приемных блоков в ГПБА, определяется по расчету в блоке 7.
Таким образом, все варианты устройства решают поставленную задачу. Первый вариант устройства наиболее целесообразен в тех случаях, когда можно в кормовой оконечности судна разместить широкополосный излучатель 2, а также заранее отградуировать образцовый приемник 9. Второй вариант устройства также нуждается в установке излзд1ателя на корме судна и кабель-троссе ГПБА 3. Третий вариант удобнее конструктивно, так как излучатель 2 и обратимый преобразователь 16 встроены в шланг ГПБА 3. Однако на измерение затрачивается большее время, т.к. нужно измерить чувствительность каждого приемного блока. С другой стороны, эта операция является полезной с точки зрения проверки (контроля) работоспособности каждого приемного блока ГПБА 3.
Построение блоков устройства известно из практики гидроакустики. Излучатель 2, образцовый приемник 9 и обратимый приемник 16 описаны, например, в книге А. В.Богородский, Г.В.Яковлев, Е.А.Корепин, А.К.Должиков. Гидроакустическая техника исследования и освоения океана. - Л.: Гидрометеоиздат, 1984. - с.176-195. Узкополосные спектроанализаторы описан, например, в книге Л.Рабинер, Б.Гоулд. Теория и применение цифровой обработки сигналов. - М.: Мир, 1978. - с.394-432.