Глава 2. Модели сигналов и помех в гидроакустических информационных системах

2.1.Акустические характеристики по первичному гидроакустическому полю

Основными источниками первичного поля судна являются рабо­тающие гребные винты, механизмы и судовые системы, а также гидро­динамический шум обтекания корпуса судна. Гребной винт при своем вращении передает корпусу судна усилия через подщипники валопровода и воду. Силы, передающиеся через подшипники валопровода, могут быть следствием механической или гидродинамической неуравновешенности гребного винта. Вместе с гидродинамическими силами, воздействующими на обшивку корпуса и выступающие части, они вызывают вибрацию корпуса с частотой, равной числу оборотов винта. Кроме того, гидродинамические силы, развивающиеся на лопастях винта при его работе в неравномерном поле скоростей, вызывают вибра­ции корпуса с частотой, кратной числу лопастей:

F_л =nzi/60,Гц, (2.1)

где n - число оборотов винта в мин, z - число лопастей; i - номер гармоники.

Полезный сигнал на входе ГАС шумопеленгования обусловлен первич­ным акустическим полем цели. В общем случае акустическое поле цели мо­жет быть представлено в виде суммы широкополосного шума, обладающе­го непрерывным спектром, и узкополосных дискретных составляющих, обусловленных работой корабельных механизмов, рис. 2.1. Широкополос­ные шумы могут быть вызваны обтеканием корпуса корабля и лопастей винта водой, турбулентностью жидкости и пара в трубопроводах, вибраци­ей множества корабельных конструкций. Шумы винтов корабля могут со­держать в себе широкополосный шум кавитации. Долгое время кавитация на винтах была преобладающим источником широкополосного шума ко­раблей, в том числе ПЛ. У современных ПЛ она возникает только при высо­ких скоростях. Кавитация может быть вызвана также нарушением плавно­сти обводов корпуса корабля. Широкополосные шумы зависят от скорости ПЛ. Узкополосные шумы обусловлены работой корабельных механизмов, в особенности таких устройств, как главные циркулярные насосы ядерной энергетической установки, турбина, редуктор и пр. Они могут представлять собой отдельные спектральные линии (дискреты) на основной частоте вибpaций механизма, либо на её гармониках. Дискретные составляющие, обусловленные работой вспомагательных механизмов, как правило, стабильны по уровню и по частоте и не зависят от скорости корабля. Ширина спектральной линии составляет 0,03 % – 0,3 % от частоты и пропорциональна ей. Шумоизлучение ПЛ в области очень низких частот (единицы Гц) вызывается вибрацией корпуса ПЛ и вращением винта. Этот низкочастотный шум, претерпевающий малое затухание при распространении, может обнаруживаться на значительном расстоянии. Амплитуда и частота дискретных составляющих, обусловленных системой движения и винтами IIJI, изменяются в зависимости от скорости ПЛ; их ширина обычно больше, чем у дискретных компонент, возникающих вследствие работы вспомогательных механизмов. В некоторых случаях дискретные составляющие образуют звукоряды. В высокочастотной части спектра могут присутствовать кратковременные шумы, обусловленные открыванием крышек торпедных аппаратов, пуском торпед и ракет, а также интенсивным маневрированием ПЛ.

Рис. 2.1. Типичный спектр шумоизлучения морских целей.   1 - дискретныесоставляющие вально-лопастного ряда; 2— дискретные составляющие, обусловленные работоймеханизмов; 3— огибающая среднего значения спектра широкополосного шума.

S(f)

