CC BY
17
ОЦЕНКА ОПТИМАЛЬНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРИЁМНИКОВ ЗВУКОВОГО ДАВЛЕНИЯ В МНОГОКАНАЛЬНЫХ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ Казаков М.Н. Email: [email protected]
Казаков Михаил Наумович - инженер, пенсионер, г. Санкт-Петербург
Аннотация: в статье рассматривается помехоустойчивость двух гидроакустических систем. Антенна одной из них содержит только приёмники звукового давления, антенна другой наряду с приёмниками звукового давления содержит приёмники колебательной скорости. Как показал расчёт, система с приёмниками давления по помехоустойчивости уступает системе с приёмниками давления и колебательной скорости не более одного децибела. Такое различие в помехоустойчивости сравнимо с ошибками измерения давления и колебательной скорости. С учетом технической сложности, практическая реализация многоэлементных комбинированных антенн (антенн, содержащих приемники двух типов) нецелесообразна.
Ключевые слова: приёмники звукового давления, приёмники колебательной скорости, помехоустойчивость, отношение сигнал / помеха, четырёхмерный вектор, компоненты вектора.
EVALUATION OF THE OPTIMAL USE OF SOUND PRESSURE RECEIVERS IN MULTICHANNEL ACOUSTIC SYSTEMS
Kazakov M.N.
Kazakov Mikhail Naumovich - Engineer, Retired, ST. PETERSBURG
Abstract: the article discusses the noise immunity of two sonar systems. The antenna, one of them, contains only receivers of sound pressure, the antenna of the other along with receivers of sound pressure contains receivers of oscillatory speed. As the calculation showed, the system with pressure receivers for noise immunity is inferior to the system with pressure receivers and oscillatory speed of no more than one dB. Such a difference in noise immunity is comparable to errors in measuring pressure and oscillatory velocity. Given the technical complexity, the practical implementation of multi-element combined antennas (antennas containing receivers of two types) is impractical.
Keywords: sound pressure receivers, oscillatory velocity receivers, noise immunity, signal-to-noise ratio, four-dimensional vector, vector components.
УДК 534.213
В [1] утверждалось, что приёмная гидроакустическая система, содержащая, наряду с приёмниками звукового давления, приёмники колебательной скорости, в ближнем поле акустических помех даёт выигрыш в отношении сигнал/помеха до 20 дб. В [2] проведено сравнение двух приёмных трактов. Многоканальная антенна одного из них содержит только приёмники звукового давления, антенна другого содержит, наряду с приёмниками давления, приёмники колебательной скорости. В обоих трактах обнаружение сигнала производится по мощности сигнала. В первом тракте мощность сигнала определяется по квадрату давления (тракт P), во втором - по произведению давления и колебательной скорости (тракт PV). В [2] в качестве источников, создающих ближнее поле помех, рассматривались монополи (пульсирующие сферы), возбуждаемые вихрями, воздействующими при движении носителя приёмной систем на обтекатель антенны. Показано, что тракт PV никаких преимуществ по сравнению с трактом P не имеет.
В данной статье сравниваются такие же тракты в предположении, что источниками помех ближнего поля являются диполи (осциллирующие сферы) [3]. Звуковое давление и составляющие колебательной скорости, создаваемые диполем на поверхности антенны, в полярных координатах следующие [4]:
p=jrapA ((1+jkr)/r 2) cos0 e"[j(rat-k(r-a))], (1) vr=A[(2(1+jkr)-(kr) 2))/rA3] cos0 e"[j(rat-k(r-a))], (2) Vt=A(( 1 +jkr)/rA3) sin0 eA[j(rat-k(r-a))], (3)
где:
ra=2nf, где f- частота; k = 2лЛ,-волновое число (X-длина волны); р - плотность среды;
r - расстояние от источника излучения до антенны;
vr - радиальная составляющая скорости;
vt - тангенциальная составляющая скорости;
0 - полярный угол (угол, отсчитываемый от оси колебаний).
