способ исследования первичных гидроакустических полей шумящего объекта

Формула изобретения

Способ исследования первичных гидроакустических полей шумящего объекта, заключающийся в расположении гидроакустического приемного модуля в заданной области натурного водоема, направлении к приемному модулю исследуемого шумящего объекта и измерении приемным модулем параметров шумящего объекта при последующей обработке последних на компьютере, отличающийся тем, что в качестве приемного модуля используют комбинированный гидроакустический приемник с разнесенными в пространстве на расстояние, не превышающее 0,2 в пределах приемного модуля векторным приемником и приемником звукового давления, а в качестве измеряемого приемным модулем параметра - акустическую мощность шумящего объекта, измеряемую в плоскости, ориентированной вдоль траектории движения объекта, где - минимально регистрируемая длина звуковой волны в спектре шумоизлучения шумящего объекта.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для исследования параметров первичных гидроакустических полей надводных и подводных плавсредств.

Известны способы исследования первичных гидроакустических полей надводных и подводных шумящих объектов, заключающиеся в расположении гидроакустического приемного модуля (ПМ) в заданной области натурного водоема, направлении к ПМ исследуемого шумящего объекта и измерении ПМ параметров шумящего объекта при последующей обработке последних на компьютере [Патенты РФ №2010456, №2063106, №2108007, №2141739, №2141740, кл. H04R 1/44].

Любой из известных способов может быть принят за прототип.

В прототипе в качестве ПМ используют приемник звукового давления (гидрофон), а в качестве измеряемого ПМ параметра шумящего объекта - уровень звукового давления.

Недостатком прототипа является невысокая информативность проводимых исследований, вызванная низким соотношением сигнал/шум на выходе ПМ.

Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является повышение информативности об исследуемых первичных гидроакустических полях шумящего объекта.

Данный технический результат достигается за счет того, что в известном способе исследования первичных гидроакустических полей шумящего объекта, заключающемся в расположении гидроакустического ПМ в заданной области натурного водоема, направлении к ПМ исследуемого шумящего объекта и измерении ПМ параметров шумящего объекта при последующей обработке последних на компьютере, в качестве ПМ используют комбинированный гидроакустический приемник с разнесенными в пространстве на расстояние, не превышающее 0,2 в пределах ПМ векторным приемником и приемником звукового давления, а в качестве измеряемого ПМ параметра - акустическую мощность шумящего объекта, измеряемую в плоскости, ориентированной вдоль траектории движения объекта, где - минимально регистрируемая длина звуковой волны в спектре шумоизлучения исследуемого шумящего объекта.

Сущность способа заключается в том, что с точки зрения получения исходных данных для описания процессов распространения звуковой волны, измерения акустического давления Р и колебательной скорости V равнозначны. С практической точки зрения возможность измерения в точке значений колебательной скорости (векторной величины) и звукового давления (скалярной величины) избавляют от необходимости построения пространственно развитых систем измерения акустического давления с последующим вычислением его производных.

Измеряемой величиной по общепринятому определению является математическое ожидание максимума квадрата звукового давления, измеренное на прямой, отстоящей от корпуса корабля на дистанции 50 м в однородной, безграничной, обесшумленной среде в третьоктавных полосах частот. В указанных условиях квадрат звукового давления выражает акустическую мощность источника на приведенном расстоянии. Но, говоря об измерении в точке, а не по всей поверхности волнового фронта, следует говорить об акустической мощности через элемент поверхности или равнозначно о плотности потока звуковой энергии (интенсивности звука).

В условиях измерений, приведенных в определении, для дальнего поля можно записать

где - плотность воды;

с - скорость звука.

И тогда поток W звуковой энергии, определяемый через усредненное по времени произведение совпадающих по фазе компонентов мгновенного акустического давления и объемной колебательной скорости, будет равен

где - время измерения, равное или кратное периоду колебаний;

t - время.

В общем случае при реальных условиях измерений в результате взаимодействия волновых полей многих источников и их переотражения от границ среды волновода акустическая мощность носит комплексный характер. Действительная часть, собственно поток звуковой энергии в направлении г, определяется:

где P_э - эффективное значение акустического давления;

V_эr - эффективное значение проекции вектора колебательной скорости на направление r;

_PV - разность фаз между акустическим давлением и колебательной скоростью.

Формула (3) в комплексном виде запишется:

Мнимая, реактивная плотность потока звуковой энергии, сосредоточенная в некотором объеме среды:

где Р_э - эффективное значение акустического давления;

V_эr - эффективное значение проекции вектора колебательной скорости на направление r;

_PV - разность фаз между акустическим давлением и колебательной скоростью.

