|
С момента образования в феврале 1955 г. Всероссийского научно-исследовательского института физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ) метрологическое обеспечение гидроакустических измерений – одно из главных научно-технических направлений деятельности института. |
ВНИИФТРИ как головная организация по данной проблеме ведет научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по созданию эталонной аппаратуры и высокоточных средств измерений в области гидроакустики, в особенности, морской гидроакустики, для государственных и ведомственных метрологических служб, для оснащения специальных морских полигонов, судов контроля физических полей, гидроакустических комплексов лабораторий измерительной техники. Наше предприятие осуществляет фундаментальные и поисковые исследования по выявлению новых физических эффектов с целью их использования при создании и совершенствовании методов и эталонных средств измерений в области гидроакустики.
|
|
Как известно, одним из важнейших свойств подводной лодки (ПЛ) как вида оружия является скрытность. Только это качество оправдывает существование таких весьма сложных, дорогостоящих и опасных в эксплуатации морских объектов. Грозное оружие сдерживания и нападения, подводная лодка не имеет никаких средств обороны, кроме возможности действовать незаметно для противника. Обнаруженная подводная лодка фактически является уничтоженной в условиях военного времени. Поэтому демаскирующие факторы подводных лодок должны изучаться очень подробно.
На рис. 1 приведены оценки влияния основных демаскирующих физических полей ПЛ на их скрытность.
Несмотря на то, что в последние годы получили развитие методы поиска и обнаружения ПЛ по их химическому, радиационному, гидродинамическому, тепловому следу, гидроакустическое поле остается важнейшим демаскирующим и классификационным признаком корабля [1].
Поэтому специалистам флота и промышленности необходимы данные по акустическому портрету кораблей и подводных лодок для оценки их защищенности от неконтактных систем морского оружия и средств дальнего обнаружения, а также оценки качества выпускаемой продукции, ее соответствия предъявляемым нормам и требованиям.
Работа по поддержанию акустического качества и, соответственно, по контролю акустических характеристик военных кораблей и гражданских судов, должна вестись постоянно и планомерно, вне зависимости от текущей, сиюминутной политической обстановки. Положительный результат в этой области не может быть достигнут одномоментно, а потеря паритета с вероятным противником чревата самыми трагическими последствиями, такими, как полный паралич морской деятельности государства.
|
Рис. 1. |
Подводный шум, излучаемый кораблями и подводными лодками, в настоящее время стоит в одном ряду с такими традиционно важными тактико-техническими их характеристиками, как скорость полного хода, живучесть энергетической установки, параметры вооружения и др. В соответствии с этим задача измерения акустических параметров морских объектов является одной из важнейших, а учитывая тенденцию снижения собственных шумов кораблей (на фоне шумов акватории), и весьма сложной.
|
|
О понимании важности проблемы гидроакустических измерений ведущими мировыми державами говорит наличие стандартов НАТО STANAG 1136, STANAG 1090 от 1995 года, в которых строго регламентированы процедуры контроля шумности подводных лодок, надводных кораблей, морского оружия, аппаратов различного назначения. Кроме того, в 2009 г. Акустическим обществом Америки (ASA) принят первый в мире стандарт измерения подводного шума гражданских судов ANSI/ASA S12.65-2009. Созданием и развитием средств гидроакустических измерений занимаются все ведущие страны НАТО, включая США, Германию, Великобританию, Францию, Норвегию, Голландию и др. При этом принцип работы зарубежных систем таков, что измерения возможны только при условии, когда уровни сигнала корабля значительно превышают уровни помехи – не менее чем на 6 дБ. Однако в связи со значительным снижением шумности кораблей и прежде всего подводных лодок последних лет постройки, США и другие страны идут на огромные капитальные затраты по поиску малошумных акваторий и строительства там измерительных полигонов со всей подводной и береговой инфраструктурой. В 1998 г. Норвегией совместно с Нидерландами и Германией был специально создан новый полигон в относительно малошумном заливе Хеггеренс, поскольку ранее имевшиеся у этих стран измерительные стенды перестали удовлетворять условиям измерения современных малошумных кораблей. Недавно созданный на Аляске полигон США, предназначенный для измерения параметров акустического поля новейших особо малошумных АПЛ («Си Вулф», «Вирджиния»), удален от ближайшей к нему базы ПЛ в Сан-Диего на расстояние около 2000 миль, расстояние от него до базы в Норфолке в зависимости от маршрута перехода может составлять 4000-6500 миль, хотя расстояние от Норфолка до ранее существовавшего полигона AUTEC на Багамских островах – менее 1000 миль. Таким образом, необходимость выполнения измерений малошумных ПЛ потребовала строительства нового полигона только по критерию низких уровней фоновых помех в указанном районе, даже невзирая на значительную удаленность акустического полигона от основных пунктов базирования.
