Билет 12

1. Классификация антенн.

Для образования акустических волн в водной среде и для их приема во всех гидроакустических приборах используются приемные и передающие антенны.

Передающая, или излучающая, антенна преобразует элек­трическую энергию в механическую. Колебательная система та­кой антенны создает акустические волны, распространяющиеся в водной среде с определенной скоростью. Приемная антенна принимает отраженные акустические волны и преобразует их механическую энергию в электрическую. Преобразованные и усиленные эхо-сигналы поступают в дальнейшем на индикатор­ные устройства.

Передающие и приемные антенны обратимы, что позволяет использовать одну антенну как для передачи, так и для приема акустических волн. Такая система называется одновибраторной. В гидроакустической аппаратуре применяются одновибратор-ные системы и системы с двумя антеннами — передающей и приемной.

Антенны в эхолотах, как правило, устанавливаются в про­рези днища, таким образом, излучающая поверхность непо­средственно соприкасается с окружающей водной средой. Ме­сто установки антенн выбирается с учетом наименьшего влия­ния турбулентных слоев жидкости.

Антенны эхолотов могут устанавливаться и без прорези днища. В этом случае они помещаются в специальных выго­родках или танках (рис. 20). Танки заполняются жидкой смесью, главной составной частью которой являются глицерин или касторовое масло. Возникающие в антенне колебания пе­редаются сначала этой жидкости, а затем и обшивке корпуса судна или специальной мембране. На судах большого водоиз­мещения антенны устанавливаются в нескольких местах кор­пуса судна и могут выборочно подключаться к работе.

В гидролокаторах и рыбопоисковых эхолотах антенны вы­двигаются от корпуса судна на расстояние 1,2—1,3 м, что уменьшает влияние турбулентных потоков жидкости, возникаю­щих от движения корпуса судна особенно на больших ско­ростях. Антенны устанавливаются в специальных обтекателях, изготовляемых из металла, стеклопластика или резины, и мо­гут разворачиваться как по высоте, так и по азимуту благодаря поворотному устройству.

К основным параметрам акустических волн относятся аку­стическое давление, энергия акустического поля, интенсивность звука. С изменением степени сжатия частиц среды происходит изменение акустического давления. Это давление изменяется во времени и по мере удаления от источника излучения. Величина акустического давления незначительна, она накладывается на среднее гидростатическое давление. Акустическое давление можно определить как разность давления в какой-либо точке акустического поля и среднего гидростатического давления при отсутствии волн. Единицей измерения акустического давления является паскаль (Па). Уровень звукового давления относи­тельно условно нулевого порога слышимости (2- 10~⁵ Па) изме­ряется в децибелах (дБ).

Энергией акустического поля называется сумма кинетиче­ской энергии колеблющихся частиц и потенциальной энергии уп­ругой деформации. Энергия измеряется в джоулях (Дж). Мощ­ность акустического поля измеряется в ваттах (Вт). Основной энергетической характеристикой является интенсивность звука /. Интенсивностью звука называется количество энергии, перено­симое звуковой волной через площадку в 1 м², поставленную перпендикулярно направлению распространения звуковой волны за единицу времени. Величина / (в Вт/м²) определяется по фор­муле

где Р — мощность акустического поля, Вт; /? — расстояние до излучателя, м. При направленном источнике излучения

где 52 — угол направленности.

Скорость звука является основной характеристикой среды, определяющей многие особенности распространения акустиче­ских волн. В частности, при изменении скорости распростране­ния происходит, рефракция акустических волн, т. е. их искрив­ление; это обязательно нужно учитывать при работе с рыбопо-исковыми приборами горизонтального действия. Скорость звука в море зависит от давления, температуры и солености, которые могут изменяться в зависимости от глубины, времени года, гео­графического района и времени суток. Аналитические и экспе­риментальные методы позволяют получить эмпирические фор­мулы расчета скорости звука в зависимости от солености, плот-ности и температуры. Наиболее широкое распространение полу­чили формулы Вуда, Дель-Гроссо и Вильсона. Формула Вуда имеет вид

с= 1450+4,206/—0.0366*⁸-г-1,137(5—35) + 0,175А,

где г — температура, "С; 5 — соленость, %о; А— глубина, м.

На рис. 2 представлены номограммы для определения скоро­сти звука в зависимости от различных факторов.

1600

1550 -

1 460 1480 1500 1520 1540с м/с

Рис. 2. Зависимость скорости звука:

с — от солености и температуры; /— 5=20 %>; 2— 5=28 %>; 3 — 5—33%»; б — от глубины . океана: / — Тихого; 2 — Атлантического; 3 — Индийского

2. Приборы контроля трала

Приборы контроля или сетные зонды определяют вертикаль­ное раскрытие трала, глубину хода, степень его заполнения ры­бой, что также способствует повышению эффективности про­мысла. На промысловом флоте используются кабельные и бес­кабельные сетные зонды. Они устанавливаются на орудиях лова и передают информацию по кабельному или акустическому ка­налам связи. При добыче глубоководных рыб применяются глу­боководные рыбопоисковые комплексы.

