способ градуировки гидроакустического измерительного тракта рабочего средства измерений

Формула изобретения

1. Способ градуировки гидроакустического измерительного тракта рабочего средства измерений в условиях натурного водоема, заключающийся в одновременном воздействии на измерительные тракты рабочего и эталонного средства измерений тестовым сигналом и сравнении результатов измерений параметров тестового сигнала рабочим и эталонным средствами измерений, по результатам которого проводят градуировку измерительного тракта рабочего средства измерений, отличающийся тем, что в качестве тестового сигнала, воздействующего на гидроакустические измерительные тракты рабочего и эталонного средств измерений, используют естественный шум морской водной среды.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что приемные части гидроакустических измерительных трактов рабочего и эталонного средств измерений располагают в морской среде под слоем ее температурного скачка так, чтобы расстояние между ними по вертикали r и горизонтали l удовлетворяли неравенствам: r H/50; l H/30, где H - глубина установки приемной части измерительного тракта рабочего средства измерений.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для проведения градуировки рабочих средств измерений (РСИ) на месте их эксплуатации.

В дальнейшем под словом "градуировка" понимается измерение коэффициента передачи гидроакустического измерительного тракта РСИ, т.е. определение неравномерности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) гидроакустического измерительного тракта.

Под гидроакустическим измерительным трактом понимается средство измерений, предназначенное для преобразования акустического сигнала в водной среде в электрический сигнал, для усиления и предварительной обработки этого сигнала, а также для передачи его на аппаратуру окончательной обработки и регистрации.

Известен способ аналогичного назначения, заключающийся в том, что приемную часть гидроакустического измерительного тракта РСИ демонтируют со своего штатного места и транспортируют его к источнику тестового сигнала [1].

Недостатком известного способа является необходимость демонтажа измерительного тракта РСИ в сложных условиях морских натурных измерений и невысокая точность градуировки из-за несовпадения условий эксплуатации и градуировки.

Известен способ градуировки гидроакустичестического измерительного тракта РСИ в условиях натурного водоема, заключающийся в одновременном воздействии на измерительные тракты рабочего и образцового средств измерений тестовым сигналом и сравнении результатов измерений параметров тестового сигнала рабочим и эталонным средствами измерений (ЭСИ), по результатам которого проводят градуировку измерительного тракта рабочего средства измерений [2].

Данный способ принят за прототип.

В прототипе для реализации перечисленных выше действий на приемной части РСИ закрепляют специальную гидроакустическую мишень с эталонной силой цели, что является недостатком известного способа. Кроме того, параметры гидроакустической мишени со временем подвержены изменениям, что приведет к дополнительным трудно оцениваемым погрешностям градуировки измерительного тракта РСИ.

Как в аналоге, так и прототипе для градуировки РСИ необходимо наличие специальных гидроакустических излучателей на очень широкий диапазон частот, изготовление которых представляет большую проблему в гидроакустике.

Кроме того, уровень давление возбуждаемого излучателем сильно зависит от местоположения излучателя в объеме водоема и расстояния между точками излучения и приема. Для инфразвуковых частот изготовить излучатель тестовых сигналов и гидроакустическую мишень - вещь неразрешимая. Поэтому прототип обладает достаточно узкой полосой частот, на которой можно производить градуировку РСИ.

Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является упрощение и удешевление практической реализации способа градуировки РСИ.

Данный технический результат получают за счет того, что в известном способе градуировки гидроакустического измерительного тракта РСИ в условиях натурного водоема, заключающемся в одновременном воздействии на измерительные тракты РСИ и ЭСИ тестовым сигналом и сравнении результатов измерений параметров тестового сигнала РСИ и ЭСИ, по результатам которого проводят градуировку измерительного тракта РСИ, в качестве тестового сигнала, воздействующего на гидроакустические тракты РСИ и ЭСИ, используют естественный шум (природный) морской водной среды.

Приемные части гидроакустических измерительных трактов РСИ и ЭСИ располагают в морской водной среде под слоем ее температурного скачка так, чтобы расстояние между ними по вертикали r и по горизонтали l удовлетворяли неравенствам: rH/50; lH/30, где H - глубина установки приемной части измерительного тракта РСИ.

