СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ЗВУКА

Настоящее изобретение относится к области гидроакустики и предназначено для измерения скорости звука для проведения гидроакустических исследований и измерительных работ гидроакустической аппаратуры.

Все измерения в гидроакустике производятся с использованием оценки скорости звука. (В.Н. Матвиенко, Ю.Ф. Тарасюк. Дальность действия гидроакустических средств. - Л.: Судостроение, 1981 г.)

Существуют прямые и косвенные методы определения скорости распространения звука в воде. Косвенные методы предполагают предварительное измерение температуры воды и солености воды, и дальнейший расчет по известным номограммам скорости звука. (В.А. Комляков. Корабельные средства измерения скорости звука и моделирования акустических полей в океане. - СПб.: Наука, 2003 г., с. 50-87).

Эти способы позволяют определять скорость звука по конкретным измерениям температуры и солености, которые могут быть произведены путем забора проб воды и проведения химического анализа при процедуре измерения температуры. Измерение производится с использованием специальных судов и стандартных океанографических измерительных средств, в которые входят глубоководный опрокидывающийся термометр, термометр-глубомер, батитермограф, а также комплексные гидрологические зонды. Количество параметров измеряемых зондом и измерительных каналов зависит от выполняемых им конкретных задач. Информация об измеренных параметрах передается в бортовые приборы по кабель-тросу. Недостатками этого метода являются необходимость специализированного судна и длительная процедура измерения для получения оценки скорости звука по трассе.

Существуют прямые методы измерения скорости звука при использовании конкретных приборов, которые измеряют скорость звука на глубине нахождения с использованием интерферометрических методов, фазовых методов, импульсных методов и частотных методов. Эти приборы, как правило, устанавливаются на борту судна и измеряют скорость звука при погружении до определенной глубины. Для расчетов траекторий распространения сигналов используется таблицы, снятые для всех глубин и для всех морей и океанов, в которых указаны значения скоростей звука на различных глубинах. Как правило, эти значения являются устаревшими и не всегда соответствуют решаемым задачам (там же, с. 98). Есть разовые гидрофизические зонды, которые погружаются до дна и по мере погружения передают информацию о значении скорости звука на конкретной глубине. Этот способ является дорогим и затратным и не всегда может быть использован при решении конкретных задач для получения скорости звука по трассе.

Здесь надо учитывать то обстоятельство, что измерение происходит в одной конкретной точке по глубине и считается, что такое же распределение скорости звука будет по всей трассе распространения сигнала, что не всегда соответствует действительности. Практически никто не проводил измерение скорости звука по трассе ввиду сложности работ и трудности их сопоставления.

Известен способ измерения скорости звука по трассе с использованием взрывных источников излучения, который рассматривается в работе: Роберт Дж. Урик. Основы гидроакустики. - Л.: Судостроение, 1978 г., с. 165-200.

Наиболее близким аналогом, который целесообразно принять за прототип, является дистанционное измерение скорости звука с использованием гидроакустического канала. ( В.А. Комляков. Корабельные средства измерения скорости звука и моделирования акустических полей в океане. - СПб.: Наука, 2003 г., с. 149-153.

Способ содержит излучение зондирующего сигнала неподвижным источником, передачу по радиоканалу времени излучения, прием сигнала распространения неподвижным источником, определение скорости распространения сигнала по известной дистанции и времени распространения от момента прихода радиосигнала и момента прихода гидроакустического сигнала.

Недостатком такого способа является зависимость оценки скорости звука от точности измерения дистанции, необходимость радиоканала и гидроакустического канала одновременно.

Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности измерения скорости звука по трассе, получение реальных результатов по изменчивости скорости звука по трассе в процессе измерений с использованием одного гидроакустического канала измерения и без учета точности измерения дистанции.

Указанный технический результат может быть достигнут в том случае, если в известный способ, содержащий излучение гидроакустического зондирующего сигнала неподвижным источником и прием зондирующего сигнала, введены новые операции, а именно: излучение зондирующего сигнала производят через постоянные промежутки времени Т, сохраняя длительность зондирующего сигнала постоянной, прием эхосигнала осуществляют приемным устройством, движущимся по траектории распространения зондирующего сигнала навстречу, определяют скорость V движения носителя приемного устройства, определяют время прихода первого зондирующего сигнала t₁, определяют время прихода N-го зондирующего сигнала t_N, а скорость звука между неподвижным источником зондирующего сигнала и подвижным носителем приемного устройства определяют по формуле: C=(N-1)VT/{t₁-t_N+(N-1)T}.

