CC BY
79
The autonomous way of pendulum correction of the Gyrovertical, the peculiar feature of which is an adjustment of an intensity to flight conditions of an aircraft is represented. The algorithm is implemented on the basis of Kalman filter in which the amplification factor changes according to the current value of modulus of g-force. It causes suppression of the influence of the apparent acceleration sufficient for required accuracy of pitch and roll estimations. This allows to use angular-rate sensors and linear acceleration sensors of low and average accuracy including micromechanical ones.
Key words: pendulum correction, autonomous correction, gyrovertical, attitude angles, adaptive correction.
Kachanov Boris Olegovich, doctor of technical sciences, professor, main specialist, nit@mnpk.ru, Russia, Moscow, JSC "Uspensky Avionica Moscow Research and Production Complex ",
Grishin Dmitrij Viktorovich, postgraduate, mai@dgri.ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (National Research University),
Kulabuhov Vladimir Sergeevich, candidate of technical sciences, docent, chief designer, kulabuhov@,mnpk.ru, Russia, Moscow, JSC "Uspensky Avionica Moscow Research and Production Complex",
Tuktarjov Nikolaj Alekseevich, candidate of technical sciences, main specialist, nit@mnpk.ru, Russia, Moscow, JSC "Uspensky Avionica Moscow Research and Production Complex"
УДК 534.222
СПОСОБ АКУСТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ МЕЖДУ ПОДВОДНЫМИ И НАДВОДНЫМИ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИМИ СРЕДСТВАМИ
С.П. Тарасов, А.П. Волощенко, А.Ю. Плешков
Обсуждается возможность связи и передачи информации по акустическому каналу между корреспондентами, находящимися в водной и воздушной средах. Предлагается использовать эффект аномальной прозрачности границы раздела двух сред для акустических волн. Рассмотрены результаты расчетов коэффициентов прохождения для точечного источника и сферических волн, позволяющие учесть вклад неоднородной компоненты. Представлены результаты экспериментальных исследований, демонстрирующие увеличение коэффициента прохождения акустического сигнала при определенных условиях.
Ключевые слова: граница раздела «вода - воздух», неоднородная плоская волна, коэффициент прохождения.
Вопросы передачи информации с помощью акустических волн эффективно решаются как для воздушной, так и для водной среды. Однако обмену акустической энергией между этими средами препятствует граница
раздела. Плохая передача звука из воды в воздух создала поговорку: «нем как рыба». В воздухе звуки, создаваемые рыбами, действительно не слышны, но в воде звуки рыб и других морских животных настолько сильны, что иногда мешают действию подводной акустической аппаратуры. Другими словами, рыб не слышно из-за плохого прохождения звука из воды в воздух, а не потому, что они не издают звуков.
Таким образом, чтобы передать информацию, корреспонденты, находящиеся в воздушной среде, вынуждены связываться с корреспондентами в подводных аппаратах и роботах только путем использования гидроакустических средств, имеющих непосредственный контакт с водой.
Распространение акустических волн через границу раздела гидросферы и атмосферы важно не только с позиции обмена информацией, но и с позиции возможности изучения недостаточно известных природных факторов.
Сейсмотектонические подвижки либо подводные землетрясения, вызывающие разрушительные цунами, сопровождаются низкочастотными звуковыми и инфразвуковыми волнами, которые при определенных условиях могут проходить из водной среды через границу раздела в атмосферу. Интересна также возможность мониторинга и оценки энергии мощных подводных взрывов путем инфразвуковых измерений в атмосфере. Вопросы распространения и прохождения низкочастотных акустических волн через границу раздела океанической среды и атмосферы рассматриваются в настоящей работе.
Для упрощения описания процессов, происходящих на границах раздела, часто, не прибегая к волновой теории, применяют упрощения лучевой акустики. Отражение и прохождение плоских волн в случае точечного источника звука подробно рассмотрены в статье [1]. В работах Л.М. Бреховских [1-2] математически показано, что суперпозиции только однородных плоских волн в разложении сферических и цилиндрических недостаточно. Необходимо учитывать в разложении неоднородные плоские волны, что наглядно проявляется при решении интеграла, полученного в результате разложения сферической волны на плоские. Это, в свою очередь, означает, что использование лучевой теории для сферических и цилиндрических волн имеет ряд ограничений.