Существо данного способа градуировки основано на том, что в водной морской среде всегда имеется естественный гидроакустический шум, основными источниками которого являются [3, 4]:

- обширная поверхность морского дна, передающая в толщину воды натурного водоема инфразвуковые колебания земной коры сейсмического характера (ближние и дальние землетрясения, извержения вулканов, цунами и др.);

- обширная взволнованная водная поверхность, шумы которой определяются действиями ветра, атмосферных осадков и т.п. Шумы данного вида проявляются в основном на звуковых и ультразвуковых частотах;

- тепловые шумы молекулярного и температурного характера, связанные с воздействием и соударением хаотично движущихся молекул воды с поверхностью гидрофонов приемной части измерительного тракта РСИ (броуновским движением молекул воды).

Имеются также морские шумы "искусственного" происхождения: шумы судоходства, турбулетные псевдошумы возникающие на конструкциях гидрофонов из-за образования вихрей и турбулентных течений.

Искусственные источники шумов при правильно сконструированном РСИ и правильно выбранных измерительных натурных водоемах становятся несущественными по сравнению с естественными источниками шумов, в особенности с шумовыми источниками морской поверхности, а шумы дальнего судоходства в предлагаемом способе не оказывают существенного влияния на погрешность градуировки.

Каждая волна на поверхности водоема создает акустическое давление в объеме воды. Таких волн на поверхности водоема много и распределены они хаотично, образуя, по существу, обширный по размерам шумовой источник гидроакустических колебаний. Отражаясь от дна водоема и неоднородностей водной среды, они образуют диффузное шумовое гидроакустическое поле с равномерным распределением по некоторому объему водного пространства уровнем звукового давления. В таком поле уровень звукового давления, воздействующего на гидрофон, в каждый момент времени слабо зависит от места нахождения гидрофона, в особенности в средней части водоема.

Постоянство (малые и медленные изменения) параметров шумов в водоеме позволяет проводить оценку их уровня аналитически [5].

Многочисленные исследования авторов и других экспериментаторов, проводимые за 25 - 30 лет в акваториях различных морей и океанов, показали возможность использования естественного шума морской водной среды для целей градуировки гидроакустического измерительного тракта РСИ.

С целью уменьшения влияния изменчивости параметров шумов морской водной среды на результаты градуировки необходимо выполнение следующих условий:

- измерение параметров морских шумов следует проводить синхронно. Время начала и конец измерений ЭСИ и РСИ должны различаться не более чем на 1 сек;

- приемные части гидроакустических измерительных трактов РСИ и ОСИ (гидрофоны) должны быть расположены под слоем температурного скачка [6] по возможности ближе друг к другу;

- размеры и форма обтекателей гидрофонов РСИ и ЭСИ по возможности должны быть одинаковыми или подобными.

Максимальному сближению приемных частей РСИ и ЭСИ препятствуют морские течения и взаимное влияние (столкновение конструкций) гидрофонов друг на друга. В любом случае расстояние l по гиризонтали и r по вертикали между гидрофонами зависит от заглубления H гидрофона РСИ и задается выражением, приведенным выше.

Чем больше глубина H, тем более однородны акустические шумовые поля и тем больше величины r и l. При этом вертикальная стратификация морской среды предопределяет более высокую неоднородность шумовых полей по вертикали, чем по горизонтали. Конкретные величины знаменателей в неравенствах rH/50; lH/30 получены экспериментально и связаны с приемлемыми погрешностями, получаемыми при градуировке РСИ с помощью предлагаемого способа.

Существующая пространственно-временная неустойчивость в водной среде накладывает определенные пространственные и временные ограничения на градуировку РСИ.

Время градуировки РСИ (время определения амплитудно-частотной характеристики гидрофона в 1/3-октавной полосе анализа с параллельными частотными фильтрами и накопителями) составляет не более 2,5 - 3 минут. За это время расстояние между гидрофонами успеет измениться не более чем на H/100, т.е. приведенные неравенства останутся в силе. Что позволяет известными способами определить амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) гидроакустического приемного тракта РСИ в требуемой полосе.

Одновременность измерений АЧХ достигается строгой синхронизацией начала и конца измерений каждой реализации шума морской среды путем передачи сигнала синхронизации по радиоканалу.

