Основы гидроакустики и теории сонаров

ОСНОВЫ ГИДРОАКУСТИКИ И ТЕОРИИ СОНАРОВ. Морская вода является той средой, где производятся гидрографические измерения, поэтому знания физических свойств морской воды и того, как распространяются в ней акустические волны, является важным для понимания того, как работают гидрографические сонары. 2.1. Акустические волны и их физические характеристики. Электромагнитные волны отлично распространение в вакууме и воздухе, но с трудом распространяются в жидкостях. Акустические волны, как звуковые (sonic) и ультразвуковые (ultra-sonic) достигают хорошего проникновения и распространения во всех упругих средах (elastic media), когда эти среды могут колебаться, будучи подвергнуты действию изменениям давления. В действительности звук с большой эффективностью распространяется в воде, значительно более эффективно, чем в воздухе. В качестве примера можно привести китов, которые используют звуковые волны, чтобы общаться на расстояниях в десятки и даже сотни километров. Способность звука распространяться на такие большие расстояния позволяет применять дистанционное зондирование (remote sensing) в водной среде. Большинство датчиков, используемых для измерений глубин, используют акустические волны. Устройства, которые используют звук в таких приложениях, попадают в разряд инструментов называемых сонарами (sonars). Для того, чтобы понять принципы работы сонаров надо вначале уяснить, что такое звук. Особенно важно понимать, как звук распространяется в воде. Звук перемещается в воде движущимися полосами фронтов давления, известных как волна сжатия (compressional wave). Фронты давления движутся (или лучше сказать, распространяются) в воде с особой - местной скоростью звука в воде (local speed of sound). Местная скорость звука в воде может меняться в зависимости от водных условий, таких как соленость, давление и температура, но она независима от характеристик самого звука – все звуковые волны распространяются в воде с одинаковой местной скоростью. В типичных морских условиях скорость звука в воде находится в окрестностях величины 1500 м\с. Физическое расстояние между фронтами давлений в распространяющейся звуковой волне является длинной волны (wavelength). Количество фронтов давления, проходящих через неподвижную точку за единицу времени называется частотой волны (frequency). Длина волны измеряется в метрах, а частота, в герцах (Гц). Эти величины связаны через скорость звука в воде следующим соотношением: скорость звука (м\с) = частота (Гц) * длина волны (м) c = f * λ Когда звуковая волна встречает изменения в местной скорости звука, длина ее волны изменяется, но частота остается неизменной. По этой причине звуковые волны обычно описываются в единицах частоты. Акустическая волна несет в себе определенное количество акустической энергии (acoustic energy). Эта энергия может быть измерена устройством, называемым гидрофон (hydrophone), который измеряет количество колебаний давления, когда фронт давления звуковой волны проходит через него. Величина этих колебаний (oscillations) называется амплитудой волны (amplitude). Амплитуда связана с акустической энергией, переносимой волной – волны с более высокими амплитудами переносят более высокую энергию. Математически, энергия волны в единицу времени, называемая мощностью (power), пропорциональна квадрату ее амплитуды. - 22 - Интенсивность звуковой волны I представляет собой количество энергии в секунду, пересекающее единицу площади. Акустическая интенсивность характеризуется выражение вида: c p e I * 2 ρ = ; (2. 1) где ρ - плотность воды, с – скорость звука в воде, а pe – эффективное акустическое давление, зада- ваемое в виде пикового значения амплитуды давления P, деленного на корень квадратный из 2, т.е 2 P p e = Произведение ρ*c – называется акустическим сопротивлением жидкости. Считая скорость распространения звука в воде 1500 м\с и плотность морской воды 1026 кг\м³, для морской воды он равен: ρc = 1540⋅10³ кг/м² с. При некоторых условиях этот коэффициент пропорциональности между скоростью и давлением является комплексной величиной. В этом случае он называется удельным акустическим импедансом. Интенсивность акустической волны рассчитывают с использованием среднего акустического давления, нежели его мгновенного значения. Акустическое давление и интенсивность, благодаря их большому диапазону изменений, обычно выражают с помощью логарифмической шкалы, отнесенной к определенному уровню давления и интенсивности. В качестве такой логарифмической шкалы используют децибел. При этом