Формула (5) в комплексном виде запишется:

Измеряемыми физическими величинами являются акустическое давление и колебательное ускорение частиц среды в точке расположения ПМ.

Способ реализуется по схеме, представленной на чертеже.

Шумящий объект 1 движется в плоскости, ортогональной плоскости чертежа. Шумоизлучение 2 объекта 1 принимается ПМ 3, состоящим из гидрофона 4 и векторного приемника 5, расположенные на расстоянии a 0,2 . Информация с выхода ПМ 3 направляется по кабелю 6 на обрабатывающую аппаратуру 7.

При реализации способа задача работы алгоритма - выделение действительной части потока звуковой энергии с заданного направления.

Для этого:

- плоскость измерений ориентируется в пространстве, направляя ось x на траверз, у вдоль траектории;

- сигналы акустического давления, ортогональных составляющих колебательной скорости, представляются в комплексном виде в частотной области, выполнением операции быстрого преобразования Фурье (БПФ);

- вычисляется по приведенной формуле (4) проекция действительной части потока звуковой энергии на оси системы координат, связанной с векторным приемником;

- в горизонтальной плоскости измерений, направленной на траверз прохода объекта измерительной системы, вычисляются значение модуля потока звуковой энергии

и направление прихода звуковой волны

где W_Rx, W _Ry - проекции потоков звуковой энергии на оси X, Y соответственно;

- по вычисленным значениям производится построение гистограммы распределения потока по направлению в третьоктавной полосе частот. По каждому направлению накапливаются значения потока в узкой полосе частот в приделах частотного диапазона рассматриваемого третьоктавного фильтра. Таким образом, на каждый отсчет времени измерений формируется угловое распределение потока в полосе частот третьоктавного фильтра;

- гистограммы сводятся в диаграмму время-углового распределения потока в полосе частот третьоктавного фильтра;

- задавая диапазон азимутальных, телесных углов, определяют на каждый отсчет времени направление и величину сектора, в пределах которого осуществляется суммирование значений действительной части потока;

- строятся проходные характеристики, определяется их максимальное значение, приписываемое результату измерений.

Как следует из представленного выше алгоритма, объектом генерируется акустическое поле, процесс распространения которого сопровождается переносом энергии и характеризуется вектором потока звуковой энергии.

Задача алгоритма сводится к измерению действительной часть вектора потока звуковой энергии (акустической мощности), формируемой объектом, местоположение которого определено телесным и азимутальным углами в системе координат векторного приемника в каждый момент времени измерений.

В результате работы технических средств проведения измерений (ПМ 3 в виде комбинированного гидроакустического приемника и аппаратуры 7 в виде тракта усиления-передачи и АЦП) формируются фалы с оцифрованными электрическими сигналами канала давления P(t_i) и ортогональных составляющих колебательного ускорения представляющие синхронные отсчеты соответствующих величин на момент измерения t_i.

Выполняя операцию интегрирования отсчетов ортогональных составляющих колебательного ускорения, получаем значения колебательной скорости

Временные отсчеты сигналов акустического давления, ортогональных составляющих колебательной скорости, переносятся в частотную область выполнением операции умножения на множитель ехр(j2 f_ci t), где f_c - центральная частота анализируемого диапазона, t - временной интервал дискретизации. Таким образом, выполняется операция БПФ, в результате которой получаем соотношения в спектральной области, определяемые как:

где Р(t), V(t) - текущие отсчеты акустического давления, колебательной скорости соответственно;

f - частота спектральной составляющей.

Результатом перемножения на комплексную экспоненту является комплексный спектр.

В результате получены комплексные спектры ортогональных составляющих колебательной скорости, акустического давления. По их значениям вычисляем проекции действительной W _Rx, W_Ry, W_Rz и мнимой W_Ix, W_Iy , W_Iz составляющих потока звуковой энергии на оси трехмерной системы координат, образованной направлениями векторного приемника. Действительные части определяются в соответствии с выражением:

Мнимые как

Возможно получение отсчетов W_{x,, f}, W_{y,, f}, W_{z, f}, применяя фильтрацию временных отсчетов сигналов акустического давления и колебательной скорости полосовыми 1/3 октавными фильтрами. Полученные временные проходные в полосах частот третьоктавных фильтров подвергаются БПФ и полученные комплексные спектры перемножаются в соответствии с приведенными выражениями, давая спектры действительной и мнимой частей проекций потока звуковой энергии в третьоктавных полосах частот.