Согласно работе [1], эти ограничения связаны с местом расположения источника относительно границы раздела. Если излучатель находится на расстоянии меньше длины волны от границы раздела двух сред, то помимо акустической волны, распространяющейся по законам геометрической акустики, необходимо учитывать появляющуюся неоднородную плоскую волну, которой часто можно пренебречь, т.к. ее амплитуда быстро спадает в направлении распространения [1-2]. Но на дистанциях меньше
длины волны от источника неоднородная плоская волна может оказывать существенное влияние как на волновые процессы на этом расстоянии, так и на уровень звукового давления в воздухе.
Процесс прохождения акустической волны через границу раздела «вода - воздух» с учетом влияния неоднородной волны показан на рис. 1.
к- 1 1 1 1 1 R /1 / \ D
1
;
Z0 1
-
О
Рис. 1. Два пути прохождения волны от излучателя О
к приемнику £
Путь OTS соответствует обычному лучу, построенному по законам геометрической акустики, путь OMS - распространению неоднородной волны ОМ в воде с последующей ее трансформацией в распространяющуюся в воздухе волну MS. Неоднородные, экспоненциально затухающие в направлении z плоские волны, падают на границу раздела и создают в воздушной среде однородные плоские волны, бегущие под всеми углами
скольжения (cosb— > — , где n - коэффициент преломления). Неоднородные
n
плоские волны присутствуют в разложении, излученной источником O сферической волны. На рис. 1 они обозначены набором горизонтальных черточек.
Исследуем коэффициент прохождения по давлению через границу раздела «вода - воздух». Коэффициент прохождения по давлению определяется по формуле
Р
(1)
Ар = 20 • ^ Р I Ро
где р - акустическое давление в точке Б при наличии границы раздела сред, Па; р0 - акустическое давление в точке Б при отсутствии границы раздела сред, Па (см. рис. 1).
Акустическое давление в воздухе р складывается из двух частей. Основной член - это уравнение, описывающее значение звукового потенциала в точке воздушной среды в рамках лучевой теории. В качестве до-
полнительного члена используется уравнение, учитывающее влияние неоднородных плоских волн. Значение звукового давления в падающей вол-
Ро =-> (2)
где р - плотность воды, кг/и ; со - угловая частота, рад/с; А - постоянная, определяемая из граничных условий; к - волновое число, м'1; 20 В п
г - + =, м; - глубина расположения источника, м; а -
вша
V7I
2
eos а
угол скольжения падающей плоской однородной волны, град; В - высота расположения приемника, м.
Рассматриваемая математическая модель позволяет изучить зависимость коэффициента прохождения по давлению от трех основных параметров: глубины z0 расположения источника, его частоты / излучения и места расположения приемника. При проведении расчетов примем значения скорости звука в воде с=1450 м/с и воздухе и С1=330 м/с соответственно. Тогда получим значения показателя преломления п и отношения ш плотностей двух сред: п - 4,39, т - 0,0013.
Результаты математических расчетов зависимостей коэффициентов прохождения по давлению представлены на рис. 2. Сплошной линией отображена зависимость коэффициента прохождения с учетом вклада неоднородных плоских волн. Пунктирной линией отображена зависимость коэффициента прохождения без учета вклада неоднородных плоских волн (в формуле (3) не учитывается дополнительный член).
Выражение для коэффициента прохождения по давлению сферических акустических волн через границу раздела «вода - воздух» имеет вид
(
20 • lg
ib
г • т
cosa е
n2-D
sin a
Г2 2
Vw —eos a
Jkr
(
-X
X-
n2 D
зш3 а
///■sma +
2
eos a
+
2
eos a
m- 2 n • r ikxR-kz0^2cos2p1-l
R-é
ikr
x
x
sillpj
ti• sin+ i?n^n2 eos2Px-1 m\-n2\k-R
(3)
где х - расстояние между приемником и источником в горизонтальной
7 2 2
х +£> , м; р! - угол скольжения однородной плоской волны, трансформировавшейся из неоднородной плоской волны, град.
На рис. 2 показаны зависимости коэффициента прохождения по давлению сферической волны Ар от волнового расстояния от источника до границы раздела. Как видно из рис. 2,а, коэффициент прохождения по давлению обладает зависимостью от волнового расстояния от излучателя до границы раздела. Чем меньше волновое расстояние, тем больше акустическое давление в воздухе. К примеру, при волновом расстоянии, равном 0,2, коэффициент прохождения по давлению равен -22 дБ, что на 62 дБ превышает значение, прогнозируемое с помощью лучевой теории (-84 дБ). Также заметно, что при волновом расстоянии равном 2, вклад неоднородных и однородных волн в прохождение звукового давления из воды в воздух становится примерно одинаковым. Поэтому на глубинах меньше 2 преобладает влияние неоднородной компоненты, а на глубинах больше 2 ее вклад быстро спадает.