f

Сущность процесса шумопеленгования заключается в обнаружении сигнала и измерении его параметров на фоне шумовой помехи, которая так же, как и полезный сигнал представляет собою в общем случае сумму широкополосных и узкополосных компонент и импульсных процсссов. Эта задача должна решаться при отношении уровней сигнала и помехи в поле вблизи антенны много меньшем единицы. Поэтому в основу процедуры обнаружения цели было положено выявление пространственной корреляции поля, имеющей место на участке фронта волны сигнала в пределах апертуры приемной антенны. Процедура пеленгования цели в горизонтальной и вертикальной плоскостях заключается в определении пространственной ориентации волнового фронта, принадлежащего обнаруженному сигналу. Последующая обработка сигнала направлена на измерение его параметров в интересах решения обратных задач гидроакустики: определения координат и элементов движения источника, его принадлежности к тому или иному классу целей. При этом используются спектральные характеристики сигнала (в томчисле его спектр и спектр огибающей), энергетические характеристики, динамика изменения уровня сигнала и пеленга, разность времени прихода сигнала по разным лучам и т п. Задача обнаружения широкополосного шума в звуковом диапазоне частот решается прежде всего с помощью шумопеленгаторных ГАС с носовыми или борто­выми антеннами, расположенными на корпусе корабля. К сожалению, огра­ниченный объем доступной информации не позволяет достаточно подробно осветить конкретные схемотехнические решения таких ГАС. Для обнару­жения низкочастотных узкополосных сигналов, генерируемых корабельны­ми механизмами и движителями, используются главным образом ГАС с ГПБА. Для этой цели применяются также низкочастотные тракты с протя­женными бортовыми антеннами. Вся история развития ГАС шумопеленгования, создаваемых для ПЛ и НК, это борьба за повышение энергетического потенциала, от которого не­посредственно зависят дальность обнаружения целей, точность их пеленго­вания и определения координат, достоверность классификации обнаружен­ных целей.

При работе гребного винта возникает кавитационный шум. Кави­тация является следствием образования, колебания и последующего разрушения воздушных пузырьков растворимого в воде газа. Интен­сивное выделение таких пузырьков происходит при некотором крити­ческом давлении Р_кр. Кавитационный шум обладает высоким уровнем и занимает широкую полосу частот. Гребные винты надводных кораблей расположены у поверхности моря и начиная практически с малых ходов работают в режиме развитой кавитации. На подводных лодках момент возникновения кавитации зависит от глубины и скорости, в связи с чем существует понятие критической скорости. Массы воды, отбрасываемые лопастями при вращении винта, вызы­вают самовозбуждение лопастей (автоколебания), формирующее интен­сивный звук и облегчающий классификацию целей. Возможности класси­фикации улучшаются за счет явления модуляции широкополосного кавитационного шума низкочастотным вращением гребного винта.

Работающие машины и механизмы, вызывая местные вибрации, формируют интенсивный шум, проникающий в воду частично через воздух отсеков, а в основном через фундаменты и другие связи. Движение судна в воде сопровождается возникновением гидро­динамического шума, являющегося следствием турбулизации набегаю­щего потока, вихреобразования и кавитации на шероховатостях и высту­пающих частях корпуса. Турбулизация потока сопровождается пульсацией акустического давления пограничного слоя, в связи с чем возможны вибрации отдельных листов обшивки, корпусных конструкций и всего корпуса в целом.

Первичное поле судов характеризует в основном функция спектраль­ной плотности среднего квадрата давления шума. Спектр суммарного акустического поля является суперпозицией шумов отмеченных выше источников. Несмотря на то, что шумы различных классов судов обладают инди­видуальностью, можно выделить некоторые общие закономерности, присущие первичным полям судов. Работающие машины и механизмы формируют поле, для спектра которого характерно наличие сплошного фона и ряда дискретных состав­ляющих (устойчивых превышений), отмечающихся на частотах враще­ния отдельных механизмов. Этот шум является основным при неболь­ших ходах судов. С увеличением скорости шум машин и механизмов несколько повышается.

Основной вклад в первичное поле судов вносят гребные винты. Кави­тационный шум характеризуется сплошным спектром от единиц Гц до сотен кГц. Максимум спектральной плотности отмечается в звуковом диапазоне частот, который с увеличением скорости и уменьшением глу­бины (для подводных лодок) смещается в область более низких частот. Повышение уровня шума наступает, начиная с некоторого значения скорости, называемой критической, при этом величина превышения составляет 20... 30 дБ. Для надводных кораблей значение критической скорости составляет 6... 9 уз. На подводных лодках она зависит от глубины маневрирования, возрастая с ее увеличением.

