Параметрические гидроакустические средства ближнего подводного наблюдения

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное

образовательное учреждение высшего образования

“ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ”

Инженерно-технологическая академия

В. Ю. ВОЛОЩЕНКО
А. П. ВОЛОЩЕНКО

ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЕ 

СРЕДСТВА БЛИЖНЕГО ПОДВОДНОГО НАБЛЮДЕНИЯ

Монография

Ростов-на-Дону – Таганрог

Издательство Южного федерального университета

2018

УДК 681.883, 534.222.2
ББК 32.875

В686

Печатается по решению экспертной группы комитета по инженерному

направлению науки и образования при Ученом совете Южного 

федерального университета (протокол №11 от 28 октября 2017 г.)

Рецензенты:

кандидат технических наук, старший научный сотрудник, начальник 

лаборатории АО «ТНИИС» (г. Таганрог) С. В. Крикотин

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры инженерной 

графики и компьютерного дизайна Института радиотехнических систем и 

управления ЮФУ И. Б. Аббасов

Волощенко, В. Ю.

В686      Параметрические гидроакустические средства ближнего подвод
ного наблюдения : монография / В. Ю. Волощенко, А. П. Волощенко ; Южный федеральный университет. – Ростов-на-Дону ; Таганрог : 
Издательство Южного федерального университета, 2018. – 176 с.

ISBN 978-5-9275-2762-5
В монографии рассмотрена перспективность использования нелинейных эф
фектов для улучшения тактико-технических характеристик различной гидроакустической аппаратуры с параметрическим излучающим трактом, в частности, для 
обеспечения рыболовства, подводного наблюдения, кораблевождения и акустических измерений. 

Описаны оригинальные схемные решения как систем активной локации, 

применение которых позволяет получать информацию о подводной обстановке с 
необходимой степенью детализации за счет обработки амплитудных, фазовых и 
частотных признаков эхосигналов кратных частот, так и измерительных параметрических излучателей для градуировки в широкой полосе частот.

Книга предназначена для исследователей и инженеров, занимающихся раз
работкой, испытанием и эксплуатацией гидроакустической аппаратуры, а также 
для магистрантов и аспирантов соответствующих направлений подготовки.

УДК 681.883, 534.222.2

ББК 32.875

ISBN 978-5-9275-2762-5

© Южный федеральный университет, 2018
© Волощенко В. Ю., Волощенко А. П., 2018
© Оформление. Макет. Издательство

Южного федерального университета, 2018

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.........................................................................................................5

ГЛАВА 1. МНОГОЧАСТОТНЫЙ РЕЖИМ В РПА ДЛЯ ОЦЕНКИ 
ОТРАЖАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ ОБЪЕКТОВ ПРОМЫСЛА.....7

1.1. Нелинейный режим работы интерференционных излучающих 
антенн эхоимпульсных локаторов.................................................................8
1.2. Конструкция двухчастотной гидроакустической антенны РПА 
«Сарган» .........................................................................................................21
1.3. Пространственные характеристики акустических полей 
зондирующих сигналов, излучаемых антеннами РПА..............................29
1.4. Энергетическая дальность действия многочастотной РПА 
«Сарган» .........................................................................................................42
1.5. Диаграммы параметров многочастотной РПА «Сарган»...................48
1.6. Эхопоиск на акустических сигналах кратных частот в РПА.............58

ГЛАВА 2. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ЛОКАТОРЫ С ТРАКТАМИ 
ОБРАБОТКИ АМПЛИТУДНЫХ, ФАЗОВЫХ И ЧАСТОТНЫХ 
ПРИЗНАКОВ ЭХОСИГНАЛОВ...................................................................68

2.1. Различение акустического сопротивления границ раздела по 
фазовым признакам эхосигналов кратных частот .....................................68
2.2. Эхоимпульсные локаторы с интерференционными антеннами, 
обладающие дополнительным классификационным режимом................74
2.3. Устройства активной локации как с режимами параметрического 
излучения, так и приема сигнала разностной частоты..............................83
2.4. Параметрическая локационная система ближнего действия 
для обеспечения подледного плавания автономных подводных 
аппаратов........................................................................................................96

