СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ЗВУКА В ЖИДКОЙ СРЕДЕ
METHOD OF MEASURING DISTRIBUTION OF SOUND SPEED IN LIQUID MEDIUM

Изобретение относится к области акустических измерений и может быть использовано для измерения вертикального распределения скорости звука в естественных водоемах.
Известны способы измерения распределения скорости звука в жидких средах. Так в способе, на основе которого выполнено устройство по авторскому свидетельству [1], характеристика направленности источника звуковых колебаний пересекается с веером характеристик направленности акустического приемника. К приемнику распространяются акустические сигналы, рассеянные от акустических рассеивателей, находящихся в объемах жидкой среды, ограниченных характеристиками направленности источника и приемника звуковых колебаний. По измеренным значениям скорости звука на горизонте источника и приемника звуковых колебаний, временам распространения акустических сигналов от источника до соответствующих рассеивающих объемов и обратно к акустическому приемнику, углам наклона характеристик направленности акустического приемника и известному расстоянию между расположенными на одном горизонте источником и приемником звука, находят горизонты рассеивающих объемов и значения скорости звука на них.
Причиной, препятствующей достижению технического результата, является использование большого количества относительно мелких естественных акустических рассеивателей (в море - крупного зоопланктона, мелких рыб) в каждом из объемов жидкой среды, ограниченных характеристиками направленности источника и приемника звуковых колебаний. В морской среде для некоторых сезонов года и времени суток на ряде горизонтов требуемого количества естественных рассеивателей может не быть. Для зондирования мелких естественных акустических рассеивателей требуется значительная мощность излучаемого акустического сигнала.
В способе, на основе которого выполнено устройство по авторскому свидетельству [2], характеристика направленности совмещенного с первым акустическим приемником источника звуковых колебаний пересекается с веером характеристик направленности второго акустического приемника. К приемникам распространяются акустические сигналы, отраженные от границ неоднородных слоев жидкой среды, находящихся в объемах, ограниченных характеристиками направленности источника и второго акустического приемника. По измеренным значениям скорости звука на горизонте источника и приемника звуковых колебаний, временам распространения акустических сигналов от источника до соответствующих границ неоднородных слоев жидкой среды и обратно к акустическим приемникам, разности между значениями несущих частот сигналов излучаемого и принятого вторым акустическим приемником, углам наклона характеристик направленности второго акустического приемника и известному расстоянию между расположенными на одном горизонте источником и вторым акустическим приемником, находят горизонты границ неоднородных слоев жидкой среды и значения скорости звука на них.
Причиной, препятствующей достижению технического результата, является использование рассеивающего звук неоднородного слоя в каждом из объемов жидкой среды, ограниченных характеристиками направленности источника и второго приемника звуковых колебаний. В реальной морской среде такая ситуация маловероятна. Рассеивающая способность неоднородных слоев мала. Для их зондирования требуется значительная мощность излучаемого акустического сигнала.
Наиболее близким по совокупности признаков и технической сущности к предлагаемому изобретению является способ измерения распределения скорости звука в жидкой среде по авторскому свидетельству [3]. В исследуемую среду источником излучают акустические колебания, которые рассеиваются от n искусственных отражателей (рассеивателей), прикрепленных к тросу на n фиксированных горизонтах, и распространяются далее к акустическим приемникам звука. Источник звука и акустические приемники располагаются на одном фиксированном горизонте. По измеренным значениям времен распространения звуковых колебаний от источника звука до n отражателей и от них до акустических приемников, скорости звука на горизонте источника и приемников звуковых колебаний, известным расстояниям между источником звука и акустическими приемниками находят распределение скорости звука в жидкой среде.
Причиной, препятствующей достижению технического результата, является необходимость крепления к тросу значительного количества искусственных акустических отражателей, выполнение фиксированными расстояний между акустическими приемниками, а также возможность функционирования измерительного устройства на основе этого способа только в стационарных условиях.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, состоит в функционировании в жидкой среде устройства на основе предлагаемого способа без использования измерительного зонда, искусственных отражателей, большого количества естественных акустических рассеивателей или неоднородных слоев, малая требуемая мощность акустического излучения.