Схожие выводы получены на основе анализа рис. 2, б. Чем меньше волновое расстояние, тем большая величина акустического давления передается из воды в воздух. К примеру, при волновом расстоянии, равном 0,08, коэффициент прохождения по давлению равен -4 дБ, что на 76 дБ превышает значение, прогнозируемое с помощью лучевой теории (-80 дБ). В то же время при волновом расстоянии, равном 1,5, вклад неоднородных и однородных волн в прохождение звукового давления из воды в воздух становится примерно одинаковым. Поэтому на глубинах меньше 1,5 преобладает влияние неоднородной компоненты, а на глубинах больше 1,5 ее вклад быстро спадает. На рис. 2, б наблюдается характерный провал, расположенный в интервале глубин от 1,3 до 2. Это объясняется влиянием резкого спада коэффициента прохождения по давлению однородных плоских волн (рис. 2, б, пунктирная линия).
Для подтверждения полученных расчетов была проведена серия экспериментов [3-4]. В качестве излучателя использовалась сфера диаметром 30 мм. Обработка и представление экспериментальных данных выполнялись в математическом редакторе МаШСАБ.
На рис. 3, а показана экспериментальная зависимость коэффициента прохождения по давлению через границу раздела "вода - воздух" от частоты излучения источника при условиях:
- сплошная линия: 20=0,01 м, х=0,5 м, &4=(3,9-5,5) %;
- пунктирная линия: 20=0,5 м, х=0,5 м, &4=(3,9-7,2) %.
Как видно из рис. 3, а, коэффициент прохождения обладает зависимостью от частоты излучения источника. Чем ниже частота излучения, тем больше акустическое давление в воздухе. К примеру, на частоте 1 кГц ко-
эффициент прохождения равен -43 дБ, что на 29 дБ превышает значение, прогнозируемое с помощью лучевой теории (-72 дБ), это согласуется с результатами расчетов. Данное явление обусловлено тем, что со снижением частоты происходит усиление воздействия неоднородных плоских волн на акустическое поле в воздухе. На частоте 5 кГц и ниже вклад неоднородных плоских волн начинает доминировать.
0 1 2 3 4 Ь„ 0 1 2 3 4 Ь,
а б
Рис. 2. Зависимость коэффициента прохождения по давлению сферической волны от волнового расстояния от источника до границы раздела: а - г0=0,05 м, а=50, р1=110, 0=0,1 м, /■=1.20 кГц; б - ю=0,01.0,5м, а=1,5...460, р1=110, 0=0,1 м, =2 кГц
0 5 10 15 /.кГц 0 0,1 0,2 0,3 0,4 :„, м
а б
Рис. 3. Зависимость коэффициента прохождения через границу раздела «вода - воздух» от: частоты излучения источника (а) и глубины
расположения источника (б)
На рис. 3, б показана экспериментальная зависимость коэффициента прохождения по давлению через границу раздела «вода - воздух» от глубины расположения источника при условиях:
- сплошная линия: /=2 кГц, х=0,5 м, 5А=(5,2-7,2) %;
- пунктирная линия: /=20 кГц, х=0,5 м, 5А=(3,6-4,2) %.
Коэффициент прохождения обладает зависимостью от глубины расположения источника. Чем меньше глубина расположения излучателя, тем больше акустическое давление в воздухе. На глубине 1 см коэффициент прохождения по давлению равен -48 дБ, что на 24 дБ превышает значение, прогнозируемое с помощью лучевой теории (-72 дБ), что согласуется с теоретическими расчетами.
Необходимо отметить, что увеличение прохождения акустического давления из воды в воздух происходит, если только рассмотренные параметры лежат в определенных диапазонах значений (см. рис. 3).
Данное явление обусловлено тем, что с уменьшением глубины расположения источника происходит усиление воздействия неоднородных плоских волн на акустическое поле в воздухе. Это утверждение легко подтвердить, подробно изучив сигнал, измеряемый микрофоном в рассматриваемой точке поля (рис. 4). Путь распространения неоднородной плоской волны от источника к приемнику отличается от пути, проходимого однородной плоской волной, распространяющейся по законам геометрической акустики (см. рис. 1). Скорость распространения неоднородной плоской волны всегда меньше скорости распространения однородной плоской волны в воде. Два данных фактора позволяют разделить во времени однородную и неоднородную плоские волны.