Подводная обстановка при ведении промысла постоянно ме­няется. Косяки рыб перемещаются по вертикали и горизонтали с переменными скоростями. Изменяются концентрация рыбных скоплений, протяженность и условия распространения акустиче­ских волн.

Для повышения эффективности промысла разработаны судо­вые промысловые и навигационно-промысловые комплексы, в ко­торых многие задачи решаются с помощью вычислительных уст­ройств. Для решения навигационных задач и обеспечения без­опасности мореплавания используются навигационные эхолоты и гидроакустические лаги (для измерения глубины места и ско­рости судна). Все гидроакустические приборы подразделяются на следующие группы:рыболокаторы, рыбопоисковые эхолоты и рыбопромысловые комплексы;

приборы контроля за работой орудий лова; навигационные эхолоты и лаги.

3. . ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ И ТАКТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ

Общие сведения. Промысловые и рыбопоисковые на* учно-исследовательские суда оснащаются гидроакустическими приборами различных типов в зависимости от водоизмещения судна, его назначения и т. д. Выбор того или иного прибора за­висит от его параметров, которые делятся на технические и так­тические. Знание параметров позволяет грамотно использовать гидроакустические приборы на промысле, а также правильно оценивать и расшифровывать показания регистрирующих при­боров с учетом конкретных условий плавания и промысла.

К основным тактическим параметрам относятся: максималь­ная дальность действия; мертвая зона; разрешающая способ­ность по дальности; разрешающая способность по направлению; точность измерения расстояний и направлений; скорость обзора пространства и др.

К техническим параметрам относятся: излучаемая мощность; частота акустических волн; длительность излучаемых импуль­сов; ширина характеристики направленности; частота следова­ния импульсов и др.

Максимальная дальность действия гидро­акустической аппаратуры. 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.

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

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. В рыболокации для

|

определения направлений на обнаруженный объект используется максимальный метод, когда направление определяется по мак­симальной величине эхо-сигнала при горизонтальной локации. При таком методе определяется направление на середину об­наруженного скопления рыб, а его границы — по минимуму эхо-сигнала. Для этого диаграмма направленности поворачивается в сторону от объекта, и в момент исчезновения эхо-сигнала оп­ределяется отсчет угловой координаты. В гидролокаторе «Сар­ган» для определения направления имеется две шкалы: ази­мутальная и шкала репитера гирокомпаса (рис. 19). Между шкалами помещается индекс-стрелка, насаженная на ось сель-

Рис. 18. Разрешающая способность по направ­лению:

а — косяки видны слитно; б — косяки видны раздель­но

сина-приемника, синхронно связанного с сельсином-датчиком поворотного устройства антенны. По азимутальному кругу сни­мается КУ, а по шкале репитера — ИП на обнаруженный объ­ект. Особенно удобно определять направления по индикатору с одновременным круговым или крупносекторным обзором.

Скорость обзора подводного пространства. Для успешного промысла необходим оперативный поиск рыбы в окружающем подводном пространстве. Поиск объектов про­мысла заключается в определении координат этих объектов. Поэтому в реальных условиях скорость обзора подводного про­странства— это не только перемещение диаграммы направлен­ности по горизонту с максимально возможной скоростью, но и оценка обнаруженных объектов.

Безусловно важным является возможно более быстрый об­зор всего объема воды, что достигается применением электрон­ного сканирования по горизонту.

При применении гидролокатора с одновременным обзором пространства отметки эхо-сигналов от объектов сохраняются определенное время на экране трубки, что позволяет, не из­меняя скорости, продолжать поиск, при этом за то же время начительно возрастает объем просматриваемого подводного пространства. Для увеличения скорости обзора подводного про­странства применяют дискретный способ, заключающийся в том, что на малой скорости просматривается окружающий объем, после чего судно на максимальной скорости проходит расстояние, равное 1,5Апах (где О_т&* — дальность действия гид­ролокатора), затем вновь просматривается горизонт на малой скорости и т. д.

Нос

Излучаемая мощность. Она определяется величиной электрической мощности, подаваемой на излучающую антенну. Величина мощности ограничивается ка­витацией, т. е. образованием в приле­гающей к антенне жидкости пузырьков, заполненных газом. Кавитация возни­кает за счет местного понижения давле­ния в жидкости во время полупериода разрежения. В полупериод наибольшего сжатия давление увеличивается и кави-тационный пузырек «захлопывается», из­лучая при этом ударную волну. Кави­тация разрушает поверхность антенн.

