Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство аграрной политики Украины

Государственный департамент рыбного хозяйства Украины

Керченский государственный морской технологический университет

Кафедра Судовождение

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине Гидроакустические поисковые приборы

вариант №5

Выполнил студент гр.

Руководитель ст. преподаватель кафедры

Новоселов Д.А.

Керчь, 2013

РАЗДЕЛ 1

РАСЧЕТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ДАЛЬНОСТИ ДЕЙСТВИЯ ГИДРОЛОКАТОРА

1.1 Уравнение гидролокации

Для расчета энергетической дальности действия гидролокатора используется уравнение гидролокации в логарифмической форме

DL=SL-2TL+TS-NL (I),

где DL - уровень обнаружения сигнала (Detektion Level), дБ;

SL - уровень источника (Source Level), дБ;

TL - потери на распространение (Transmission Loss), дБ;

TS - сила цели (Target Strength), дБ;

NL - уровень шумовой помехи (Noise Level), дБ.

1.2 Уровень источника излучения

Уровень источника акустического излучения можно определить

из выражения :

SL=10 lgW+DI+170,9 [дБ/ мк Па],

где W - акустическая мощность источника, кВт;

W = Wи*КПД(антенны)

Wи = 22,5 кВт ; КПД= 33 % ;

W = 22,5*0,33=7.425 кВт

DL - индекс направленности, дБ.

Значение индекса направленности определяется выражением :

DI=10 lgS-20 lg l+10,99 ,

где S - площадь антенны, которая равна 0,005 м2;

l - длина звуковой волны, м.

Длина звуковой волны определяется по формуле: l=C/F ,

где C- скорость звука в воде , 1500 м/с;

F - рабочая частота ГАПП , 19,7кГц

l=1500/19700=0,07614 м

DI=10 lg0,005-20 lg 0,07614 +10,99=10,3474 дБ

SL=10 lg(7425)+10,3474+170,9= 219,95 дБ

1.3 Расчет силы цели

Отражательная способность промысловых объектов характеризуется уровнем эхосигнала в логарифмической форме - силой цели.

TS=10lg(Io/In),

где Io и In - интенсивности отраженного и падающего сигналов на расстоянии одного метра от объекта эхолокации. Так как отраженная интенсивность эхосигнала зависит от свойств объекта в каждом частном случае, то для рыбных объектов получены эмпирические выражения для расчета силы цели. В общем случае для рыб полученно выражение

TS=19 lgL-0,9 lgF+10lgN-62 ,

где L - длина рыбы, равная 16 см;

F - частота сигнала, которая равна 19,7 кГц;

N - количество одиночныч рыб в косяке, можно определить, как :

N=V*S

где V - объем косяка, равный 90000 м3;

S - плотность скопления промысловых объектов, которая равна 16 шт/м3

N=90000*16 =1440000

TS=19*lg16-0.9*lg19,7+10*lg1440000-62=21,3дБ.

1.4 Расчет уровня шумовой помехи

Наиболее существенными шумовыми помехами влияющими на работу гидроакустической аппаратуры являются помехи двух видов гидродинамические шумы, обусловленные движением судна и шумы обусловленные гидрометеорологическими факторами, то есть ветром, волнением.

Гидродинамические шумы обусловленные обтеканием корпуса судна водой и работой гребных винтов, создают помехи в работе гидроакустических приборов. В общем случае уровень шумовой помехи, создаваемый движением судна, можно оценить по выражению:

NL=30 lgV+9 lgW-20 lgF+23,46

где NL - уровень шумовой помехи, дБ;

W - водоизмещение судна, равное 800 т;

F - частота работы ГАПП, равная 19,7 кГц.

V - скорость судна, равная 5,8 уз.

NL=30 lg5,8+9 lg800-20 lg19,7+23,46

= 46,6001дБ

Для оценки уровня шумовых помех создаваемых морем можно воспользоваться выражением:

NLм=65,1+30 lgVв-50 lgF ,

где F - частота работы ГАПП , 19,7 кГц .

Vв - скорость ветра равная 12,0м/с

NLм=65,1+30 lg12-50 lg19.7 = 32,7521 дБ.