Гидродинамический шум в основном, характеризуется сплошным спектром. Ощутимый вклад в суммарное поле этот шум вносит в диапазоне скоростей более 20 уз. Исследования показали, что спектр шума может быть разбит на два диапазона. Спектр в диапазоне частот 0,5... 1,0 кГц является наиболее неустойчивым и изрезанным. Для этого участка характерен сплошной фон и отдельные дискретные составляющие. Уровни и положение макси­мумов в этом диапазоне определяются режимом движения и конструк­цией корабля. Так, наличие максимума в диапазоне частот 20... 200 Гц является следствием вибрации кормовой оконечности и кавитации на выступающих частях корпуса. В диапазоне частот выше 0,5... 1,0 кГц спектр шумов кораблей, как правило, изменяется более плавно. С ростом частоты уровни спектра убывают. На малых ходах наклон спектра достигает величины 7... 9 дБ/октава. С увеличением скорости спектр обогащается за счет кавитации, а наклон уменьшается до 5... 6 дБ/октава. На рис. 2.2 представлены типовые спектры шумов различных целей, приведенные к расстоянию 1 метр. Можно видеть, что на частотах выше 0,5... 1,0 кГц функция спектральной плотности мощности описывается выражением вида:

G(f)= (2.2)

Заметим, что, пользуясь (2.2), можно связать показатель п со спадом спектра (f) в некотором интервале частот f₁...f₂:

n = /10lg(f₂/f₁); G = 101gG(f₂)-101gG(f₂). (2.3)

В частности, если интервал частот - октава, то n = /3.

10lgG(f), dB/Па10lgG(f), dB/мкПа

Рис. 2.2. Типовые спектры шумов некоторых целей

1 ... 4 — легкий крейсер, V = 24; 24,4; 17 и 15 уз; 5—торпеда (Япо­ния); 6 — торпеда (США), V = 30 уз у поверхности; 7 — эсминец, V = 30 уз; 8 — торговое судно.

Типовая зависимость уровня шума от скорости в звуковом диапазоне частот имеет вид: (2.4)

Где k и m – постоянные, определяемые конструкцией судна и диапазоном скоростей.

Для оценки дальности действия пассивных ГАС необходимо знать уровни шума в полосе частот. Допустим, что спектр шума корабля на расстоянии r₀ =1 м опи­сывается функцией a/fⁿ. Тогда квадрат давления шума на некотором расстоянии rв полосе частот f_1…f₂ с учетом пространственного затухания составит:

(2.5)

где - коэффициент пространственного затухания.

Выражение (2.5), определяющее площадь под функцией G(f) на произвольном расстоянии, можно представить в виде:

(2.6)

В такой записи квадрат давления шума представляет собой площадь прямоугольника с высотой шириной , равной площади под кривой G(f) на расстоянии r. Нетрудно видеть, что расчет давления шума в полосе частот на произ­вольном расстоянии rс учетом деформации спектра за счет пространст­венного затухания свелся к расчету на некоторой эквивалентной частоте fэ. При этом значение fэ существенно зависит от расстояния rи наклона спектра п. С увеличением r и n значение fэ уменьшается.

Выразив размерную постоянную а через квадрат давления шума на частоте foi, полосе

= 1 Гц и расстоянии r₀ = 1, получаем:

(2.7)

С учетом этих выражений

(2.8)

Уровень шума в полосе будет:

(2.9)

Индексы при уровнях шума обозначают частоту, полосу, расстояние. Значение эквивалентной частоты f_э можно представить в виде произве­дения некоторого коэффициента а (r), зависящего от расстояния и среднегеометрической частоты:

f_э = a(r) (2.10)

Расчеты показывают, что в пределах спада спектра 1... 12 дБ/октава, расстояний до 500 км коэффициент а (r) в частотных диапазонах 0,5... 1,0 кГц и 2... 4 кГц принимает значение 0,98... 0,92 и 0,86... 0,84 соответственно. Интересно сравнить значения давлений шумов вычисленных с исполь­зованием точного значения эквивалентной частоты f_э = a(r) и в виде среднегеометрического . Обозначим отношения этих давлений как т. Пусть f₀₁ =10³ Гц.

(2.11)

Здесь коэффициент затухания на частоте Значения коэффициента т для четырех частотных диапазонов и различных накло­нов спектра приведены на рис. 2.3. Из рис. 2.3 видно, что m > 1, т. е. расчет давления шума в полосе частот с использованием эквивалентной частоты приводит к занижению фактической величины дав­ления. При этом ошибка в оценке давления будет тем выше, чем выше частотный диапазон и больше расстояние.