Гидроакустический измерительный тракт РСИ помимо АЧХ и ее погрешности определения характеризуется также погрешностью переключателей пределов измерения (шкал). Данную погрешность определяют в процессе определения АЧХ при различных уровнях входного сигнала (шумов водной среды). Например, при штормовой погоде и(или) при повышенной сейсмической активности шумовой сигнал значительно увеличивается и приходится пользоваться менее чувствительными пределами измерений РСИ и ЭСИ.

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена схема практической реализации способа.

Устройство для реализации способа содержит рабочее средство измерений (РСИ), выполненное, например, в виде гидрофона 1, закрепленного в определенной точке натурного водоема 2 с помощью якорного устройства 3, кабель-троса 4, поплавка 5 положительной плавучести и механического фильтра и устройств 6 предварительной обработки сигнала.

Имеется также эталонное средство измерений (ЭСИ), выполненное, например, в виде гидрофона 7, предварительно поверенного в лабораторных условиях, закрепленное на расстоянии r, l от гидрофона 1 РСИ с помощью надводного плавсредства 8, кабель-троса 9, груза 10 и механического фильтра и устройств 11 предварительной обработки сигнала.

Выходные сигналы с гидрофона 1 РСИ поступают по кабелю 12, проложенному по дну 13 водоема 2 к береговому посту измерений 14, а с гидрофона 7 ЭСИ - по кабель-тросу 9 к устройству 15 обработки и регистрации, соединенному с радиопередающим устройством 16, имеющим передающую антенну 17. Таким образом, выходной сигнал с ЭСИ 7 по радиоканалу также поступает на береговой пост 14 измерений, имеющий приемную антенну 18.

Способ реализуется следующим образом.

После установки гидрофонов 1 РСИ и 7 ЭСИ в заданных точках натурного водоема 2 одновременно включают их измерительные тракты. При этом на оба измерительных тракта одновременно и идентично воздействует естественный шум натурного водоема 2. На выходах РСИ и ЭСИ появляется электрические напряжения, пропорциональные воздействующим уровням гидроакустического давления морских шумов.

Напряжение с гидрофона 7 ЭСИ усиливается и подвергается спектральной и корреляционной обработке и регистрации в блоке 15 обработки и регистрации, а затем с помощью радиопередающего устройства 16 и передающей антенны 17 по радиоканалу направляется на береговой пост 14 измерений.

Напряжение с выхода гидрофона 1 РСИ по кабелю 12 также поступает на береговой пост 14 измерений.

Оба напряжения подвергаются окончательной обработке известными способами, в результате которой получают зарегистрированную реализацию АЧХ измерительных трактов РСИ и ЭСИ. С помощью компаратора или визуально проводят сравнение АЧХ РСИ и АЧХ ЭСИ, а по результатам взаимно корреляционной обработки судят о погрешностях градуировки.

В период штормовой погоды и(или) сейсмической активности подобные измерения повторяют для проведения градуировки гидроакустического измерительного тракта РСИ на других пределах измерений и проверки правильности работы переключателей пределов измерений. Аналогичные измерения проводят в штиль.

Уровень собственных шумов и помех, возникающих при вибрациях РСИ и ЭСИ, должен быть существенно ниже шумов моря.

Таким образом, в заявляемом способе градуировка РСИ проводится в натурном водоеме в отсутствии специального гидроизлучателя, что позволяет значительно упростить и удешевить процесс градуировки по сравнению с прототипом. Чем достигается поставленный технический результат.

Источники информации

1. Патент Японии N 55-28515, кл. G 01 S 3/80, G 01 H 3/00, 1980.

2. Патент РФ N 2042283, кл. H 04 R 29/00, 1995 - прототип.

3. Р. Дж. Урик. Основы гидроакустики. Л., Судостроение, 1978, с. 211 - 230, с. 344 - 347.

4. А.П. Евтютов, А.Е. Колесников и др. Справочник по гидроакустике. Л., Судостроение, 1982, с. 112 - 118.

5. И.И. Клюкин, А.Е. Колесников. Акустические измерения в судостроении. Л., Судостроение, 1968, с. 42 - 52.

6. Л. А. Жуков. Общая океанология. Л., Гидрометеоиздат, 1976, с. 278 - 295.