Рубрика: Гидроаккустические приборы и системы

Основными источниками погрешности доплеровских лагов могут стать: неточность измерения средней частоты доплеровского спектра; изменение скорости звука в морской воде; изменение углов наклона лучей антенной системы; наличие вертикальных составляющих скорости судна; погрешности, допущенные при монтаже антенной системы на судне; погрешности, порождаемые неудачным выбором места установки антенн на судне. При правильном выборе схемы и параметров лага общая погрешность, изме-рения средней доплеровской частоты мала и составляет доли процента [1,14]. В общем случае погрешность измерения скорости судна зависит от соответствия действительной скорости распространения звука в морской воде тому ее значению, которое используется в расчетных алгоритмах лага. Наиболее часто вычисления производятся для скорости, равной 1500 м/с. Отклонение скорости звука от указан-ного расчетного значения, может достигать 4%. Соответственно погрешность изме-рения скорости судна без принятия специальных мер будет достигать такой же ве-личины.

Скорость движения судна является одним из основных навигационных параметров, поэтому необходимо создание надежных и точных ее измерителей. Эта задача стала особенно актуальной в силу наличия большого разнообразия типов судов, с одной стороны, и высоких требований к безопасности мореплавания, с другой. Так, у судов с динамическими принципами поддержания появилась необходимость измерения скорости, достигающей ста узлов и более. Широко масштабное использование крупнотоннажных судов потребовало измерения не только продольной, но и поперечных составляющих скоростей, причем не только относительно воды (относительной скорости), но и относительно грунта (абсолют-ной скорости). С другой стороны малотоннажные суда, прогулочные катера и яхты потребовали разработки простых по устройству и не дорогих лагов. Все это привело к тому, что в настоящее время эксплуатируются лаги, построенные на различных физических принципах, вырабатывающие различную по объему информацию, имеющие различную точность измерения. Значительное место среди них занимают гидроакустические лаги, способные измерять как относительную, так и абсолютную скорости судна. В этих лагах для по-лучения информации, на основании которой определяется скорость судна, используется или эффект Доплера, или корреляционные методы обработки принятых гидроакустических сигналов. Первые получили название доплеровских лагов, а вторые – корреляционных.

От выбора места установки антенн эхолотов зависит уровень шумов, сопрово-ждающих полезный сигнал, коэффициент полезного действия антенны, максималь-ная глубина, которую практически можно измерить в существующих условиях пла-вания, а порой и сама возможность проведения измерений. Основными источниками гидроакустических помех, воздействующих на антен-ны, являются судовые машины и механизмы, гребные винты, турбулентный погра-ничный слой, а также другие гидроакустические системы, одновременно работаю-щие на судне. Каждый из источников помех создает шумы определенного спектра, которые попадают на антенну, распространяясь непосредственно по корпусу судна, в воде вдоль корпуса судна, отражаясь от объектов рассеяния в морской среде или от дна. Особое влияние на работу антенн оказывают пузырьки воздуха, рассеянные в слое воды, омывающей антенну. Неоднократно было замечено на практике, что при движении судна в балласте, когда в его придонной области имело место интен-сивное образование пузырьков, эхолот переставал измерять даже относительно не-большие глубины. При снижении скорости перемещения судна или его остановке работа эхолота восстанавливалась. Это явление можно объяснить тем, что пузырьки воздуха с одной стороны интенсивно рассеивают и поглощают энергию, с другой – изменяют физические свойства среды, непосредственно соприкасающейся с антен-нами, снижая ее эквивалентную жесткость, что, в свою очередь, влияет на настройку системы антенна – среда, снижая эффективность преобразования электрического сигнала в механический и обратно.

Навигационные эхолоты предназначены для измерения глубины под килем суд-на. Выпускаются разнообразные модели рассматриваемых приборов, рассчитанных на измерение различных глубин и предназначенных для использования на судах, различного типа. Несмотря на относительно большое разнообразие образцов приборов, их работа основана на одном принципе — измерении времени t прохождения сигнала гидроаку-стической посылки до дна и обратно. h ,5ct (2.10) Посылка, как правило, представляет собой короткий импульс, промодулирован-ный сигналом несущей частоты. Типовой состав эхолота включает в себя: антенные устройства; устройство, формирующее сигнал посылки (передающее устройство); приемное устройство; командное устройство, управляющее работой эхолота; устройства отображения и регистрации информации; устройство для переключения антенны с приема на передачу в случае эхолота, использующего одну приемно-передающую антенну. В общем случае эхолот может иметь или одну приемо-передающую антенну или две антенны – приемную и передающую. Преимущественное распространение в на-вигационных эхолотах нашли антенны типа “сплошной вибратор”. Причем в по-следнее время, как это уже отмечалось выше, чаще всего применяются пьезокера-мические вибраторы.

