Применение стационарных умных приёмников звука в составе сетецентрической системы

Данная статья является продолжением статьи «Устройство умного приёмника звука в составе сетецентрической системы установления координат источника звука »

1. Проблемы применения современных средств звукоприемной аппаратуры

В статье [1] говорится следующее (просим извинение за командно–военный стиль построения фраз):

«Опыт практического применения, а также теоретические исследования показывают, что обеспечение с вероятностью не ниже 0,95—98 требований потребителей к точности определения координат целей и разрывов независимо от влияния метеорологических условий, рельефа местности и свойств подстилающих поверхностей возможно на дальности до звукоприемной аппаратуры не более 2—3 км.»

Это откровение для нас оказалась неожиданностью. Дальность 2—3 км — это очень мало. Против учебника [2] дальность занижена раз 5. По–видимому, это надо рассматривать за декларацию цели предстоящей модернизации средств для улучшения существующих нормативов (0,7–0,9) % от дальности и 0-03-0-05 д.у. по направлению.

«Это объясняется тем, что на этих дальностях атмосферные факторы не успевают оказать значительного влияния на изменение структуры исходных звуковых сигналов, что обеспечивает обнаружение и определение их параметров, необходимых для точного определения местоположения, с вероятностью, близкой к единице.»

Оказывается, все дело в неоднородности среды распространения звука! Однако, обращает на себя внимание стремление уважаемого автора статьи остаться в рамках сферического фронта звуковой волны, а как мы знаем фронт волны претерпевает деформацию в эллипсоидную форму.

Как в статье [1] предлагается решать проблему повышения определения координат?

«снижение влияния турбулентных процессов в приземном слое атмосферы, возникающих под действием рельефа и подстилающих поверхностей, оказывающих наиболее сильное влияние на изменение структуры исходных акустических сигналов, может быть несколько снижено при подъеме звукоприемной аппаратуры на высоту не менее 150—200 м.»

2. Факторы, влияющие на точности и эффективность определения координат целей

Рассмотрим сначала фактор турбулентности. Согласно обзору [3] теоретических исследований вихрями в акустике можно пренебречь, если безразмерная завихренность мала по сравнению с безразмерной скоростью, т.е.

|rot u|/ω >> u/c

, где u — скорость ветра,

ω — частота звука.

У нас нет статистических данных о величине в левой половине данного неравенства, поэтому вопрос влияния турбулентности считаем открытым для дальнейшего изучения.

Скорее всего речь идет о рассеивания и частотном искажении звуковой волны вообще на неоднородностях атмосферы, т.е. о коэффициенте поглощения звука в воздухе. О коэффициенте поглощения мы еще поговорим ниже.

Но зачем действительно требуется поднимать звукоприемную аппаратуру в воздух на беспилотниках. Рассмотрим фактор градиента вертикального ветра. Обратимся к предыдущей статье «Построение годографа точки звуковой волны…», а именно к диаграмме 4. При всем ранее указанном несовершенстве названной диаграммы имеем, что:

• с наветренной стороны на дистанции 2,5 км беспилотники с звукоприемной аппаратурой необходимо поднимать на высоту не менее 500 м, чтобы вывести их из зоны акустической тени;

  Вывод: из диаграммы следует, что для увеличения дальности определения координат целей в два раза необходимо иметь беспилотники с высотой барражирования 2 км.

• с подветренной стороны звукоприемную аппаратуру поднимать на высоту на беспилотниках не надо, т.к. основной пучок звуковых лучей «заземляется» на дистанции до 10 км; далее звуковая волна резко теряет интенсивность;

  Вывод: чтобы увеличить надёжность и точность определения координат целей необходимо располагать приёмники звука по возможности за линией соприкосновения на территории противоположной стороны.

3. Построение приёмников на фронте батальона.

На фронте обороны батальона в 5км. умные приёмники звука целесообразно расположить по всей ширине фронта. При штатном количестве приёмников 6 шт. расстояние между приёмниками составит 1 км. Приёмники располагаются в специальном порядке.

Теоретически благоприятно располагать приёмники на гипотетической поверхности сферы или эллипсоида.

4. Конфигурация элиминации приёмников

Существует теоретическое ограничение на конфигурацию приёмников. Неправильное расположение приёмников ведет к остановке системы, а именно к сбою анализатора. Можно было бы назвать такое расположение исключением, т.к. на программном уровне это вызовет именно исключение, которое отлавливается, но есть удачное биологическое понятие элиминации, которая означает гибель биологической популяции. Поэтому будем говорить, что «виновники» исключения находятся в конфигурации элиминации, а геометрическое место, в котором находятся «виновники», назовем зоной элиминации.

Для наглядности нарисуем точки 1 и j на плане и проведем прямую линию через эти точки. Эта линия и будет зоной элиминации для конфигурации 3–х приёмников. Дополнительный приёмник, размещенный на этой линии, приведет в нерабочее состояние имеющуюся популяцию приёмников.

Рис. 1 Прямая линия зоны элиминации размещения приёмников.

Т.е. при проведении планирования артиллерийской разведки необходимо избегать расположение 3 и более приёмника на прямой пространственной линии. Допустимо размещать приёмники на прямой линии по топографической карте, если, к примеру, два приёмника находятся на возвышенности, а один — в лощине.

5. Конфигурации приёмников при боевом охранении кораблей

Мы рассмотрим пример морского применения умных приёмников, т.к. их использование для охранения стоянки боевого корабля очень хорошо демонстрирует построение умных датчиков для обнаружения и пресечения проникновения в закрытую территориальную зону.

Необходимо провести адаптацию умных приёмников к морской среде:

• приемники размещаются на плавающих буйках.

• микрофоны заменяются на пассивные сонары.

