книги / Справочник по судовой акустике

Влияние шумов на работу приборов. Акустические шумы оказывают суще­ ственное влияние на дальность действия рыбопоисковых и навигационных гидро­ акустических приборов. Приближенно дальность действия гидролокатора может быть оценена в результате решения уравнения [14]

I N.yrlA* \1/4

где Na — акустическая мощность гидролокатора; у — коэффициент осевой кон­

центрации антенны, обычно у = 4 ^ - (s — площадь активной поверхности ан­

тенны, Я — длина волны звука в воде на частоте работы); гэ — радиус эквивалент­ ной сферы (для объекта наблюдения); А — фактор аномалии в воде; / п — интен­ сивность помех, рассчитанная в предположении воздействия диффузного поля на антенну; а — затухание звука дБ/км, которое связано с частотой f, кГц, формулой

Формула (16.1.1) позволяет определить из энергетических соображений даль­ ность действия работы рыбопоискового гидролокатора в зависимости от интенсив­ ности помех. Существует оптимальная частота, при которой может быть достиг­ нута заданная дальность действия гидролокатора с наименьшими энергетическими затратами. Эта частота /opt’ кГц, приближенно может быть оценена по формуле

где г — в километрах.

Обычно в формулу (16.1.1) вместо интенсивности помех / п, определенной на частоте fopt в полосе частот А/ работы гидролокатора в направленном приеме, под­

ставляют так называемую приведенную интенсивность помех / пр, определяемую

-Физически / 11р соответствует эквивалентной интенсивности помех на частоте 1 кГц, в полосе частот 1 Гц при ненаправленном приеме. При этом

где Рпр — звуковое давление помех эквивалентного диффузного поля; рс — аку­ стическое сопротивление воды.

По значению рпр можно охарактеризовать акустические условия в местах установки антенн рыбопоисковых приборов любых типов на различных промысло­ вых судах.

Соотношение (16.1.1) запишем в виде двух уравнений и используем графиче­ ский метод их решения для определения дальности действия гидролокатора [10]:

гр1'2

у2= ю—°-05аг,

где

e ( W a Y ^ V 74

а ~~\ 16ns* )

Таким образом, причины возникновения помех, сопровождающих работу рыбопоисковых приборов на промысловых судах, имеют разную физическую при­ роду. Однако на предельных дистанциях работы приборов ограничение их даль­ ности обычно наступает из-за высокого уровня акустических помех, создаваемых шумами судна, оборудованного этими приборами.

§ 16.2. ОСНОВНЫЕ ИСТОЧНИКИ И ОСОБЕННОСТИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ПОМЕХ

РАБОТЕ РЫБОПОИСКОВЫХ ПРИБОРОВ

Основные источники акустических помех работе рыбопоисковых приборов на судне. Условно акустические помехи в зависимости от источника шума, порождающего их, могут быть разделены на следующие категории (рис. 16.4):

Рис. 16.4. Схема возникновения акустических помех на промысловом судне.

—помехи от работы судовых механизмов;

—помехи, возникающие при вращении гребных винтов;

—гидродинамические помехи, создаваемые шумом турбулентности или шумом кавитационной природы;

—помехи от шума носового буруна.

П о м е х и о т с у д о в ы х м е х а н и з м о в . Особенностью помех от судовых механизмов является то, что они возникают в результате распростране­ ния акустической энергии по воде и в виде вибраций по конструкциям корпуса судна.

Вибрации, сопровождающие работу механизмов, передаются через фунда­ менты, на которых они установлены, на корпус судна. Наиболее интенсивные ви­ брации корпуса наблюдаются непосредственно в районе расположения механизма. Обшивка корпуса в этом районе излучает акустическую энергию в воду, и созда­ ваемый таким образом шум, распространяясь вдоль корпуса судна, достигает района размещения антенн рыбопоисковых приборов, что приводит к появлению акустических помех (путь 1 на рис. 16.4).

