Способ определения характерных размеров неоднородностей в водной среде

 

сОюз сОВет cKvlx

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (л1)з G 01 S 7/54

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4781329/22 (22) 11.01.90 (46) 23.01.93. Бюл. N. 3 (71) МГУ им.M,BËoìîíoñîâà (72) Б.И,Гончаренко, В.А.Гордиенко и

А.А.Коропченко (56) Акустика океана/ Под ред. Л.М.Бреховских. М„Наука, 1974, с.64-68.

Урик P.Ä. Основы гидроакустики. — Л., Судостроение, 1978, с.200-202. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРНЫХ РАЗМЕРОВ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ В

ВОДНОЙ СРЕДЕ (57) Изобретение относится к области дистанционного исследования океана. Целью изобретения является повышение достоверности определения характерных разме. ров неоднородностей, что достигается измерением одновременно со звуковым давлением амплитуд двух взаимно ортого- нальных проекций колебательной скорости

Изобретение относится к области дистанционного исследования океана и может быть использовано при изучении влияния случайных неоднородностей в водной среде на стабильность акустических параметров сигналов, распространяющихся вдоль протяженных трасс, Известен способ определения характерных размеров неоднородностей в океане, основанный на измерении температуры водной массы по глубине, температурных разрезов водной массы вдоль трассы распространения сигнала, определении флюктуации температуры и расчете интегрального размера неоднородностей.

„„5UÄÄ 1789945 А1 на горизонтальную плоскость и разности фаз между ними и звуковым давлением и расчете характерного размера неоднородностей по формуле а - 2 Vm <,и ) r/0, где <,и > — дисперсия относительных флюк2 туаций скорости звука, Op — дисперсия направления переноса энергии звуковой волны. р= агсто((<р (t)><сов(Р, V,) > 2 ) /

/(<Р (т)><сов(Р V„)> ))",— измеренные значения звукового давления и проекций колебательной скорости на взаимно ортогональные в горизонтальной плоскости направления х и у, cos (р, Vi) — косинус разности фаз между давлением и компонентами колебательной скорости Vi (l - x,y), : символ < > означает усреднение за время r, которое больше периода колебаний в волне, r — горизонтальное расстояние между точками излучения и приема;

Данный способ весьма трудоемок и требует больших временных затрат и сложной последующей отработки трехмерной информации о температурных разрезах.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ апре- «а деления характерных неоднородностей в водной среде, включающий излучение тонального звукового сигнала в одной тачке среды и прием сигнала, прошедшего через среду, в другой точке, измерение амплитуды звукового давления и флюктуаций скорости звука в точке приема.и расчет характерных размеров неоднородностей.

1789945 Недостатком наиболее близкого решения является малая достоверность определения характерных размеров неоднородностей. Этот недостаток обусловлен многолучевостью распространения сигнала в среде, взаимодействием распространяющегося сигнала с дном и поверхностью водного слоя, Кроме того, к снижению достоверности определения характерных размеров неоднородностей приводит то, что на искомую информацию о флюктуациях поля давлейия и» его рассеяния иа случайных неоднородностях накладываются флюктуации, обусловленные взаимным дрейфом излучателя и приемной системы.

Цель изобретения — повышение достоверности определения характерных размеров неоднородностей.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения характерных размеров неоднородностей в водной среде, включающем излучение тонального звукового сигнала B одной точке среды и прием сигнала, прошедшего через среду, в другой точке, измерение звукового давления и флюктуаций скорости звука s точке приема и расчет характерных размеров неоднородностей, дополнительно измеряют одновременно со звуковым давлением амплитуды двух взаимно ортогональных проекций колебательной скорости на горизонтальную плоскость и разности фаз между ними и звуковым давпением, а характерный размер неоднородностей рассчитывают по формуле а = 2 Я (цг» г/ где (,и > — дисперсия относительных г флюктуаций скорости звука, ар-дисперсия направления переноса энергии звуковой волны, g = arct ((

<ños(Ð "Vx)> )/

/(<Р (t)> ) ", P(t), Vx(t), Vy(t) — измеренные значения звукового давления и проекций колебательной скорости на взаимно ортогональные в горизонтальной плоскости направления Х и У, соз(РЪ| ) — косинус разности фаз между давлением и компонентом колебательной скорости Vi(i=X,Y), символ <> означает усреднение за время г, которое больше периода колебаний в волне, r- горизонтальное расстояние между точками излучения и приема.

Функция углового распределения

W(p) лучей при распространении в случайно неоднородных средах является гауссовой относительно своего среднего значения. а именно г

Коэффициент 0 играет роль коэффициента диффузии лучей и выражается соотноше, нием т1 х cos(P,×i), (4) где (P, Ч ) — разность фаэ между P(t) и Ч (1), измеренная за время Т.

Учитывая, что флюктуации акустических

55 параметров сигнала под действием неоднородностей происходит весьма медленно (c частотой 10 Гц и ниже), а несущая частота излучаемого сигнала выбирается равной десяткам и сотням герц, без потери общности (— (Я > (1)

В таком случае дисперсию угла можно найти

10 по формуле у= f 1 Ч() Ч (2)

На основании выражений (1) и (2) получаем для характерных размеров неоднородности: а-2 Б

У

Дисперсия угла у может быть опреде20 лена по значениям звукового давления и колебательной скорости частиц в воде.

Среднее значение произведения давления

P(t) и вектора колебательной скорости дает вектор, совпадающий с направлением пере25 носа энергии волной, а для удаленного источника — с направлением распространения луча.

