Способ формирования направленного излучения низкочастотных сигналов

 

Изобретение относится к гидроакустике, в частности к формированию направленного излучения низкочастотных гидроакустических сигналов. Задача, которая решается изобретением, заключается в создании условий, благоприятных для эффективного преобразования энергии волн накачки в энергию волны разностной частоты, что повышает эффективность функционирования параметрических излучателей звука. Способ реализуется следующим образом. С помощью блоков 1 и 2 формируются и усиливаются два близких по частоте звуковых сигнала на частотах ω₁ и ω₂ , которые затем смешиваются в сумматоре 3 и подаются на излучатель накачки 4, с помощью которого облучают заданный участок водной среды. Излучение волн накачки производится на резонансной частоте биологических рассеивателей звука, доминирующих в данное время суток в конкретном географическом районе Мирового океана. Благодаря излучению сигнала накачки на частоте, соответствующей резонансной частоте биологических рассеивателей звука, повышается эффективность преобразования энергии волны накачки в энергию волны разностной частоты, что значительно повышает эффективность применения параметрических излучателей звука. 4 ил.

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано при формировании в водной среде остронаправленного излучения низкочатсотных (НЧ) сигналов для решения задач обнаружения морских целей и звукоподводной связи.

Известны способы формирования характеристик направленности (ХН) антенн, отдельные преобразователи которых расположены в пространстве с заданной закономерностью и образуют протяженные линии или большие пространственные решетки [1] В наиболее распространенных гидроакустических антеннах реализуется способ, заключающийся в пространственном размещении с заданной закономерностью дискретных преобразователей, возбуждении в них акустических колебаний, обеспечивающих синфазное сложение их в заданном направлении, и ослаблении суммарного излучения во всех других направлениях за счет несинфазного сложения колебаний отдельных дискретных преобразователей [2] Недостатком этих способов является то, что реализующие их антенны имеют большие пространственные размеры. В случае излучения низких звуковых и особенно инфразвуковых частот реализация антенн еще больше усложняется, т.к. в этом случае резко возрастают их размеры и вес. Кроме этого, возникают большие трудности с размещением антенн на носителях.

Известен способ формирования в водной среде направленного НЧ-излучения сигналов, основанный на закономерностях параметрического преобразования в нелинейной водной среде высокочастотных (ВЧ) волн накачки. Способ заключается в облучении водной среды ультразвуковыми сигналами на близких частотах и формировании в водной среде высоконаправленного излучения волны разностной частоты, распространяющуюся в направлении источника излучения сигналов накачки [3] Этот способ имеет преимущество перед традиционными в нем отпадает необходимость использования протяженной НЧ-антенны. Направленный НЧ-сигнал разностной частоты формируется в узкой протяженной области, заключенной в характеристике излучателя волн накачки.

Однако и этому способу присущи недостатки, основным из которых является малый коэффициент преобразования ВЧ-энергии волн накачки в энергию волн разностной частоты [4] Известно, что коэффициент полезного действия параметрических излучателей можно значительно повысить путем создания в прилегающей к излучателю среде (области интенсивного нелинейного взаимодействия волн накачки) пузырькового слоя.

Усиление формирования волны разностной частоты может осуществляться и в более удаленных от излучателя точках среды, содержащей области (завесы) газовых пузырьков [5] Газовая завеса в данном случае создавалась на расстоянии до 80 м от излучателя накачки.

Известен способ формирования в заданном направлении НЧ-сигналов разностной частоты с помощью кавитирующего параметрического приемника. Усиление генерации параметрических сигналов разностной частоты достигается за счет создания в прилегающей к излучателю среде области кавитирующих пузырьков [6] Недостатком описанных выше способов является то, что в них не предусмотрено направленное усиление формирований разностной частоты.

Наиболее близкими по технической сущности к заявляемому является способ направленного излучения НЧ-гидроакустических сигналов, заключающийся в облучении водной среды ВЧ- акустическими сигналами близких частот и формировании в нелинейной среде сигналов разностной частоты [3] Недостатком указанного способа является низкий коэффициент преобразования энергии волн накачки в энергию волны разностной частоты. Кроме того, формирование сигнала разностной частоты происходит в прилегающей к излучателю накачки области, что обусловлено большим затуханием в среде ВЧ-волн накачки.

