podvI-issl-4-2019

СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ПОДВОДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

На голограмме локализованная спектральная Здесь b ≈ 1 и b ≈ 1,5 относятся к детерминированному
плотность сигнала вырезается и по отношению к ней и шумовому источникам, J − число временных ин-
применяется обратное двукратное преобразование тервалов (отсчетов), на которых реализуются коге-
Фурье. К очищенной от помехи интерферограмме рентные накопления спектральных максимумов вол-
применяется однократное преобразование Фурье, нового поля вдоль интерференционных полос:
восстанавливая огибающую сигнала, по которой
определяются амплитуды мод. По отношению ам- (19)

плитуд соседних мод оценивается

глубина источника zs. Оценка сводится к определе- где T – длительность принимаемой реализации; δT −
нию значения , при котором уравнение:
интервал между отсчетами. Чтобы реализации были

независимы, длительность должна удовлетворять ус-

(17) ловию . Использование комбинационных

обращается в нуль, Здесь составляющих векторно-скалярного поля позволяет

(18) значение qlim уменьшить в 4−5 раз [9, 10].
Для модельного волновода, близкого по характе-

ристикам экспериментальному каналу [25], на рис.  2

показано поведение предельного входного отноше-

Решение неоднозначное. Для избав ления от не- ния с/п qlim в зависимости от числа отсчетов J для
корректности нужно выполнить совместную оценку шумового и постоянного спектров источника [8].
глубины для разных пар отфильтрованных мод. Ка-
ждая такая комбинация будет содержать одно пра- Значения qlim удовлетворительно ложатся на аналити-
вильное значение, а остальные − ложные. Оценкой ческие зависимости.
глубины будет значение, которое является общим для
выбранных комбинаций. Помехоустойчивость обработки, т.е. отношение

Методу оценки глубины источника свойственны выходного значения с/п qвых к входному значению с/п
две особенности. Во-первых, уменьшение входно- qвх, θ = qвых / qвх, равно:
го отношения с/п не порождает экспоненциальную
разницу между реальной и оценочной глубинами (20)
источника, а стремится к некоторому установивше-
муся значению. При этом максимальная ошибка в где – коэффициент концентрации,
оценке глубины источника не превышает четверти обусловленный локализацией спектральной
длины волны. Во-вторых, это слабая чувствитель- плотности в узкой полосе голограммы. В случае
ность к вариациям собственных функций и ошибкам неподвижного источника величина заменяет-
измерений отношения амплитуд мод. Это позволяет ся шириной спектра в области голограммы. Для
собственные функции реального волновода заменить мелководных акваторий в низкочастотном диапазоне
известными собственными функциями идеального (несколько сотен герц) и скоростей источника w ≈ 100
волновода.
м/с величина Гц [6−11]. Задавая вре-

мя накопления Δt = 100 с, получаем оценку χ ≈ 7−70.

2. Помехоустойчивость
интерферометрической обработки

Эффективность интерферометрической обра- Рис. 2. Зависимость значения qlim от параме-
ботки удобно характеризовать предельным (мини- тра J для постоянного (кружочки) и шумово-
мальным) входным отношением с/п qlim, когда для го (квадратики) спектров – вычислительный
значений с/п на входе реализуется когерентное нако-
пление спектральной интенсивности вдоль интерфе- эксперимент. Сплошные линии (теория): 1   –
ренционных полос [4−10]. При этом обеспечивается постоянныйспспеекткртр, ,qliqmli=m = 1/J2;
устойчивое обнаружение и оценки пеленга, радиаль- 1,5/J2 2 – шумовой
ной скорости, удаления и глубины близки реальным [8]
значениям. В случае изотропной помехи для скаляр-
ной компоненты поля источника qlim = b / J2 [8, 10].

ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30) 53

СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ПОДВОДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Уменьшение входного отношения с/п qвх влечет реализуемые на основе измерений пеленга [11, 12] и
за собой увеличение отсчетов J, которое при фикси- частотных сдвигов интерференционных максимумов
рованном времени наблюдения Δt сверху ограничено волнового поля [27] между двумя ВСП Q1 и Q2, раз-
минимальной длительностью Tmin шумовой реализа- несенными на горизонтальное расстояние d.
ции, которая оценивается как [26]:
Согласно первому варианту коэффициенты κrμ и
(21) κνμ оцениваются как:

так что с увеличением расстояния r и средней часто- (24)
ты ω0 минимальное время регистрации шумового
сигнала возрастает и уменьшается соответственно. где и Ω0 − разность положений основ-
Последнее связано с тем, что при возрастании часто- ного максимума µ-го фокального пятна и частотный
ты групповые скорости мод асимптотически стре-
мятся к постоянному значению, не зависящему от сдвиг интерференционного максимума в момент вре-
номера моды [22]. В результате максимальное число
отсчетов, согласно (19), (21), равно: мени t = 0 между ВСП Q1 и Q2. Вариант применим,

(22) если и . Применимость первого

В (22) учтено выполнение условия варианта облегчается с увеличением номера фокаль-

ного пятна.

Согласно второму варианту, полагая r ≥ wΔt,

Для входного отношения с/п qвх удаления r шу- (25)
мового источника, когда сохраняется работоспособ-
ность метода, оцениваются как:

(23) Здесь Δφ(ν) и ΔΩ − разность фаз голограмм в окрест-
ности максимума µ-го фокального пятна и измене-
Характерной чертой соотношения (23) для пре- ние частотного сдвига за время наблюдения Δt между
дельного удаления шумового источника является то точками наблюдения. Этот вариант, в отличие от пер-
обстоятельство, что в него входят параметры переда- вого варианта, позволяет также оценивать радиаль-
точной функции волновода и поэтому их физическое ную скорость и удаление источника, не прибегая к
содержание различно в зависимости от выбора ак- нахождению коэффициентов (12):
ватории. Для низкочастотного диапазона мелковод­
ных акваторий, если задаться значениями Δt = 100 с, (26)
q = 10−3, rmax ≈ 9 км.
Во втором варианте ограничения на величину
dcosφ более мягкие.

3. Адаптация обработки 4. Разрешение источников

Развитие современных технологий обработки Интерферометрическая обработка позволяет
гидроакустической информации неразрывно свя- реализовывать разрешение нескольких источников
зано с решением важнейшей фундаментальной за- [28]. Такая возможность основана на том, что сум-
дачи: возможность адаптации к изменяющимся ус- марные интерферограмму и голограмму нескольких
ловиям распространения поля источника, а также источников приближенно можно рассматривать как
работоспособность в условиях, не требующих зна- линейную суперпозицию интерферограмм и голо-
ния о характеристиках среды распространения. Под грамм отдельных источников.
адаптацией интерферометрической обработки по-
нимается возможность определения коэффициен- Алгоритм разрешения заключается в следующем.
тов (12) посредством измерения связанных с ними На суммарной голограмме выделяется область ло-
величин на фоне малого входного отношения с/п в кализации спектральной плотности шумового поля
отсутствие знания передаточной функции волновода. наиболее мощного источника. Она вырезается, и по
В работе [26] предложены два варианта адаптации, отношению к ней применяется обратное двукратное

54 ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30)

СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ПОДВОДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

преобразование Фурье с целью восстановления ин- Рис. 3. Суммарная интерферограм-
терферограммы, так что разрешение источника осу- ма трех шумовых источников на
ществляется в процессе восстановления его интерфе- фоне помехи (а); восстановленные
рограммы. Выделяя последовательно на суммарных
голограммах области локализации отдельных источ- интерферограммы источников:
ников и вырезая их, получаем голограммы, интерфе- S1 (б), S2(в), S3(г) [28]
рограммы менее интенсивных источников. Очистка
не требует данных о характере сигнала и помехи. Эта Оценки параметров разрешенных шумовых источников на
итерация повторяется до тех пор, пока не останется фоне помехи (в круглых скобках указаны модельные
изображение одного-единственного источника. параметры источников)