Общая величина шумовой помехи представляет собой сумму рассмотренных помех:

NLУ=NL+lg(1+10(NL-NLм)/20));

NLУ= 46,6001+lg(1+10(46,6001-32,7521)/20))= 47,3728 дБ

1.5 Оценка порога обнаружения

Величина уровня обнаружения сигнала зависит от соотношения сигнал/шум на входе приемника. В случае присутствия эхосигнала на входе гидроакустической системы оператор может принять два решения:сигнал есть или сигнал нет. Вероятность того, что в случае присутствия сигнала принято правильное решение называется вероятностью обнаружения-P(D), а вероятность принятия решения сигнал есть при его отсутствии - вероятностью ложной тревоги P(F). По известным P(D) и P(F) рассчитываем значение коэффициента обнаружения:

d= ,

где P(F)=0.003

P(D)=0.860

d=8,6621

Расчет порога обнаружения ведется по выражению:

DL=5 lgd+5 lg(ДF)-5 lgt ,

где ДF - полоса пропускания приемного тракта, Гц;

t- длительность эхосигнала (10-40)ф, c

ф =0,010с.

Так как косяк достаточно плотный, то внутрикосяковая реверберация не очень велика и длительность эхосигнала можно принять равной 10, то есть t=0,1 с.

ДF =330 Гц.

DL==5 lg8,6621+5 lg330-5 lg0,1= 22,2807 дБ.

1.6 Потери на распостранение

Потери на распространение рассматриваются как суммарные потери на расширение фронта волны и потери вследствие затухания. Потери на распространение фронта волны в основном зависят от типа волновой поверхности. Так как размеры акустического источника по сравнению с дистанцией до объекта малы, то можно принять закон расширения волны сферическим и потери на распространение определять по выражению:

TL=20lgR,

где R-дистанция.

Для расчета потерь при распространении акустических сигналов в морской воде имеют значение потери на затухание. Эти потери определяютсяэффектами поглощения, рассеяния и утечкой энергии из звуковой среды. Выражение потерь с учетом поглощения для сферической волны определяется по выражению:

TL=20lgR+бR,

где б - коэффициент поглощения, дБ/км.

Для частот сигналов до 25 кГц коэффициент поглощения можно рассчитать по выражению:

б=0,0205*S*F2*Fт/(Fт2+F2)+0.0295*F2/Fт2,

где F-рабочая частота , 19,7 кГц

S-соленость ,3700/0

Fт-зависящая от температуры частота релаксации,

Fт=21,9*10(6-1520/(T+273))

где T-температура воды, 10?С.

Fт=21,9*10(6-1520/(10+273)) =93,2007

б=0,0205*37* 19,72*93,2007/(93,20072+19,72)+0,0295*19,72/

93,20072=3,0247 дБ/м

Окончательные рассчеты потерь при распространении зависят так же и от геометрических размеров цели. Так как размер цели соизмерим с площадью фронта падающей волны, то считаем эту цель пространственной и используем выражение для расчета потерь на распространение для пространственной цели, то есть

TL=20lgR+бR, ( II )

Для расчета величины энергетической дальности преобразуем выражение ( I ) к виду:

TLд=0.5(SL+TS-DL-NL)

TLд=71,1596 дБ.

Величину энергетической дальности действия гидролокотора для данной цели определим из выражения (II). Используя метод последовательных приближений, сравниваем полученное значение со значением TLд, и получаем величину, равную: R= 1126,3м.

РАЗДЕЛ 2

РАСЧЕТ ДИАГРАММЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ДАЛЬНОСТИ

(зона обнаружения)

Излучение акустических сигналов осуществляется не только по нормали к гидроакустической антенне, но и при отклонении от оси. Акустическая мощность имеет максимальное значение на оси излучения, и по этому направлению антенны гидроакустическая система обладает наибольшей энергетической дальностью, расчитанной в разделе 1. Диаграмму энергетической дальности получаем по диаграмме направленности и величине энергетической дальности действия. Диаграмму энергетической дальности можно вычислить из выражения :

20*lgR+бR=TLд+D

где б-коэффициент поглощения, дБ/км

D-уровень направленности антенны, дБ.