Для достижения технического результата в предлагаемом способе измерения распределения скорости звука в жидкой среде облучают звуковыми колебаниями акустический рассеиватель, находящийся в жидкости на фиксированном горизонте, принимают обратно рассеянный от него акустический сигнал, измеряют скорость звука на горизонте источника и приемника звуковых колебаний, углы наклона характеристик направленности акустического приемника, время распространения акустического сигнала до рассеивателя и обратно к акустическому приемнику. Введены новые признаки - облучают звуковыми колебаниями сильный одиночный акустический рассеиватель последовательно по n+1 углам наклона одной характеристики направленности совмещенного с акустическим приемником источника звуковых колебаний, расположенного на одном фиксированном горизонте. По измеренным значениям скорости звука на горизонте совмещенного с акустическим приемником источника звуковых колебаний, углов наклона одной характеристики направленности совмещенного с акустическим приемником источника звуковых колебаний, соответствующих им временам распространения акустического сигнала до рассеивателя и обратно к совмещенному с акустическим приемником источнику звуковых колебаний, находят значение горизонта рассеивателя, значения горизонтов n нижних границ n слоев жидкости и n значений скорости звука на них решением системы из n+1 уравнений,
В частности, при определении значений горизонтов и скорости звука на них используют априорную информацию о распределении скорости звука в жидкости.
Сущность изобретения поясняется фигурами 1 и 2. На фиг.1 представлена схема облучения звуковыми колебаниями одиночного акустического рассеивателя. На фиг.2 в графическом виде представлены результаты компьютерного моделирования восстановления известного вертикального распределения скорости звука в жидкой среде.
Суть предложенного способа заключается в следующем.
j
j
i
n
j
0
j
j
i
i
Для измерения распределения скорости звука в жидкости, например вертикального распределения скорости звука в море, совмещенный с акустическим приемником источник звука ИП (фиг.1), располагают на фиксированном горизонте 0. Акустический источник-приемник ИП последовательно излучает n+1 раз звуковые колебания под углами наклона одной характеристики направленности α, j=1, 2, …, n, n+1, α≤π/2 в сторону сильного одиночного акустического рассеивателя Р, расположенного на фиксированном горизонте Z. При этом n равно количеству слоев с постоянными вертикальными градиентами скорости звука, на которые разбивается водная среда от горизонта 0 до горизонта Z. Рассеянные от сильного одиночного рассеивателя Р акустические сигналы распространяются к акустическому приемнику ИП, совмещенному с источником звука. В качестве сильного рассеивателя в жидкой среде может быть, например, крупная рыба. На фиг.1 символами Z, i=1, 2, …, n-1, n, Z=Z обозначены горизонты нижних границ слоев. Измеряют времена распространения t, j=1, 2, …, n, n+1, акустического сигнала от источника-приемника звука ИП к акустическому рассеивателю Р и обратно до акустического приемника-источника звука ИП. Далее по измеренному значению скорости звука С на горизонте источника-приемника звука ИП, измеренным значениям углов наклона характеристики направленности α источника-приемника звука ИП, соответствующим им измеренным значениям времен t, находят значение горизонта рассеивателя Z, значения горизонтов Z нижних границ слоев и значения скорости звука C, i=1, 2, …, n-1, n на них.
i
Значения Z, i=1, 2, …, n-1, n, горизонтов нижних границ слоев определяется из соотношения
i
i
i-1
i
i
i-1
i
1
2
i
n
i
Здесь k·Z=Z-Z - толщина i-го водного слоя с постоянным вертикальным градиентом скорости звука, k=(Z-Z)/Z - коэффициент, по которому определяют толщину слоя k≤1, , если k=k=k=k, то k=1/n.
i
Значение Z и значения скорости звука C, i=1, 2, …, n-1, n, на нижних границах слоев при облучении звуковыми колебаниями одиночного акустического рассеивателя по схеме фиг.1, находятся решением системы из n+1 уравнений
1
j
Здесь t(π/2) - время распространения акустического сигнала от источника-приемника звука ИП к акустическому рассеивателю Р и обратно до акустического приемника-источника звука ИП для α=π/2;
i
C - значение скорости звука на нижней границе i-го слоя;
i+1,j
α - угол выхода луча из i-го слоя при j-м угле наклона характеристики направленности акустического источника-приемника ИП находят из соотношения
j
где α - угол наклона характеристики направленности акустического источника-приемника ИП.
i
i
i
1
j
0
При определении значений горизонтов Z и решении системы уравнений необходимо знание количества слоев n водной среды и соответственно количества n и значения коэффициентов k, начальное приблизительные значение горизонта рассеивателя Z и начальные приблизительные значения скорости звука C на нижних границах слоев. Начальное приблизительное значение Z можно определить по судовому эхолоту или по времени t(π/2) распространения акустического сигнала от источника-приемника звука ИП к акустическому рассеивателю Р и обратно до акустического приемника-источника звука ИП для α=π/2, принимая за приближенное среднее значение скорости звука по глубине измеренное значение С.
