Файл: Мясников, Л. Л. Новые методы измерений в подводной акустике и радиотехнике.pdf

где 5 — соленость; f — частота; fT — частота релаксаций; ps — гид­ ростатическое давление, кг/см2. Частота релаксаций fT зависит от температуры Т и для раствора магния S04 (наличие которого в мор­ ской воде и обусловливает значительно большее поглощение звука, чем в воде пресной) составляет около 100 Гц. Для частот более

надо исходить из так называемого уравнения гидролокации. Уравнение это представляет собой выражение баланса энергии (точнее, баланса интенсивностей) при облучении звуком цели и приеме рассеянного звука. Принято выражать интенсивности в де­ цибелах. Обозначим через J интенсивность отраженного от предмета сигнала, который воспринят гидрофоном, т. е. интенсивность эха. Интенсивность эха равна

где N — интенсивность шума (помех); R — превышение эха над интенсивностью шума, т. е. величина, которая позволяет достичь порога распознавания. Все величины даны в децибелах.

178

С другой стороны,

где J x— интенсивность посылаемого сигнала; У2 — потери при распространении; Т — сила дели, причем под силой цели пони­ мается отношение интенсивности, посылаемой целью в сторону на­ блюдателя, к интенсивности звука, падающего на цель. Объединяя эти выражения, получаем уравнение гидролокации

которое является уравнением активной гидролокации. Оно легко переходит в уравнение пассивной гидролокации. Когда сигналом служит шум, создаваемый целью, уравнение получает вид

при распространении в один конец.

От уравнения баланса интенсивностей, т. е. уравнения гидроло­ кации (7.18), переходят к схемам акустических измерений под водой. При этом в качестве приемных гидрофонов используют прием­ ники давлений: по известному модулю давления \р\ интенсивность звука находят, используя стандартную формулу!

где рс0 — удельное акустическое сопротивление воды. По этой фор­ муле (с переводом в децибелы путем логарифмирования) строят величины J г, J 2, N, R, J, фигурирующие в (7.15) — (7.19) На­ пример,

а | р 01— величина, определяющая уровень отсчета, который является общим и при подстановке в указанные формулы сокращается.

В гидролокационное измерение входит определение характе­ ристик направленности акустических преобразователей. Сюда от­ носится определение пространственной ориентации диаграмм на­ правленности, обладающее достаточной точностью (в пределах одной угловой минуты) [63]. Такая задача содержит два этапа: определе­ ние оси диаграмм направленности в пространстве и переход к системе координат, связанной с акустической направленной системой пре­ образователей.

Назначение измерительного процесса — снизить до заданного значения угловую погрешность в определении угла поворота 0. Исходные данные представляют собой зависимость выходных на­ пряжений U от углов поворота 0. При этом используют безразмерную

координату z, равную

где /ie — шаг дискретного изменения углов. Таким образом,

Отыскивают экстремум на кривой диаграммы направленности, причем на данном участке диаграмма направленности аппроксими­ руется с помощью полиномов Чебышева Рип (г). Положение макси­ мума находят по следующей формуле (при этом полагают, что наи­ большее I — 2):

Центр тяжести диаграммы направленности определяют по формуле

п12

X «' Ц [ЧЦ0,-)]2

п + 1 — число дискретов (число узлов дискретизации); при вы­ бранном п b является константой.

В качестве примера можно привести следующие данные, полу­ ченные в процессе измерений: отношение размера направленной системы к длине волны ИХ ----- 16; Q — 8; можно ограничиться объ­ емом выборки N = 3; п — 12; Нв = 40.

К методам измерения коэффициента отражения низкочастотного ультразвука от дна относятся :1) метод стоячих волн; 2) метод много­ кратных отражений и 3) метод сравнения [31, 119, 140, 150].

Методом многократных отражений измеряется многократное эхо при нормальном падении звука на грунт.

Если считать, что от плоскости раздела воздух — поверхность моря отражение является полным, коэффициент отражения от грунта следует находить по формуле

где рп — звуковое давление после п-го отражения от дна, а рп+1 — после (п 4- 1) -го. Эти методы неточны и, конечно, не новы. Более современным и получившим более широкое распространение может считаться «метод сравнения», при котором находят применение ЭЦВМ. В этом случае звуковое давление после отражения волн от

180

грунта измеряется в данной точке. Известны также направленность и акустическая мощность излучателя. Коэффициент отражения вы­ числяется по формулам, описывающим прямое и отраженное звуко­

вое поле.

Аналогичные измерения производятся для определения коэффи­ циента отражения подводного звука от взволнованной поверхности моря и зависимости его от балльности. Для того чтобы при измере­ ниях отражения от дна не являлись помехами, применяется вре­ менная селекция: измерение звукового давления погруженным гидрофоном производится в рассчитанные «окна» приема звука.

Для массовых измерений коэффициентов отражения от морской поверхности или грунта должна быть осуществлена постановка системы гидрофонов и организован многоканальный прием инфор­ мации, перерабатываемой ЭЦВМ. Пространственно-временная сег­ ментация звуковых давлений позволяет получить те распределения, которые характеризуют процесс накопления звука в целом.

Для массовых измерений применйм также импульсный метод. Источник ультразвука посылает прямоугольные импульсы фикси­ рованной продолжительности, имеющие ультразвуковое заполне­ ние 131]. В качестве источника используются магнитострикционные излучатели, обладающие достаточно узкой направленностью; очень часто излучатель служит и приемником, так что отраженный импульс принимается обратно и излучатель используется как приемник.

Коэффициент рассеяния определяют по формуле

где /пр — интенсивность рассеянного звука в месте приема; i — про­ межуток времени возвращения импульса; р — коэффициент погло­ щения ультразвука в воде; т — длительность импульса; W — мощ­ ность, которую излучает источник.

Реверберация моря — процесс, значительно влияющий на усло­ вия работы навигационных ультразвуковых приборов. При посылке ультразвуковых импульсов возникает продолжительное послезвучание, реверберация, которая сопровождается и дискретными вспле­ сками, т. е. многократным эхом.

При измерениях реверберации моря производят запись сигнала во времени, с помощью которой можно отмечать возникновение и спад реверберации, появление дискретных составляющих и находить характеристики реверберации моря — процесса достаточно слож­ ного. Представляет также интерес спектральный анализ ревербера­ ционного сигнала. Методика спектрального анализа, которая может быть рекомендована для измерения реверберационных процессов, относится к конструктивному анализу. После включения источника подводного звука сигналы, поступающие с приемного гидрофона,

181