Билет 11

1.Интерференция, дифракция и рефракция акустических волн

В акустическом поле происходит взаимодействие звуковых волн. Если волны одинаковой частоты приходят в одну точку, то происходит их сложение. Это явление называется интерферен­цией. Результирующее значение амплитуды суммарной волны будет зависеть от фазы колебаний встретившихся волн. Если фазы этих волн совпадают, то амплитуда увеличивается, если фазы противоположны — уменьшается (рис. 5). В водной среде акустические волны непрерывно изменяют свои амплитуды. Ин­терференция происходит при отражении волн от различных точек грунта, рыбных скоплений и т. д., а в результате, как будет рассмотрено ниже, в приемных устройствах наблюдается

Рис. 5. Интерференция волн:

а — при совпадающих фазах; б — при противоположных фазах

заметный разброс принятых сигналов по амплитуде и по форме. Благодаря интерференции обеспечивается формирование харак­теристик направленности антенн.

Дифракцией называется способность акустических волн оги­бать препятствия, встречающиеся на пути распространения этих волн. Препятствиями являются объекты, акустические свойства которых отличаются от свойств водной среды. Дифракция за­висит от соизмеримости длины волны и размеров препятствий. Если длина акустической волны больше размеров препятствия, то волны практически полностью огибают это препятствие и от­ражение от него отсутствует. Если же препятствие во много раз больше длины волны, то в этом случае волны почти полностью отражаются от них и только небольшая их часть огибает эти препятствия. В этом случае образуется зона акустической тени, где звуковые волны отсутствуют. Если размеры препятствий со­измеримы с длиной волны, то происходит частичное отражение и частичная дифракция — область тени уменьшается. Явление дифракции учитывается при проектировании гидроакустических приборов. В рыбопоисковых приборах применяются частоты от

20 до 200 кГц, что позволяет получать отражение даже от еди­ничных рыб.

И скривление акустических лучей при их распространении в неоднородной среде называется рефракцией. Толщу морской воды можно рассматривать как среду, состоящую из ряда слоев с различными акустическими свойствами, зависящими от раз­ницы температур, плотности, солености. Акустические волны проходят эти слои с различными скоростями, что приводит к преломлению волн на границах раздела, причем степень пре­ломления, или кривизны, будет тем больше, чем больше изменение скорости звука в смежных слоях. Если скорость звука уве­личивается с глубиной, то такая рефракция называется положи­тельной, а если равномерно уменьшается, то она называется от­рицательной. На рис. 6 приведены лучевые картины, поясняю­щие явление рефракции. В некоторых районах моря возможно образование акустической тени (на рис. 6 б, в заштрихована). В зону тени акустические лучи не проникают. Изменения мощ­ности и направленности излучателя не изменяют общей кар­тины отрицательной рефракции. Явление акустической тени за­трудняет обнаружение объектов или вообще делает это обнару­жение невозможным.

При положительной рефракции зоны акустической тени не возникает, что создает благоприятные условия для поиска и об­наружения объектов. При некоторых температурных режимах в слоях воды акустический луч как бы расщепляется, в этом случае также может возникнуть зона тени и обнаружение объектов будет затруднено. При распространении волн могут воз­никнуть так называемые волновые каналы. Они значительно увеличивают дальность распространения волны, что использу­ется в гидролокаторах горизонтального действия. Волновые ка­налы могут быть глубинными и подповерхностными (рис. 7). Подповерхностный звуковой канал образуется в том случае, если на некоторой глубине Я находится слой жидкости, в кото­ром скорость звука значительно возрастает. В этом случае аку­стические лучи имеют значительную рефракцию и направля­ются к поверхности моря, от которой они отражаются, и, таким образом, акустические волны распространяются как в волно-

Рис. 7. Волновые каналы:

а — подповерхностный; б—подводный

воде, отражаясь от его стенок. Такова и природа формирования глубинного звукового канала, когда акустическая энергия кон­центрируется вдоль его оси.

Как будет рассмотрено далее, на промысле применяются гидролокаторы с буксируемыми антеннами. Антенны можно опускать на разную глубину, в том числе выводить их в глубин­ный канал, что значительно увеличит дальность обнаружения объектов промысла.