Для построения углового распределения вектора потока акустической мощности в тонкой полосе частот, входящей в диапазон рассматриваемого третьоктавного фильтра, рассчитываются параметры результирующего вектора потока звуковой энергии на каждый момент времени измерений.

Модуль вектора потока звуковой энергии вычисляется как

Направление вектора определяется углом , отсчитываемым от оси Х системы координат, связанной с векторным приемником, по формуле:

Полученные значения I _f и являются входными данными при построении гистограммы распределения отсчетов модуля вектора потока звуковой энергии от отсчета азимутального угла в диапазоне частот заданного третьоктавного фильтра. Значение модуля в тонкой полосе частот откладывается в точке, соответствующей направлению прихода. Операция повторяется для каждого «тонкого» отсчета модуля вектора потока в пределах полосы частот третьоктавного фильтра. Т.о. производится накопление значение потока звуковой энергии в третьоктавной полосе в зависимости от направления на каждый временной отсчет измерений.

Полученные гистограммы сводятся в диаграмму время-углового распределения потока звуковой энергии I _{, f} по направлению в полосе частот выбранного третьоктавного фильтра.

Операция получения такого распределения выполняется для каждого третьоктавного фильтра в пределах частотного диапазона измерений.

Для осуществления пространственной фильтрации из массива значений I _{, f} потока звуковой энергии в третьоктавных полосах частот, распределенных по направлению прихода, на каждый отсчет времени выбираются и суммируются значения с направлений, определяемых диапазоном, заданным оператором, и соответствующих угловой траектории движения объекта относительно приемной системы. Для ограничения по вертикальному направлению прихода потока звуковой энергии в результате суммируются значения, для которых выполняется условие

где - величина полярного угла, заданная оператором с расчетом перекрытия углового протяжения объекта по вертикали.

В результате выполнения приведенных операций за результат измерений принимается максимальный уровень действительной части акустической мощности в третьоктавных полосах частот, зафиксированной с угловых направлений, определяемых траекторией движения объекта во время измерительного галса.

При геометрии эксперимента, когда приемник и источник находятся на разной глубине и разнесены по горизонтальному расстоянию, не исключены случаи галсирования объекта вне горизонтальной плоскости измерений XY, формируемой векторным приемником. Горизонтальная плоскость измерений XY ориентируется по азимутальному углу , полярному углу на траверз прохода объектом измерительной системы. При этом проекции вектора потока на оси пересчитываются в соответствии с выражением:

Точность, результат работы алгоритма определяются его возможностью определить направление вектора потока акустической мощности, который постоянно флуктуирует в пространстве. Дисперсия направления вектора определяется соотношением сигнал/помеха в выбранной полосе частот. Предполагаем, что для «тонких» частотных полос, в которых производится вычисление потока акустической мощности, отношение сигнал/помеха достаточно для определения направления потока. И превалирующее влияние на формирование вектора потока оказывает единственный источник.

Последовательность действий оператора при работе с программным обеспечением (ПО), реализующим алгоритм пространственной фильтрации, будет следующий.

Воспользовавшись результатами сонографического анализа, выделяется дискретная составляющая, однозначно связанная с объектом. Время-угловое распределение потока звуковой энергии в частотной полосе третьоктавного фильтра, содержащего частоту дискретной составляющей, характеризует угловую траекторию движения объекта относительно приемной системы. По максимуму уровня определяются время траверза t _mp и горизонтальное направление на точку траверза, отсчитываемое от оси Х измерительной системы координат.

На время траверза производят отчет полярного угла прихода потока звуковой энергии. Таким образом, определяются угловые направления плоскости измерений: азимутального угла поворота оси Х относительно исходного положения и телесного угла = подъема измерительной плоскости XY, сохраняемые на все время эксперимента при условии постоянства элементов траектории движения объекта в системе координат векторного приемника.

На диаграмме время-углового распределения потока звуковой энергии в измерительной плоскости Х Y оператором задается диапазон угловых направлений, в пределах которого производится суммирование модуля действительной части акустической мощности на каждый отсчет времени усреднения. Ограничение в направлении прихода потока в вертикальной плоскости задается указанием размера углового сектора разрешенных направлений. Операция суммирования потока с ограниченных угловых направлений, соответствующих местоположению объекта, производится для третьоктавных полос во всем диапазоне измерений. Для полученных таким образом проходных характеристик акустической мощности производится выделение максимального значения и построение спектра максимума, объявляемого результатом измерений.

Таким образом, в данном способе в отличие от прототипа ПМ измеряется акустическая мощность шумоизлучения объекта, а не уровень звукового давления, что позволяет значительно увеличить соотношение сигнал/шум в измеряемом сигнале.