Рис. 2.3. Зависимость коэффициента m от расстояния и скорости спада спектра (a – от 1 до 4 кГц, б – от 0,5 до 2 кГц) Кривые соответствуют значениям n=4;3;2;1.

Например, отношение давле­ний т в полосе частот 1... 4 кГц при r = 2... 4 составляет от 5 до 8 раз. При производстве практических расчетов следует иметь в виду, что уровни шума, приведенные на рис. 2.2, справедливы для траверзных направлений. Шум, излучаемый кораблями в направлениях нос — корма в диапазоне частот 2,5... 5 кГц меньше, чем в бортовых аспектах, что является следствием экранизации корпусом и кильватерной струей.

Для сравнения уровней шумоизлучения различных объектов в сплошной части спектра пользуются понятием стандартного или приведённого уровня, под которым понимают давление шума на частоте 1 кГц, в полосе 1 Гц, на расстоянии 1 метр от акустического центра шумоизлучения p(1,1,1). Для расчёта шумоизлучения на эквивалентной частоте f_э в полосе частот , на расстоянии r от акустического центра используют выражение:

(2.12)

В дискретной части спектра пользуются понятием уровня излучения на дискретной частоте f_дс в полосе . Если в полосе частот имеется несколько дискретных составляющих, то при их некогерентном суммировании пользуются выражением:

(2.13)

При наличии в полосе сплошной и дискретной части, интегральный уровень определяют некогерентным суммированием.

2.2. Характеристики морских объектов по вторичному гидроакустическому полю

Гидроакустические приборы наблюдения, работающие в актив­ном режиме (гидролокаторы), основаны на излучении звука и приеме эхосигнала от наблюдаемого объекта. Предметами наблюдения могут быть различные по форме и размерам объекты: суда, мины, морское дно, ледяные поля и айсберги, морские животные и рыбы, и т. д. Чтобы рассчитать дальность действия гидролокатора, надо знать уровень эхосигнала в точке приема и, следовательно, зависи­мость эхосигнала от расстояния и свойств отражающего объекта. Отражающие свойства предметов наблюдения, такие как погло­щение, отражение и рассеяние, весьма разнообразны и их зависи­мость от формы тел сложна и многообразна, поэтому оказалось це­лесообразным при расчетах уровня эхосигнала заменять эти сложные по форме объекты телами простейших форм, эквивалентными по отра­жающей способности, такими как сфера, цилиндр и т. п.

Таким образом, судно может быть представлено сферой, эквива­лентной по отражающей способности. Ясно, что при облучении судна звуком или ультразвуком по направлению вдоль борта или поперек борта эффект отражения (уровень эхосигнала) будет раз­ный. Это можно рассматривать так, как будто судно по отражающей способности эквивалентно сфере, радиус которой зависит от курсо­вого угла.

Интенсивность звука, отраженного некоторым препятствием, зависит от различных факторов: интенсивности падающей волны, рас­стояния, размеров, формы и ориентации объекта относительно точек излучения и приема. Обобщая, в отраженном сигнале можно выделить две составляющие, условно называемые зеркальной (неслучайной) и диффузной (слу­чайной).

Зеркальная составляющая формируется за счет отражения от участ­ков объекта локации с размерами, сопоставимыми и значительно пре­вышающими длины падающей волны. Отражение звука в этом случае подчиняется законам геометрической акустики. Диффузная составляю­щая является результатом рассеяния звука элементами корпуса целей, размеры которых много меньше длины волны, кильватерной струей и пеленой пузырьков, обволакивающих корпус цели при движении.

Сила звука, отраженного абсолютно жесткими препятствиями, размеры которых больше длины волны, может быть рассчитана до­вольно точно с помощью дифракционного интеграла Кирхгофа, пре­образованного для „высоких частот", совмещенного приемо-излучения и больших расстояний:

(2.14)

где p₁ и p₂ давления в падающей и отраженной волне соответственно; r - кратчайшее расстояние от приемо-излучающей антенны до препятст­вия; - угол между направлением на антенну и нормалью в точке падения волны. Расчет по (2.14) для абсолютно жесткой сферы радиусом Rcф приводит к следующему выражению:

(2.15)

Переходя к интенсивностям с учетом пространственного затухания получим:

(2.16)

где Sэ = R_сф - площадь поперечного сечения сферы (эффективная площадь отражения сферы).