Рассмотрим процедуру определения скорости звука по трассе.

Единственным параметром который может быть измерен при обнаружении зондирующего сигнала является время обнаружения t₁=t₀+D₀/C, где C - скорость звука. Время излучения зондирующего сигнала t₀ не известно и дистанция D₀ между приемным устройством и неподвижным источником зондирующего сигнала не известна также, скорость звука так же не известна.

Если принят второй сигнал, измерено время приема второго сигнала t₂, то это время равно t₂=t₀+Т+(D₀-VT)/C, где Т - время между моментами излучения зондирующих сигналов, V - скорость движения носителя приемного устройства, (D₀-VT) - новая дистанция распространения. Составим уравнения относительно дистанции - D₀/C.

Для первого сигнала D₀/C=t₁-t₀.

Для второго сигнала D₀/C=t₂-t₀-Т+VT/C.

Решим уравнение относительно скорости распространения звука:

t₁-t₀=t₂-t₀-T+VT/C; t₁-t₀-t₂+t₀+T=VT/C.

Откуда получим: C=VT/(t₁-t₂+T), С - скорость звука, измеренная за время между двумя зондирующими сигналами.

Если принят третий сигнал: t₃=t₀+2Т+(D₀-2VT)/C.

Для третьего сигнала D₀/C=t₃-t₀-2T+2VT/C.

Откуда получим: С=2VT/(t₁-t₃+2Т), где C - скорость звука, измеренная за время между тремя зондирующими сигналами.

Если принято N сигналов и измерены времена приема сигналов t_N, тогда скорость звука на момент измерения между N зондирующими сигналами будет равна C=(N-1)VT/{t₁-t_N+(N-1)T} относительно первого принятого зондирующего сигнала. Поскольку дистанция, проходимая приемным устройством, установленным на подвижном носителе, между посылками существенно меньше, чем дальность между источником зондирующего сигнала и приемником, то можно считать, что оценка скорости звука принадлежит дистанции приема N-го зондирующего сигнала. За время между измерениями оценка скорости звука на трассе не может существенно изменится.

Рассмотрим пример, который позволит оценить ошибку расчета измерения скорости звука предложенным способом. Пусть дистанция между излучателем и приемником равна Д₀=10000 м. Время между излучениями зондирующего сигнала Т=10 с. Скорость движения приемника V=10 м/с. Положим для расчета скорость распространения сигнала по трассе C₀=1500 м/с.

Имеем следующие расчетные оценки при t₀=0:

t₁=t₀+Д_0/C; t₁=6,6666 с.

t₂=t₀+T+(Д₀-VT)/C; t₂=16,6 с.

Расчетная скорость звука при распространении по трассе при измерении по двум последовательным сигналам С=1515 м/с, что отличается от оценки скорости звука, принятой для расчета на 1%.

Рассчитаем скорость звука при распространении по трассе при измерении по трем последовательным сигналам С:

t₃=t₀+2Т+(Д₀-2VT)/C;

t₃=26,533 с.

Получим расчетную оценку скорости звука C=1503 м/с, что отличается от оценки скорости звука, принятой для расчета на 0,2%. При этих измерениях приемное устройство прошло 200 м, что существенно меньше дистанции 10000 м.

Точность измерения интервала между излучениями может быть обеспечена современными методами достаточно высокая и составлять величину порядка 0,001 с = 1 мс. Длительность излучаемого сигнала может быть выбрана порядка 1 мс, что в условиях прямого распространения обеспечит большое отношение сигнал/помеха при измерении по переднему фронту. Точность измерения скорости движения современными измерителями составляет величину меньше 0,01 м/с. (А.В. Богородский, Д.Б. Островский. Гидроакустические навигационные и поисково-обследовательские средства. - СПб.: ЛЭТИ, 2009 г., с. 48). В этих условиях ошибка оценки скорости звука при двух последовательных измерениях за счет ошибки скорости движения будет в пределах 1 м/с.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой представлено блок-схема устройства, реализующего заявленный способ.