В гидролокаторах вертикального действия, навигационных эхолотах погрешности возникают в результате изменения ско­рости распространения волн, наклона дна, качки и т. д. По­грешность в результате изменения скорости акустических волн определяется формулой 6_С = Я (с/с₀—1), погрешность из-за наклона дна 6_н = /г (зесу—1), где •у — угол наклона дна. По­грешность из-за базы между вибраторами определяется фор­мулой б_б = /1—1/^г/г^а+1/4/², где / — база.

Координаты промысловых объектов определяются по трем величинам: расстоянию, глубине залегания и направлению. Глубина погружения объекта при горизонтальном поиске при­ближенно определяется по формуле п — О&т$, где р — угол места (см. рис. 18).

Измерение направлений производится с помощью антенн, об­ладающих направленными свойствами.

2.

Основным параметром гид­ролокатора является максимальная дальность (.Отах), которая подразделяется на энергетическую и геометрическую. Апах оп­ределяется тем максимальным расстоянием от антенны до об­наруженного объекта, при котором полезный эхо-сигнал может €ыть выделен в регистрирующих приборах на фоне помех (ре­верберация, шумы моря и т. д.). Изученные свойства акустиче­ских волн и среды, где они распространяются, подтверждают их большое влияние на дальность действия приборов. Следует учи­тывать, что объекты, от которых отражаются акустические волны, могут иметь различные размеры, акустические свойства, структуру и т. д. Зависимость энергетической дальности от тех­нических характеристик аппаратуры и различных факторов ОП' ределяется уравнением гидролокации. В приближенном виде оно записывается так:

УИ—2ПР+ СЦ = УР + ПО,

где УИ — уровень излучения; ПР — потери при распространении; СЦ — ин­тенсивность эхо-сигнала в 1 м от объекта; УР — уровень реверберационной помехи после усиления приемником; ПО — порог обнаружения.

Прогнозируемая дальность действия гидролокатора является приближенной, усредненной величиной. Геометрическая даль­ность действия гидролокатора определяется формулой

о=1/~2с7оГ (У&Г+У~К») >

где С_с = (с₂—^1) (Й2—/г,) —градиент скорости звука.

29

В характеризует влияние на обнаружение объектов рефрак­ции, которая ограничивает возможности аппаратуры незави­симо от энергетической дальности (рис. 16).

Рис. 16. Геометрическая дальность гидролока­тора:

Н\ — глубина погружения ан­тенны; Ла —глубина косяка ^ Э — угол наклона антенны

Разрешающая способность по дальности. Разрешающей способностью по дальности называется то ми­нимальное расстояние между двумя объектами, находящимися

на линии одного акустиче-

~~^Ш^ШЦ^ -^Ц~ ИЦ^~ ского луча, при котором

раздельно

В

эти два объекта будут видны на регистрирующих приборах (рис. 17).

Рис. 17. Разрешающая способность по

дальности:

а — косяки видны слитно; б — косяки видны раздельно; А, Б, В, Г — косяки рыб

Разрешающая способ­ность по дальности зави­сит главным образом от длины / или длительности т импульса. Теоретически два объекта будут видны раздельно, если расстояние между ними будет больше ст/2, так как в этом случае это-сигнал от 2-го объекта приходит в приемное уст­ройство через некоторый промежуток времени после эхо-сигнала от 1-го объ­екта. На разрешающую способность также оказы­вают влияние рельеф дна, расположение рыбы в скоп­лении, угол направленно­сти, бортовая качка и дру­гие факторы, которые ее

увеличивают, т. е. в реальных условиях разрешающая способ­ность отличается от расчетной; в общем случае она равна (0,7—0,8) ст.

30

3.Принцып_действия_эхолота

При конструировании гидроакустических приборов использу­ются и учитываются основные свойства акустических волн:

распространение в однородной водной среде с постоянной скоростью;

изменение направления и скорости при распространении в не­однородной среде;

отражение от объектов и сред, акустические свойства кото­рых отличаются от свойств той среды, в которой происходит распространение волн;

создание суммарного акустического поля из волн одной ча­стоты;

огибание препятствий, размеры которых меньше длины волны.

С учетом характера водной среды и предъявляемых требо­ваний к гидроакустическим приборам в их конструкциях име­ются некоторые особенности:

применение акустических волн повышенной частоты;

использование преимущественно импульсного режима ра­боты передающих устройств;

создание направленных и вращающихся диаграмм излучения.