Целью изобретения является формирование в удаленных от излучателя точках среды направленного в заданном секторе углов излучения НЧ-сигналов и усиления их интенсивности; излучение сигналов накачки производится на резонансной частоте биологических рассеивателей звука, доминирующих в данное время суток в конкретном географическом районе Мирового океана.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе формирования в водной среде направленного излучения акустических сигналов низкой частоты, заключающемся в генерации в нелинейной водной среде сигналов разностной частоты путем облучения ее сигналам близкой частоты, излучение волн накачки осуществляется на частотах, близких к резонансной частоте биологических рассеивателей звука, доминирующих в данное время суток в конкретном географическом районе Мирового океана.

Известно [7-9] что уровень объемной реверберации значительно возрастает при излучении сигналов на частотах, близких к резонансным частотам биологических рассеивающих слоев, доминирующих в данное время суток в конкретном географическом районе Мирового океана. Данное обстоятельство влечет за собой резкое (на 1-2 порядка) возрастание параметра нелинейности водной среды и как следовательно этого увеличение коэффициента преобразований энергии волн накачки в энергию волны разностной частоты.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ направленного излучения НЧ-гидроакустических сигналов, заключающийся в облучении водной среды ВЧ- акустическими сигналами близких частот и формировании и нелинейной среде сигналов разностной частоты [3] Недостатком указанного способа является низкий коэффициент преобразования энергии волн накачки в энергию волны разностной частоты. Кроме того, формирование сигнала разностной частоты происходит в прилегающей к излучателю накачки области, что обусловлено большим затуханием в среде ВЧ-волн накачки.

Целью изобретения является формирование в удаленных от излучателя точках среды направленного в заданном секторе углов излучения НЧ-сигналов и усиления их интенсивности.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе формирования в водной среде направленного излучения акустических сигналов низкой частоты, заключающемся в генерации в нелинейной водной среде сигналов разностной частоты путем облучения ее сигналами близкой частоты, излучение сигналов накачки осуществляется на частотах, близких к резонансной частоте биологических рассеивателей звука, доминирующих в данное время суток в конкретном географическом районе Мирового океана.

Известно [7-9] что биологические звукорассеивающие слои образуют протяженные (несколько километров) скопления, совершающие суточные миграции по глубине. Поэтому излучение волн накачки на резонансной частоте рассеивателей позволит формировать в водной среде направленное НЧ-излучение сигналов, основанное на закономерностях параметрического преобразования в водной среде ВЧ-волн накачки.

Технический результат предложенного способа заключается в формировании в удаленных от излучателя точках среды направленного в заданном секторе углов излучения НЧ-сигналов и усиления их интенсивности. Излучение волн накачки на частоте, близкой к резонансной частоте биологических рассеивателей звука, доминирующих в данное время суток в конкретном географическом районе Мирового океана, позволит существенно повысить коэффициент преобразования энергии волн накачки в энергию волны разностной частоты, а тем самым -эффективность функционирования параметрического излучателя звука.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства, с помощью которого реализуется способ формирования в водной среде направленного излучения НЧ-сигнала разностной частоты.

Устройство содержит блоки формирования и усиления сигналов накачки 1 и 2, выходы которых через сумматор сигналов 3 подключены к входу излучателя сигналов накачки 4.

Способ реализуется следующим образом.

С помощью блоков 1 и 2 формируются и усиливаются два близких по частоте звуковых сигнала на частотах ω₁ и ω₂ которые затем смешиваются в сумматоре 3 и подаются на излучатель накачки 4, с помощью которого облучают заданный участок водной среды. Излучение волн накачки на частотах ω₁ и ω₂ производится на резонансной частоте биологических рассеивателей звука, доминирующих в данное время суток в конкретном географическом районе Мирового океана.

Отличительными от способа-прототипа признаками заявляемого технического решения являются: облучение заданных участков водной среды НЧ-сигналами близкой частоты; излучение сигналов накачки производится на резонансной частоте биологических рассеивателей звука, доминирующих в данное время суток в конкретном районе Мирового океана.

Наличие отличительных от прототипа признаков позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого способа критерию "новизна".

Анализ известных технических решений с целью обнаружения в них указанных отличительных признаков показал следующее.

Признак 1 известен и используется в современных гидролокаторах. Однако в практике параметрического излучения он не используется. В известных параметрических системах [3] излучаются ВЧ (ультразвуковые) зондирующие сигналы, затухание которых очень интенсивно [7] а мощность ограничена [3] Признак 2 не известен из аналогичных технических решений, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого способа критерию "существенные отличия".

