2. Влияние реверберации на работу промысловых гидроакустических приборов.

Реверберация морская - послезвучание в морской среде после выключения источника акустических колебаний, возникающее в результате многократных отражений от поверхности и дна моря, и из-за рассеяний на неоднородностях морской среды. Реверберация является одной из составляющих гидроакустического поля помех работе гидролокатора. Для борьбы с реверберационной помехой используют в режиме приема узкополосную фильтрацию, позволяющую выделить движущие объекты, отражения от которых сдвинуты по частоте из-за эффекта Доплера.

3. Общие сведения об объектах промысла, орудиях и способах их лова и использовании при этом гидроакустическом оборудовании.

Прибор ИГЭК-У (Измеритель Глубины Эхолотный Кабельный) представляет собой сетевой зонд с кабельным каналом связи, который позволяет получать основную информацию о взаимном расположении трала, грунта и рыбы путем излучения акустических импульсов и приема эхосигналов от этих объектов.

Для получения указанной информации можно использовать практически любой рыбопоисковый эхолот, имеющийся на судне. С этой целью на трале устанавливается акустическая антенна с обтекателем, которая подключается к судовому эхолоту вместо его штатной (подкильной) акустической антенны. Переключение антенн производится специальным коммутирующим устройством, управляемым с пульта управления судовым эхолотом или с дополнительного пульта, установленного рядом с ним. Передача информации от эхолота к траловому вибратору и обратно осуществляется по трос-кабелю, намотанному на барабан специальной кабельной лебедки. Информация сетевого зонда должна быть "привязана" к поверхности воды или грунту. При сравнительно малых глубинах траловый вибратор устанавливается на верхней подборе излучающей поверхностью вниз. При больших глубинах, когда "привязка" к дну становится невозможной, траловый вибратор устанавливается на на нижней подборе излучающей поверхностью вверх.

Билет 3

1. Интерференция звука. Интерференцией звука называют процесс сложения в пространстве двух или нескольких звуковых волн, при котором в разных точках пространства получается усиление или ослабление амплитуды результирующей волны.

Дифракция звука. Дифракцией звука называют изменение направления фронта звуковых волн при огибании препятствий, размеры которых меньше длины волны, или при прохождении через малые отверстия в преградах. Явление дифракции наблюдается и при падении звуковой волны на край препятствия.

Отражение и преломление звуковых волн. Явления отражения и преломления возникают при переходе звуковых волн из среды с одной плотностью в среду с другой плотностью. Падающая на поверхность раздела сред волна отражается под углом, равным углу падения, если поверхность раздела гладкая. Шероховатость поверхности должна быть мала по сравнению с половиной длины звуковой волны. При шереховатости поверхности, соизмеримой с половиной длины волны и больше, ее отражение будет диффузное (рассеянное). Внутренние и наружные поверхности зданий и сооружений являются, как правило, для звука гладкими. Форма отражающей поверхности определяет характер отраженных волн.

Таким частным, но важным случаем, в технике акустических измерений является случай нормального падения звуковой волны на границу раздела сред и материалов. Для этого варианта отражения от границы сред будут отсутствовать при равенстве акустических сопротивлений сред, т.е. тогда, когда  (1.1) Выражение определяет требование полного согласования сред, которое всегда стремятся выполнить разработчики акустических средств измерений при проектировании их измерительных каналов: источник ультразвука - объект контроля - акустический приемный датчик-преобразователь, что гарантировало бы максимальную энергетическую эффективность зондирующего излучения. Введем коэффициент, определяющий отношение акустических сопротивлений обеих сред (материалов),  (1.2) тогда, исходя из соотношения Релея, можем найти коэффициент отражения Г от границы раздела сред при нормальном падении волны  (1.3) Формула дает значение коэффициента отражения Г по мощности, т.е. по интенсивности звука, так как записаны квадраты отношений.

2) Геометрическая дальность действия гидроакустических средств — дальность действия гидроакустических средств наблюдения, ограниченная рефракцией(Рефракция звука — искривление звуковых лучей в неоднородной среде (атмосфера, океан), в которой скорость звука зависит от координат.

Звуковые лучи поворачивают всегда к слою с меньшей скоростью звука, и рефракция выражается тем сильнее, чем больше градиент скорости звука)

звука и определяемая путем геометрического (лучевого) представления акустического поля. В зависимости от гидрологических условий Г. Д. Д. может колебаться в довольно широких пределах для одного и того же района водной среды даже в течение суток. Г. Д. Д. для ближней рефракционной картины не зависит от основных электроакустических параметров гидроакустических станций им б. рассчитана по формулам: (для отрицательной рефракции);  (для положительной рефракции), где Се — скорость звука на уровне, в котором луч горизонтален; Gc — градиент скорости звука; h\ и hz — глубины нахождения источника звука и звукоприемника; Н — глубина полного внутреннего отражения крайнего луча характеристики направленности.