Основные свойства волн — распространение в водной среде «с постоянной скоростью и отражение от разнородных сред — по­зволяют решать задачи по определению глубины места, обна­ружению промысловых объектов промысла, определению их координат. Глубина места, расстояние до объектов промысла определяются по известной формуле О = с1/2, где I — время рас­пространения акустических волн до грунта или до объекта про­мысла и обратно.

Для измерения глубины под килем судна применяются ука­затели глубин, самописцы, электронные индикаторы. Современ­ные эхолоты позволяют измерять практически любые глубины.

Для получения достаточной мощности генератора при его

•сравнительно небольших габаритных размерах и потребляемой мощности применяются импульсный режим работы и направ­ленное излучение. При такой работе генератором эхолота фор­мируются кратковременные мощные посылочные импульсы с ча­стотой повторения, зависящей от выбранного диапазона. Им­пульсный режим работы позволяет накапливать энергию между двумя очередными посылками и применять одну приемо-пере-дающую антенну. Управляет посылками регистрирующий при­бор или специальный блок запуска — синхронизатор.

Рассмотрим простейшую схему измерения глубины места эхолотом. Эхолоты применяются не только для измерения глу­бин, но и для обнаружения косяков рыб под килем судна, опре­деления их вертикальной протяженности, глубины погружения. В качестве регистрирующих приборов в эхолотах применяются самописцы, электронные и цифровые индикаторы, указатели глубины. Самописцы применяются как в рыбопоисковых, так и в навигационных эхолотах. Записывающим устройством в само­писцах являются металлическая линейка, подвижное перо или

•система неподвижных перьев, соприкасающихся со специальной электрохимической или электротермической бумагой (рис. 11). В самописце с подвижным пером через систему передач элек­трическим двигателем (О) приводится во вращение лента, уло­женная в направляющих роликах. На ленте укрепляется запи­сывающее перо и кулачковая посылочная группа. В момент на­хождения пера самописца против нуля шкалы посылочным ку­лачком замыкаются контакты К в цепи генератора зондирую­щих импульсов и происходит излучение акустических волн.

Эхо-сигнал после приема и усиления поступает на перо са­мописца, и на бумаге производится запись глубины, косяков

рыб. Бумага укладывается в валики и протягивается двигате­лем с заданной постоянной скоростью. Для расширения диапа­зона измеряемых глубин в самописцах применяются схемы фа-зирования. При фазировке посылка импульса происходит раньше времени прихода пера на нуль шкалы глубины. Время задержки записи или время запуска посылочного генератора можно плавно или дискретно изменять.

В навигационных эхолотах для записи иногда применяется вращающийся барабан с укрепленной металлической спиралью. Спираль соприкасается с бу­магой только в одной точке. В момент нахождения записы­вающей точки на нуле проис­ходит излучение импульса пе­редающей антенной. Сигнал, отраженный от грунта, посту­пает на приемную антенну, а после усиления—на спираль, записывающая точка которой перемещается от нуля на не­которое расстояние, завися­щее от глубины места.

Рис. 11. Схема измерения глубинш самописцем

В некоторых эхолотах для записи глубины применяются многоперьевые самописцы. Группа неподвижных перьев располагается по всей ширине бумаги, которая протягива­ется с определенной скоростью лентопротяжным механизмом. Работа такого самописца за­ключается в следующем. Опор­ный генератор совместно с де­лителем формирует остроко­нечные счетные (тактовые) импульсы, а блок запуска самописца вырабатывает запускаю­щие импульсы. Запускающие импульсы (ЗИ) поступают на ге­нератор зондирующих импульсов в передатчике и на счетчик импульсов, который с этого момента начинает пропускать на де­шифратор и далее на схемы совпадений тактовые импульсы (рис. 12). Схемы совпадений связаны с перьями, однако сигнал для записи поступит на то или иное перо только в том случае* если тактовый импульс и эхо-сигнал придут на схему совпаде­ния одновременно. Схем совпадений столько, сколько перьев-(в самописцах их более 200). Первое перо находится против-нуля шкалы глубины, а последнее — против максимального де­ления этой шкалы. Время поступления эхо-сигнала на схему со­впадения зависит от измеряемой глубины.