Аналогичным образом могут быть определены интенсивности эхо-сигналов от тел другой, сравнительно простой геометрической формы.

На практике отражательную способность кораблей и других целей принято характеризовать радиусом абсолютно жесткой сферы, экви­валентной по отражению данному кораблю. Другими словами, в ка­честве меры отражательной способности выступает радиус сферы, ампли­туда отражения от которой равна амплитуде отражения от данного корабля при прочих неизменных условиях. Выражение для интенсивности эхо-сигнала в этом случае совпадает с выражением (2.15), за исключе­нием Rсф, вместо которой записывается величина „эквивалентного радиуса" цели Rэ.

Логарифмирование (2.16) с учетом последнего замечания даёт:

10lgI_э = 101g(P_{а 1} /4 ) + 201g (Rэ /2) - 2(201g r+ (2.17)

Величина 20lg(R_э/2) = Т называется силой цели, а (20lg r + r) пред­ставляет собой потери, обусловленные расширением фронта волны и пространственным затуханием при распространении в одну сторону. При анализе уравнения гидролокации под силой цели понимают отношение интенсивности, возвращаемого в некотором направлении целью, на единичном расстоянии от акустического центра цели к интен­сивности падающей на цель волны: где I(r₀) —интенсивность отраженной волны на единичном расстоянии от цели; I_{1 -} интенсивность падающей волны в точке размещения цели. Действительно:

(2.18)

Сила цели подводных объектов зависит от различных факторов, основ­ными из которых является курсовой угол, расстояние, скорость и частота. Наибольшее влияние на силу цели оказывает курсовой угол. На курсовых углах от 70^o до 110° уровни отражения кораблей максимальны. С изменением курсового угла уменьшается эффективно отражающая поверхность и сила цели падает. На носовых и кормовых курсовых подводных лодок сила цели по сравнению с траверзными углами умень­шается на 10...20 дБ.

Рис. 2.4. График силы цели в функции курсового угла при различных углах места для итальянской подводной лодки «Вортичи» (непосредственные из­мерения)

На больших расстояниях сила цели практически от расстояния не зависит. По мере сближения с целью сила цели падает. Данное обстоя­тельство объясняется тем, что на малых расстояниях лодка отражает звук как плоскость или цилиндр, а не как сфера, и спадание поля по закону четвертой степени не отмечается. Экспериментально доказано, что сила цели подводных лодок достигает предельного значения при дистанциях в несколько сотен метров. Этот же вывод справедлив и для надводных кораблей, причем величина расстояния, при которой сила цели становится постоянной, несколько увеличивается.

Движение кораблей сопровождается возникновением кильватер­ной струи и пелены пузырьков воздуха, обволакивающей корпус, что дополнительно вызывает рассеяние и поглощение падающей волны. Характер влияния скорости на силу цели будет определяться соотно­шениями между этими двумя явлениями. Учитывая, что на больших расстояниях в пределе раствора ДН оказывается значительный участок водной среды, включая цель и кильватерную струю, следует ожидать некоторого увеличения силы цели за счет подключения к эффекту отражения кильватерной струи.

Увеличение силы цели с частотой объясняется наличием в корпусе элементов с прямолинейными составляющими и размерами, много меньшими, чем длина волны. С увеличением частоты сила цели растет в соответствии с зави­симостью:

(2.19)

где Ro - значение эквивалентного радиуса цели на частоте f₀. Некоторые типовые значения силы цели различных объектов и соответствующие им эквивалентные радиусы приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1. Сила цели некоторых подводных объектов

Цель	Курсовой	Сила цели,	Эквивалентный	Примечание
	угол	дБ	радиус, м
Подводная лодка			44,28	Сила цели для
	Носовой-кормовой	10... 18	6,32... 15,8	обычных частот гидролокаторов.
Надводный		14... 27	10... 44,8	Водоизмещение до
корабль	Носовой	15... 23	11,2... 28,2	5000 т.
Транспорт типа	60... 140	20... 30	20... 63,2
„Либерти"
Мины		6... 10	4... 6,32
Торпеды		10... 20	0,628... 0,2
Косяк рыбы сред-	-			f0 = 20 кГц
ср. плотности
Пловцы	Любой	-15	0.356
Рыбы длиной	Облучение	-29; -39	3,54*10-2	f0 = 20... 200 кГц
7... 15 см	сверху		1,12 * 10-2