3) Реверберация — в гидроакустике — послезвучание, наблюдаемое в море в результате отражения и рассеяния исходного звука. Реверберация часто маскирует принимаемый акустический сигнал и может сделать невозможным прием эхосигнала, если уровень последнего будет ниже уровня реверберации в данный момент. Эхосигнал будет принят в том случае, если его уровень в момент приема окажется выше уровня реверберации. Реверберация воспринимается не только на слух, но и фиксируется всеми видами индикаторов гидролокационных устройств. На ленте самописца запись реверберации маскирует запись полезного эхосигнала от косяков рыбы. Различают реверберацию: - от дна (донная реверберация), - от взволнованной поверхности (поверхностная реверберация) - от неоднородностей водной среды, рыб и других биологических объектов (объемная реверберация). Время возникновения каждой из них различно: донная и поверхност-ная реверберация начинается лишь после того, как ультразвуковой импульс дойдет до поверхности моря или дна и возвратиться обратно. Объемная реверберация начинается одновременно с излучением звукового импульса в воду. Донная реверберация определяется как звук, поступающий обратно к вибратору от рассеивающих центров, расположенных на дне моря. Наиболее резко проявляется в мелком море с каменистым или песчаным дном. Объемная реверберация определяется как звук, возвратившийся к вибратору от рассеивающих центров, расположенных в толще воды. Типична для глубокого моря, убывает медленнее, чем поверхностная и донная. Поверхностная реверберация – это звук, вернувшийся к вибратору в результате действия рассеивателей (в основном пузырьков воздуха), находящихся на поверхности моря и вблизи от нее. Рассеивающая способность поверхностных рассеивателей зависит от состояния поверхности моря и увеличивается с увеличением морского волнения, так как при этом пузырьки воздуха насыщают поверхностный слой. Наблюдается в глубоком море при сильном волнении. Интенсивность отраженного сигнала пропорциональна излучаемой мощности, причем увеличение мощности в одинаковой степени способствует увеличению и интенсивности реверберации. Реверберацию нельзя уменьшить, увеличивая излучаемую мощность. Снижая излучаемую мощность, можно уменьшить уровень реверберации, но при этом уменьшится или совсем исчезнет полезный сигнал. Уменьшение длительности излучаемых импульсов способствует про-порциональному снижению уровня реверберации. Разреженные скопления рыбы создают ярко выраженную объемную реверберацию, которая в данном случае рассматривается не как помеха, а как полезный эхосигнал. По такой реверберации производят дрифтерный лов разреженных косяков сельди. Донная реверберация может быть снижена путем сужения характеристики направленности излучателя. Поверхностная реверберация уменьшиться, если излучатель наклонить на угол 4-70 с таки расчетом, чтобы основное излучение не захватывало поверхности моря. Импульсы, излучаемые вибраторами, имеют в пространстве некото-рую протяженность l = c?, где ? –длительность импульса. Импульс акусти-ческих колебаний будет распространяться в пределах основного максимума диаграммы направленности вибратора, причем фронт импульса имеет сферическую форму (р

Билет № 4

1 Вопрос.

Классификация гидроакустических приборов:

- аппаратуру поиска скопления рыбы (косяка) в районе лова, ее количественной оценки, определения координат и элементов движения, а также глубины нахождения, необходимых для эффективного использования орудий лова;

- аппаратуру контроля за положением орудий лова относительно косяка, их состоянием и рабочими параметрами;

- аппаратуру исследования поведения биологических объектов в среде обитания, приманки или отпугивания их, контроля за их миграцией, получения информации о физических процессах в организмах и т.д.

История развития гидроакустической техники в первой половине XX века

Возможность обнаружения подводных объектов с помощью звуковых волн была отмечена давно. Еще в 1490 г. Леонардо да Винчи фактически описал схему шумопеленгаторного гидроакустического устройства: "Если вы остановите свой корабль и опустите один конец длинной трубки в воду а другой ее конец приложите к уху, вы услышите корабли на большом расстоянии от вас". Но только в начале XX века некоторые суда стали вооружаться первой примитивной гидроакустической аппаратурой - колоколами для поддержания связи между собой. В 1912 г. Л.Ф. Ричардсон подал в Британское патентное управление заявку на изобретение способа определения расстояния с помощью звукового эхосигнала, распространяющегося в воде. В 1916 г. во Франции русский инженер электроник Константин Шиловский и физик Поль Ланжевен в экспериментах с конденсаторными резонаторами и угольными микрофонами смогли получить эхосигналы от дна и стальной плиты на расстоянии 200 метров, т.е. практически впервые создали новый класс гидроакустической аппаратуры - прообраз гидролокатора.