На рис. 4 представлена осциллограмма, отражающая амплитудно-временную зависимость уровня сигнала на частоте 3 кГц. По оси ординат отложена амплитуда сигнала ивозд, В. По оси абсцисс - время распространения сигнала t, с. В области 1 находится сигнал, прошедший путь OTS, в области 2 расположен сигнал, прошедший путь OMS, а также возможный результат взаимодействия сигналов, прошедших обоими путями (см. рис. 1). Видно, что на частоте 3 кГц уровень сигнала, трансформировавшегося из неоднородной плоской волны более чем в 17 раз, выше уровня сигнала от однородной плоской волны (рис. 4). Также очевидно, что второй сигнал существенно запаздывает (порядка 1 мс) относительно первого сигнала. Это может означать, что путь и скорость распространения сигналов различны. Данное предположение подтверждается теоретическими расчетами.
Существование увеличения коэффициента прохождения по подавлению акустических волн также подтверждено для цилиндрического источника. В качестве излучателя использовался цилиндр диаметром 10 см и толщиной 5 см. Излучение происходило на частоте 7 кГц при заглублении источника на 1 см (kz0=0,3). Результаты экспериментальных исследований опубликованы в работе [3].
Достоверность научных результатов, полученных в работе, обусловлена согласованностью экспериментальных и теоретических результатов с результатами других исследователей [5-6].
175
Предлагается использовать акустический канал связи не только для коммуникации подводных носителей друг с другом или с надводными кораблями, а также с дрейфующими и береговыми гидроакустическими станциями и с летательными аппаратами. Это становится возможным в случае увеличения коэффициента прохождения по давлению для сферических акустических волн через плоскую границу раздела "вода-воздух", в результате влияния неоднородных плоских волн, возникающего при расположении сферического источника в воде на глубинах меньше длины волны от данной границы раздела двух сред.
0.300.20- 1 I \ _ГГ\ 2
-010-
\ У
-0.50—
-—
ОС »10 0.001 0003 0004 од
Рис. 4. Амплитудно-временная зависимость уровня сигнала
на частоте 3 кГц
Принципиально важно, чтобы передача информации осуществлялась в низкочастотном диапазоне (сотни Гц - единицы кГц).
В качестве излучателя следует использовать сферическую либо цилиндрическую антенну. Цилиндрический излучатель и протяженная антенна более удобны с точки зрения размещения на подводном аппарате, а также предпочтительны с позиции эффективности излучения. Результаты проведенных экспериментов показали, что прозрачность границы «вода -воздух» существует и для цилиндрических волн при тех же условиях.
Необходимым условием для передачи информации в воздушную среду с подводного носителя является то, чтобы глубина его погружения (или погружения антенной системы) не превышала длины волны сигнала, излучаемого сферической либо цилиндрической антенной.
Для проявления исследуемого эффекта размеры антенны не должны превышать длину волны излучаемого сигнала. Размеры антенны с точки зрения прохождения сигнала из воды в воздух решающего значения не имеют, хотя по эффективности излучения на низких частотах являются определяющими.
Оценка уровней сигналов для конкретных значений глубин на определенной частоте, к примеру, согласно расчетам дает следующие значения. При частоте излучения гидроакустической антенны 1 кГц и расположении подводного носителя на глубине 1 м коэффициент прохождения по давлению для сферических акустических волн через границу раздела «вода - воздух» может достигать значения -30 дБ.
Предложенные принципы передачи информации от подводного носителя по акустическому каналу связи, основанные на увеличении коэффициента прохождения по давлению для сферических и цилиндрических акустических волн, могут быть с успехом использованы при необходимости маскировки подводного носителя, а также могут затруднить или даже исключить обнаружение подводного носителя с помощью визуальных методов, радаров и спутников. Особенно это может быть актуально, если всплытие подводного носителя невозможно вследствие аварии или данная операция не предусмотрена конструктивно. В частности, возможность многоразового использования гидроакустического канала связи выгодно отличает данный способ от способов связи, основанных на применении радиогидроакустических буев. Что касается ограничений, связанных с волнением моря и скоростью движения подводного носителя, то согласно теоретическим работам О.А. Година [5], волнение моря не влияет на увеличение коэффициента прохождения акустических волн из воды в воздух, если высота морской волны не превышает длину волны сигнала излучаемого гидроакустической антенной.