2.3. Поле помех работе ГАС

Под гидроакустически­ми помехами подразумевают акустические колебания, воздействующие на приемную АА, на фоне которых происходит прием полезного сигна­ла. По происхождению помехи могут быть преднамеренными (искусст­венными) и естественными, шумовыми и тональными. По источнику формирования они могут быть внешними (шумы окружающей среды, носителя ГАС и т. д.) и внутренними (шумы ГАС). Особый класс помех представляют собой реверберационные помехи, характерные для работы гидролокаторов в активном режиме. Основными статистическими ха­рактеристиками помех являются их корреляционные функции или спек­тры мощности (интенсивности), зная которые, оценивают уровень шу­ма, воспринимаемый приемной АА.

Спектр мощности (интенсивности) характеризует распределение мощности помехи по частоте и определяется величиной, имеющей раз­мерность Вт/м² Гц:

(2.20)

Интенсивность шума в полосе частот от f₁ до f₂ при этом определяется как

(2.21)

где S_I(f) — спектральная плотность интенсивности.

Наряду со спектральной плотностью интенсивности оперируют также спектральной плотностью квадрата акустического давления:

(2.22)

и квадрат акустического давления в полосе частот находят из выражения:

Эти две характеристики общего уровня помех связаны соотношением р - давление, Па; - волновое сопротивление среды. График зависимости спектральной плотности мощности помех от частоты строят в логарифмическом масштабе, используя величину N= = 101gSp(f)/ , где p₀ - начальный (эталонный) уровень давления. При расчетах функцию Sp(f) обычно аппроксимируют зависимостью , что хорошо согласуется с экспериментальными данными, где n - положительное целое или дробное число (показатель скорости спада спектра помех), а - размерная постоянная. Тогда

дБ (2.23)

В двойном логарифмическом масштабе уравне­ние (2.23) имеет вид прямой линии, откуда легко получить численные значения а и п (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Спектрограмма шума в двойном логарифмическом масштабе

Используя формулу (2.23) и рис 2.5 величины a и n получают следующим образом:

. (2.24)

Зная , можно определить средний квадрат давления:

(2.25)

Эффективное значение давления в полосе частот от f₁ до f₂ находят по формуле:

(2.26)

Часто убывающий с частотой спектр заменяют эквивалентным по энергии равномерным спектром со спектральной плотностью: где f_э – эквивалентная частота, определяемая из выражения:

. (2.27)

В случае, если n=2, т.е. когда спад спектра равен 6 дБ на октаву (принимается в большинстве практических случаев), эквивалентная частота является средней геометрической, что следует из последнего выражения:

(2.28)

В инженерных расчётах широко используется следующая из (2.26) формула для оценки уровня помех на выходе АА, имеющей коэффициент концентрации

, (2.29)

Или в терминах интенсивности:

(2.30)

Где p_n (1, 1, l,), I_n (l, 1, 1) - стандартное (приведенное) значение давле­ния (интенсивности) помех в полосе 1 Гц на частоте 1 кГц при ненаправ­ленном приеме ( = 1); - в Гц; f_э в кГц. Если помеха имеет дискретный спектр (ДС), а прием происходит в полосе частот, охватывающей ряд ДС, то полное эффективное давление помех определяется как

(2.31)

где p_iэф - эффективное давление i - йДС.

При сплошном равномерном спектре интенсивность помехи пропор­циональна полосе частот f_{2 –} f₁, а эффективное давление пропорци­онально . Если обнаружение цели происходит по ДС в спектре ее шумоизлучения и в полосе частот дискреты , то сплошная составля­ющая спектра на частоте f_d дискреты в уровнях обозначает­ся, как .

Внутренние шумы гидролокатора включают в себя собственный шум преобразователя (тепловой шум) и собственный шум приемника или шумфактор. Напряжение шумов, соответствующих собственному щуму преобразователя, определяется формулой Найквиста:

(2.32)

где R _изл - сопротивление излучения; k - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура сопротивления и - ширина полосы пропускания.