Устройство (фиг. 1) содержит неподвижный автономный гидролокатор 1 зондирующего сигнала. Установленная на движущемся объекте антенна 2 через приемное устройство 3, блок 4 измерения времен прихода зондирующего сигнала, блок 5 памяти, блок 6 измерения разности времен прихода первого и N-го зондирующих сигналов соединена с блоком 7 определения скорости звука на трассе. Второй выход блока 4 соединен со вторым входом блока 6. Выход блока 8 соединен со вторым входом блока 7.

Гидролокатор 1, антенна 2 и приемное устройство 3 являются известными устройствами, которые подробно описаны в отечественной литературе: А.С. Колчеданцев. Гидроакустические станции. - Л.: Судостроение, 1982 г., А.Н. Яковлев, Г.П. Кабаков. Гидролокаторы ближнего действия. - Л.: Судостроение, 1983 г. В качестве неподвижного гидролокатора может быть использован автономный маяк-ответчик, который может быть установлен в любой точке и на любой глубине. Такой маяк является разовым устройством и его включение осуществляется либо по команде либо в определенное время. (А.В. Богородский, Д.Б. Островский. Гидроакустические навигационные и поисково-обследовательские средства.- СПб.: ЛЭТИ, 2009 г, с. 10-40). Блок измерения 4 времен прихода является известным устройством, который может быть реализован по схеме одноканального цифрового обнаружителя. (А.Н. Яковлев, Г.П. Кабаков. Гидролокаторы ближнего действия, с.107). Блок 6 измерения разности времен, блок 5 памяти и блок 7 определения скорости звука по трассе являются стандартными процедурами цифровой вычислительной техники и могут быть реализованы программным образом на любых вычислительных средствах. Все блоки, используемые для определения скорости звука, могут быть выполнены в тех же спецпроцессорах, на которых реализуется работа приемных трактов современных гидролокационных станций. Это стандартные спецпроцессоры, которые работают по разработанным программам и жесткой логике управления при поступлении исходной информации. (Ю.А. Корякин, С.А. Смирнов, Г.В. Яковлев. Корабельная гидроакустическая техника. - СПб.: Наука, 2004 г., с. 281-289). Практически все указанные процедуры могут быть реализованы на современных компьютерах и ноутбуках, в которых реализованы вычислительные программы Матлаб, Матсард и др. (А.Б. Сергиенко. Цифровая обработка сигналов. - СПб.: «БХВ - Петербург», 2011 г. ). Гидроакустический измеритель собственной скорости движения блок 8 является известным устройством, которые выпускаются серийно и устанавливаются на всех современных судах. (А.В. Богородский, Д.Б. Островский. Гидроакустические навигационные и поисково-обследовательские средства. - СПб.: ЛЭТИ , 2009 г., с. 40-81).

Реализация предложенного способа с помощью устройства (фиг. 1) осуществляется следующим образом. Неподвижный автономный гидролокатор 1 излучает короткие зондирующие сигналы с постоянной заранее известной частотой повторения, что определяет длительность Т между зондирующими сигналами. С помощью предлагаемого устройства происходит работа следующим образом. Сигнал распространяется в водной среде и принимается антенной 2, преобразуется в электрический сигнал и передается в приемное устройство 3, где усиливается, фильтруется и передается в блок 4 измерения времен прихода. В блоке 4 определяется момент превышения амплитудой зондирующего сигнала порогового уровня. Зондирующие сигналы являются сигналами прямого распространения и имеют большую амплитуду, поэтому приемные устройства не решают задачу повышения отношения сигнал/помеха. Практически для любых принятых сигналов на выходе приемного устройство будет наблюдаться большое отношение сигнал/сигнала при измерениях по переднему фронту. Измеренное значение времени запоминаются в блоке 5 в цифровом виде, и поступает в блок 6 для измерения разности времен между принятым сигналом и первым сигналом. Таким образом, формируется пара сигналов, которая передается в блок 7 определения скорости звука по трассе, где выбирается разность интервалов последовательных пар измерений t₁-t_N, и с использованием оценки собственной скорости V, которая поступает из блока 8 измерения собственной скорости, и при известном интервале между излучениями зондирующего сигнала Т определяется оценка скорости звука по трассе С на момент измерения.

Таким образом, предложенная процедура измерения последовательных временных интервалов позволяет определять скорость распространения звука по трассе с использованием неподвижного излучателя и подвижного приемника.