ГЛАВА 3. ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ АНТЕННА В КАЧЕСТВЕ 
ОБРАЗЦОВОГО ИСТОЧНИКА СИГНАЛОВ 
ДЛЯ АКУСТИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ ...................................................125

3.1. Устройство для измерения комплексного коэффициента 
отражения (прохождения) образцов в широкой полосе частот..............126

Оглавление

3.2. Импульсный параметрический излучатель с накоплением 
энергии ультразвуковых волн накачки......................................................131
3.3. Способ и устройство для абсолютной градуировки излучающих 
и приемных акустических преобразователей ...........................................146

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................................................................165
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................................167

Посвящается нашим родным:
врачу Галине Матвеевне и
учителю Юрию Прокопьевичу Волощенко

ВВЕДЕНИЕ

Необходимость активизации производственной и транспортной дея
тельности в Мировом океане, окраинных и внутренних морях Российской 
Федерации, а также в их глубинах делает актуальным модернизацию имеющихся и разработку новых технических средств, методов, приборов и 
оборудования, которые могут позволить эффективно и безопасно ее осуществлять. В соответствии с концепцией Федеральной целевой программы 
«Мировой океан» (2016 – 2031) к основным задачам подпрограмм «Создание технологий для освоения ресурсов и пространств Мирового океана» и 
«Транспортные коммуникации России в Мировом океане» относятся:

– создание современных приборов и методов изучения Мирового океа
на и дистанционного измерения его основных параметров, их модернизация до уровня соответствия международным стандартам;

– обеспечение технических возможностей проведения глубоководного 

бурения, создание технологий глубоководных, шельфовых и придонных 
работ;

– создание современного навигационно-гидрографического и гидроме
теорологического оборудования для обеспечения морской деятельности;

– развитие транспортных коммуникаций России в Мировом океане для 

устранения угрозы экономической изоляции страны и обеспечения ее независимости в области внешних экономических связей [125].

В части осуществления первых трех задач комплекс намечаемых пер
воочередных работ предусматривает создание как собственно буровых 
платформ различного типа для освоения шельфовых месторождений, так и 
различных плавсредств (подводных и надводных судов снабжения, обеспечения, спасения и т.д.), в радиоэлектронное оборудование которых обязательно должны входить гидроакустические средства различного назначения [55, 62].

Одним из направлений повышения эффективности активной гидроаку
стической аппаратуры является использование излучающих трактов с 
«виртуальной» излучающей параметрической антенной, обеспечивающей в 
нелинейной водной среде полигармоническую «акустическую освещен

Введение

6

ность» границ раздела и объектов поиска. Возникновение полигармонического зондирующего сигнала вследствие нелинейных эффектов в акустическом поле следует рассматривать как результат изменения упругих свойств 
водной среды в области распространения мощного бигармонического (f1, f2) 
сигнала накачки, что приводит к перераспределению энергии интенсивных 
ультразвуковых волн по частотной оси как «вверх» – генерации высших 
гармонических компонент волн накачки, волны суммарной частоты (nf1, 
nf2, 
2
1
f
f
f



), где n=2, 3, 4, …, так и «вниз» – генерации волны разност
ной 
|
|
2
1
f
f
F


частоты. В данном случае обработка в многоканальном 

приемном тракте параметрического локационного устройства электрических сигналов, соответствующих нескольким вторичным гидроакустическим полям, которые образованы рассеянными акустическими колебаниями указанных выше частот, позволяет анализировать информацию о подводной обстановке с необходимой степенью детализации, используя амплитудные, фазовые и частотные признаки эхосигналов данных спектральных компонент. Это дает основания рассматривать параметрические локаторы как системы с адаптивной оптимизацией [48, 49], в которых значительные вариации характеристик водной среды, отражающих свойств объектов поиска, значений величин шумовой и реверберационных помех при 
проведении подводных наблюдений могут быть скомпенсированы за счет 
выбора оператором зондирующего сигнала оптимальной частоты, соответствующего конкретным условиям эхопоиска. Предлагаемая модернизация 
гидроакустических систем активной локации в большей степени касается 
электронной части приемного тракта, прием эхосигналов можно осуществлять с помощью электроакустического преобразователя параметрической 
антенны, для которого острота направленного действия, регистрируемый 
уровень акустических шумов и помех будут различны на каждой спектральной составляющей. Практическое применение предложенного подхода позволяет расширить эксплуатационные характеристики гидроакустических средств – подводного наблюдения, кораблевождения, обеспечения 
рыболовства и промысла и т.д.