Первоначально активная гидролокация использовалась в основном для измерения глубин под килем судна. В 1925 г. в США и Великобритании появились первые эхолоты, а в 1938 г. в США началось производство гидролокаторов. В 20-е гг. впервые была высказана мысль о возможности обнаружения рыбы акустическими методами. На заседании биологического и океанографического общества в Париже в 1924 г. профессор Портье в докладе "Применение ультразвуковых волн для биологических и океанографических исследований" высказал предположение о перспективности определения точной глубины плотных стай рыб посредством отражения ультразвуковых волн. Идея использования гидроакустических средств для обнаружения косяков рыб подтверждалась сообщениями моряков о необычных показаниях навигационных эхолотов, которые значительно отличались от значений, помещенных на карте. Как оказалось, эхолоты в данном случае фиксировали глубину над рыбным косяком.

Первая практическая попытка рыбоэхолотирования принадлежит доктору Кимура (Япония), применившему в 1929 г. для обнаружения рыбы ультразвуковые колебания. В 1933 г. шкиперу Болтсу (Великобритания), который вел наблюдения за рыбными стаями по показанию эхолота Marconi-424, удалось сопоставить показания визуального индикатора с полученными уловами. Капитан Бокн на судне "Сигнал" в 1934 г. зарегистрировал четкие записи косяков кильки на ленте регистратора эхолота HughesAdmiral и при этом получил хорошие уловы. В 1935 г. капитан Оскар Зунд (Норвегия) на исследовательском судне "Иоган Хьюрт" осуществил поиск трески при помощи эхолота. В 1937 г. Рунстрем (Норвегия) акустическим методом исследовал распределение скоплений сельди у норвежского побережья. Гидроакустические навигационные приборы использовали для рыболокации и в нашей стране. Так, в 1938 г. сотрудники ПИНРО успешно применили английский эхолот MS-12 для поиска сельди и нерестовых концентраций трески на экспедиционном судне "Персей".

После второй мировой войны возобновились исследования в области рыболокации. Но все они проводились с помощью навигационных эхолотов. Большое различие между интенсивностями эхосигналов, отраженных от грунта, на величины которых были настроены приемные антенны эхолотов, и от рыбных скоплений, не давали реальной картины. Постепенно пришли к выводу о необходимости разработки специальной гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры. Практически только в 50-е гг. началось целевое и регулярное использование гидроакустических средств для поиска рыбных скоплений. К этому же периоду следует отнести появление отдельной отрасли гидроакустической техники – рыбопоисковой аппаратуры.

2 Вопрос.

Важнейшими акустическими характеристиками любой среды явля- ются скорость звука и плотность, так как ими определяется главная акустическая характеристика - ее волновое сопротивление.

Скорость звука согласно формуле зависит от сжимаемости и плотности среды:

В среднем можно считать, что для морской воды К = 4,5 • 10^-11 м²/Н, а р₀ = 1000 кг/м³. На основании уравнения (2.27) С = 1500 м/с.

в общем виде выражение для вертикальной составляющей градиента скорости звука будет иметь следующий вид:

где c(h) - скорость звука как функция глубины.

Градиент скорости звука может быть как положительным (возрастание скорости звука с глубиной), так и отрицательным (убывание скорости звука с глубиной). Если известна аналитическая зависимость градиента скорости звука от глубины, то скорость звука си на конкретной глубине h можно найти из очевидного соотношения:

где Со - скорость звука в точке, от которой отсчитывается глубина h

Практическое значение имеет вертикальный градиент скорости, величина которого также является функцией температуры, солености, гидростатического давления и выражается формулой:

А

О

gc = 0,0182 + [6,187 - 0,05 (32 + 1,8t)]g_t+ 1,31 gs,

где t - температура воды;

g_t - температурный градиент; g_s - градиент солености.

В приведенной формуле постоянная составляющая градиента скоро- сти, равная 0,0182 с~ , обусловлена изменением гидростатического давления, т. е. глубины. Определяющим в формуле является член, включающий температурный градиент. При значительных величинах температурного градиента (показателями) изменений солености и гидростатического давления можно пренебречь. Расчет градиента скорости по формуле производится для средней температуры рассматриваемого слоя.

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН

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.

Энергией акустического поля называется сумма кинетиче­ской энергии колеблющихся частиц и потенциальной энергии уп­ругой деформации. 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.

3 вопрос.