Тепловой шум является по интенсивности самым малым и наблюдается только в отсутствие всех других шумов. Собственный шум приемника учитывается шум-фактором или коэффициентом шума К_пр, который умножается на мощность шума, определяемую фopмyлой (2.32). Коэф­фициент шума группы приемник – гидрофон будет

при этом равен К_пр.г = K_пр/ , где коэффициент полезного действия гидрофона (R_пот - сопротивление потерь).

Обычно оперируют результирующим коэффициентом шума ГАС, как частным от деления суммарной мощности всех источников помех на мощность теплового шума :

(2.33)

где Р_вн -мощность внешних источников помех.

Формулу (2.33) записывают также в виде:

(2.34)

При инженерных расчётах чаще всего приходится решать задачу оценки соотношения результирующего коэффициента шума и коэффициента шума, обусловленного внешними источниками помех, чтобы определить разумный предел снижения шум-фактора ГАС, устанавливаемой на раз­личных носителях. Тогда

(2.35)

Шумы моря, обусловленные тепловым движением частиц воды, являются нижним пределом собственных шумов окружающей среды почти на всех частотах вплоть до частоты 50 кГц. На частотах от 50 до 200 кГц этот шум в зависимости от состояния моря может стать доми­нирующим. Уровень тепловых шумов (в дБ относительно 1 н/м²) при температуре 15° С и частоте f, Гц в полосе 1 Гц определяется зависи­мостью:

L_дБ = -195+ 20 lg f (2.36)

Шум, обусловленный волнением моря и зависящий от скорости ветра, имеет наиболее существенное значение на частотах примерно от 1 до 50 кГц. Спектральные уровни шумов при всех состояниях моря спадают со скоростью 5 дБ/октава.

Биологические шумы, вызванные деятельностью позвоночных жи­вотных и ракообразных, могут создавать фон в диапазоне звуковых частот от -30 до 20 дБ, отдельные животные издают звуки с низ­кими частотами или импульсные сигналы, например крики косаток - что-то вроде мяуканья, модулированного по частоте в рабочем диапазоне частот шумопеленгаторов (от нескольких кГц до нескольких десятков кГц).

Шумы от движения судов создают значительные уровни в инфразвуковом диапазоне частот, зависящие от интенсивности судоходства в дан­ном районе. В нижней части инфразвукового диапазона уровень шумов определяется давлением поверхностных волн, землетрясениями и так называемым сейсмическим фоном. В арктических и антарктических районах значительный уровень по­мехи создастся подледными шумами, вызываемыми процессами разру­шения ледового покрова. Отличительной особенностью этих шумов является локальность источников, т. е. поле подледных шумов сущест­венно анизотропно.

Рис. 2.6. Спектральные характеристики источников помех работе ГЛС

1,2 - максимальный и минимальный уровни шумов моря; 3 - шум волнения моря (подстрочные индексы - баллы скорости ветра); 4, 5 - подлёдные шу­мы; 6 - сейсмический фон; 7 - шумы судоходства; 8 - шумы судоходных трасс; 9, 70 - шумы креветок и рыб семейства горбылевых; 11 - тепловой шум моря.

На рис. 2.6 представлены спектральные характеристики шумов моря, являющихся источниками помех приему гидроакустических сиг­налов, которые могут быть использованы в инженерных расчетах. По левой оси ординат отложены абсолютные уровни аку­стического давления, а по правой - уровни в дБ относительно Ро = 2*10^-5 н/м².

Источниками помех, обусловленных движением носителей ГАС, яв­ляются шумы механизмов и машин, шумы гребных винтов и гидродинамические шумы. Шум механизмов и машин преобладает на малых скоростях хода (до 10... 12 уз) и имеет широкий сплошной спектр с ДС на резонансных частотах отдельных механизмов. Гидродинамический шум преобладает на средних скоростях хода и имеет сплошной спектр в широкой полосе частот. На больших скоростях (20... 22 уз) сущест­венный вклад в поле помех вносят гребные винты, которые порождают шум сплошного спектра в широкой полосе частот и ДС на частоте враще­ния гребного вала, ее гармониках, а также лопастные ДС на частотах

, (2.37)

где n - число оборотов гребного вала в оборотах в минуту; z - число лопастей гребного винта;

i =1,2,3…

При практических расчётах поле помех полагают изотропным, а его спектральный уровень со спадом примерно 6 дБ на октаву, как показано на рис. 2.7.