Направленность антенны D, выраженная в логарифмической форме, и ее линейное значение G(И) связаны соотношением:

D=20*lgG(И)

Для круглой антенны характеристика направленности вычисляется по формуле:

где J-функция Бесселя первого рода;

d-диаметр антенны, м

-длина волны, м

На уровне основного лепестка диаграммы направленности функция Бесселя большого влияния не оказывает. Её заметное влияние начинает сказываться только начиная с первого бокового лепестка, а так как он не представляет для нас особого практического интереса, то функцией Бесселя можно пренебречь. Расчет диаграммы направленности произведен в табличной форме. Таблица расчетных значений представленна не полностью, так как в работе требуется представить диаграмму с изображением основного и первого боковых лепестков. Так как диаграмма представлена в полярных координатах, то в таблице приведены значения лишь первой половины данных. Вторая же половина является их зеркальным отображением.

И	G(И)	D	TLд+D	R
0	1	0	86,245	4642,18
1	0,991175	-0,07699	86,168	4626,77
2	0,964992	-0,30952	85,935	4580,54
3	0,922311	-0,70246	85,542	4502,88
4	0,864522	-1,26448	84,980	4392,73
5	0,793494	-2,00913	84,236	4248,24
6	0,71149	-2,95662	83,288	4067,44
7	0,621079	-4,13707	82,108	3846,52
8	0,525029	-5,59633	80,648	3580,58
9	0,426203	-7,40767	78,837	3262,32
10	0,327442	-9,69732	76,547	2879,36
11	0,231465	-12,7103	73,534	2411,42
12	0,14077	-17,0298	69,215	1818,37
13	0,057552	-24,7987	61,446	1000,12
14	0,016364	-35,7223	50,522	358,71
15	0,079574	-21,9846	64,260	1258,73
16	0,13112	-17,6466	68,598	1741,47
17	0,170504	-15,3653	70,879	2035,63
18	0,19767	-14,0812	72,164	2212,92
19	0,212983	-13,4331	72,812	2305,69
20	0,217181	-13,2636	72,981	2330,25
21	0,211324	-13,501	72,744	2295,92
22	0,196725	-14,1228	72,122	2207,12
23	0,174884	-15,145	71,100	2065,54
24	0,147413	-16,6293	69,615	1869,33
25	0,11597	-18,7131	67,532	1613,46
26	0,082192	-21,7034	64,541	1287,11
27	0,047633	-26,4418	59,803	868,3
28	0,01372	-37,2529	48,992	306,53
29	0,018294	-34,754	51,491	395,63
30	0,047353	-26,4931	59,752	864,33
31	0,07262	-22,7788	63,466	865,33

РАЗДЕЛ 3

РАСЧЕТ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ДАЛЬНОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ

Основным фактором определяющим дальность действия гидроакустической системы является рефракция.

Рефракция или искривление звуковых лучей объясняется тем, что из-за неоднородности физических свойств морской воды скорость распространения звука в ней непрерывно меняется. Изменение скорости звука в основном определяется характером распределения температуры и солёности воды. Распределение t и S можно охарактеризовать их градиентом. То есть отношением изменения этих величин к еденице длинны.

Для построения геометрической картины распространения акустических лучей знать градиент скорости звука, который является функцией t и S.

При расчете градиентов С, t и S считаем, что в пределах дальности действия гидролокатора горизонтальное изменение этих величин равно 0 (за исключением прибрежных вод), а в пределах слоя по глубине они изменяются линейно. Рассчет градиентов производим по следующим формулам:

Gt=t/Z

Gs=S/Z

Gc=0.0182+(4.587- 0.09t)Gt+1.31Gs,

где постоянная составляющая градиента скорости 0.0182(1/с) обусловлена влиянием градиента гидростатического давления.

Так как мы допустили, что t и С изменяются линейно по глубине, то траектория акустического луча будет достаточно близкой к окружности. Для построения дуги окружности в пределах заданного слоя необходимо знать радиус этой окружности и её центр.