С каждым шагом итерации восстанавливаемая Параметры источников
голограмма может все больше отличаться от ориги-
нала. Это обусловлено тем, что при вырезании лока- Источники , град , м/с , км ,м
лизованной области одного из источников частично (φ), град (w), м/с (r), км (z), м
могут вырезаться и спектральные плотности других,
менее мощных источников. Данный эффект преи- S1 46,8 (45) -3,4 (-3) 7,2 (7) 80,8 (80)
мущественно будет проявляться в областях фокуси- S2 60,5 (60) 12,4 (13,5) 9,2 (10) ≤ 5,3 (5)
ровки, расположенных вблизи окрестности начала S3 16,2 (15) 6,7 (7) 18,9 (20) ≤ 9,2 (6)
координат голограммы. Это может приводить к ис-
кажению области локализации голограммы и соот-
ветственно к снижению точности определения ко-
ординат источников при увеличении шага итерации.
Так как вырезание изменяет только распределение
спектральной плотности, то оно должно незначитель-
но влиять на вид интерферограммы. Для повышения
точности регистрации параметров источников следу-
ет использовать фокальные пятна высших номеров.
Единственными переменными, которые определяют
механизм очистки, являются время наблюдения и
угловые коэффициенты прямых положения главных
максимумов спектральной плотности источников.

Разрешение и определение параметров источни-

ков могут быть всегда осуществлены, если их обла-

сти спектральных плотностей голограмм полностью

не перекрывают друг на друга и входное отношение

с/п по отношению к фоновой помехи превышает

предельно допустимое значение. Параметры разре-

шенных источников измеряются с такой же точно-

стью, как если бы другие источники отсутствовали.

Возможность идентификации малошумных источ-

ников на фоне внешней помехи и интенсивных ло-

кализованных помех определяется только уровнем

внешней помехи. Результаты численного экспери-

мента разрешения трех шумовых источников и опре-

деления их параметров представлены на рис. 3−5 и в

таблице [28].

На рис. 3 представлены результаты численного

эксперимента восстановления интерферограмм трех

шумовых источников различной интенсивности на

фоне изотропной помехи. Очищенные от помехи

нормированные интерферограммы источников иден-

тичны их оригиналам (на рис. 3 оригиналы не при-

водятся).

ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30) 55

СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ПОДВОДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Рис. 4. Зависимость нормированной огибающей сигнала от времени t для трех источников: S1 (а); S2 (б); S3 (в). Вертикальным пунктиром
показаны времена распространения m-й моды, [28]

Рис. 5. Функция m(m + 1) (z) пгр, ие)р. аВзелритчинкыахлькноыммбипнуанцкитяихроммодпоmка(mза+ны1)зрнаазчрееншияенфнуынхкциисито, чонтвиекочавю: Sщ1и(еа,зба)д; аSн2н(овй, г); S3 (д, е). Комбинации
мод: (2, 3) (а, в, д); (3, 4) (б, глубине источника [28]

Огибающие сигналов трех разрешенных источ- По отношению максимумов восстановленных
функций обнаружения (14) выполнена оценка пелен-
ников, восстановленные по очищенным от помех ин- га для трех источников S1,2,3 (см. таблицу).

терферограмм, представлены на рис. 4. Времена рас- ЗАКЛЮЧЕНИЕ

пространения модовых импульсов , Интенсивное внедрение в течение последних
нескольких лет интерферометрической обработки в
. Под амплитудой m-й моды понимается вели- акустику океана уже позволило получить ряд новых
результатов, описанных выше. Плодотворность обра-
чина . При разрешении мод максимумы ботки объясняется когерентным накоплением шумо-
вого поля вдоль интерференционных полос и локали-
огибающей приходятся на моменты времени tm. зацией спектральной интенсивности на голограмме.
На рис. 5 представлены зависимости функ- Ее применение к идентификации малошумных источ-
ников позволяет достичь помехоустойчивости и уда-
ции (10), обрезанные на уровне для ленности в условиях отсутствия знаний о характе-
ристиках среды распространения, не доступной для
двух комбинаций мод разрешенных источников

Для разрешенного источника S1 глубина оценивается

как zs1 = 80,8 м. В силу особенностей поведения

собственных функций нули функции в

окрестности границы волновода z = 0 размыты. По-

этому для источников S2,3 можно лишь указать об-
ласть значений оценок глубины: м, м

(см. таблицу).

