Физическая сущность звука. Классификация звуковых волн. Параметры звукового поля, страница 7

Рассмотрим второй случай, когда излучатель неподвижен, а приемник движется навстречу неподвижному излучателю со скоростью V΄_п.

Неподвижный излучатель создаёт волну длиной λ₁ и частотой f₁.

Частота f₂, воспринимаемая приемником с учётом его движения определяется формулой:

В общем случае, когда и излучатель и приемник, частота принятых колебаний f₃ будет определяться формулой:

ДОПЛЕР-ЛАГ и ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

Гидроакустическая антенна в режиме излучения создает звуковую волну. Направление звукового луча под углом θ по отношению к горизонту. Судно идет со скоростью V.

Отраженный (рассеянный) эхосигнал возвращается к антенне, которая уже работает в режиме приема.

V·cosθ – проекция скорости судна на траекторию распространения эхо-сигнала. Излучатель движется по отношению к неподвижному приемнику, следовательно, частота f₁:

Точка В является вторичным излучателем, который излучает частоту f₁ , следовательно, частота, принятая приемником f₂:

В общем случае частота на входе приемника будет определяться формулой:

Доплеровское приращение (смещение) частоты f_д:

f_д = f_п – f_и

Таким образом доплеровское приращение частоты f_д:

Если выразить скорость судна через f_д, то получим:

Исходя из данных формулы для f_д можно представить блок-схему однолучевого доплеровского лага в следующем виде:

 

При реализации данной схемы возникают следующие трудности:

1. Необходимо иметь хороший усилитель приемника.

2. Необходимо осуществлять хорошую фильтрацию помех.

3. Необходимо непрерывно контролировать скорость звука и в случае ее изменения, вводить новые значения.

4. Угол θ зависит от качки судна, т.е. для движущегося судна в формулу вместо cosθ следует применять cos(θ±ψ), где  ψ – угол дифферента.

Для того чтобы показания доплер-лага  не зависели от качки судна, можно применить три способа:

- Антенну устанавливать на гиростабилизированной платформе;

- Применять двухлучевую антенну, которая производит излучение звуковых волн, как в направлении носа судна, так и в направлении кормы;

- Создание антенн в виде антенной решётки;

- Применение ЭВМ, которые производят постоянное измерение (θ±ψ) и перерасчет V.

Анализ погрешности однолучевого лага из-за качки судна

С учётом килевой качки, которая происходит с углом ψ, доплеровское приращение частоты запишем в следующем виде:

где ψ угол килевой качки.

Используя формулы тригонометрических функций разложим cos(θ±ψ):

Т.к. килевая качка имеет углы ψ ≈ 5 ÷ 10°, то cosψ можно заменить на "1", а sinψ на "ψ".

Из формулы видно, что первое слагаемое ни что иное, как доплеровское приращении частоты f_д однолучевого доплер-лага при отсутствии качки, второе слагаемое – абсолютная погрешность Δ однолучевого доплер-лага за счёт качки.

f_дк= f_д ± Δ_абс

Определим относительную погрешность однолучевого лага, найдя отношение Δ_абс  к  f_д

Пример: θ=60°, ψ=5° = 0,09 рад.

Δ_отн = ψ·tgθ = 0,09·tg60°= 0,09·1,73≈0,15  (15%)

Отсюда видно, что даже при небольшой качке погрешность большая. В настоящее время однолучевые лаги не применяются.

В формулу доплеровского приращения частоты входит скорость звука в морской воде С, которая в реальных условиях изменяется в пределах от 1450 до 1540 м/с.

Немецкой фирмой "Plat" получен патент на гидроакустическую антенну, выполненную в виде антенной решётки. При применении данной антенны доплеровское приращение частоты не зависит от скорости звука в воде.

 

Если выполнить антенну в виде элементарных излучателей, где d - расстояние между элементами антенны, то sinα

                     (5)

где λ_о = С/f_и;

Δφ – фазовый сдвиг между соседними элементами антенны;

d – расстояние между элементами.

Если конструктивно выбрать d = λ_о, то для λ = 30°  Δφ = π.

Подставим в формулу (5)  значение sinλ:

                                    (6)

Из формулы (6) видно, что f_д не зависит от скорости звука С в морской воде.

ДВУХЛУЧЕВЫЕ ДОПЛЕР-ЛАГИ.

Рассмотрим принцип работы двухлучевого доплер-лага. Допустим, что на судне установлен двухлучевая антенна, которая излучает акустические колебания, как в направлении носа, так и в направлении кормы.