A=Vma3/(2(1+j ka) -(ka)2), (4)
где:
a - радиус сферы;
Vm- амплитуда колебаний в точке пересечения поверхности сферы с
осью колебаний. Вычислим мощность помехи в тракте P, используя (2): Np= [(юрА cos0)A 2](k2/rA2 + 1/гЧ) =
[(kcpA cos0)A2](kA2/rA2 + 1/r4), (5)
где:
*
p - давление, комлексно сопряженное с давлением p; c - скорость звука в среде, c = X*f.
Вычислим активную составляющую мощности помехи в тракте PV, используя (1) и (2): Npv= n*((pv*+ p*v)/2) = [(kcpA cos0)A2] (kA2/rA2), (6)
где:
n - коеффициент, выравнивающий чувствительности трактов в плоской волне сигнала, n = Pc;
v*- колебательная скорость, комплексно сопряженная со скоростью v. Тангенциальная составляющая колебательной скорости не создаёт активной составляющей мощности (3), так как «другой мнимости» относительно давления (1).
Из сравнения формул (5) и (6) видно, что уровень помех в тракте P несколько выше, чем в тракте PV. Оценим эту величину:
Np /Npv = 1 + 1/(kr)A2 (7) При расстоянии между обтекателем и антенной равным r = 0.5 м увеличение уровня помех в тракте P составит на частоте 1 кГц 0.9 дБ, а на частоте
3 кГц - 0.1 дБ. Соответственно возрастет пороговое отношение сигнал/помеха. Эти величины сравнимы с ошибками измерения колебательной скорости. Нами рассмотрено влияние одиночного источника помех. Мощности нескольких, созданных обтекателем источников, будут суммироваться, но соотношение между суммарными уровнями помех в трактах сохранится. Возрастание порогового отношения сигнал/помеха в тракте P на доли дБ не достаточно для принятия решения об использовании приемников колебательной скорости, поскольку техническая реализация многоэлементных антенн, содержащих приемники колебательной скорости крайне сложна[2].
Объяснить отсутствие преимуществ многоканальных приёмных систем, использующих приёмники колебательной скорости наряду с приемниками давления можно по-другому. В ряде работ, например в [5], предлагается акустическое поле в каждой его точке характеризовать четырёхмерным вектором (P; Vx; Vy; Vz), компонентами которого являются давление и три проекции вектора колебательной скорости на три оси прямоугольной
12
системы координат. Обозначим через L число компонент вектора (Ь=4). Приёмной системой, которая определяет давление и три составляющие колебательной скорости, является одиночный комбинированный приёмник. По каждой компоненте вектора вычисляется поток мощности (P2,PVx,PVy,PVz), затем эти потоки суммируются. В работе [5] показано, что если компоненты четырёхмерного вектора независимы, то максимальный выигрыш в отношении сигнал/помеха от использования комбинированного приёмника по сравнению с использованием приёмника давления составит
10*% (ъ Л2) = 12 аъ.
В современных многоканальных системах создаются независимые пространственные каналы. Характеристики направленности этих каналов формируются приёмниками давления акустической антенны. Характеристики направленности образуют в горизонтальной и вертикальной плоскости веера, обеспечивающие обзор пространства. Каждый пространственный канал предназначен для приёма сигналов в узком секторе углов вблизи оси его характеристики направленности. Рассмотрим один из каналов. Примем ось характеристики направленности этого канала в качестве оси Ъ прямоугольной системы координат. Оси X и У лежат в плоскости «пятна» приемных элементов, формирующих характеристику направленности этого пространственного канала.
Пространственные каналы не предназначены для приёма сигналов, направление которых лежат в плоскости «пятна». В этих направлениях сигналы ослаблены в десятки раз, вплоть до нуля. Для приёма сигналов с этих направлений предназначены другие каналы, оси которых направлены на данные сигналы.
