CC BY
51
5. АмирхановХ.И. Исследование «Запирающего слоя» тепловым зондом // Труды Сектора Физики. Вып. 1, 1940. № 2. С. 3-8.
6. АмирхановХ.И.,Ассимметрияэлектропроводности электронных полупроводников между различно нагретыми электродами // Труды Сектора Физики. Вып. 1, 1940. № 2. С. 49-54.
7. Абдуллаеу Г.Б. Исследование анодного скачка потенциала в полупроводнике на границе его соприкосновения с металлом // ДАН Азерб. ССР, 1947. Т. 3. № 9. С. 383-389.
8. Джиловдарлы (Aббасов■) А.А. Создание головного института в СССР по исследованию селена-Института Физики НАНА // Наука, техника и образование, 2016. № 10 (28). С. 61-64.
9. Джиловдарлы АЛ. O развития физики среди азербайджанского народа // Наука, техника и образование, 2017. № 2 (32). C. 65-67.
10. Джиловдарлы А.Э.,Гаджиев Г.А., Ранний п ериод развития физики в Азербайджане // Наука, техника и образование, 2016. № 3 (21). С. 14-18.
ОЦЕНКА ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРИЁМНИКОВ КОЛЕБАТЕЛЬНОЙ СКОРОСТИ 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, звуковое давление и нормальная составляющая колебательной скорости наиболее характерного источника помех (монополя), связаны между собой постоянным коэффициентом. Как следствие, и в ближнем, и в дальнем поле источников помех, система с приёмниками давления по помехоустойчивости не уступает системе с приёмниками давления и колебательной скорости. Техническая реализация многоэлементных комбинированными антенн нецелесообразна. Ключевые слова: приёмники звукового давления, приёмники колебательной скорости, помехоустойчивость, отношение сигнал / шум, векторно-фазовые методы.
EVALUATION OF THE EXPEDIENCY OF USING OSCILLATING SPEED RECEIVERS IN MULTI-CHANNEL SONAR SYSTEMS Kazakov M.N.
Kazakov Mikhail Naumovich - Engineer, retired, SAINT PETERSBURG
Abstract: the article considers the noise immunity of two hydroacoustic systems. Antenna, one of them, contains only receivers of sound pressure, the antenna of the other along with the receivers of sound pressure contains receivers of vibrational speed. As the calculation has shown, the sound pressure and the normal component of the vibrational velocity, the most characteristic source of interference (monopole), are related by a constant coefficient. As a consequence, in both the near and far field interference sources, the system with pressure receivers for noise immunity is not inferior to the system with receivers of pressure and vibrational speed. The technical realization of multielement combined antennas is not practical.
Keywords: sound pressure receivers, vibration speed receivers, noise immunity, signal-to-noise ratio, vector-phase methods.
УДК 534.213
В 1966 г. В.И. Клячкиным и В.В. Яковлевым было получено авторское свидетельство на изобретение [1], в котором авторы предлагали при обнаружении гидроакустических сигналов использовать не только давление в звуковой волне, но и колебательную скорость. Для этого в антенну наряду с приёмниками давления встраивались приёмники колебательной скорости. Обнаружение сигналов предлагалось производить по мощности сигналов (по активной её составляющей).
В дальнейшем методы обработки сигналов, в которых наряду со звуковым давлением используется колебательная скорость, получили название векторно-фазовых методов. По мнению авторов изобретения, в том случае, когда приёмная антенна находится в ближнем поле источников помех, эти методы обеспечивают выигрыш в отношении сигнал/помеха до 20 дБ. При этом авторы сообщают, что, когда источники помех удалены от антенны, то выигрыша нет.
С момента опубликования изобретения не утихают споры между сторонниками векторно-фазовых методов [1], [2], [3], [4], [5], [6] и их противниками, которые утверждают, что векторно-фазовые методы никаких преимуществ не имеют [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15]. В данной статье сопоставляются два способа приёма сигналов.
Рассмотрим источники звуковых полей, в ближней зоне которых находятся антенны приемных гидроакустических трактов.