Таким образом, наличие существенных признаков в совокупности с известными обеспечивает появление у заявляемого решения нового свойства, не совпадающего со свойствами известных технических решений, формирование в удаленных от излучателя точках среды направленного в заданном секторе углов излучения НЧ-сигналов и усиления их интенсивности за счет того, что излучение сигналов накачки производится на резонансной частоте биологических рассеивателей звука, доминирующих в данное время суток в конкретном районе Мирового океана.

Технический результат, который достигается при использовании предложенного способа, заключается в том, что повышается коэффициент преобразования энергии волн накачки в энергию волны разностной частоты за счет того, что излучение сигналов накачки производится на резонансной частоте биологических рассеивателей звука, доминирующих в данное время суток в конкретном районе Мирового океана.

На фиг. 2 представленные данные по уровню объемной реверберации для различных географических районов Мирового океана в диапазоне частот 0-50 кГц. Как видно из данного чертежа, сила слоя, характеризующая уровень объемной реверберации [7-9] имеет ярко выраженную частотную зависимость. В этом случае при излучении сигналов накачки на резонансной частоте биологических рассеивателей звука, доминирующих в данное время суток в конкретном районе Мирового океана, значительно повышается коэффициент полезного действия параметрического излучателя.

На фиг. 3 представлены спектрограммы сигнала накачки на частоте ω₄3,75 кГц и модуляционных составляющих при излучении сигнала накачки на резонансной частоте биологических рассеивателей звука, доминирующих в данное время суток в конкретном географическом районе Мирового океана (фиг. 3,б) и при излучении сигнала накачки на произвольной частоте (фиг. 3,а). В последнем случае, при излучении сигнала накачки на частоте ω₄3 кГц (фиг. 3,а) уровень модуляционных составляющих (характеризующих эффективность преобразования энергии волн накачки в энергию волны разностной частоты ) на 8-10 дБ выше, чем в первом случае.

На фиг. 4 представлены географические районы проведения экспериментальных исследований эффективности разработанного способа в Северо-Западной части Тихого океана (Экспедиции серии "Восток-88, 89, 90). Как видно на фиг. 4, районы эффективного преобразования энергии волн накачки в энергию волны разностной частоты совпадают с районами интенсивного рассеяния звука (данные АКИН, 1957-1959 г) и активного рыбного промысла (данные ТИНРО, Владивосток, 1988-1990 г).

Преимущество данного способа заключается в том, что он позволяет формировать в удаленных от излучателя накачки точках среды направленное в заданном секторе углов излучение НЧ-сигналов, а также в том, что заявляемый способ исключает необходимость применения сложных крупногабаритных излучающих антенн.

По сравнению с прототипом заявляемый способ имеет более высокий коэффициент преобразования энергии волн накачки в энергию волны разностной частоты.

Кроме того, предлагаемый способ позволяет формировать направленное НЧ-излучение из удаленных от излучателя волн накачки точек среды, что можно использовать, например, при необходимости направленного облучения заданных точек среды или обеспечения скрытости звукоподводной связи.

Литература.

1. Смарышев М.Д. Добровольский Ю.Ю. Гидроакустические антенны. Справочник. Л.Судостроение. 1984, с 9-12, 22.

2. Смарышев М.Д. Направленность гидроакустических антенн. Л.Судостроение, 1973, с.6, 108-104, 140-144.

3. Новиков Б.К. Руденко С.В. Тимошенко В.Н. Нелинейная гидроакустика Л. Судостроение, 1981, с.7-12.

4. Калачев А. И. Островский Д.Б. Исследование ближнего поля параметрического излучателя звука. М. Наука, Акуст. ж. 1983, т.29, вып.3, с.406.

5. Назаров В. Е. Сутин А.М. Характеристики параметрического излучателя звука с пузырьковым слоем в удаленной зоне. М. Наука, Акуст.ж. 1984, т.30, вып.6.

6. Кавитирующий параметрический излучатель. Патент США N 3964013, опублик. 15.06.1976.

7. Акустика океана. / Под ред. Бреховских Л.М. М. Наука. 1974, с.491-559.

8. Отчет по НИР "Андаман". АКИН, 1972.

9. Бахарев С.А. Герасименко С.А. Петроченко С.П. Изобретение на специальную тему. / Решение ВНИИГПЭ N 1374, приоритет 04.09.90 г.

Формула изобретения

Способ формирования в водной среде направленного излучения акустических сигналов низкой частоты, заключающийся в генерации в водной среде разностной частоты путем облучения ее сигналами близкой частоты, отличающийся тем, что излучение частот накачки производится на частотах, близких к резонансной частоте биологических рассеивателей звука, доминирующих в данном районе.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4