56 ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30)

СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ПОДВОДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

известных видов обработки. Таким образом, интерфе- Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ
рометрическая обработка гидроакустической инфор- (проект 19-08-00941, проект 19-29-06075) и Про-
мации позволяет по-новому осмыслить те направле- граммы президиума РАН № 5 «Фотонные техно-
ния в акустике океана, где играет роль интерференция логии в зондировании неоднородных сред и био-­
волн, вызванная широкополосным сигналом. объектов».

ЛИТЕРАТУРА

1. Чупров С.Д. Интерференционная структура звукового поля в слоистом океане // Акустика океана. Современное состояние.
М.: Наука, 1982. С. 71−82.

2. Орлов Е.Ф. Интерференционная структура широкополосного звука в океане // Проблемы акустики океана. М.: Наука, 1984. С. 85−93.
3. Орлов Е.Ф., Шаронов Г.А. Интерференция звуковых волн в океане. Владивосток: Дальнаука, 1998. 195 с.
4. Kuznetsov G.N., Kuz’kin V.M., Pereselkov S.A., Prosovetskiy D.Yu. Interference immunity of an interferometric method of estimating the
velocity of a sound source in shallow water // Acoust. Phys. 2016. Vol. 62, No. 5. P. 559−574.
5. Kuznetsov G.N., Kuz’kin V.M., Pereselkov S.A., Prosovetskiy D.Yu. Interferometric method for estimating the sound source velocity in an
oceanic waveguide // J. Phys. Wave Phenom. 2016. Vol. 24, No. 4. P. 317−323.
6. Кузнецов Г.Н., Кузькин В.М., Переселков С.А. Спектрограмма и локализация источника звука в мелком море // Акуст. журн. 2017.
Т. 63, № 4. С. 406−418.
7. Kuznetsov G.N., Kuz’kin V.M., Pereselkov S.A., Prosovetskiy D.Yu. Spectrograms of single-type modes and their application to problems of
sound source localization in oceanic waveguides // J. Phys. Wave Phenom. 2017. Vol. 25, No. 1. P. 64−73.
8. Kuznetsov G.N., Kuz’kin V.M., Pereselkov S.A., Kaznachheev I.V. Noise source localization shallow water // J. Phys. Wave Phenom. 2017.
Vol. 25, No. 2. P. 156−163.
9. Kuznetsov G.N., Kuz’kin V.M., Pereselkov S.A., Kaznacheev I.V., Grigor’ev V.A. Interferometric method for estimating the velocity of a noise
sound source and the distance to it in shallow water using a vector-scalar receiver // J. Phys. Wave Phenom. 2017. Vol. 25, No. 4. P. 299−306.
10. Казначеев И.В., Кузнецов Г.Н., Кузькин В.М., Переселков С.А. Интерферометрический метод обнаружения движущегося источника
звука векторно-скалярным приемником // Акуст. журн. 2018. Т. 64, № 1. С. 33−45.
11. Kuz’kin V.M., Pereselkov S.A., Kuznetsov G.N., Kaznacheev I.A. Interferometric direction finding by a vector-scalar receiver // Phys. Wave
Phenom. 2018. Vol. 26, No. 1. P. 63−73.
12. Кузькин В.М., Переселков С.А., Казначеев И.В., Ткаченко С.А. Метод определения местоположения малошумного источника звука
// Вестн. ВГУ. Серия: Физика. Математика. 2018. № 2. С. 53−63.
13. Kuznetsov G.N., Kuz’kin V.M., Lyakhov G.A., Pereselkov S.A., Prosovetskiy D.Yu. Direction finding of a noise sound source // Phys. Wave
Phenom. 2019. Vol. 27, No. 3. P. 237−241.
14. Беседина Т.Н., Кузнецов Г.Н., Кузькин В.М., Переселков С.А. Определение глубины источника звука в мелком море на фоне интен-
сивного шума // Акуст. журн. 2015. Т. 61, № 6. С. 718-728.