В приемной системе, использующей наряду с приемниками давления приёмники колебательной скорости, для вычисления мощности также должны быть созданы узконаправленные каналы, которые будут измерять параметры акустического поля на своей оси. Поскольку с боковых сторон каналов сигналов нет, измерять в каждом канале нужно только одну (нормальную к поверхности антенны) составляющую колебательной скорости. Таким образом, число компонент вектора, характеризующего акустическое поле в каждой точке, сокращается до двух (давления и нормальной составляющей колебательной скорости, L=2).
Эти механические переменные имеют электрические аналоги - напряжение и ток соответственно. Также как ток в электрической цепи определяется напряжением и сопротивлением цепи, так и колебательная скорость определяется давлением, создаваемым источником звука, и импедансом пути распространения звука. Поэтому в качестве независимого можно принять только один из двух параметров поля, то есть для многоканальной системы L=1,
а 10*^ (Ь Л2) = 0 db.
Таким образом, единственная составляющая колебательной скорости Уи которая может быть использована в многоканальных системах, не обеспечивает увеличения отношения сигнал/помеха, то есть обнаружение может производиться по квадрату давления (Р2) без потери помехоустойчивости. Использование же составляющих Ух и Уу, то есть включение вычисленных по ним мощностей в общую сумму мощности, по которой производится обнаружение сигнала, может только уменьшить отношение сигнал/помеха, так как увеличит шумовую составляющую мощности, ничего не добавляя к сигнальной.
Тем не менее, в [6], [7] по результатам эксперимента утверждается, что использование составляющих Ух и Уу в многоканальной приёмной системе обеспечило выигрыш в отношении сигнал/помеха до 20 аъ. Этот ошибочный вывод связан с тем, в этом эксперименте составляющие колебательной скорости определялись через градиенты давления, измеряемые по выходам соседних пространственных каналов (по выходам ФХН -формирователя характеристик направленности, см. [6], рис. 1). Оси пространственных каналов направлены по нормали к поверхности антенны и из принимаемой ими смеси сигнала и помех не выделена часть, соответствующая направлениям, лежащим в плоскости антенны (что и нереализуемо). Определить составляющие V и V по установленным в антенне приемникам давления так же нельзя, так как они экранированы с тыльной стороны и их оси так же направлены по нормали к поверхности антенны. Если из схемы обработки,
13
показанной на рис. 1 (см. [6]), исключить составляющие мощности, измеренные по осям X и Y (Ux и Uy - обозначения статьи [6]), то схема обработки совпадет со схемой предложенной в данной статье (обнаружение сигналов - по квадрату давления, нормальная составляющая колебательной скорости не нужна).
Как показано в [2], а также в данной статье, обнаружение гидроакустических сигналов можно практически с той же эффективностью осуществить, используя только приёмники давления, без использования приёмников колебательной скорости. Учитывая также сложность при ограниченных размерах антенны технической реализации антенны, содержащей приёмники двух типов, следует считать, что именно использование приёмников звукового давления является оптимальным.
Список литературы /References
1. Клячкин В.И., Яковлев В.В. Патент «Способ выделения акустического сигнала на фоне поля помех», SU 1 840 052 A1, 1966. С. 1-7.
2. Казаков М.Н. Оценка целесообразности использования приёмников колебательной скорости в многоканальных гидроакустических системах // Наука, техника и образование, 2018. № 5 (46). С. 19-22.
3. Минаев А.В. Физические проблемы и история создания акустических систем наведения, 2011. МГУ. М. С. 85-90.
4. Фурдуев В.В. Электроакустика, 1948. ОГИЗ. М. Л. С. 64.
5. Клячкин В.И. Потоковый алгоритм обработки векторно-фазовых акустических полей // Гидроакустика, 2004. Вып.5. С. 54-61.
6. Подгайский Ю.П. Некоторые результаты натурных исследований алгоритмов регистрации полей давления и колебательной скорости // Гидроакустика, 2014. № 19 (1). С. 80-91.
7. Жуков В.Б., Подгайский Ю.П. Помехоустойчивость гидроакустической антенны с комбинированными PV приёмниками. // Гидроакустика, 2018. № 34 (2). С. 39-47.
