Способ измерения параметров шумоизлучения слабошумящих объектов в водной среде

 

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для измерения параметров шумоизлучения слабошумящих объектов в водной среде. Сущность способа заключается в том, что с помощью лазерного излучения с кольцевым распределением плотности энергии по сечению луча, и частично поглощаемого средой, в воде создают звукопроводный канал, по которому звуковые волны от исследуемого объекта достигают звукоприемника. Особенность способа является то, что плотность энергии W (дж/м²) по сечению лазерного луча задают согласно математическому соотношению где Т 75^oC - температура, при которой происходит инверсия скорости звука в воде по температуре, град; C_p - теплоемкость воды при постоянном давлении, дж/кг·град; ρ - - плотность воды, кг/м³; μ - коэффициент поглощения лазерного излучения водой, м^-1, что и является достигаемым техническим результатом. 3 ил.

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для измерения параметров слабошумящих подводных объектов.

Известен способ аналогичного назначения, заключающийся в облучении водной среды лазерным излучением с кольцевым распределением плотности лазерной энергии по сечению луча и приеме звуковых волн, распространяющихся внутри кольцевой зоны облучения звукоприемником [1, 2]. Любое из известных технических решений, например [2], может быть принято за прототип.

Недостатком прототипа является снижение звукопроводных свойств кольцевого канала, образуемого внутри зоны облучения, при высоких плотностях энергии в лазерном луче. И как следствие этого, снижение стабильности работы аппаратуры, реализующей способ, бесполезное повышение ее стоимости при увеличении расхода энергоресурсов.

Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является повышение стабильности работы аппаратуры, реализующей способ при снижении ее стоимости и экономии энергоресурсов.

Данный технический результат достигают за счет того, что в известном способе измерения параметров шумоизлучения слабошумящих объектов в водной среде, заключающемся в облучении водной среды лазерным излучением с кольцевым распределением плотности лазерной энергии по сечению луча и приеме звуковых волн, распространяющихся внутри кольцевой зоны облучения звукоприемником, максимальную плотность лазерной энергии W [кг/м²] по сечению луча задают удовлетворяющей соотношению: где T≈75^oC - температура, при которой происходит инверсия скорости звука в воде по температуре [град]; C_p - теплоемкость воды при постоянном давлении [дж/кг·град];
ρ - плотность воды [кг/м³];
μ - коэффициент поглощения лазерного излучения водой [1/м].

Сущность способа основана на том обстоятельстве, что приблизительно при температуре T 75^oC скорость звука в воде претерпевает инверсию по температуре [3], в связи с чем нагрев воды в звукопроводном канале выше температуры T не только нецелесообразен, но даже вреден, поскольку ухудшаются звукопроводные свойства канала. Это обстоятельство ограничивает первоначальную плотность энергии лазерного излучения величиной, удовлетворяющей математическому соотношению (1), полученному путем элементарных расчетов и проверенному экспериментально [4].

Изобретение поясняется чертежом, на фиг. 1 которого представлена схема устройства для реализации способа, на фиг. 2 - зависимость скорости звука в воде от температуры, взятая из источника [3], на фиг. 3 - характер распределения температуры и скорости звука по сечению луча.

Устройство для реализации способа содержит лазер 1 с кольцевым по сечению активным элементом (фиг. 1, слева), поворотное зеркало 2 и звукоприемник 3, расположенный вне действия лазерного излучения (в середине кольца).

Максимальную плотность лазерной энергии W по сечению луча задают удовлетворяющей соотношению (1). Характер распространения плотности лазерной энергии W по сечению луча представлен на фиг. 1, слева.

Способ реализуется следующим образом.

Предположим, что неподвижный слабошумящий объект 4 (фиг. 1) расположен на морском дне 5. Причем уровень шумоизлучения объекта 4 равен или ниже уровня морских шумов. При таких обстоятельствах выделение полезности сигнала на уровне морских шумов с помощью звукоприемника 3 методами пассивной звуколокации практически невозможно. Тогда включают лазер 1, работающий, например, в импульсном режиме свободной генерации. Излучение лазера 1, частично поглощаясь морской средой, нагревает ее в области облучения и формирует звукопроводный канал 6, по которому звуковые волны от объекта 4, практически не ослабляясь, достигают звукоприемника 3. В то же время морские шумы, воздействующие на звукоприемник 3, звукопроводным каналом 6 будут значительно ослаблены. Анализ выходного сигнала звукоприемника 3 позволяет получить информацию о параметрах шумоизлучения исследуемого объекта 4.

В том случае, когда плотность энергии в лазерном луче не будет удовлетворять уравнению (1), то локализационные свойства звукопроводного канала 6 ухудшаются, поскольку после 75^oC происходит не увеличение скорости звука с ростом температуры (плотности энергии), а ее снижение (фиг. 2).

Таким образом, дальнейшее увеличение плотности лазерной энергии ведет к бесполезному (и даже вредному) расходованию энергии, усложнению аппаратуры и стоимости экспериментов, чем и достигается поставленный технический результат.

Примеры конкретной реализации способа.

В качестве лазера используется неодимовый импульсный лазер, работающий в режиме свободной генерации. Длительность импульсного излучения - τ = 10^-4÷ 10^-3c, длина волны лазерного излучения - коэффициент поглощения лазерного излучения водой - C_p = 4,19·10³ дж·кг^-1·град^-1.

Согласно соотношению (1) максимальная первоначальная плотность энергии по сечению лазерного луча не должна превышать величины 2,5 кдж/см².

Аналогичные расчеты для рубинового лазера с и дают величину W 25 кдж/см².

В зависимости от распространяемых в звукопроводном канале 6 частот последний формируют как в прототипе с помощью одного лазера 1 (высокочастотный вариант) или серии лазеров (на чертеже низкочастотный вариант реализации способа не приведен).

Таким образом, реализация способа позволяет сократить трату энергоресурсов, уменьшить габариты и стоимость оборудования, улучшить технические показатели последнего.

Источники информации.

1. Заявка N 95107337/09, по которой вынесено решение о выдаче патента РФ от 23.08.96.

2. Заявка N 95107379/09, по которой вынесено решение о выдаче патента РФ от 08.01.97 г. - прототип.

3. M.Greenspan, C.E.Tschiego. Table of speed of sound in water. J.Acoust.Soc.Amer., 1959, 31, N 1, 75-76.

4. Ю.Н.Власов. Разработка оптико-визуального метода и образцовых средств измерений характеристик турбулентности. Кандидатская диссертация. - М.: 1975.

Формула изобретения

Способ формирования в среде звукопроводного канала, заключающийся в облучении водной среды лазерным излучением с кольцевым распределением плотности лазерной энергии по сечению луча и приеме звуковых волн, распространяющихся внутри кольцевой зоны облучения звукоприемником, отличающийся тем, что максимальную плотность лазерной энергии W (Дж/м²) по сечению луча задают удовлетворяющей соотношению

где T ≈ 075^oC - температура, при которой происходит инверсия скорости звука в воде по температуре, град;
C_p - теплоемкость воды при постоянном давлении, Дж/кг · град;
ρ - плотность воды, кг/м³;
μ - коэффициент поглощения лазерного излучения водой, м^-1.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3