Следовательно, если мы располагаем возможностью измерения проекции колеба30 тельной скорости на два горизонтальных ортогональных направления(условно Х и Y), то мгновенное значение угла р может быть определено как арктангенс отношения проекций полученных двух значений векторов, 35 усредненных за время, кратное периоду:

f Р(t)Vx(t)dt

p = arctg (3)

f P(t)Vy(t)dt

Т

Интегралы в (3) могут быть выражены через амплитудные и разностно-фазовые характеристики поля давления и поля колебательной скорости:

45 1 — f P(t)V<(t)dt = о

1789945

p =

= arctg яния r

50 выражения правую часть в формуле (4) можно переписать в виде

1 т 1

/ P(t)V>(t)dt = — РЧ cos(P, Ч );

2 где P и Ч вЂ” соответственно амплитуды поля звукового давления и 1-ой проекции колебательной скорости, Соответственно, для среднего значения р, входящего в выражение для углового распределения Ч/(p), имеем: т

После этого дисперсия угла р может быть вычислена стандартным образом.

Предложенный способ реализуется следующим образом. Опускают на заданную глубину излучатель тонального сигнала частотой f. Учитывая, что затухание звука в воде возрастает с повышением частоты, целесообразно выбирать частоту f в диапазоне от

50 Гц до 1 кГц. Ниже 50 Гц часто возникают трудности, связанные с увеличением уровня шумов гидродинамического происхождения при регистрации сигнала. На расстоя2ла нии г> — — размещают приемную систему, .

Характерный размер неоднородностей а в океане находится в пределах от нескольких метров до сотен метров. Дисперсия ор будет тем больше, чем больше расстояние г, поэтому приемную систему и излучатель следует разнести на большое расстояние. Для океана при его характерных значениях а оно составляет десятки километров, Глубину погружения приемной системы и излучателя выбирают такой, чтобы величина < è ) была бы по возможности наибольшей. Этому условию, как правило, отвечают глубины непосредственно под те моклином т.е. 4от 20 до 100...150 м, где

<р ) 10 ...10 . Наиболее вероятные значения (pз ) на глубинах 1 км и более равны 10 ...10 . Акустическая часть приемной системы включает в себя размещенные

30 в непосредственной близости друг от друга (или в одном корпусе) гидрофон и векторный приемник, внутри которого может быть вмонтирован компас для компенсации небольших нестабильностей пространственной ориентации каналов векторного приемника.

Для повышения отношения сигнал/помеха причимаемые сигналы пропускаются через узкополосный фильтр, настроенный на частоту f. задается интервал времени t; кратный периоду Т = 1/f, организуются выборки из измеренных значений сигналов и разностей фаз между Р, Vx и Vy, усредненных за время т, и затем определяются значения го(t).

Направление на источник звука не зависит от наличия флюктуаций амплитуды и фазы распространяющегося сигнала.

Следовательно, предлагаемый способ автоматически исключает влияние многолучевости и взаимных интерференционных эффектов в вертикальной плоскости, повышает достоверность определения характерных размеров неоднородностей.

Если считать, что точность определения относительных изменений с учетом показания компаса составляет 0,5„,1О, то для характерных для океана значений

10 4 получаем верхний предел размеров неоднородностей в зависимости от рассто< б . 10-4г

В проведенных экспериментах в океане по оценке характерных размеров неоднородностей расстояние между точками излучения и приема составляло 35 км, а характерный размер неоднородностей был близок к 15 м.

Выполняя быстрое преобразование

Фурье над величиной флюктуаций пеленга, можно косвенно производить классификацию причин возникновения таких флюктуаций.

Например, наличие в спектре p (t) частот порядка 10 Гц свидетельствует, как правило, о взаимодействии с взволнованной поверхностью, частоты порядка

10 .. 10 Гц характерны для рассеяния на неоднородностях, вызванных короткопериодными внутренними волнами.

1789945

Составитель В. Телятников, Техред М.Моргентал Корректор О. Густи

Редактор Г. Бельская

Заказ 348 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101

Формула изобретения

Способ определения характерных размеров неоднородностей в водной среде, включающий излучение тонального звукового сигнала в одной точке среды и прием сигнала, прошедшего через среду, в другой точке, измерение звукового давления и флюктуаций скорости звука в точке приема и расчет характерных размеров неоднородностей, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности определения характерных размеров неоднородностей, дополнительно измеряют одновременно со звуковым давлением амплитуды двух взаимно ортогональных проекций колебательной скорости на горизонтальную плоскость и разности фаз между ними и звуковым давлением, а характерный размер неоднородностей рассчитывают по формуле а=2й <р > —, г г (Py где

— дисперсия относительных флюктуаций скорости звука; (P@ -дисперсия направления переноса энергии звуковой волной; - arctic((

<н„(т)><сов(Р,v„)> )/

/ (<Р (t)> Ð /, P(t), V (t), Vy(t) — измеренные значения звукового давления и проекций колебательной скорости на взаимно ортогональные в горизонтальной плоскости направления X и У;

cos(P „Vi) — косинус разности фаз между давлением Р и компонентом колебательной скорости Ч((i - Х, т ); символ < > — усреднение за время т, которое больше периода колебаний в волне;

r — горизонтальное расстояние между точками излучения и приема.

Способ определения характерных размеров неоднородностей в водной среде Способ определения характерных размеров неоднородностей в водной среде Способ определения характерных размеров неоднородностей в водной среде Способ определения характерных размеров неоднородностей в водной среде 

 

Похожие патенты:
Наверх