Кроме того, внешний шум судна, как и любого другого транспортного средства, является источником шумового загрязнения среды. Поэтому в большинстве развитых стран правила нормирования, методы измерения и контроля шума судов (как и других транспортных средств) разработаны, установлены и закреплены в нормативных документах, национальных и международных стандартах.
Методики измерения шумов движущихся транспортных средств используют основной подход, заключающийся в том, что звук принимается приемником, помещаемом на некотором установленном расстоянии от трассы объекта, и анализируется спектральный состав в момент прохода объекта вблизи приемника. Измеряемыми параметрами являются уровни звукового давления в стандартных (октавных, третьоктавных) частотных полосах при контроле, а также в узких частотных полосах при определении причин превышения норм и выявлении источников повышенного шума [2]. Полученные таким образом результаты характеризуют не только уровни подводного шума судна, но и позволяют оценить качество его проектирования и строительства в целом. Кроме того, измеряемые уровни подводного шума являются также показателем качества изготовления, сборки и поддержания эксплуатационных режимов работы отдельных механизмов судна.
Во ФГУП «ВНИИФТРИ» исследованы и разработаны принципиально новые помехоустойчивые методы, программно-алгоритмическое и методическое обеспечение, а также измерительные комплексы для контроля параметров гидроакустических полей кораблей. Принципиальным отличием данных комплексов от всех существующих является возможность измерения уровней шумоизлучения кораблей и подводных лодок при соотношении сигнал/помеха значительно меньше 1 – до минус 6 дБ [3]. Работы ФГУП «ВНИИФТРИ» позволяют значительно расширить возможности измерительной аппаратуры при высоких фоновых шумах акватории и, по сути, являются революционными в области гидроакустических измерений.
Измерительный гидроакустический комплекс нового поколения СГАС-496Э.
Одним из образцов измерительных комплексов контроля акустических характеристик морских объектов является специальная гидроакустическая система СГАС-496Э, разработанная во ВНИИФТРИ. Главным и наиболее важным отличием СГАС-496Э от всех существующих за рубежом измерительных комплексов является возможность измерения уровней шумоизлучения подводных лодок при соотношении сигнал/помеха значительно меньше 1 – до –6 дБ (рис. 2). При этом комплекс основан на ненаправленных подводных приемных системах с одиночными гидрофонами, что обеспечивает полную преемственность и сопоставимость результатов измерений с полученными ранее данными. Высокая помехозащищенность измерений обеспечивается использованием разработанных во ФГУП «ВНИИФТРИ» специальных подходов к обработке измерительной информации, учитывающих определенные различия физических принципов формирования сигналов подводного шума корабля и помехи акватории. Созданные методы прошли широкую апробацию при измерениях малошумных морских объектов в течение ряда лет и показали высокую эффективность и устойчивость. Была также проведена работа по метрологической аттестации методик выполнения измерений и получены соответствующие сертификаты.
|
Рис. 2. |
Комплекс СГАС-496Э предназначен для решения следующих основных задач:
— измерение уровней шумоизлучения объектов в 1/3-октавных частотных полосах на соответствие заданным нормам и требованиям при отношении сигнал/помеха до –6 дБ;
— измерение уровней шумоизлучения объектов в узких частотных полосах при отношении сигнал/помеха до –6 дБ;
— контроль параметров движения объекта в ходе выполнения измерительных проходов;
— получение информации, необходимой для поиска и выявления источников повышенной шумности.
Работа с гидроакустическим сигналом давления начинается с его преобразования в электрический сигнал. Для этого предназначены выносные измерительные базы (ВИБ). Они обеспечивают преобразование гидроакустического сигнала, действующего в точке расположения гидрофона, в электрический сигнал и передачу его аппаратуре обработки.
Корпус измерительной базы выполнен из звукопрозрачного материала и обладает высокой инерционностью за счет большого, заполненного водой объема. Это обеспечивает минимальные искажения поступающего сигнала и минимизирует уровень собственных шумов базы, вызванных колебаниями корпуса на системе подвески, что особенно необходимо при измерениях малошумных объектов. Применение звукопрозрачного материала обтекателя и рациональное размещение оборудования внутри него гарантируют отсутствие искажений принимаемого сигнала, вызываемых внутренними переотражениями.
В измерительной базе применяется одиночный широкополосный гидрофон, обладающий равномерной амплитудно-частотной характеристикой во всем рабочем диапазоне от 5 Гц до 80000 Гц.