Ферромагнитные преобразователи электрической энергии в механическую используют эффект магнитострикции. Сущность этого эффекта состоит в том, что при изменении магнитного состояния изделия из ферромагнитного материала происходит некоторое изменение его размеров. Образец деформируется, и эта деформация возрастает с увеличением интенсивности его намагничивания. Если в ка-честве образца взять стержневой сердечник, снабдить его обмоткой и запитать ее переменным током, то длина сердечника будет периодически изменяться. Электрическая энергия, затрачиваемая на его намагничивание, преобразуется в энергию ме-ханических колебаний, способную возбуждать звуковое поле в упругой среде (в жидкости), в которую помещается рассматриваемый стержень. 1 Физическая сущность явления кавитации выглядит сложнее представленной. При ее возникновении антенна воспринимает также повышенные динамические нагрузки. Существует и обратный эффект. Если сердечник из ферромагнитного материа-ла, имеющего некоторую остаточную намагниченность, несколько деформировать, т.е. изменить его внутреннее напряжение, то изменится и напряженность магнитно-го поля, связанного с ним. При этом изменение магнитного поля будет происходить практически пропорционально изменению линейного размера сердечника. Это об-стоятельство позволяет магнитострикционные преобразователи использовать и в качестве приемных антенн.

Основные погрешности эхолотов возникают за счет: отклонения действительной скорости звука от расчетной, наличия относительного смещения приемной и передающей антенн, наклона дна, технологического несовершенства прибора. Относительная погрешность h , обусловленная отклонением скорости распространения звука от принятого для расчетов значения 0, равна относительному отклонению свеличины этой скорости. Действительно,bзвестно, что максимальное отклонение скорости звука в море не превышает 6%. Такова же и возможная погрешность в измерении глубины за счет рассматри-ваемого фактора. Погрешность может иметь как положительный, так и отрицатель-ный знак. При использовании двух антенн, расположенных на расстоянии l друг от друга (рис. 2.11), возникает погреш-A1 A2 ность за счет того, что эхолот измеряет не глубину h, а расстояние r от антенны до дна. При этом относительная r h r величина этой погрешности определяется следующим равенством [12]: Как видим, с увеличением глубины под килем судна погрешность быстро убывает. Однако необходимо помнить, что при глубинах, со- измеримых с базой антенн, эхолот указывает завы- A шенные значения глубины, что может представлять определенную опасность.

Под звуковымполем понимают ту ограниченную область пространства, в которой распространяется гидроакустическая посылка. Звуковое поле может существовать в любой упругой среде и представляет собой колебания ее частиц, возникающие в результате воздействия внешних возмущающих факторов. Отличитель-ной особенностью указанного процесса от любого другого упорядоченного движе-ния частиц среды является то, что при малых возмущениях распространение волн не связано с переносом самого вещества. Иными словами, колебания каждой частицы происходит относительно того положения, которое она занимала до воздействия возмущения. Идеальную упругую среду, в которой распространяется звуковое поле, можно представить в виде совокупности абсолютно жестких ее элементов, связанных между собой упругими связями (рис.2.2). Текущее состояние колеблющейся частицы этой среды характеризуется ее смещением U относительно равновесного положения, колебательной скоростью v и частотой колебаний. Колебательная скорость определяется первой производной по времени от смещения частицы и является важной характеристикой рассматриваемого процесса. Как правило, оба параметра являются гармоническими функциями времени.

Корреляционная обработка принятого эхосигнала с целью получения информации о скорости судна на практике стала использоваться относительно недавно. Достаточно детальные исследования в этом направлении были вы-полнены в США компанией «Дженерал электрик» при содействии корпорации «Сперри» и шведской фирмой «Юнгер Инструмент» в 70-е годы прошлого столетия. Сообщения о разработке первою промышленного образца шведского корреляционного лага «SAL-ACCOR» для морских судов относятся к 1973 г. В 1977 г. группой научных сотрудников Акустического Института АН СССР был предложен, а затем и испытан в океанских условиях корреляционный лаг, обеспечивающий повышенную точность измерения скорости судна в условиях его движения с боковым сносом. В 1979 г. появились рекламные сообщения компании «Дженерал электрик» о разработке промышленного образца корре-ляционного лага «Quo Vadis» для морских объектов различного назначения, которому приписываются высокие технические характеристики, в том числе возможность измерения составляющих вектора скорости судна при любых глубинах под килем по сигналам от дна и в условиях качки. В этот же период появилось сообщение о модели корреляционного лага МХ-810 (Магнавокс, США), способном измерять скорость относительно грунта при глубинах до 5100 м.