Обычно помехи, возникающие вследствие указанного распространения акустической энергии, называют шумовой составляющей от механизмов. Однако акустические помехи могут возникать также в результате распро­ странения вибраций от механизма по корпусу в район размещения антенны.

Эти вибрации, уровень которых за счет затухания при распространении по кор­ пусу меньше, чем уровни вибраций обшивки корпуса в районе размещения меха­ низма, также приводят к появлению шума в воде и создают помехи. Кроме того, эти вибрации могут проникать непосредственно на антенны рыбопоисковых при­ боров, возбуждение чувствительных элементов которых приводит иногда к возник­ новению помех. Помехи, возникающие в результате распространения акустиче­ ской энергии в виде вибраций, называют вибрационными (путь 2). Обычно в судо­ вых конструкциях наблюдается весьма интенсивное затухание вибраций [9], поэтому преобладающей составляющей помех от работы механизмов является шу­ мовая составляющая. На рис. 16.5 даны характерные спектры шумов в полосе 1 Гц (в относительных единицах) при работе главных двигателей и вспомогатель­

антенны рыбопоискового при­ бора и вызывает акустические помехи. Характерный спектр шумов в полосе

частот 1 Гц, создаваемых работой судовых гребных винтов, показан на рис. 16.6. Видно, что при увеличении скорости судна спектр оказывается выше в области высоких звуковых и ультразвуковых частот. Спад спектра с увеличением частоты меньше, чем в случае шума от механизмов.

Г и д р о д и н а м и ч е с к и е п о м е х и . Одной из причин появления гидродинамических помех является турбулентный пограничный слой, который образуется на обшивке корпуса судна, на поверхности антенн рыбопоисковых при­ боров или на поверхности обтекателя, в котором находятся антенны (путь 4 на рис. 16.4). Пульсации гидродинамического давления в пограничном слое возбуж­ дают вибрации антенны или обшивки корпуса судна, что приводит к возникнове­ нию помех. Закономерности, характерные для возникновения и развития турбу­ лентного шума, изложены в монографии [12]. Ввиду значительного уменьшения интенсивности турбулентных пульсаций с увеличением частот выше 10 кГц по­ мехи, создаваемые турбулентным пограничным слоем на антеннах промысловых судов, практического значения не имеют.

Существенное значение имеют помехи, возникающие вследствие развития кавитации при гидродинамическом обтекании потоком воды антенны и шахты в днище судна, в которую она убирается. Завихрения потока воды сопровож­ даются значительным местным понижением гидродинамического давления, что приводит к сотрясениям антенны и к появлению кавитационных полостей в потоке, при захлопывании которых создается вёсьма интенсивный шум. Этот шум создает

где D — диаметр гребного винта, м; v — скорость судна, уз; г — количество ло­ пастей гребного винта; // — количество гребных винтов; — расстояние от центра гребного винта до вертикальной оси вращения антенны, м.

Указанные формулы предложены О. В. Ярыгиным.

Определение суммарного значения помех. Суммарное значение помех р на частоте /, кГц, в полосе частот А/, Гц, при ненаправленном приеме может быть получено путем энергетического суммирования помех от шума судовых механиз­ мов и гребных винтов

Расчеты, выполненные с использованием приведенных выше зависимостей, удовлетворительно совпадают с экспериментальными данными об уровнях помех на промысловых судах, если на судне отсутствуют средства снижения акустиче­ ских помех. Если такие средства имеются на судне, уровень помех оказывается меньше на соответствующую величину,

§ 16.3. СРЕДСТВА УМЕНЬШЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ПОМЕХ НА ПРОМЫСЛОВЫХ СУДАХ

Средства, применяемые на промысловых судах для уменьшения шума в местах установки антенн рыбопоисковых приборов, могут быть разделены в соот­ ветствии с районом их основного применения на три типа:

—средства, воздействующие непосредственно на источник шума;

—средства, обеспечивающие поглощение энергии звука в процессе его рас­ пространения от источника до района установки антенн рыбопоисковых приборов;

—средства, позволяющие сформировать локальную зону звуковой тени, удобную для размещения антенны рыбопоисковых приборов.