Предложенные принципы передачи информации от подводного носителя к летательному аппарату либо к другому надводному объекту актуальны и могут дополнить и улучшить существующие системы связи.
Список литературы
1. Бреховских Л.М. Отражение и преломление сферических волн // УФН. 1949. Т. 38. № 1. С. 1-42.
2. Бреховских Л.М., Годин О. А. Акустика слоистых сред. М.: Наука. Гл. ред. физ-мат. лит., 1989. 416 с.
3. Волощенко А.П., Тарасов С.П. Эффект аномальной прозрачности границы раздела жидкость - газ для звуковых волн // Акустический журнал. 2013. Т. 59. № 2. С. 186-192.
4. Волощенко А.П., Тарасов С.П. Влияние неоднородных волн на прохождение низкочастотного звука через границу раздела "вода - воздух" // Известия ЮФУ. Технические науки. 2012. №9 (134). С. 201-206.
5. Годин О. А. Прохождение низкочастотного звука из воды в воздух // Акустический журнал. 2007. Т. 53. C. 353 - 361.
6. Calvo D.C., Nicholas M., Orris G.J. Experimental verification of enhanced sound transmission from water to air at low frequencies // J. Acoust. Soc. Am. 2013. V. 134. P. 3403-3408.
Тарасов Сергей Павлович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, tsp-47@ mail.ru, Россия, Таганрог, ФГАОУ ВО «Южный федеральный университет»,
Волощенко Александр Петрович, ассист., vigcorpamail. ru, Россия, Таганрог, ФГАОУ ВО ««Южный федеральный университет»,
177
Плешков Антон Юрьевич, канд. экон. наук, ген. директор, info@,marinn.ru, Россия, Москва, ООО «Морские Инновации»
METHOD OF ACOUSTIC COMMUNICATION BETWEEN UNDERWATER AND ABOVE-WATER ROBOTIC DEVICES
S.P. Tarasov, A.P. Voloshchenko, A. Yu. Pleshkov
The possibility of communication and information transfer by the acoustic channel between the devices in the water and air are discussed. It is proposed to use the effect of anomalous transparency of the boundary between two media for acoustic waves. The results of calculations of the transmission coefficients for a point source and spherical waves, which allow to take into account the contribution of inhomogeneous components are examined. The results of experimental investigation demonstrating an increase in the transmission coefficient of the acoustic signal at the special conditions are represented.
Key words: water-air interface, inhomogeneous plane wave, transmission coefficient.
Tarasov Sergey Pavlovich, doctor of technical sciences, professor, head of department, tsp-4 7@,mail. ru, Russia, Taganrog, FSAEI HE «Southern Federal University»,
Voloshchenko Aleksandr Petrovich, assistant, vigcorp@,mail.ru, Russia, Taganrog, FSAEI HE «Southern Federal University»,
Pleshkov Anton Yur'yevich, candidate of economic sciences, director general, in-fo@marinn.ru, Russia, Moscow, LLC «Marine Innovation»
УДК 656.7, 681.88
ИНТЕГРИРОВАННАЯ РАДИО- И ГИДРОЛОКАЦИОННАЯ СИСТЕМА НАБЛЮДЕНИЯ ДЛЯ ВЗЛЕТНО-ПОСАДОЧНОЙ ПОЛОСЫ ГИДРОАЭРОДРОМА
В.Ю. Волощенко, П.Ю. Волощенко, Ю.П. Волощенко
Рассмотрены конструкции как приемоизлучающих многочастотных антенных устройств, располагаемых на донной поверхности мелководного летного бассейна, так и активных радиолокационных отражателей, устанавливаемых для увеличения их радиолокационной заметности на плавучих навигационных знаках, обозначающих ВПП. Представлены экспериментальные результаты измерений пространственных характеристик макетов рассмотренных устройств, которые подтверждают возможность получения заявляемого результата.
Ключевые слова: многопозиционный мониторинг - радиолокационный и гидроакустический как надводного, так и подводного объема ВПП гидроаэродрома, параметрическая излучающая антенна, активный радиолокационный отражатель.
В исследованиях ГосНИЦ ЦАГИ [1] рассматривались вопросы разработки и испытания летательных аппаратов водного базирования, основанные на опыте развертывания гидроаэродрома «Дубна», который содер-
178