ГЛАВА 1. МНОГОЧАСТОТНЫЙ РЕЖИМ В РПА ДЛЯ ОЦЕНКИ
ОТРАЖАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ ОБЪЕКТОВ ПРОМЫСЛА

Обеспечение высокой эффективности современных средств поиска 

объектов морского промысла является весьма актуальной проблемой, решение которой осуществляется в сферах как производства, так и эксплуатации гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры (РПА). В настоящее 
время в производстве рыболокационного приборостроения широко используются микроэлектронные приборы, элементы цифровой техники, микропроцессоры и микроЭВМ, цветные индикаторы и дисплеи и др., в то время 
как основной элемент аппаратуры – интерференционная антенна, осуществляющая два процесса – преобразование электрической энергии в акустическую (и наоборот) и формирование направленного излучения в диапазоне частот, определяемом полосой пропускания, – существенно изменяется в меньшей степени. Данный факт подтверждает то, что в современной 
рыбопоисковой технике [49, 55, 56] для возможности регулировки разрешающей способности по углу и перекрытия большого диапазона частот (от 
12 до 200 кГц) применяют или несколько интерференционных электроакустических преобразователей [49, 57, 58, 62, 63], или один интерференционный многочастотный электроакустический преобразователь сложной конструкции [49, 60, 61, 63, 64]. Между тем, решение задачи получения нового 
объема первичных данных о подводной обстановке в РПА может быть 
обеспечено за счет увеличения информативности гидроакустического канала как совокупности обратимой интерференционной антенны и водной 
среды, так как именно мощность излучения антенны приводит к проявлению нелинейности упругих свойств последней, т.е. формированию полигармонического зондирующего сигнала со спектральными составляющими 
f, 2f, 3f, …, nf при распространении волны конечной амплитуды вследствие 
эффекта самовоздействия [49]. Рассмотренные ниже многочастотные системы активной локации за счет приема и обработки эхосигналов, возникающих в результате отражения или рассеяния акустических колебаний 
кратных частот от объектов, т.е. вторичного полигармонического гидроакустического поля, могут позволить: 1) определять размеры рыб, оценивать плотности как косяка, так и биомассы в нем и т.п. на нескольких частотах, используя амплитудные признаки эхосигналов [48, 65–70, 72]; 
2) обнаруживать рыбу и различные виды гидробионтов вблизи грунта, т.е. 
классифицировать отражающие объекты по различию их акустического со

Глава 1. Многочастотный режим в РПА для оценки отражательной способности...

8

противления с использованием фазовых признаков эхосигналов [48, 75, 81, 
83–87, 123, 124] кратных частот.

1.1. Нелинейный режим работы интерференционных излучающих 

антенн эхоимпульсных локаторов

В однородной изотропной среде звук (объемные волны разрежения –

сжатия) распространяется с постоянной скоростью, величина которой 
определяется соотношением [50]

0
0

ад
К
с 
,                                                     (1.1)

где Кад – адиабатический модуль всестороннего сжатия воды, ρ0 – равновесное (среднее) значение плотности. Соотношение справедливо при условии, что амплитуда звукового давления волнового процесса мала по сравнению с величиной статического давления (слой воды + атмосфера) в области распространения, причем процессы разрежения и сжатия незначительно изменяют в линейных пределах как плотность, так и сжимаемость воды. 
В рамках линейной акустики скорость звука принято считать постоянной 
для всех акустических возмущений, а ее величина зависит только от характеристик среды – солености, температуры, статического давления, в то 
время как влиянием амплитуды и частоты распространяющихся акустических колебаний пренебрегают [49]. При небольших интенсивностях волновых процессов данные упрощения допустимы, однако для акустических 
сигналов конечной амплитуды изменение плотности воды уже не прямо 
пропорционально изменению звукового давления: при сжатии изменение 
плотности несколько больше, чем при разрежении. Как отмечено в [51], нелинейные эффекты в акустическом поле можно рассматривать как результат изменения свойств среды, в частности, скорость с распространения звука становится функцией мгновенного значения амплитуды звукового давления волны. Таким образом, прохождение в воде волны конечной амплитуды обусловливает появление разницы в скоростях перемещения точек ее 
волнового профиля, что влияет на распространение как самой волны (самовоздействие), так и на распространение других гидродинамических возмущений (взаимодействие).