Радиус кривизны траектории луча R определим по выражению:

R=Cs/Gc,

где Cs-постоянная Снеллиуса ;

Cs =C/sin

Cs является постоянной величиной для данного луча, так как изменение скорости звука с глубиной сопровождается изменением угла наклонения .

Так как луч входит в i-тый слой под некоторым углом, то центр окружности будет на перпендикуляре.

Уравнение окружности имеет вид: X2+Y2=R2.

Учитывая смещение центра окружности от начала координат a и b

a=Rsin ; b=Rcos +3 (3-заглубление антенны), уравнение примет вид:

(x-a)2+(y-b)2=R2

Для практического построения окружности преобразуем уравнение к виду:

x=(R2-(y-b)2)0.5+a

где R -радиус для данного слоя;

a, b-смещения центра окружности относительно начала координат;

y-текущее значение глубины;

x-дальность.

Рассчитываем x и y, понесколько значений для каждого слоя и строим траекторию акустического луча, учитывая, что для каждого последующего слоя центр окружности имеет дополнительное смещение.

При расчете траектории лучей воспользуемся табличной формой расчетов.

№	H	T	S	ДZ	ДT	ДS	Gt	Gc	Ci	Иi	Ri
1	0	14	37						1506,644	87,456
2	190	9	37	190	-5	0	-0,026	-0,081	1492,349	81,708	-18574
3	250	12	38	60	3	1	0,050	0,194	1505,314	86,500	7792
4	450	5	38	200	-7	0	-0,035	-0,127	1482,357	79,397	-11913
5	600	2	38	150	-3	0	-0,020	-0,070	1472,192	77,471	-21563

Расчет начального угла входа лучей в первый слой произведем исходя из предполагаемой глубины объекта промысла (~210 м) и заглубления антенны. Рассчитаем установочный угол наклона антенны:

=arcsin((210-4)/Rmax)

=10,53

где Rmax-энергетическая дальность действия гидролокатора рассчитанная в первом разделе.

Так как значение первоначального угла наклона антенны получилось достаточно малым, то расчетным значением пренебрегаем и устанавливаем половину ширины диаграммы направленности, то есть =7.

Значение угла входа луча =90-

Для каждого последующего слоя значение можно получить, если воспользоваться законом Снеллиуса

Ci/sini=C(i+1)/sin(i+1) ; (i+1)=arcsin(C(i+1)*sini/Ci).

По рассчитанным данным строится траектория акустического луча исходя из задания на курсовую работу.

РАЗДЕЛ 4

ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗМЕРЕНИЙ РЫБОПОИСКОВЫМИ ПРИБОРАМИ

4.1 Погрешность измерений дистанции от ошибок в скорости развёртки

Общее выражение для оценки величины систематической погрешности и её случайной составляющей:

H=Hi(1 - (ti)/60)

где H-погрешность измерения дистанции, м;

Hi- текущее (измеренное) значение глубины, м;

ti-среднее значение из ряда измерений времени развёртки за контрольное число посылок,с;

- среднеквадратическая погрешность измерения ti (из серии 5 измерений)

Время t	Среднее t'	Глубина	ti-ti'	(ti-ti')2	СКП	ДH
60,2			-0,06	0,0036		-2,16
60,4			-0,26	0,0676		-0,64
59,9	60,1	600	0,24	0,0576	0,076
60			0,14	0,0196
60,2			-0,06	0,0036

4.2 Погрешность за отклонение скорости звука от стандартной

Расчёт производим по формуле:

R=R(1-C/1500),

где С-среднее значение скорости звука по траектории; C=1482,75 м/с,

R-измеренное значение дальности.

R=600M R=6.9

R= 1126.3м R=12.95

4.3 Погрешность измерения дальности за рефракцию луча

Выражение погрешности наклонной дальности имеет вид:

R=Rи-2Rsin(Rи*90?/(*R))

R= 3613,93.