Рис. 2.7. Спектральные характеристики шумов носителя носителя ГАС

1 - спектр шума подводной лодки; 2, 3, 6 - спектры помех подводной лодки большой, сред­ней и малой шумности соответственно; 4 - шум моря при волнении пять баллов; 5 - шум моря при волнении два балла; 7, 8, 9 - уровень помех на частоте 15 кГц для сторожевого корабля при скорости 18, 22 и 10 yзлов соответственно; 10 – минимальный уровень помех подводной лодки

На рис. 2.7 показаны спектральные характери­стики поля помех различных носителей ГАС. Для сравнения показан спектральный уровень шумового поля подводной лодки, откуда следует, что уровни первичных полей объектов – носителей ГАС на 40…45 дБ превышают уровни полей помех. В зависимости от ско­рости хода различные составляющие поля помех изменяются по-разному, однако результирующий уровень помех растет примерно пропорцио­нально третьей степени скорости, что учитывается дополнительным множителем в формулах (2.29) и (2.30):

(2.38)

где - скорость, на которой измерена величина p_n (1,1,1), I_n (1,1,1).

Хотя на практике поле помех полагают изотропным, часто это при­ближение имеет неудовлетворительную точность, поэтому в выраже­ния (2.38) вводят поправочный коэффициент, учитывающий анизотро­пию поля. В реальных условиях угловое распределение помех имеет явно выра­женную частотную зависимость. На низких частотах (сотни Гц) с гори­зонтальных направлений интенсивность шума может быть на 16... 20дБ выше, чем с вертикальных, и эта разница уменьшается при усилении вет­рового волнения. На высоких частотах (более 1 кГц) наблюдается об­ратная закономерность, т. е. с вертикальных направлений интенсивность шума может быть на 6... 8 дБ вьппе, чем с горизонтальных, а при усиле­нии ветра эта разница увеличивается.

Реверберационная помеха является ха­рактерной для работы ГАС в активных режимах и ее можно рассматривать как результат наложения в точке приема множе­ства независимых случайных возмущений в виде элементарных акустических сигналов, рассеянных неоднородностями окружающей среды. Дискретную каноническую модель ближней морской реверберации, представля­ющую результирующий реверберационный сигнал, представляют в виде:

(2.39)

где - случайный коэффициент рассеяния для i -го рассеивателя; t_i - момент прихода в точку приема i -го элементарного сигнала; u_c (t-t_i)- функция, описывающая зонди­рующий (излученный) сигнал; M(ti) — не­которая функция, описывающая убывание сигнала в процессе распространения в среде; N - число элементарных сигналов, рассеиваемых неоднородностями. Дискретная модель, опреде­ляемая формулой (2.39), при решении практических задач может быть представлена в различном виде, например в комплексном и т. д.

Контрольные вопросы к Главе 2.

1. Каковы источники формирования первичного акустического поля корабля?

2. Какими уровнями первичного поля обладают современные подводные лодки, надводные корабли и другие объекты?

3. Каков смысл определения стандартного (приведённого) значения первичного акустического поля морского объекта?

4. Какими особенностями обладают первичные акустические поля современных подводных лодок, надводных кораблей и других объектов?

5. Какие меры осуществляются для уменьшения уровня первичного акустического поля морского объекта?

6. Каков физический смысл радиуса эквивалентной сферы морского объекта?

7. От каких факторов зависит сила цели?

8. Каковы реальные величины силы цели морских объектов?

9. Какие меры осуществляются для снижения вторичного акустического поля морских объектов?

10. Что понимают под термином «уровень поля помехи работе ГАС»?

11. Каковы преобладающие источники помех для ГАС, установленной на НК, ПЛ, на дне моря?

12. Каково определение стандартного (приведённого) значения поля помех работе ГАС?

13. Какое отличие в определениях стандартного значения первичного акустического поля морского объекта и поля помех работе ГАС?

14. Для каких режимов работы ГАС преобладающее значение имеет реверберационная помеха?

15.Каков физический смысл имеет понятие изотропности поля помех работе ГАС?