6.1. Классификация гидроакустических антенн

Гидроакустической антенной называют устройство, обеспечивающее пространственно-избирательное излучение или прием звука в водной среде. Гидроакустическая антенна обычно состоит из электроакустических преобразователей (элементов антенны), акустических экранов, несущей конструкции и линий электрокоммуникаций. Гидроакустические антенны классифицируют по ряду признаков. По способу создания пространственной избирательности антенны подразделяют на интерференционные (непрерывные и дискретные), фокусирующие, рупорные и параметрические.

Интерференционными называют антенны, поле излучения которых

формируется в результате интерференции акустических колебаний, вызванных в точке наблюдения различными участками колеблющейся активной поверхности антенны. Непрерывные - это антенны, нормальная составляющая колебательной скорости активной поверхности которых меняется непрерывно от точки к точке. К дискретным антеннам (или антенным решеткам) относят антенны, состоящие из отдельных преобразователей. Даже в тех случаях, когда преобразователи расположены почти вплотную (с минимальными зазорами), нормальная составляющая колебательной скорости на активной поверхности дискретной антенны претерпевает разрывы. Конструктивно непрерывную антенну можно выполнить и из дискретных преобразователей, если их излучающие поверхности соприкасаются с водой, например, через общую металлическую накладку. Параметры дискретных антенн при малых относительных расстояниях между центрами преобразователей можно рассчитывать по формулам, справедливым для непрерывных антенн. И непрерывные, и дискретные антенны подразделяют по геометрическим фигурам, которые образуют активные элементы, на линейные (антенны в виде отрезка, дуги, окружности и др.), поверхностные (плоская, цилиндрическая, сферическая, конформная и др.) и объемные.

Фокусирующими называют антенны, пространственная избирательность которых образуется с помощью отражающих или преломляющих границ или сред, деформирующих фронт волны (например, из сферического в плоский). Фокусирующие антенны бывают зеркальными (рефлекторными) и линзовыми. Кроме того, фокусирующие антенны можно классифицировать по конфигурации рефлектора или линзы.

Пространственно-избирательные свойства рупорных антенн, так же как и антенн рефлекторных, формируются с помощью отражающих поверхностей, однако в рупорной антенне не происходит деформации фронта волны, и роль отражающих стенок рупора сводится к концентрации акустической энергии в некотором пространственном угле.

Направленность параметрических антенн создает интерференция колебаний разностной частоты, возникающей при нелинейном взаимодействии в воде акустических волн близких частот.

По конструктивным особенностям антенны подразделяют на антенны с общим для всех преобразователей контуром герметизации и с раздельной герметизацией каждого преобразователя. Первые делят на антенны силовой и компенсированной конструкции.

По типу конструкции антенны также подразделяют на антенны с собственной несущей конструкцией и антенны, устанавливаемые на носитель поэлементно или по блочно.

По месту установки антенны делят на антенны корабельные (носо- вые, рубочные, килевые, бульбовые), береговые, донные, вертолетных станций, радиогидроакустических и гидроакустических буев и т. д.

По способу обработки сигналов антенны подразделяют на антенны

аддитивные (компенсированные, некомпенсированные, имеющие амплитудно-фазовое распределение или не имеющие его и т. д.), мультипликативные, самофокусирующиеся, адаптивные, антенны с синтезированной апертурой и др.

Аддитивными называют приемные антенны, в которых до сумматора сигналы от отдельных элементов подвергаются только линейным операциям (фильтрации, изменению амплитуды и фазы или временной задержке), а напряжение на выходе сумматора детектируется и поступает на индикатор или какое-либо исполнительное устройство.

В элементарных каналах мультипликативных антенн, кроме линейных, осуществляются и нелинейные операции (умножение, возведение в степень и др.), сумматор может быть не один, а напряжения с выходов сумматоров могут перемножаться друг с другом и затем поступать на индикатор.

Самофокусирующиеся антенны имеют в отдельных каналах устройства изменения временных задержек, позволяющие автоматически настраивать антенну на максимум напряжения на выходе сумматора при размещении источника сигнала в произвольной точке пространства.

Адаптивными называют антенны, имеющие автоматическое устройство, способное менять коэффициенты усиления каналов по амплитуде и временам задержки сигналов и обеспечивающее в условиях изменяющейся помехо-сигнальной ситуации максимизацию некоторого заранее заданного параметра (например, отношения сигнал/помеха (ОСП), точности пеленгования или др.).

Антенны с синтезированной апертурой за время наблюдения пере- мещаются на некоторое расстояние, а обработка сигналов ведется таким образом, будто существует антенна, габариты которой определяются всеми положениями элементов реальной антенны за период наблюдения.

Наиболее разработан синтез антенн известной конфигурации по заданной характеристике направленности (ХН) и антенн, обеспечивающих экстремум некоторого интегрального параметра (коэффициента концентрации, помехоустойчивости и т.д.).