Таблица зависимости погрешности дальности от рефракций акустического луча

Глубина	ДR1	ДR2	ДR3	ДR4
0	0	0	0	0
200	-0,086	-0,081	-0,08436	-0,086
400	-0,166	-0,129	-0,15462	-0,168
600	-0,234	-0,112	-0,1967	-0,241
800	-0,285	0,0045	-0,19651	-0,301
1000	-0,313	0,2526	-0,13995	-0,344
1200	-0,312	0,6653	-0,01296	-0,365
1400	-0,276	1,2755	0,198551	-0,361
1600	-0,199	2,1159	0,508653	-0,327
1800	-0,076	3,2194	0,93141	-0,258
2000	0,099	4,6187	1,480877	-0,15
2200	0,332	6,3465	2,171103	0,0003
2400	0,6288	8,4354	3,016125	0,1981
2600	0,995	10,918	4,02997	0,4476
2800	1,4366	13,827	5,226654	0,7529
3000	1,9592	17,195	6,620177	1,1184
3200	2,5687	21,053	8,224528	1,5483
3400	3,2709	25,435	10,05368	2,047
3613,93	4,131	30,738	12,27487	2,6614

По данным таблицы строим график зависимости погрешности дальности от рефракции акустического луча.

4.5 Разрещающая способность по дальности и углу гидроакустических промысловых приборов

4.5.1 Разрешаюшая способность по дальности

Общее выражение для разрешающей способности по глубине:

H = R(1-cos(/2))+C*/2*cos/2) ,

где H-разрешающая способность, м;

R- дальность (глубина) до объекта, м.;

/2-величина угла направленности на объект,град.;

-длительность зондирующего импульса,с.:=0.01

C-расчётное значение скорости звука,м/с: C=1500

По данным таблицы строим диаграмму разрешающей способности.

Таблица разрешающей способности по дальности

	Q/2=7	Q/2=6	Q/2=5	Q/2=4	Q/2=3	Q/2=1	Q/2=0
R	7	6	5	4	3	1	0
3613,93	174,999	93,97	88,05	83,209	79,44	75,128	74,589
3250	172,287	91,98	86,67	82,323	78,94	75,072	74,589
3000	170,424	90,61	85,72	81,714	78,60	75,034	74,589
2750	168,560	89,24	84,77	81,105	78,25	74,996	74,589
2500	166,697	87,87	83,82	80,496	77,91	74,958	74,589
2250	164,834	86,50	82,87	79,887	77,57	74,920	74,589
2000	162,971	85,13	81,91	79,278	77,23	74,882	74,589
1750	161,108	83,77	80,96	78,669	76,88	74,844	74,589
1500	159,244	82,40	80,01	78,060	76,54	74,806	74,589
1250	157,381	81,03	79,06	77,451	76,20	74,768	74,589
1000	155,518	79,66	78,11	76,842	75,86	74,729	74,589
750	153,655	78,29	77,16	76,234	75,51	74,691	74,589
500	151,792	76,92	76,21	75,625	75,17	74,653	74,589
250	149,929	75,55	75,26	75,016	74,83	74,615	74,589
0	148,065	74,18	74,30	74,407	74,49	74,577	74,589

РАЗДЕЛ 5

ТАКТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ ПРИМЕНЕНИЯ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ ПОИСКОВЫХ СИСТЕМ

5.1 Построение траектории гидролокационной линии

Траектория гидролокационной линии строится для относительной оценки величины просматриваемой площади максимальным радиусом энергетической дальности для заданных параметров косяка рыбы.

В курсовой работе траектория гидролокационной линии построена в прямоугольных координатах. Значения перемещения по оси Х рассчитываем по формуле :

X=Rcos+Vt , а по оси Y: Y=Rsin

где R= 691,6 м -энергетическая дальность обнаружения;

- угол разворота антенны , (-60;60)

t-текущее время, с;

V- скорость движения судна, V= 5,8м/сек;

После построения траектории гидролокационной линии для различных секторов обзора пришли к выводу, что при данной скорости судна одним из наиболее оптимальных секторов является сектор 120, так как в нем непросматриваемые участки (зоны тени) являются наиболее минимальными.