В состав подводного устройства может входить малогабаритное подъемно-опускное устройство, которое обеспечивает установку носителя аппаратуры на требуемую глубину. Выносная измерительная база может использоваться в режиме дрейфа (рис. 3), а также в режиме постановки на дно акватории (рис. 4). При этом обеспечивается решение задач измерения уровней подводного шума морских объектов на соответствие нормам шумности и защищенности от обнаружения радиогидроакустическими буями, измерения на соответствие нормам шумности и защищенности от минного оружия, измерения для оценки защищенности от средств дальнего гидроакустического обнаружения и торпедного оружия.
|
Рис. 3. |
Электрические сигналы с выходов ВИБ поступают на вход аппаратуры анализа, состоящей из четырехканальных 1/3-октавных и узкополосных анализаторов спектров. Анализаторы спектра обеспечивают 1/3-октавный и узкополосный анализ в широком диапазоне частот без потерь и пропуска данных с высокой точностью, погрешность спектрального анализа не превышает 0.5 дБ. Аппаратура спектрального анализа построена по бескоммутационной схеме и выполняет параллельный расчет 1/3-октавных текущих спектров по 4-м независимым каналам и узкополосных текущих спектров по 8 независимым каналам по всем измерительным приемникам в течение всего измерительного прохода. При работе аппаратуры производится отображение мгновенных спектров по всем каналам обработки.
Управление работой комплекса производится с главного командного пульта управления процессом измерений, где создается описание конкретного объекта, осуществляется слежение за процессом накопления данных, выполняется обработка накопленных реализаций при решении задач измерения уровней в 1/3-октавных и узких частотных полосах. На данном этапе применяются оригинальные помехоустойчивые методы и алгоритмы обработки измерительной информации, обеспечивающие измерение уровней при отношении сигнал/помеха до минус 6 дБ. Результаты измерений автоматически оформляются в виде протоколов, соответствующих различным руководящим и нормативным документам.
Решение задачи измерения уровней подводного шума на ходовых режимах невозможно без определения параметров движения объекта относительно подводной приемной системы. Для этого используется аппаратура расчета координат и параметров движения, выполняющая обработку данных и расчет скорости, минимальной дистанции на проходе и момент времени наступления минимальной дистанции (траверза) по всем входным каналам [4]. Аппаратура предназначена для обработки двух основных видов сигналов систем измерения дистанций – импульсных и тональных сигналов. Импульсные сигналы применяются во время-пролетных методах и позволяют не только выполнять расчет параметров движения, но и отслеживать текущие координаты объекта, однако приводят к заметным искажениям спектра измеряемого сигнала в широком диапазоне частот. Использование тональных сигналов минимизирует искажение спектра полезного сигнала и позволяет выполнять расчет скорости и минимальной дистанции на проходе. В состав аппаратуры входят блоки генерации сигналов на основе высокостабильных кварцевых или рубидиевых генераторов для поддержания автономных шкал времени.
|
Рис. 4. |
Все и сходные данные и результаты расчетов сохраняются в базе данных и могут быть использованы для дальнейшего сопоставительного анализа.
Кроме того, в состав измерительного комплекса СГАС-496Э входят аттестованные методики выполнения измерений.
Обычно в качестве измерительного гидроакустического судна (носителя измерительного комплекса) используется специально спроектированный корабль, оснащенный лабораторными помещениями, малошумными дизель-генераторами и т.д. Однако создание такого судна представляет собой достаточно сложную техническую задачу, а его строительство требует значительных финансовых средств. Гораздо более дешевым решением является дооборудование готового корабля. Поэтому разработаны варианты размещения комплекса СГАС-496Э в двух стандартных морских контейнерах, которые могут быть установлены на относительно небольшом судне.
В одном контейнере размещается аппаратура обработки данных, во втором контейнере находятся выносные измерительные базы и средства постановки.
|
Размещение комплекса СГАС-496Э в типовых морских контейнерах. |
Таким образом, применение измерительного комплекса СГАС-496Э, обеспечивающего измерения при отношении сигнал/помеха меньше 1 (когда уровень сигнала объекта в два раза слабее уровней шумов акватории), позволяет производить измерение уровней излучения самых малошумных объектов в короткие сроки и эффективно осуществлять поиск и выявление источников. Это обеспечивает поддержание высокого акустического качества кораблей и подводных лодок в течение всего срока эксплуатации, минимизирует возможность их обнаружения и уничтожения минно-торпедным оружием, обеспечивает выполнение поставленных задач в заданные сроки с высокой эффективностью. Кроме того, комплекс обеспечивает измерения подводного шума гражданских судов, в том числе и таких достаточно малошумных, как рыболовные и научно-исследовательские суда различного назначения.
ФГУП «ВНИИФТРИ»
Россия, 141570, Московская обл.,
Солнечногорский р-н, п. Менделеево
Тел.: +7 (962) 947-3518
Литература:
1. Пархоменко В.Н. Комплексное применение средств акустической защиты для снижения вибрации и шума корабельного оборудования. – Санкт-Петербург: «Моринтех», 2001
2. Теверовский Г.В., Тукиянен А.Н., Цыганков С.Г. Измерение шумности – актуальная задача. – «Судостроение» №6. 2005
3. Красовский П.А, Цыганков С.Г., Теверовский Г.В. Проблема измерения гидроакустических характеристик морских объектов. «Новый оборонный заказ. Стратегии» № 3 (10) 2010
4. Теверовский Г.В., Цыганков С.Г. «Компас» в подводном мире. «САПР и графика» №1 2003.