Экспериментальный комплекс для исследования возможностей использования гидроакустических датчиков в системах подводного видения

V A Shirokov; V N Milich

doi:10.22213/2413-1172-2021-4-54-64

Authors

V. A. Shirokov Udmurt Federal Research Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences
V. N. Milich Udmurt Federal Research Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

DOI:

https://doi.org/10.22213/2413-1172-2021-4-54-64

Keywords:

underwater vision, laboratory measuring complex, hydroacoustic waveguide, experimental pool, characteristics of hydroacoustic sensors

Abstract

A description of a laboratory experimental and measuring complex is given, including a linear aquatic environment in the form of an extended cylindrical reservoir (hydro wave) and an experimental pool equipped with a system for generating test hydroacoustic signals, a set of electroacoustic and acoustoelectric transducers, and a system for amplifying and digitizing received signals. The results of experimental studies of hydroacoustic piezoelectric sensors and the features of the propagation of the waves generated by them in the described laboratory complex are presented. These results include: an assessment of the sensitivity of sensors, an assessment of the frequency characteristics of sensors, a study of the frequency response of a system of two sensors fixed at the ends of a horizontal hydro-wave guide, a comparison of the results of measurements of the frequency response of sensors in a pipe and a pool, a comparison of signal pulling over time in a pipe and a pool, a study of operation sensors in sonar mode. The most significant results illustrating the behavior of hydroacoustic signals and the potential of the measuring complex are the established possibilities for determining the resonance features of electroacoustic transducers and the detail of the characteristics of the reflection of acoustic signals from objects in an aquatic environment. The main investigated characteristics of hydroacoustic sensors are the sensitivity and frequency characteristics of the investigated sensors, the amplitude-frequency characteristics of the system from the transmitting and receiving transducers, and the features of the transducers' operation in the sonar mode. According to the research results, the characteristics of the sensitivity of the sensors and the assessment of the spread of the sensitivity indicators for representatives of the same type of different parties were obtained. The study of the frequency characteristics of the sensors was focused on the study of the dependence of the module and the phase of the sensor resistance on the frequency and on the determination of the resonance characteristics of the sensors. The presence of resonances (resistance minima) and antiresonances (resistance maxima) in several frequency regions was established. When examining the transducers in sonar mode, a glare structure of echo signals from the components of a complex object (a sphere suspended by a thread), separated by time intervals of 12.3 microseconds, was clearly observed. The delay of the signal reflected from the filament in relation to the signal reflected from the front wall of the sphere is due to the distance by two radii of the sphere, covered by the signal reflected from the filament. Carrying out research in two experimental situations (linear hydro wave and experimental pool) allows assessing the degree of adequacy of the results obtained in the sense of comparing similar experiments in different conditions.

Author Biographies

V. A. Shirokov, Udmurt Federal Research Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

PhD in Engineering

V. N. Milich, Udmurt Federal Research Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

PhD in Engineering

References

Леньков С. В., Широков В. А. Исследование тест-объектов и гидроакустических датчиков ультразвукового диапазона в одномерном гидроакустическом волноводе // Доклады XVII Школы-семинара им. акад. Л. М. Бреховских «Акустика океана». М. : Институт океанологии им. П. П. Ширшова, 2020. 408 с.

Исследование гидроакустических свойств материалов / М. В. Иванов, С. А. Гаврильев, С. А. Трофимов, Б. С. Ксенофонтов, О. А. Иванова // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Серия «Машиностроение». 2018. № 4. С. 71-83.

Стенд для определения влияния неоднородностей, находящихся в воде, на ее акустические свойства, и результаты исследований / А. Н. Греков, Н. А. Греков, Е. Н. Сычев, В. Ж. Мишуров, В. А. Рязанов, К. А. Кузьмин // Системы контроля окружающей среды. 2020. № 3. С. 114-123.

Afolayan M.O., Yawas D.S., Folayan C.O., Aku1 S.Y. Modal Analysis of 27 mm Piezo Electric Plate for Small-Scale Underwater Sonar-Based Navigation. Journal of Engineering, vol. 2013, Article ID 549865. URL: https://doi.org/10.1155/2013/549865

Шарапов В. М., Мусиенко М. П., Шарапова Е. В. Пьезоэлектрические датчики. М. : Техносфера, 2006. 632 с.

Sharapov V., Sotula Z., Kunickaya L. Piezo-Electric Electro-Acoustic Transdusers. Springer, 2014. ISBN: 978-3-319-01197-4. DOI: 10.1007/978-3-319-01198-1.

Lowe M.J.S. Generation of Ultrasound. Encyclopedia of Vibration. Imprint Academic Press, 2001. ISBN: 978-0-12-227085-7.

Развитие акустических приборов для исследования водной среды INSITU / А. Н. Греков, Н. А. Греков, Е. Н. Сычев, К. А. Кузьмин // Системы контроля окружающей среды. 2019. № 2. С. 22-29.

Исаев А. Е., Хатамтаев Б. И. Определение фазочастотной характеристики гидрофона по амплитудно-частотной характеристике // Измерительная техника. 2021. № 7. С. 48-53.

Фатеев В. Я. Измерение резонансной частоты амплитудным и фазовым методами с помощью цифрового частотного сканирования // Измерительная техника. 2021. № 6. С. 51-58.

Система многочастотного акустического зондирования для исследования акустических характеристик верхнего слоя моря / В. А. Буланов, И. В. Корсаков, С. Н. Соседко, А. В. Стороженко // Приборы и техника эксперимента. 2020. № 3. С. 131-136.

Урик Роберт Дж. Основы гидроакустики. Л. : Судостроение, 1978. 448 с.

Кранц В. З. Система многопозиционной частотной телеграфии для многолучевого канала // Гидроакустика. 2011. № 14. С. 57-63.

Бреховских Л. М., Лысанов Ю. П. Теоретические основы акустики океана. Л. : Гидрометеоиздат, 1982. 264 с.

Бреховских Л. М. Волны в слоистых средах. М. : Наука, 1973. 343 с.

Андреева И. Б. Физические основы распространения звука в океане. Л. : Гидрометеоиздат, 1975. 192 с.

Картирование звукорассеивающих объектов в северной части Баренцова моря и их геологическая интерпретация / С. Ю. Соколов, Е. А. Мороз, А. С. Абрамова, Ю. А. Зарайская, К. О. Добролюбова // Океанология. 2017. Т. 57, № 4. С. 655-662.

Распознавание и обследование малоразмерных подводных объектов с помощью автономных необитаемых подводных аппаратов / А. В. Инзарцев, А. М. Павин, О. А. Лебедко, М. А. Панин // Подводные исследования и робототехника. 2016. № 2 (22). С. 36-43.

Обнаружение и обследование локальных донных объектов с помощью группы специализированных автономных подводных роботов / А. В. Инзарцев, А. М. Павин, Г. Д. Елисеенко, М. А. Панин // Известия ЮФУ. Технические науки. 2018. № 1 (195). С. 40-51.

Коноплин А. Ю., Юрманов А. П. Система поддержки деятельности операторов манипуляторов, установленных на подводных аппаратах // Подводные исследования и робототехника. 2021. № 2 (36). С. 18-27.