• буйки с умными приёмниками располагаются на окружности вокруг якорной стоянки корабля, как показано на Рис. 2.

Рис. 2 Построение приёмников при боевом охранении корабля на якорной стоянке.

Известно, что звук в воде распространяется значительно лучше, чем в воздухе. Это связано с низким коэффициентом поглощением звука в воде.

Различают два вида потерь энергии звука.

При первом виде потерь энергии акустической волны происходит за счет геометрического расширения по мере ее удаления от источника: для воздуха и воды они одинаковы. Зависимость потерь акустики от расширения называют правилом 6 дБ: «При каждом удвоении удаления от источника звука, звуковое давление уменьшается на 6 дБ».

Второй вид поглощения звука связан с вязкостью, теплопроводностью среды, и химической релаксацией молекул.

Далее оценка снижения уровня звука за счет поглощения производилась для частоты 1кГц, т.к. акустические устройства шумопеленгации наиболее эффективно работают на частотах ниже 1 кГц, на которых наиболее мощно излучаются шумы от винтов. 

Для воды снижение уровня звука с частотой 1кГц на дистанции 1кГц составляет ~0,06 Дб/км по онлайн–калькулятору [7].

Согласно Госта [2] снижения уровня плоского однотонного звука с той же частотой в воздухе при нормальном атмосферном давлении и 50% влажности равняется 4,66 Дб/км.

На практике для грубой быстрой прикидки дальности распространения звука в воде, можно использовать очень простую формулу:

d=(40/f)^3/2

Насколько удалось понять из источника [8], эта формула дает «осторожную», но более менее точную оценку дальность распространения звука с частотой от 1–5 кГц от источника, развивающего давление 200–400 Pa, с уверенным приёмом звука в условиях посторонних шумов. По этой формуле для частоты 1 кГц d составляет 252 км. Для охранения якорной стоянки этого более чем достаточно.

Хотя звук в воде распространяется отлично, но существуют тонкости обеспечения приёма и обработки звукового сигнала в морской воде. В первую очередь это связано с рефракцией звука, обусловленной изменением температуры по вертикали в воде. Если температура, а стало быть, и скорость звука, уменьшается с глубиной, звуковые лучи отклоняются вниз, в результате чего образуется зона молчания, подобная тому, как это происходит для атмосферы, в том числе и в условиях вертикального градиента ветра.

Поэтому сонары делают с переменной глубиной погружения и стараются опустить их поглубже.

Еще одна особенность морского применения умных приёмников звука — это получение звукового сигнала от движущегося источника. Возникает эффект Доплера, который надо «дешифровывать» в блоке БПФ.

Современной уровень техники гидролокации очень высокий. Но есть и существенный недостаток: как правило, устанавливается лишь направление на цель.

При использовании умных приёмников звука в составе сетецентрической системы возможно установления точных координат источника звука на воде и в воде. При организации боевого охранения корабля на якорной стоянке по выявленным координатам цели наносится упреждающий артиллерийский удар не дожидаясь зрительного контакта.

В чем ещё важное отличие предлагаемой сетецентрической системы от существующих систем обеспечения корабельной безопасности? Мы рискуем вызвать на себя шквал критики, но мы уверены, что существующие системы построены по принципу консолидации данных в памяти перед их обработкой, который проиллюстрирован на рис.2 в статье Концепции устройства приёмника умного звукового датчика на базе шины CAN.

Если проанализировать западные открытые источники информации, то Запад в последние 15 лет взял курс на системы с потоковой обработкой данных.

Выводы

Стационарные умные приёмники звука являются пассивными, работают в режиме ожидания и практически ничем себя не обнаруживают.

Определены правила тактического построения стационарных умных приёмников звука в составе сетецентрической системы установления 3–х мерных координат источника звука уровня батальона или артиллерийского дивизиона.

Показано тактического построения стационарных умных приёмников звука для обнаружения и пресечения проникновения в закрытую территориальную зону.

В следующей статье будет рассказано о преобразовании пассивной сетецентрической системы умных приёмников звука в активную систему для противодействия летающим малошумным объектам.

Литература

1.       Н.М. ПАРШИН, Развитие и состояние звуковых средств артиллерийской разведки в Вооруженных Силах Российской Федерации, «Военная мысль», 2024, №1

2.       Артиллерийская звуковая разведка, изд. МО, М., 1993

3.       Чернов Л.А. «Акустика движущейся среды. Обзор», Акустический журнал, 1958, 4, выпуск 4, с. 299-306

4.       ГОСТ 31295.1-2005 (ИСО 9613-1:1993) Шум. ЗАТУХАНИЕ ЗВУКА ПРИ РАСПРОСТРАНЕНИИ НА МЕСТНОСТИ Часть 1. Расчет поглощения звука атмосферой

5.       Эйнсли М. А., Макколм Дж. Г., “Упрощенная формула для вязкого и химического поглощения в морской воде”, Журнал Акустического общества Америки, 103(3), 1671-1672, 1998.

6.       Фишер Ф. Х., Симмонс В. П., “Поглощение звука в морской воде”, Журнал Акустического общества Америки, 62, 558-564, 1977.

7.       Франсуа Р. Э., Гаррисон Г. Р., “Поглощение звука на основе измерений в океане: часть I: Вклад чистой воды и сульфата магния”, Журнал Акустического общества Америки, 72 (3), 896-907, 1982.

8.       Франсуа Р. Э., Гаррисон Г. Р., “Поглощение звука на основе измерений в океане: часть II: Вклад борной кислоты и уравнение для полного поглощения”, Журнал Акустического общества Америки, 72 (6), 1879-1890, 1982.

9.       //resource.npl.co.uk/acoustics/techguides/seaabsorption/

10.   Почему звук в воде затухает? https://habr.com/ru/articles/696738/