уровень акустической интенсивности IL определяется выражением: Re IL 10 log 10 Ι Ι = ; (2.2) где IRe эталонная интенсивность В альтернативном виде уровень акустической интенсивности можно представить в следующем виде: Re 10 p p e IL = 20 log ; где pRe – эталонное давление Рис.2.1. схематически показывает компоненты звуковой волны. Последовательности перемещаю- щихся фронтов давления, представляющих движущуюся звуковую волну, показаны серым цветом, с темными тенями, представляющими высокое давление и светлыми – низкое давление. Расстояние между фронтами является длинной волны. Фронт давления движется со скоростью звука. Стрелками показаны измерения изменений давления со временем, как фиксирует неподвижный гидрофон в воде Размер колебаний давления есть амплитуда волны, а величина времени между проходящими пиками давления – величина обратная частоте, называемая периодом волны (time period). По мере того, как звуковая волна распространяется, она теряет акустическую энергию. Это происходит потому, что перенос изменений давления между молекулами воды не обладает 100% эффективностью - некоторая энергия тратится на генерацию тепла. Потери энергии распространяющейся волны называется затуханием (attenuation). По мере того, как звуковая волна затухает, ее амплитуда уменьшается. - 23 - Рис.2.1. Компоненты звуковой волны. Звуковые волны являются полезным инструментом для дистанционного зондирования в водной среде потому что он могут проходить десятки километров без существенных затуханий. Световые и радиоволны (которые используются в радиолокации), проникают в воду только на несколько метров, до того как они фактически полностью теряют свою энергию. Уровень затухания звуковой волны зависит от частоты- высокочастотные акустические волны затухают быстро, в то время как очень низко частот-ные волны могут далеко распространяться практически без затухания . Звуковая волна типичного сонара, работающего на частоте 12 кГц теряет половину энергии на затухание только через 3000 м. распространения в водной среде. В то время как акустическая энергия хорошо проходит через водную среду, она прерывается при резком изменении условий среды при встрече с такими препятствиями, как скала или песок. Когда движущийся звуковой импульс (sound pulse) встречает такое препятствие, какая-то часть его энергии проникает и распространяется в новом материале. Количество передаваемой энергии зависит от ряда факторов, включая акустическое сопротивление нового материала (произведение плотности материала и скорости звука в нем), угла падения (angle of incidence) луча - угол под которым фронт волны звукового импульса взаимодействует с материалом (см.рис.2.2.), а также неровность его поверхности. Энергия, которая не проникла в новый материал, должна вернуться в исходную среду- воду в виде отраженного звука, называемого эхо-сигналом. Некоторое количество ее отразиться от поверхности материала – по сути, «отскочит» в направлении, которое зависит от угла падения. Рис.2.2 Компоненты события появления эхосигнала от дна моря Остальная энергия рассеется во всех направлениях. Как много энергии идет на отражение и как много рассеется, зависит от характеристик материала и угла падения луча. Энергия, вернувшаяся обратно в воду, другими словами, не переданная в новый материал, называется эхосигнал (echo). Эхосигнал сохраняет частоту и характеристики акустической волны источника. На рис.2.2 показаны компоненты события возникновения эхосигнала на морском дне. Принципы работы сонара. Сонаром называется устройство для дистанционного обнаружения и определения положения объектов в воде с использование звука. Сонар способен выполнять эти задачи используя, преимущества поведения звука в воде. Существует два типа сонаров: • пассивные сонары (Passive sonars) -это по существу «слушающие» устройства, которые регистрируют звуки, издаваемые объектами в воде. Такие инструменты могут использоваться для выполнения сейсмических исследований, определения местонахождения подводных лодок и- 24 - морских животных и любых других объектов, издающих звуки. Их применение относится к дисциплинам, не связанным с гидрографией (измерениями морского дна) и поэтому здесь не рассматриваются. • активные сонары (Active sonars) –это устройства, которые издают звуковые волны на особых, контролируемых частотах и слушают эхосигналы от этих излученных звуков, которые возвратились от удаленных объектов, находящихся в воде. Сонары, которые измеряют глубину, относятся к активным. Мы будем рассматривать только активные сонары, причем такие, которые