Рис. 19. Определение направлений в гидроло­каторе «Сарган»

Частота акустических волн. Водная среда оказывает различное дей­ствие на акустические волны разных ча­стот. Так, например, при наличии в сло­ях воды значительного количества пу­зырьков с воздухом дальность действия гидролокаторов на частотах до 50 кГц

значительно уменьшается, а при увеличении частоты до 150— 200 кГц эти пузырьки практически не оказывают никакого вли-. яния на акустические волны. Однако при высоких частотах волн происходит значительное поглощение энергии. Так, напри­мер, коэффициент поглощения на частоте 40 кГц в 15 раз меньше коэффициента поглощения на частоте 400 кГц, поэтому применение той или иной частоты излучения зависит от назна­чения гидроакустической аппаратуры. Например, в навигацион­ных эхолотах применение частот ограничивается пределами от 15 до 100 кГц. В поисковой аппаратуре, траловых зондах ча­стоты могут быть увеличены до 200 кГц, а в лагах — до 1 мГц и более.

Длительность излучаемых импульсов. Она определяет мертвую зону и разрешающую способность по даль­ности. Чем больше длительность импульса, тем большее рас­стояние занимает импульс в пространстве и тем больше дол­жно быть расстояние между объектами, чтобы отраженные от них сигналы не сливались в один общий сигнал, а посту­пали на вход прибора раздельно. Длительность импульса также влияет на дальность и глубину обнаружения объектов.

Билет 13

1) Термин "отражение" здесь может быть использован только весьма условно. На самом деле переизлучение звука морской поверхностью - процесс значительно более сложный, и в нем большую роль играет рассеяние звука волнами. Наиболее сильно рассеивают звук длинноволновые компоненты, соответствующие максимуму спектра волнения. Как правило, рассеянное поле отбрасывается в основном по направлению зеркального отражения от средней, т.е. горизонтальной, плоскости. В подавляющем большинстве океанических ситуаций рассеяние на поверхности сильнее объемного и, если звук отражается от поверхности, то этот процесс и определяет доминирующую часть рассеянного поля в удаленной точке приема.

При слабом волнении и частотах звука в сотни герц глубина флуктуаций амплитуды сигнала после его "отражения" от поверхности не очень велика (20-30%), а спектр этих флуктуаций довольно точно повторяет спектр волнения вблизи его главного максимума. При усилении волнения (или при увеличении частоты звука до 3-5 кГц) глубина флуктуации амплитуды возрастает и достигает некоторого максимально возможного значения, характерного для случайных процессов; спектр флуктуаций становится значительно шире спектра волнения. На соответствии спектров волн и вызванных волнением флуктуаций амплитуды переизлученного звука базируются различные методы дистанционного измерения характеристик морского волнения. В частности, это спутниковые методы измерения параметров волнения, а следовательно, и породившего его ветра. Только в этом случае вместо акустических волн для зондирования поверхности используются радиоволны.

В результате рассеяние звука неровностями дна, несмотря на их неподвижность, оказывается процессом, подобным рассеянию звука поверхностью. Рассеянный сигнал беспорядочно флуктуирует, и уровень его тем больше, чем более неровным является дно.

Характер переизлученных дном сигналов существенно зависит от строения дна. Наиболее сильное рассеянное поле создается в гористых районах, в частности в зонах срединноокеанических хребтов. Глубина флуктуаций "отраженных" дном сигналов (частоты сотни и выше герц) близка к возможному максимуму (~52%). Из-за сложности рельефа звук рассеивается почти по всем направлениям, а не только вблизи направления зеркального отражения. В результате точки приема достигает лишь небольшая часть рассеянной дном энергии и ослабление звука при "отражении" от дна в зоне хребтов очень велико.

В равнинных районах дна океана отражение звука значительно ближе собственно к отражению. Рассеиваемая энергия сосредоточивается в узком максимуме индикатрисы вокруг зеркального направления, и поэтому уровень отраженных сигналов заметно выше, чем в гористых районах, хотя разница в типе грунта (ил на равнинах и скалы в горах) должна была бы привести к противоположному эффекту. Однако различие рельефа а, следовательно, и особенностей рассеяния оказывается доминирующим.

Спектр флуктуаций переизлученных дном сигналов зависит от скорости движения звукового пятна относительно дна, т.е. от скорости несущего акустические системы судна. При обычных скоростях судов эффективная частота флуктуаций не превышает нескольких герц при частоте сигналов в единицы кГц. Эффективная частота флуктуаций над хребтами выше, чем над глубоководными равнинами.

2) Гидроакустические преобразователи

Гидроакустический преобразователь представляет собой техническое устройство, которое преобразует электрические колебания в механические, или, наоборот, механические колебания в электрические.

Существуют два основных класса гидроакустических преобразователей:

9. магнитострикционные;

10. пьезоэлектрические.