На гидроакустическую антенну, помещенную в обтекатель, воздействуют гидродинамические помехи, возникающие при обтекании корпуса корабля набегающим потоком. Турбулентные давления, возникающие на внешней поверхности обтекателя, не являются звуковыми, поскольку не распространяются от точки их возникновения (это «псевдозвук» [16],[18]), но они вызывают колебания оболочки обтекателя. Эти колебания являются источниками звуковых волн, в ближней зоне которых находятся антенны. Колеблющуюся оболочку можно рассматривать как поле независимых шумовых источников распределённых по поверхности обтекателя. Количество таких источников зависит от скорости набегающего потока, размеров обтекателя, параметров оболочки (толщины, упругости), ширины характеристики направленности антенны. Рассмотрим излучение звука одним из таких источников. Вслед за [8] будем считать, что этот одиночный источник является монополем. Монополь в своём ближнем поле создаёт интенсивные неоднородные волны. Звуковое давление и колебательная скорость, создаваемые монополем на поверхности антенны, следующие [17]:
р=] шр (А/г ) е Л Ц (ш г —к г)) , (1) р= 0 к + 1/г) (А / г) е л ( (ю 1 - к г)), (2)
где:
ю - 2я£ где f - частота;
к = 2 л/Л -волновое число (Х- длина волны);
р - плотность среды;
г - расстояние от источника излучения до антенны.
А= ( аРа/шр) е л (- ( (ю 1 - к г +л /2))), (3)
где:
а - радиус источника излучения;
Ра- амплитуда давления на поверхности источника излучения.
Сравним, как описанная помеха воздействует на два разных приёмных тракта, антенна первого содержит только приёмники давления (тракт Р) и второй, антенна которого кроме приёмников давления содержит так же приёмники колебательной скорости (тракт РУ).
Используемые приемные тракты Р построены на основе универсального метода обнаружения сигналов на фоне помех (см., например, [20]), в основе которого лежит задача вычисления отношения сигнал/помеха: отношения мощности ожидаемого сигнала к мощности помехи.
Вычислим мощность помехи в тракте Р, используя (1):
Ыр=р* р* = (шр А/г ) л 2 = (кср А / г) л 2 , (4)
где:
р* — давление, комплексно сопряженное с давлением р;
с- скорость звука в среде, с = Л * f.
Вычислим мощность помехи в тракте РУ, используя (1) и (2):
Иру = п* рр * = рс*шр*( Л/ г) Л2 = (кср А / г) л 2 , (5)
где:
- колебательная скорость, комплексно сопряженная со скоростью У;
п - коеффициент, выравнивающий чувствительности трактов (выравнивающий выходные мощности трактов в плоской волне сигнала). Поскольку в плоской волне р = р/рс, п = рс, где рс -акустическое сопротивление среды. Активную составляющую мощности помехи рр * можно вычислить, сохраняя показательную форму записи (1) и (2), двумя способами: либо перемножив р (1) с комплексно сопряженным значением одного из слагаемых р (2), имеющим одинаковую «мнимость» с р, либо по формуле
рр* = (р*р + рр*)¡2 [21].
Из сравнения (4) и (5) видно, что значение помех ближнего поля источника в обоих трактах одинаковое. Это соотношение выполняется даже при самом малом расстоянии между антенной и
обтекателем, вплоть до г = а, единственное требование, предъявляемое к расстоянию: г > а. Равенство (4) и (5) указывает на то, тракт P измеряет, как и тракт PV активную составляющую мощности, причём как в ближнем, так и дальнем поле помех. Из этого следует, что опасения того, что тракт P в ближнем поле помех наряду с однородными волнами принимает и неоднородные волны, формирующие реактивную составляющую мощности, не оправданы.
Нами рассмотрено влияние одиночного источника помех. Мощности нескольких, созданных обтекателем источников, будут суммироваться, но равенство суммарных помех в трактах сохранится.
В качестве элементарного источника помех нами рассмотрен монополь. В [19] в качестве элементарного источника принят диполь. Диполь обычно рассматривают состоящим из двух монополей, поэтому замена монополя на диполь приведет лишь к увеличению числа источников, равенство помех в трактах не будет нарушено.
Поскольку параметры трактов одинаковы (число каналов и частотные характеристики совпадают), помехи одинаковые, чувствительность выравнена, значит пороговые отношения сигнал / помеха в трактах одинаковые. Следовательно, тракт PV не имеет никаких преимуществ перед трактом P.