Нелинейный эффект генерации гармоник монохроматической волны 

конечной амплитуды (самовоздействие) подробно рассмотрен в литературе
[1–48], вместе с тем исследования, в основном, носят теоретический харак

1.1. Нелинейный режим работы интерференционных излучающих антенн...

9

тер [1–3, 5, 6, 9–36], сообщений о практическом использовании эффекта 
для эхопоиска мало [37–42, 47, 48].

Следует учитывать, что в процессе проектирования эхо-импульсных 

локаторов конструкторами реализовывалась задача увеличения их дальности действия за счет излучения в водную среду с помощью интерференционной антенны максимально возможной акустической мощности, величина 
которой ограничена значениями допустимых механических напряжений в 
пьезоблоке антенны и кавитационной прочностью воды у ее излучающей 
поверхности [4, 55], но без учета возможности возникновения нелинейных 
эффектов, отмеченных выше. При разработке и эксплуатации гидроакустической аппаратуры используется условная величина – приведенное звуковое давление, Пам, развиваемое антенной на расстоянии 1 метр от ее поверхности:

изл

2

)
1(
10
46
,3





A
М
ПР
W
P
,              
(1.2)

где WA, γизл – излучаемая антенной акустическая мощность, Вт, и коэффициент концентрации соответственно [55]. Из (1.2) видно, что наряду с излучаемой акустической мощностью волн конечной амплитуды важное значение имеет способность электроакустического преобразователя ее концентрировать в направлении главного максимума (основного лепестка) характеристики направленности (ХН) в дальнем поле. Известно [55], что вид 
поперечного амплитудного распределения возбуждающего сигнала по поверхности антенны влияет на форму ХН, в частности, спадающее от центра 
к краям поперечное амплитудное распределение уменьшает уровень боковых лепестков и расширяет основной максимум, уменьшая величину коэффициента концентрации в сравнении со случаем применения равномерного 
(поршневого) амплитудного поперечного распределения. Это является одной из причин использования именно поршневого амплитудного распределения для возбуждения пьезоблоков электроакустических преобразователей как параметрических, так и «традиционных» интерференционных антенн [49], в то время как основные расчетные соотношения в [3–7, 48, 49] 
получены для случая гауссового поперечного распределения амплитуды 
бигармонической накачки. Установить связь характеристик интерференционных антенн, сформированных волнами накачки средней интенсивности 
как с гауссовым, так и с поршневым распределением амплитуд сигналов 
поперек апертуры взаимодействующих пучков, можно следующим образом. Итак, проявление исследуемых нелинейных эффектов обусловлено 

Глава 1. Многочастотный режим в РПА для оценки отражательной способности...

10

тем, что в результате излучения электроакустическим преобразователем в 
воду значительной акустической мощности в приосевой области пучка 
происходит соответствующее изменение упругих свойств водной среды, 
влияющее на распространение самих интенсивных волн (самовоздействие, 
взаимодействие). Таким образом, для антенны в обоих рассматриваемых 
случаях актуальным и необходимым условием является равенство излученных в среду акустических мощностей волн накачки [48]. Соотношения 
для расчета излучаемой акустической мощности для пучков как с гауссовым (WГАУСС), так и с поршневым (WПОРШ) поперечным распределением амплитуды исходных сигналов имеют вид [4]

0
0

2
2

02
,
01
1,2
4







с
а
р
W
ГАУСС
ГАУСС
, 
0
0

2
2

2
,1
1,2
2







с
а
Р
W
ПОРШ
ПОРШ
. (1.3)

Исходя из условия равенства излучаемых акустических мощностей накачки 
каждым из преобразователей, получим связь для радиусов и амплитуд звуковых давлений сигналов накачки в средней части излучающей поверхности

1
2
2
4

4

2

2
2

2
,1

2
2

2
,1

2
2

2
,1
0
0

0
0

2
2

02
,
01





















ГАУСС

ГАУСС

ПОРШ

ГАУСС

ПОРШ

ГАУСС

а
Р

а
Р

а
Р
с

с
а
р

W
W






,           (1.4)

что выполняется при 
2
,1
02
,
01
2Р
р

и 
2
ПОРШ
ГАУСС
а
а

.