гидролокатор акустический поисковый



Таблица траекторий гидролокационной линии

поворот антенны				возврат антенны
a град	S м	X	Y	a град	S м	X	Y
-60	0,00	-3106,29	1793,74	-60	131,29	-3106,29	1925,02
-55	2,98	-2938,15	2060,61	-55	134,27	-2938,15	2191,89
-50	5,97	-2747,65	2311,82	-50	137,25	-2747,65	2443,11
-45	8,95	-2536,24	2545,49	-45	140,24	-2536,24	2676,77
-40	11,94	-2305,54	2759,85	-40	143,22	-2305,54	2891,14
-35	14,92	-2057,28	2953,31	-35	146,21	-2057,28	3084,59
-30	17,90	-1793,38	3124,40	-30	149,19	-1793,38	3255,69
-25	20,89	-1515,83	3271,86	-25	152,17	-1515,83	3403,14
-20	23,87	-1226,74	3394,58	-20	155,16	-1226,74	3525,86
-15	26,85	-928,32	3491,64	-15	158,14	-928,32	3622,93
-10	29,84	-622,83	3562,35	-10	161,12	-622,83	3693,63
-5	32,82	-312,60	3606,17	-5	164,11	-312,60	3737,46
0	35,81	0,00	3622,80	0	167,09	0,00	3754,09
5	38,79	312,60	3612,14	5	170,08	312,60	3743,42
10	41,77	622,83	3574,28	10	173,06	622,83	3705,57
15	44,76	928,32	3509,55	15	176,04	928,32	3640,83
20	47,74	1226,74	3418,45	20	179,03	1226,74	3549,73
25	50,72	1515,83	3301,70	25	182,01	1515,83	3432,98
30	53,71	1793,38	3160,21	30	184,99	1793,38	3291,49
35	56,69	2057,28	2995,08	35	187,98	2057,28	3126,37
40	59,68	2305,54	2807,59	40	190,96	2305,54	2938,88
45	62,66	2536,24	2599,20	45	193,95	2536,24	2730,48
50	65,64	2747,65	2371,50	50	196,93	2747,65	2502,78
55	68,63	2938,15	2126,25	55	199,91	2938,15	2257,54
60	71,61	3106,29	1865,35	60	202,90	3106,29	1996,63
65	74,59	3250,80	1590,80	65	205,88	3250,80	1722,08
70	77,58	3370,56	1304,71	70	208,86	3370,56	1435,99
75	80,56	3464,68	1009,28	75	211,85	3464,68	1140,57
80	83,55	3532,44	706,78	80	214,83	3532,44	838,07
85	86,53	3573,31	399,55	85	217,82	3573,31	530,83
90	89,51	3587,00	89,93	90	220,80	3587,00	221,21
95	92,50	3573,38	-219,69	95	223,78	3573,38	-88,41
100	95,48	3532,58	-526,94	100	226,77	3532,58	-395,65
105	98,46	3464,90	-829,45	105	229,75	3464,90	-698,16
110	101,45	3370,85	-1124,90	110	232,73	3370,85	-993,61
115	104,43	3251,15	-1411,02	115	235,72	3251,15	-1279,73
120	107,42	3106,71	-1685,60	120	238,70	3106,71	-1554,32
125	110,40	2938,63	-1946,54	125	241,69	2938,63	-1815,26
130	113,38	2748,18	-2191,83	130	244,67	2748,18	-2060,55
135	116,37	2536,83	-2419,58	135	247,65	2536,83	-2288,30
140	119,35	2306,17	-2628,03	140	250,64	2306,17	-2496,75

Список использованной литературы

Евтютов А.П., Митько В.Б. Инженерные расчёты в гидроакустике. - Л.: Судостроение, 1988.- 320 с.

Справочник по гидроакустике / А.П. Евтютов, А.Е. Колесников и др. - Л.: Судостроение, 1982.- 344 с.

Кудрявцев В.И. Промысловая гидроакустика и рыболокация. - М.: Пищевая промышленность, 1978.- 312 с.

Кудрявцев В.И. Использование гидроакустики в рыбном хозяйстве. - М.: Пищевая промышленность, 1979.-280 с.

Логинов К.В. Электронавигационные и рыбопоисковые приборы. - М.: Пищевая промышленность, 1983.- 440 с.

Павлов Г.Н. Промысловые гидроакустические приборы. -М.: Агропромиздат, 1984. - 287 с.

Размещено на Allbest.ru