Техническая же реализация приемного тракта PV крайне сложна. Приемники прямого измерения скорости являются прецизионными устройствами, не пригодными для размещения на движущихся носителях. Измерение скорости по градиенту давления также затруднено из-за значительного разброса чувствительности приёмников давления и необходимости обеспечения прозрачности антенны.
По-видимому, векторно-фазовые методы (с непосредственным измерением колебательной скорости) целесообразно использовать для измерения параметров среды и в системах с малым числом элементов в антеннах. В системах с многоэлементными антеннами их использовать не целесообразно.
Как показано в данной статье, обнаружение сигналов на фоне помех по их мощности можно с той же эффективностью осуществить, используя приемники давления, так как звуковое давление и нормальная составляющая колебательной скорости наиболее характерного источника помех (монополя) связаны между собой постоянным коэффициентом рс.
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. Дзюба В.П., Ильичёв В.И. Эффективность приёмника потока акустической мощности в режиме порогового обнаружения // ДАН. 1995. Том 342. № 6. С. 812-814.
3. Клячкин В.И. Статистический анализ векторно-фазовых характеристик акустических полей и алгоритмы их регистрации // Акустический журнал, 2004. Том 50. № 4. С. 516-523.
4. Подгайский Ю.П. Алгоритм регистрации потоков энергии полей сигналов и помех на основе уравнений Эйлера // 27 сессия Российского акустического общества. Санкт-Петербург. Апрель 2014. С. 1-5.
5. Глебова Г.М., Жбанков Г.А., Селезнев И.А. Анализ характеристик обнаружения сигнала векторно -скалярной приёмной системой // Гидроакустика, 2014. № 19 (1). С. 68-79.
6. Клячкин В.И. Потоковый алгоритм обработки векторно-фазовых акустических полей // Гидроакустика, 2004. Вып.5. С. 54-61.
7. Смарышев М.Д, Шендеров Е.Л. Помехоустойчивость плоских антенн в анизотропном поле помех // Акустический журнал, 1985. Том31.Вып.4.С. 502-506.
8. Смарышев М.Д. Отклик мультипликативного комбинированного приёмника на источник помех ближнего поля // Гидроакустика, 2007. № 7. С. 113-114.
9. 9. Смарышев М.Д. Характеристики направленности приёмников давления и колебательной скорости вблизи акустических экранов // Гидроакустика, 2007. № 7. С. 21-25
10. Смарышев М.Д. О помехоустойчивости гидроакустического комбинированного приёмника // Акустический журнал, 2005. Том 51. № 4. С. 558-559.
11. Баскин В.В., Смарышев М.Д. Помехоустойчивость плоской антенны, состоящей из комбинированных приемников // Акустический журнал, 2008. Том 54. № 4. С. 629-636.
12. Шендеров Е.Л. О помехоустойчивости антенны, состоящей из приёмников звукового давления и приёмников колебательной скорости // Гидроакустика, 2002 . Вып.3. С. 24-40.
13. Смарышев М.Д. Компьютерное моделирование алгоритмов обработки процессов на выходе комбинированного приёмника // Гидроакустика, 2016. № 26(2). С. 14-19.
14. Смарышев М.Д. Об использовании комбинированных приёмников и антенн в корабельной гидроакустике // Гидроакустика, 2016. № 2 5(1). С. 5-15.
15. Смарышев М.Д. Помехоустойчивость цилиндрической звукопрозрачной антенны, состоящей из комбинированных приёмников // Гидроакустика, 2017. № 29 (1). С. 5-9.
21
16. УрикР.Дж. Основы гидроакустики, 1978. Судостроение. Л. С. 211-246.
17. Фурдуев В.В. Электроакустика, 1948. ОГИЗ. М. Л. С. 64.
18. БлохинцевД.И. Акустика неоднородной движущейся среды, 1981. Наука. М. С. 127-156.
19. Минаев А.В. Физические проблемы и история создания акустических систем наведения, 2011. МГУ. М. С. 85-90.
20. Каневский З.М., Финкельштейн М.И. Флуктуационная помеха и обнаружение импульсных радиосигналов, 1963. Госэнергоиздат. М. Л. С. 137.
21. ИсаковичМ.А. Общая акустика, 1973. Наука. М. С. 119.