Принцип действия магнитострикционных преобразователей

В магнитострикционных преобразователях используется явление магнитострикции. Явление магнитострикции заключается в том, что в некоторых ферромагнитных материалах под воздействием магнитного поля возникает деформация, характеризуемая изменением длины образца при расположении его вдоль магнитных силовых линий. Этот эффект называется прямым магнитострикционным эффектом.

Если при возрастании напряженности магнитного поля длина стержня увеличивается, то магнитострикцию называют положительной, а если длина стержня уменьшается, то магнитострикцию называют отрицательной.

График зависимости относительного удлинения различных ферромагнитных материалов от напряженности магнитного поля приведен на рис. 5.

Пермаллой

Кобальт

H

– Никель

Рис. 5. График зависимости относительной деформации от напряженности поля

Характер и степень деформации зависит от материала образца, способа его обработки, величины предварительного намагничивания и температуры. Из материалов, представленных на рис. 5, пермаллой обладает положительной магнитострикцией, никель – отрицательной, а кобальт имеет переменный знак магнитострикции, зависящий от напряженности магнитного поля.

Деформация любого образца ограничивается пределом, который называется магнитострикционным насыщением. Величина деформации насыщения и напряженность магнитного поля, при которой наступает насыщение, зависит от материала. Например, величина магитострикционного насыщения у никеля значительно больше, чем у кобальта, и насыщение никеля наступает при меньшей напряженности поля, чем насыщение кобальта.

Большое влияние на свойства магнитострикционных материалов оказывает термическая обработка. Отжиг любого материала приводит к повышению величины магнитострикции.

С повышением температуры магнитострикционный эффект ослабевает вплоть до полного исчезновения.

С молекулярно-кинетической точки зрения явление магнитострикции объясняется следующим образом:

Кристаллографические оси малых однородных кристаллов ферромагнитного материала имеют беспорядочную ориентацию в пространстве. Однако, отдельные кристаллы объединяются в так называемые домены. Магнитные моменты каждого домена имеют определенную ориентацию. Например, в никеле магнитные моменты доменов ориентируются в восьми направлениях – по четырем диагоналям куба. Эти направления называют направлениями легчайшего намагничивания. Если образец не намагничен, то магнитные моменты доменов ориентированы беспорядочно, и суммарный магнитный момент равен нулю.

Под воздействием внешнего магнитного поля происходит переориентация магнитных доменов. Они ориентируются в тех направлениях, которые совпадают с направлением внешнего поля. При этом происходит деформация кристаллической решетки, что приводит к изменению размеров образца.

Наряду с прямым магнитострикционным эффектом существует и обратный магнитострикционный эффект, сущность которого заключается в изменении магнитного состояния образца под воздействием механического напряжения. При механическом воздействии на ферромагнитный материал кристаллическая решетка деформируется, в результате чего ориентировка магнитных моментов доменов по отношению к внешнему магнитному полю изменяется.

Магнитострикция является четным эффектом. Это означает, что при изменении полярности магнитного поля знак деформации не меняется. Таким образом, если через соленоид, внутри которого находится стержень, пропускать переменный электрический ток, то стержень будет совершать периодические колебания с частотой, равной удвоенной частоте возбуждающего электромагнитного поля. Указанный эффект можно устранить, если применить предварительное подмагничивание преобразователя. В преобразователях поисковых гидроакустических приборов подмагничивание осуществляется путем установки постоянных магнитов или введением специального источника постоянного тока.

Характеристика работы магнитострикционного преобразователя без подмагничивания приведена на рис. 6, а с подмагничиванием – на рис. 7.

ωt

–H +H

ωt

Рис. 6. Характеристика работы

магнитострикционного преобразователя без подмагничивания

ωt

–H +H

ωt

Рис. 7. Характеристика работы

магнитострикционного преобразователя с подмагничиванием

Для повышения эффективности преобразователей частота внешнего возбуждения должна быть равна частоте его собственных колебаний. Частота собственных упругих колебаний стержня зависит от его длины и материала, из которого он изготовлен.

Собственная частота стержня определяется по формуле:

f = ;

где n – номер гармоники (обычно n = 1);

l – длина стержня, см;

E – модуль упругости материала, н/м ² ;

ρ – плотность, кг/м ³ .

Технические характеристики магнитострикционных преобразователей

Магнитострикционные преобразователи широко применяются в гидроакустической рыбопоисковой аппаратуре благодаря их простоте и надежности. Эти преобразователи имеют высокую механическую прочность и не подвергаются коррозии в морской воде. При изготовлении преобразователей легко обеспечивается необходимая изоляция обмоток, т. к. для их работы не требуется применение высоких напряжений.

К недостаткам магнитострикционных преобразователей относятся следующие: