Основные положения. Значение дальности действия гидроакустических приборов определяется величинами, зависящими от частоты

Значение дальности действия гидроакустических приборов определяется величинами, зависящими от частоты. Так, например, от частоты зависят: уровень помех; полоса пропускания частот приемного тракта, обусловленная эффектом Доплера; коэффициент концентрации, влияющий как на уровень помех, так и па уровень сигнала; коэффициент затухания звука и т. д. Повышение частоты, с одной стороны, способствует увеличению даль­ности действия благодаря, например, снижению уровня помех; с другой стороны, приводит к увеличению затухания звука и тем самым влияет в сторону уменьшения дальности действия. Следова­тельно, существует частота оптимальная, при которой может быть достигнута заданная дальность действия гидро­акустического прибора наименьшей ценой, т. е. наименьшей излучаемой мощностью в случае связи и эхолокации или наи­меньшей мощностью источника шумового сигнала в случае шумопеленгования.

Определение оптимальной частоты для различных типовых случаев основано на анализе частотно-зависимых параметров уравнения гидролокации. Поскольку дальность эхолокатора определяется уравнением:

или (1.1)

где J_э - интенсивность эхосигнала; J_п – интенсивность помех; или p_э - давление эхосигнала; p_п - давление помех; коэффициент распознавания.

 

Для сферического объекта (или для сферического эквивалента):

 

(1.2)

где А — фактор аномалии, в ряде случаев зависящий от частоты; в данном анализе можно считать, что А от частоты не зависит.

В большинстве практических приложений для частотной зависимости затухания с частотой в диапазоне 60 Гц - 60кГц используют выражение:

(1.3)

Для шумовой помехи при спаде спектральной плотности мощности 6 дБ/октава можно использовать выражение:

(1.4)

Коэффициент распознавания в случае гидролокации, как будет показано далее, определяется как:

, (1.5)

где - полоса пропускания приемного тракта; T_с – длительность сигнала;

- пороговоеотношение сигнал/помеха на индикаторе.

 

В свою очередь, полосу пропускания приемного тракта, обусловленную эффектом Доплера, можно представить в виде:

, (1.6)

где V_max - максимальнаяскорость цели, с - скорость звука в морской воде.

Таким образом, в случае гидролокации зависящими от частоты величинами являются (если считать, что сила цели от частоты не зависит, в случае необходимости учесть эту зависи­мость нетрудно). Если при проектировании гидролокатора задается постоянная площадь (размеры) приемной и передающей систем то, например, для плоской прямоугольной антенны коэффициент концентрации описывается формулой:

(1.7)

Если площадь излучающей и приёмной антенны остаётся постоянной, то это означает, что с изменением частоты не удерживается постоянной величина , определяющая раствор характеристики направленности (где L – размер приёмно-излучающей системы). После подстановки в исходную формулу всех перечисленных частотно-зависимых параметров, можно привести её к виду Y(f) = B и в соответствии с поставленной задачей отыскания оптимальной частоты исследовать функцию Y(f) на максимум и минимум, выполнив операцию:

(1.8)

При проектировании гидролокатора задается постоянная площадь приемной и передающей системы. Это означает, что с изменением частоты не удерживается постоянной величина L/λ, определяющая ширину характеристики направленности, где L – размер приемно-излучающей системы.

Теперь подставим в формулу (1.1) величины, входящие в нее и представленные формулами (1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6, 1.7). После подстановки получим:

(1.9)

где а_П – в ВтГц/см2; в экспоненте f – в кГц, r – в км.

Обозначив произведение независящих от частоты величин через В, получим:

(1.10)

где f – в кГц, r – в км.

(1.11)

или

(1.12)

В соответствии с поставленной задачей отыскания оптимальной частоты, исследуем функцию y(f), представленную выражением (1.10), на максимум и минимум. Для этого выполним операцию . Обращаясь к (1.10), будем иметь:

Или

Откуда

или (1.13)

где f – в кГц, r – в км.

Таким образом найдена частота, при которой функция Y (f) имеет максимум. Легко убедиться, что максимуму функции Y (f) соответствует минимум излучаемой мощности при прочих заданных величинах, т. е., например, при r = const, S = const, R_э = const. Этот результат можно интерпретировать и так, что оп­тимальная частота соответствует достижению максимума дальности действия r при прочих заданных величинах, входящих в приведённые формулы.

Сказанное иллюстрируется на рис. 1.1 графиками, рассчитанными по приведённым формулам. Из них видно, что чем больше заданная дальность действия, тем ниже оптимальная частота. Графики показывают, что при отклонении от оптимальной частоты для достижения заданной дальности требуется большая мощность, чем мощность, затрачиваемая для достижения той же дальности при оптимальной частоте.

Например, для достижения дальности действия гидролокатора 2 км на оптимальной частоте f_oпт = 25 кГц потребовалась бы в неко­торых условиях акустическая мощность 60 Вт, а если рабочая ча­стота будет ниже оптимальной, например на 15 кГц, то для обеспе­чения той же дальности надо увеличить мощность приблизительно в три раза. Проведенный анализ оптимальной частоты дает представление о подходе к обоснованию рабочей частоты. В каждом конкрет­ном случае вместо формулы (1.13) может быть получена формула с другими коэффициентами.

Рис. 1.1. Иллюстрация оптимальной частоты для случая гидролокации