i
Количество слоев водной среды и соответственно количество коэффициентов k и их значений в общем случае произвольны. Однако при увеличении количества слоев увеличивается число уравнений системы, усложняется и понижается точность ее решения.
i
0
Начальные приблизительные значения скоростей звука C на нижних границах слоев можно найти итерационным подбором на ЭВМ, полагая, что они отличаются не более чем на ±10% от измеренного значения С [4]. Итерационный подбор усложняет решение системы уравнений.
i
i
i
i
Значительно упрощается определение количества слоев водной среды и соответственно количества и значений коэффициентов k, начальных приблизительных значений Z и C при использовании априорной информации о вертикальном распределении скорости звука - результатов предварительных измерений другим способом, например аппаратурой с погружающимся зондом, или материалов банка океанографических данных. Априорная информация используется только один раз перед первым измерением распределения скорости звука предлагаемым способом. Далее при следующих измерениях распределения скорости звука в данном районе моря предлагаемым способом количество слоев, коэффициентов k и их значений остаются неизменными, а в качестве начальных приблизительных значений Z и C используются их предыдущие измеренные значения.
Проверка возможности реализации предлагаемого способа производилась компьютерным моделированием восстановления известного вертикального распределения скорости звука (ВРСЗ) в море. В качестве известного было выбрано измеренное и аппроксимированное по трем слоям ВРСЗ, характерное для мелкого моря летом. Полагали, что звук отражается сильным рассеивателем, находящимся на глубине Z=220 м.
Исходные данные и результаты компьютерного моделирования представлены в таблицах 1…3 и на фиг.2.
Таблица 1
Известное ВРСЗ
Z<sub>iИ</sub>, м
0
20
60
220
k<sub>iИ</sub>
-
0,091
0,182
0,727
C<sub>iИ</sub>, м/с
1450
1451
1430
1460
iИ
iИ
iИ
Здесь Z, k и C - известные значения соответствующих величин.
iП
iП
iП
По материалам банка океанографических данных для данного района моря были определены приближенные значения Z, k и C этих величин.
Таблица 2
Приближенные значения Z<sub>iП</sub>, k<sub>iП</sub> и C<sub>iП</sub>
Z<sub>iП</sub>, м
0
22
63
225
k<sub>iП</sub>=k<sub>i</sub>
-
0,098
0,191
0,711
C<sub>iП</sub>, м/c
1450
1455
1445
1450
j
j
По исходным данным таблицы 1 определялись для 4-х углов наклона характеристики направленности α четыре значения времен tраспространения акустического сигнала от источника-приемника звука ИП к рассеивателю Р и обратно до акустического приемника-источника звука ИП и далее с использованием исходных данных таблицы 2 на ЭВМ решалась система из 4-х уравнений.
Таблица 3
Результаты компьютерного моделирования восстановления известного ВРСЗ
α<sub>j</sub>, рад
π/2
π/3
π/4
π/6
t<sub>j</sub>, с
0.304653
0.351331
0.429181
0.602459
Z<sub>i</sub>, м
0
21
63
220
C<sub>i</sub>, м/с
1450
1452,9
1429,7
1459,6
На фиг.2 представлены результаты компьютерного моделирования восстановления известного вертикального распределения скорости звука в море в графическом виде. Сплошной линией обозначен известный ВРСЗ, а штриховой линией - восстановленный ВРСЗ.
СПИСОК БИБЛИОГРАФИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ
1. А.с. 761845 СССР. G01H 5/00. 10.05.78. Устройство для измерения вертикального распределения скорости звука в жидких средах / Серавин Г.Н. Опубл. 07.09.80. Бюл. изобр. №33.
2. А.с. 1585691 СССР. G01H 5/00. 22.04.88. Устройство для измерения вертикального распределения скорости звука в жидких средах / Наговицин В.А., Сысоев А.Г., Денисов А.Н., Фороща Е.С. Опубл. 15.08.90. Бюл. изобр. №30.
3. А.с. 1460619 СССР. G01H 5/00. 08.08.87. Способ измерения распределения скорости звука в жидкой среде / Серавин Г.Н., Пономаренко А.П. Опубл. 23.02.89. Бюл. изобр. №7.
4. Справочник по гидроакустике / Под ред. А.Е.Колесникова. Л.: Судостроение, 1982, 340 с.