23:

В гидролокаторах принцип измерения расстояний до объек­тов промысла остается таким же, однако в них применяются антенны, обеспечивающие посылку акустических волн как в вер-

От Улика упрабления

Опорный генератор

*<*

Формирователь итульсов

Счетчик тактовых импульсов

Дешифратор

На запуск

'

Блок 'запуска

Схе собпа

МП Зения

_ _ -^

Мноеоперьебая линейка самописцй

передатчика

"»

Видеосигнал

Рис. 12. Принципиальная схема измерения глубины многоперьевым само­писцем

Рис. 13. Схема измерения глубины электронным индикатором

тикальном, так и в горизон­тальном направлении. В каче­стве индикаторов применя­ются самописцы, электронные индикаторы, дисплеи. В элек­тронных индикаторах на элек­тронно-лучевой трубке (ЭЛТ) образуется линейная или ра­диальная развертка (рис. 13). Принцип измерения рас­стояний заключается в сле­дующем. Синхронизатор через определенные промежутки времени формирует запускаю­щие импульсы. ЗИ поступают на генератор импульсов, фор­мирующий мощный высокоча­стотный импульс, и на блок развертки индикатора, обес­печивающий ее образование на экране индикатора. Начало излучения акустических волн и начало движения луча раз­вертки от края трубки вверх (или вниз) совпадают. Луч развертки перемещается по экрану с определенной скоро­стью, зависящей от выбранного масштаба. Отраженный сигнал после усиления поступает на ЭЛТ, вызывая амплитудную или яркостную отметку цели, напротив которой по шкале снима­ется величина расстояния. Перемещение диаграммы направ-ленности в гидролокаторе по горизонту и использование ра­диальной развертки индикатора, вращающейся синхронно с ди­аграммой, позволяет определять направление на объект про­мысла.

В некоторых гидролокаторах и навигационных эхолотах при­меняются цифровые индикаторы расстояний или глубины. В цифровом индикаторе измеряемая величина представляется в виде числа на отсчетном устройстве. Наибольшее распростра­нение получили цифровые индикаторы последовательного счета, в которых аналоговая измеряемая величина преобразуется в про­порциональное число импульсов (число-импульсный код) и за­тем в другой (обычно двоично-десятичный) код.

При низкой разрешающей способности затрудняется обна­ружение придонных рыб. Например, при т=1 мс реальная раз­решающая способность составляет 2—3 м, поэтому рыбные скопления возле дна будут записываться слитно с дном, если не применять специальных схем «Отсечка грунта».

Разрешающая способность по направлению. Ею называется тот минимальный угол между двумя объектами, находящимися на одном расстоянии от антенны судна, при ко­тором эти объекты можно различить на регистрирующих при­борах раздельно. Разрешающая способность зависит от ши­рины диаграммы направленности, при этом угловой размер объекта должен быть во много раз меньше ширины харак­теристики направленности (рис. 18). При а<р объекты сли­ваются.

Мертвая зона. Мертвой зоной называется минимальная дальность обнаружения объекта. Ее величина зависит от длины импульса' /, которая в свою очередь определяется длитель­ностью импульса т. Мертвая зона находится по формуле г_т!п= = ст/2, однако ее величина значительно больше, так как она зависит еще от времени переходных процессов при переходе с излучения на прием, характера сканирования и т. д. и при­мерно равна Гтш~0,9ст.

Точность определения расстояния и на­правлений. Точность определения расстоянии в гидролока­торах зависит в основном от инструментальных погрешностей, возможностей регистрирующих устройств и изменений скорости звуковых волн при различных условиях их распространения. Погрешность в измерениях может достигнуть 3—5 % дальности, которая является слишком большой при прицельном разноглу-бинном тралении. Для увеличения точности измерений приме­няются многоперьевые самописцы с кварцевыми генераторами, регистраторы со специальными стабилизаторами временных разверток и т. д.

В гидролокаторах вертикального действия, навигационных эхолотах погрешности возникают в результате изменения ско­рости распространения волн, наклона дна, качки и т. д. По­грешность в результате изменения скорости акустических волн определяется формулой 6_С = Я (с/с₀—1), погрешность из-за наклона дна 6_н = /г (зесу—1), где •у — угол наклона дна. По­грешность из-за базы между вибраторами определяется фор­мулой б_б = /1—1/^г/г^а+1/4/², где / — база.

Координаты промысловых объектов определяются по трем величинам: расстоянию, глубине залегания и направлению. Глубина погружения объекта при горизонтальном поиске при­ближенно определяется по формуле п — О&т$, где р — угол места (см. рис. 18).

Измерение направлений производится с помощью антенн, об­ладающих направленными свойствами.