используются для дистанционного измерения глубин дна – процесс, который называется промер (echo sounding) или батиметрия (bathymetry measurement). Инструменты, с помощью которых выполняются данные измерения, называются эхолотами (echo sounders). Эхолоты измеряют глубину путем генерации короткого звукового импульса или посылки (ping), и затем прослушивая эхосигнал, отраженный от дна. Время между передачей импульса и приемом эхосигнала является временем, за которое звук прошел до дна и вернулся обратно. Зная это время и скорость звука в воде можно вычислить расстояние до дна (range). Например, если определе-но, что между моментом излучением посылки и моментом, когда услышан эхосигал прошло 10 с., то используя скорость звука в воде 1500 м\с, можно утверждать, что звук прошел 15000 м. Поскольку, это путь до дна и обратно, расстояние до дна будет половиной – 7500 м. В общем виде формула выглядит так: расстояние до дна = 0.5 * скорость звука * время между излучением и приемом Для создания звуковой волны эхолот использует устройство, называемое излучатель (projector). Излучателем может быть все что угодно, способное создавать звук в воде, и их имеется множество, созданных для конкретных приложений. Один из типов излучателей взрывает под водой заряд – такое устройство называется «буммер» (boomer). Спаркеры (Sparkers) используют электрический разрядник с высокой мощностью, создавая плазменный пузырь. Пневматические источники (Air guns) используют сжатый воздух для создания под водой свёртывающийся пузырь. Такие устройства используются в первую очередь для сейсмических съемок. Они ограничены тем, что амплитуда, частота и длительность звукового импульса, который они вырабатывают, не может стабильно поддерживаться от одной посылки к другой. Сонарам, используемым для батиметрических измерений, требуются излучатели, которые способны генерировать акустические импульсы с точными, контролируемыми и повторяемыми характеристиками. Они используют излучатели на основе пьезоэлектрической керамики (piezo electric ceramic) вещества, которые мгновенно изменяет размеры, когда к нему приложено напряжение. Эхолот может использовать особые электрические напряжения, чтобы заставить пьезоэлектрический излучатель колебаться, передавая волну давления с особыми характеристиками частоты. Такой излучатель аналогичен громкоговорителю, который преобразует электрический сигнал в колебания мембраны из ткани или бумаги и передает энергию в воздух в форме звуковых волн. Излученный в воду звуковой импульс распространяется сферически от источника –его энергия излучается во все стороны. По мере расширения сферического фронта импульса его энергия распространяется на все больший и больший район (поверхность расширяющийся сферы), что приводит к падению энергии на единицу площади. Это падение энергии называется потерями на распространение (spreading loss). Импульс также подвержен некоторому затуханию или потерям на поглощение (absorption loss). Совместно потери на расширение и поглощение наименуются потери на передачу (transmission loss). - 25 - Общая величина потери на передачу, которой подвержена звуковая волна, зависит от пройденного волной расстояния – чем дальше проходит волна, тем она становится слабее. Когда звуковая волна взаимодействует с участком дна, говорят, что она освещает (illuminate) или акустически освещает (ensonify) эту часть дна. То, что происходит с акустической энергией в этот момент, может быть достаточно сложным. Какая -то порция энергии передается в дно. Сколько энергии будет передано, зависит от материала, из которого сложено дно. Песок и ил очень легко поглощают энергию, а скалы и металлические объекты поглощают минимум акустической энергии. Основная часть энергии, которая не может быть поглощена акустически освещенной целью, отражается или рассеивается обратно в воду. Часть отраженной энергии на единицу площади, которая направлена обратно в сторону излучателя, называется силой обратного рассеивания дна (backscattering strength). После облучения дна, возвращающийся эхосигнал испытывает еще большие потери на передачу. Эхолот детектирует то, что осталось от вернувшегося импульса с помощью гидрофона. Гидрофоны делают то, что и излучатели, только наоборот – они преобразуют физические колебания, которые они испытывают, когда эхосигнал попадает на них в электрическое напряжение. Гидрофоны аналогичны микрофонам, которые преобразуют звук, передаваемый в воздухе в электрический сигнал. Благодаря выполнению одинаковых функций, излучатели и гидрофоны в сонарной