ЖУРНАЛ СТА 3/2011

дальности действия из-за увеличения потерь на поглощение звука. Для оценки зависимости дальности действия от частоты вычислим величину отношения сигнал/помеха в отдельном пространственном канале звуковизора, в котором наблюдается фрагмент звуко- рассеивающей поверхности подводного объекта. Под сигналом будем понимать мощность акустического излучения, рассеянного элементарной разрешае- мой площадкой на поверхности наблю- даемого объекта. В качестве помехи рас- сматриваются главным образом шумы усилителей сигналов с элементов при- ёмной антенны. Несложные выкладки показывают, что в этом случае зависи- мость дальности действия от частоты зондирующего сигнала для 3D-звукови- зора определяется соотношением: , где f – частота зондирующего сигнала; R – расстояние до звукорассеивающей поверхности; β ( f ) – частотная за- висимость коэффициента поглощения звука в воде; α – пороговое значение отношения сигнал/помеха, характери- зующее качество акустического изоб- ражения; N – спектральная плотность мощности суммарной помехи, приве- дённой к выходу элементов приёмной антенны; ρ – плотность воды; c – ско- рость звука в воде; N T – число элемен- тов излучающей антенны; w – плот- ность мощности излучения на актив- ной поверхности излучателей; m s – коэффициент обратного рассеивания звука от поверхности; γ R – чувстви- тельность отдельного элемента при- ёмной антенны; T – длительность зон- дирующего сигнала. Частотная зависимость левой части приведённого выражения имеет вид монотонно убывающей функции как частоты f , так и расстояния R. Следо- вательно, чем меньше значение выра- жения справа, которое для удобства определим как коэффициент А , тем больше может быть рабочая частота или дальность действия. При заданных характеристиках среды распростране- ния звука и облучаемого объекта (пара- метры ρ , с , w , m s ) уменьшение величи- ны коэффициента А может достигаться за счёт уменьшения уровня помехи, повышения чувствительности пьезо- электрических преобразователей, уве- личения числа элементов излучающей антенны и увеличения длительности зондирующего сигнала. Каждая из пе- речисленных величин имеет свой пре- дел. Спектральная плотность шумов малошумных усилителей составляет 10 –8 …10 –9 В/ √ __ Гц. Максимальная чув- ствительность пьезоэлектрических преобразователей к давлению достига- ет сотен мкВ/Па, докавитационная плотность излучения – порядка 1 Вт/см 2 . Число элементов излучаю- щей антенны сопоставимо с числом разрешаемых углов. Длительность зон- дирующего сигнала ограничена време- нем его распространения от излучателя до объекта и обратно. Оценим количественно зависимость оптимальной частоты от расстояния до объекта при следующих значениях ис- ходных данных: α = 100, N = 10 –8 В/ √ __ Гц, ρ = 1000 кг/м 3 , c = 1500 м/с, N T = 100, w =10 000Вт/м 2 , m s =10 –4 , γ R =10 –4 В/Па, T = 0,01 с. Эти данные следует рассмат- ривать как близкие к предельным, для них значение коэффициента А равно 3 × 10 –19 . При заданном значении коэф- фициента А и известной частотной зависимости коэффициента поглоще- ния звука в воде можно представить наибольшее значение рабочей частоты звуковизора как функцию от его пре- дельной дальности действия. Оценки этой частоты для трёх значений коэф- фициента А и разных дистанций, вы- численные с использованием прибли- жения Торпа [6] для частотной зависи- мости коэффициента поглощения звука, представлены в табл. 2. Приблизительно такое же соотноше- ние между дальностью действия и оптимальной частотой получается для 2D-звуковизора. Между оптимальной частотой и дли- ной антенны существует простая связь, а именно: длина антенны равняется длине звуковой волны λ , делённой на требуе- мое угловое разрешение. При угловом разрешении 1° длина антенныприблизи- тельно составляет 50 λ [3]. На частоте 500 кГц она составит 15 см, а на частоте 50 кГц размер антенны возрастает до 1,5 м. З АКЛЮЧЕНИЕ Современные тенденции построения звуковизора заключаются в следующем: 1)наибольшее развитие получили дву- мерные звуковизоры, формирующие акустическое изображение в коорди- натах угол – дистанция; для них в настоящее время соотношение каче- ства изображения, времени форми- рования кадра, стоимости и весога- баритных характеристик представ- ляется наиболее близким к опти- мальному; 2)перспективы построения трёхмерно- го звуковизора связаны с использо- ванием двух ортогонально распола- гаемых линейных антенн (излучаю- щей и приёмной) и цифровой обра- ботки сигналов; 3)цифровые звуковизоры имеют зна- чительный модернизационный по- тенциал, позволяющий варьировать в широком диапазоне их дальность действия и оптимизировать техниче- ские характеристики в зависимости от области применения. ● Л ИТЕРАТУРА 1. Ультразвук. Маленькая энциклопе- дия / под ред. И.П. Голяминой. – М. : Советская энциклопедия, 1979. 2. Системы акустического изображе- ния / под ред. Г. Уэйда. – Л. : Судо- строение, 1981. 3. Справочник по гидроакустике / под ред. А.Е. Колесникова. – Л. : Судо- строение, 1982. 4. Benjamin K.C. The development of a very large, dense packed, two-dimensio- nal, ultrasonic imaging array // Acous- tical Imaging. – 1997. – Vol. 23. – Рp. 477–483. 5. Лекомцев В.М., Титаренко Д.В., Швед А.П. Цифровой звуковизор для реконструкции трёхмерного изо- бражения подводных объектов // Сб. трудов XVIII сессии РАО. – М. : ГЕОС, 2006. – Т. 2. – С. 82–85. 6. Урик Р. Дж. Основы гидроакустики : пер. с англ. – Л. : Судостроение, 1978. E-mail: vlekomtsev@yandex.ru 46 СТА 3/2011 Р АЗ Р А БОТ КИ / ПОД ВОДНЫЕ АППА Р А Т Ы www.cta.ru ЗНАЧЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА А РАССТОЯНИЕ R , м 10 20 50 100 200 500 1000 3 × 10 –19 2470 1660 950 590 320 90 50 3 × 10 –18 2150 1400 790 470 220 70 40 3 × 10 –17 1800 1160 610 330 140 50 30 Таблица 2 Значения оптимальных рабочих частот 3D-звуковизора (кГц) © СТА-ПРЕСС