Таким образом, если исходный преобразователь накачки рассматрива
емой параметрической антенны – круглый поршневой радиусом аПОРШ, то 
можно осуществить замену его эквивалентным преобразователем меньшего 

радиуса 
2
ПОРШ
ГАУСС
а
а

с гауссовым поперечным распределением ам
плитуды, описываемым выражением

),
2
exp(
2
)
0
,
(

2
2

2
,1
02
,
01
ПОРШ
a
r
P
z
r
p



(1.5)

где P1,2 – амплитуды звукового давления сигналов накачки с частотами f1 и 
f2 у поверхности поршневого преобразователя. Замена поршневого преобразователя накачки (диаметр 
ПОРШ
ПОРШ
a
d
2

, длина ближней зоны lД ПОРШ, 

уровень звукового давления P12 у излучающей поверхности) эквивалент
ным гауссовым (диаметр 
2
2
2
2
ПОРШ
ПОРШ
ГАУСС
ГАУСС
a
d
а
d



, длина 

ближней зоны 
2
/
4
)
(
2
)
(
0
0

2

0
0

2

ПОРШ
Д
ПОРШ
ГАУСС
ГАУСС
Д
l
с
а
с
а
l





, уровень 

звукового давления у излучающей поверхности 
2
,1
02
,
01
2Р
р

) равнозначна 

аппроксимации осевого распределения амплитуд звукового давления ис

1.1. Нелинейный режим работы интерференционных излучающих антенн...

11

ходных волн накачки, излучаемых поршневым источником, аналогичным 
осевым распределением эквивалентного гауссового преобразователя. Эквивалентность преобразователя с гауссовым поперечным распределением 
амплитуды возбуждения (1.5) поршневому источнику радиусом aПОРШ с 
равномерным поперечным распределением объясняется идентичностью в 
приосевой области за пределами ближней зоны таких пространственных 
характеристик акустических полей, как осевое и угловое распределение 
амплитуд звукового давления сигналов накачки [19, 21, 23]. Как известно 
[4], амплитуда звукового поля на акустической оси излучателя при равномерном поперечном распределении возбуждающего сигнала по его поверхности описывается соотношением

,|)
4
sin(
|
2
|)
,0
(
|

2

2
,1
z
ka
P
z
A
ПОРШ


(1.6)

в то время как аналогичная зависимость (при 
Дl
z 
) для эквивалентного 

преобразователя с гауссовым поперечным распределением, описываемым 
выражением (1.5), имеет вид

]
)
(
[
2
1
|)
,0
(
|

2
2

2
,1

2

02
,
01
z
l
l
P
Z
p
z
A
ГАУСС
Д
ГАУСС
Д
H





.            (1.7)

Из соотношений (1.6), (1.7) видно, что при 
ГАУСС
Дl
z
)
4
3
(



расчетные 

значения амплитуд отличаются несущественно.

Итак, монохроматический ультразвуковой сигнал конечной амплитуды 

при распространении в нелинейной водной среде испытывает накапливающиеся искажения волнового профиля (самовоздействие), что можно рассматривать как генерацию в водной среде распространения высших гармонических составляющих излученного сигнала частотой f – нескольких ультразвуковых сигналов кратных частот nf, где n=2, 3, 4, …, энергия которых 
может достигать существенных величин [47]. В нелинейной акустике при 
выводе уравнений, описывающих распространения мощных волн, используют малые параметры [4]:

1) относительный вклад нелинейных эффектов в акустическое поле за
висит от амплитуды и характеризуется числом Маха 
0

2
0
0


c
p
c
M a


, 

где υ – амплитуда колебательной скорости частиц; p – амплитуда звукового 
давления в волне; ρ0, c0 – равновесные значения плотности и скорости звука 
для воды. В воде условие 
1

M
справедливо вплоть до уровней излучения  

280 дБ относительно 1 мкПа и означает, что расстояние lp образование разрыва плоской волны много больше ее длины волны λ;