К средствам первого типа следует отнести звукоизолирующие кожухи и фун­ даменты механизмов, устройства активного виброгашения, а также применение механизмов пониженной виброактивности и гребных винтов, дающих пониженное шумоизлучение в воду.

Поглощение энергии звука при его распространении приносит положитель­ ный эффект лишь в случае, если антенна достаточно удалена и все возможные пути проникновения шума к антенне перекрыты в равной степени. К числу таких средств следует отнести вибропоглощающие материалы, наносимые на корпусные конструкции судна, а также средство, сравнительно недавно применяемое на су­ дах, — воздушную пелену [6].

Широкое распространение получили устанавливаемые в непосредственной близости от антенны рыбопоискового прибора обтекатели специальной формы.

Антенны серийно выпускаемых рыбопоисковых приборов обычно защищены от механического воздействия набегающего потока воды, возникающего при движе­ нии судна, специальным кожухом (рис. 16.7). В рабочем положении антенна опу­ щена ниже линии киля судна так, что между ней и шахтой, в которую'она уби­ рается при подъеме, остается значительное пространство. Наличие открытой шах­ ты, расположенной вблизи антенны, приводит к тому, что на полных скоростях промыслового судна возникают помехи, обусловленные шумом от кавитации в ре­ зультате срыва потока на кромках шахты. Кавитация может возникать также на штоке поворотно-выдвижного устройства (ПВУ) и на острых кромках кожуха антенны. Указанные помехи могут быть полностью устранены, если закрыть ан­ тенну стационарно закрепленным тонкостенным стальным обтекателем каплевид­ ной формы по типу схематично изображенного на рис. 16.8.

За рубежом-широко применяют стеклопластиковые обтекатели [16]. Обладая большей, чем стальные обтекатели, толщиной обшивки при малом числе ребер жесткости и высокой звукопрозрачнбстыо, стеклопластиковые обтекатели требуют меньших затрат при эксплуатации благодаря устойчивости к химическому воз­ действию морской воды и к обрастанию.

Стационарные обтекатели целесообразно устанавливать на промысловых су­ дах в носовой трети корпуса, чтобы наиболее шумные механизмы располагались ближе к корме по отношению к антенне рыбопоискового прибора. Для эффектив-

Рис. 16.8. Форма стационарного обтекателя и схема размещения ан­ тенны внутри него (1/а ^ 2 ,5 ; Ll2a = 2,5ч-3,0; d/a С 1; г = 0,2а).

1 — антенна рыбопоискового прибора; 2 — переборка в виде полусферы; 3 — воздухонаполненный отсек — коффердам; 4 — звукопрозрачиая оболочка.

Рис. 16.9. Снижение помех, достигнутое за счет установки ста­ ционарного обтекателя.

Уровень помех до установки обтекателя; 2 — уровень помех после установки обтекателя.

ного экранирования антенны от шума механизмов и гребного винта при таком расположении в кормовой части обтекателя предусматривается наполненный воз­ духом незвукопрозрачиый отсек — коффердам (см. рис. 16.8). Наибольшая эффек­ тивность экранирования достигается при использовании коффердама, имеющего носовую переборку в виде полусферы, обращенной выпуклостью к антенне рыбо­ поискового прибора.

Практически при радиусе сферы а, равном диаметру цилиндра антенны d, и при удалении ее центра от центра полусферы на 2,5аэффективность дополнитель­ ного экранирования, обусловленная наличием полусферы, может достигать 10 дБ. При этом необходимо, чтобы толщина полусферы t удовлетворяла условию kt <

<0 , 5 (k — волновое число для воды на частоте работы рыбопоискового прибора),

авнутри полусферы находился воздух [2]. Эффективность экранирования ан­ тенны в условиях судна может достигать 20 дБ.