системе часто являются одной и той же частью аппаратного обеспечения. Термин «преобразователь» (transducer) относится как к излучателю, так и к гидрофону. В каждой стадии этого процесса- генерации импульса, распространении, возвращении эхосигнала и приеме – имеются источники звука, которые добавляются к окончательно принятому сигналу. Это включает, но не сводится только к звука моря (например, волны), морские животные и судовые звуки от собственного судна и других судов. Имеют место также паразитные звуки, являющиеся следствием воздействия электроники сонара. Суммарный уровень этих нежелательных акустических сигналов называется уровнем шума (noise level=NL). Уровень шума ограничивает максимальную дальность любого прибора дистанционного зондирова-ния. В мире без шумов самый маленький эхосигнал от дна мог бы быть обнаружен. Несмотря на то, что посылка и эхосигнал имеют потери на распространения (transmission losses), которые делают их все слабее и слабее, уровень сигнала в действительности никогда не падает до нуля. Между тем, в реальном мире шумов акустические сигналы становятся такими слабыми , что становятся неразличимы на фоне шумов, и , таким образом, становятся неопределяемыми. Соотношение сигнал \шум (signal-to-noise ratio =SNR) является отношением силы принятого сигнала к уровню помехи которое определяет меру различимости (detectability) сигнала. Минимальное соотношение сигнал \шум требуемое для различимости сигнала зависит от конкретного приложения. 2.2. Уравнение гидролокации Проектировщики гидролокационной аппаратуры ведут учет всех факторов составляющих процесс акустической локации, используя уравнение гидролокации (Sonar Equation). Это уравнение используется для изучения и выражения способности обнаружения и характеристик эксплуатации сонаров (эхолотов и гидролокаторов) как функций условий работы. Уравнение гидролокации для эхолотов определяет возможность детектирования эхосигнала в виде, так называемого, уровня полезного сигнала (Echo Level -EL) , задаваемого выражением: EL = SL - 2TL +TS; (2.3) Уравнение гидролокации обычно записывают в виде: SL - 2 TL + TS = NL - DI + DT (2.4) Здесь введены следующие общепринятые обозначения: - 26 - SL – уровень излучения (source level), TL – потери при передачи (transmission loss), NL – уровень шумов (noise level), DI – показатель направленности (directivity index) в режиме приема, TS – сила цели (target strenth) или аналогичный параметр: BS - сила рассеивания дна (bottom backscattering strength), DT – порог обнаружения (detection threshold). Все величины в формуле выражены в децибелах (dB). Параметры: SL, NL, DT DI – зависят от характеристик гидроакустической аппаратуры, в то время как: TL, NL - определяются условиями среды, а параметры: TS (BS)– характеризуют объект обнаружения. В данном разделе каждый из этих параметров рассматривается индивидуально для того, чтобы можно было лучше изучить процессы, происходящие при распространении акустических сигналов в водной среде и возможность обнаружения полезного эхосигнала от дна. Уравнение гидролокации может быть представлено в различном виде и включать дополнительные члены. Она ясно представляет множество факторов, вовлеченных в процесс определения глубин с помощью эхосигналов и то, как они соотносятся между собой. Таким образом, уравнение гидролока-ции становится удобным для пользования и полезным в процессе проектирования или для предска- зания характеристик функционирования сонаров по различным сценариям. Это уравнение помогает ответить на многочисленные вопросы гидроакустики типа: «а что произойдет, что если…?» Заинтересованный читатель найдет больше информации об уравнении гидролокации в классической книге: Principles of Underwater Sound by Robert J. Urick. 3rd edition: McGraw Hill, 1983. Рассмотрим уравнение гидролокации применительно к активному сонару, имея ввиду много- лучевой эхолот в постановке, предложенной фирмой Simrad (1998). Уровень излучения (SL) может быть рассчитан по формуле: SL= 171.6 + 10 lg PL+ DIT ; (2.5) где PL- необходимый уровень мощности излучения сонара (дБ на Вт); а DIT - показатель направленности передающей антенны в режиме излучения. 2.2.1. Потери при передаче. Потери на передачу учитывают потери акустической интенсивности в результате геометрического фактора , т.е. потери расширения (spreading loss), пропорциональные r ² и потери на поглощение (absorption), пропорциональные коэффициенту поглощения (α), зависящего от физических и химических свойств морской воды, а также от акустической частоты (см.п. 2.3.9.)