Для устранения помех, обусловленных вибрациями и акустическим излуче­ нием обшивки обтекателя, предусматривают крепление его к корпусу через флан­ цевое соединение, которое вместе с упругой прокладкой образует узел виброизо­

Конструкция стационарного обтекателя, удовлетворяющего всем описанным выше требованиям, была испытана на одном из промысловых судов [2, 15]. Ре­ зультаты измерений помех, выполненных с помощью антенны рыбопоискового при­ бора до установки стационарного обтекателя (кривая )) и после установки (кри­ вая 2), приведены на рис. 16.9. По ординате указан уровень помех р, дБ, измерен­ ный в полосе частот работы рыбопоискового прибора, а по абсциссе отложен угол ср между диаметральной плоскостью судна и направлением в плоскости горизонта,, в котором была ориентирована антенна в момент измерения помех. Измерения вы­ полнялись при движении судна с полной скоростью (17 уз). После установки обте­ кателя уровень помех существенно снизился (на 25—30 дБ), а изменения его в пре­ делах углов обзора антенны практически не наблюдалось.

§16.4. ВЛИЯНИЕ ГЛУБИНЫ И СОСТОЯНИЯ МОРЯ НА УРОВЕНЬ АКУСТИЧЕСКИХ ПОМЕХ

Эффективность экранирования антенн на промысловых судах сни­ жается, если поиск рыбных скоплений ведется на мелководье. В этом случае шумы от источника шума (от гребных винтов или механизмов) могут достигать антенны в результате отражения от дна акватории, причем наиболее сильно влияние дон­ ных отражений проявляется при использовании гидролокатора в режиме эхолота, когда антенна ориентирована в сторону дна. Имеющиеся данные о коэффициенте отражения звука от грунта [13] позволяют оценить уровень донных отражений А>тр при заданной глубине района промысла h по отношению к звуковому давле­ нию р, создаваемому источником помех, удаленным на расстояние I от антенны.

Результаты соответствующего расчета приведены на рис. 16.10, где по орди­ нате указано отношение ротр1р, дБ, а по абсциссе отложена относительная глубина места в районе промысла. Анализируя результаты расчета, убеждаемся, что в ус­ ловиях каменистого грунта, когда поглощение звука при отражении от дна незна­ чительно, эффективность экранирования шума гребного винта, например, может снизиться до 8— 10 дБ, если глубина соизмерима с длиной судна (h/l ^ 1).

Вместе с тем эффективность экранирования ближерасположенных механизмов может быть достаточно высокой, поскольку параметр fill, подсчитанный приме­ нительно к этим условиям расположения механизмов, будет h/l ^ 2.

В подавляющем большинстве случаев следует считать, что донные отражения не оказывают влияния на эффективность средств экранирования, если глубина в районе промысла превышает четыре-пять длин корпуса судна.

По сравнению с отражениями от грунта отражения от поверхности моря в мень­ шей степени влияют на эффективность экранирования. Результаты соответствую­ щих оценок показывают, что уровень отражений от поверхности моря мало ме­ няется при изменении высоты волн и не может оказать существенного влияния на эффективность экранирования, если она не превышает 40 дБ. Прямые экспери­ менты в морских условиях подтверждают этот вывод.

Высота волн оказывается существенной с точки зрения появления импульс­ ных помех, которые проявляют себя в виде нестационарных «выбросов» на инди­ каторе рыбопоискового прибора [3]. Импульсные помехи порождаются ударами волн о корпус судна, а также связаны с качкой судна. При непрерывной записи во время вращения антенны рыбопоискового прибора в плоскости горизонта не-

1—приволненииморя(2балла); 2—пришторме(5баллов).

Импульсные помехи существенно уменьшаются, если судно повернуто бортом к направлению прихода волн. Поэтому целесообразно в ответственные моменты лова так маневрировать судном, чтобы перевести килевую качку в бортовую и уменьшить влияние помех, создаваемых ударами волн о корпус.

При плавании судна в штормовых условиях в паузах между ударами волн уровни помех, как правило, ниже, чем при спокойном море. Это особенно заметно при ориентации антенны в корму (рис. 16.12, <?), т. е. в направлении приходаjiiy - мов от основных источников помех на судне. Понижение уровня помех в паузах