15. Besedina T.N., Kuznetsov G.N., Kuz’kin V.M., Pereselkov S.A., Prosovetskiy D.Yu. Estimation of the depth of an immobile sound source in
shallow water // Phys. Wave Phenom. 2015. Vol. 23, No. 4. P. 292−303.
16. Kuznetsov G.N., Kuz’kin V.M., Pereselkov S.A., Prosovetskiy D.Yu. Wave method for estimating the sound source depth in a oceanic
waveguide // J. Phys. Wave Phenom. 2016. Vol. 24, No. 4. P. 310−316.
17. Ocean acoustic interference phenomena and signal processing (San Francisco, CA, May 1–3, 2001; AIP Conf. Proc.). N.Y.: Melville, 2002.
18. Baggeroer A.B., Kuperman W.A., Mikhalevsky P.N. An overview of matched field methods in ocean acoustics // IEEE J. Oceanic Eng. 1993.
Vol. 18, No. 4. P. 401−423.
19. Ianniello J.P. Recent developments is sonar signal processing // IEEE Signal. Process. Mag. 1998. Vol. 15, No. 4. P. 27−40.
20. Малышкин Г.С., Сидельников Г.Б. Оптимальные и адаптивные методы обработки гидроакустических сигналов // Акуст. журн. 2014.
Т. 60, № 5. С. 526−545.
21. Сазонтов А.Г., Малеханов А.И. Согласованная пространственная обработка сигналов в подводных звуковых каналах (обзор) // Акуст.
журн. 2015. Т. 61, № 2. С. 233−253.
22. Бреховских Л.М., Лысанов Ю.П. Теоретические основы акустики океана. М.: Наука, 2007. 370 с.
23. Кузькин В.М., Куцов М.В., Переселков С.А. Пространственная интерференция нормальных волн в океанических волноводах
// Акуст. журн. 2014. Т. 60, № 4. С. 376−383.
24. Луньков А.А., Петников В.Г., Стромков А.А. Особенности фокусировки низкочастотных звуковых полей в мелком море // Акуст.
журн. 2010. Т. 56, № 2. С. 256−262.
25. Белов А.И., Кузнецов Г.Н. Оценка акустических характеристик поверхностных слоев морского дна с использованием четырехкомпо-
нентных векторно-скалярных приемников // Акуст. журн. 2016. Т. 62, № 2. С. 194−202.
26. Kaznacheeva E.S., Kuznetsov G.N., Kuz’kin V.M., Lyakhov G.A., Pereselkov S.A. Measurement capability of the interferometric method of
sound source localization in the absence of data on the waveguide transfer function // Phys. Wave Phenom. 2019. Vol. 27, No. 1. P. 73−78.
27. Кузькин В.М., Переселков С.А. Методы регистрации частотных смещений интерференционной структуры звукового поля в океани-
ческих волноводах // Акуст. журн. 2010. Т. 56, № 4. С. 505−515.
28. Kuz’kin V.M., Kuznetsov G.N., Pereselkov S.A., Grigor’ev V.A. Resolving power of the interferometric method of source localization // Phys.
Wave Phenom. 2018. Vol. 26, No. 2. P. 150−159.

ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30) 57

СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ПОДВОДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

УДК 534.232:534.8 10.25808/24094609.2019.30.4.007

ХАРАКТЕРИСТИКИ
СОБСТВЕННОГО ШУМОИЗЛУЧЕНИЯ

МАЛОГАБАРИТНОГО АНПА

Ю.А. Хворостов, Ю.В. Матвиенко Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт проблем морских технологий ДВО РАН1

Представлены результаты экспериментальных исследований уровня собственного шума АНПА
«ММТ-3000» в частотном диапазоне от 5 до 2000 Гц, формирующегося на корпусе аппарата при различных
режимах и условиях движения. Установлено, что собственное шумовое поле на корпусе аппарата при его
движении характеризуется очень высокими значениями спектральных уровней, что существенно затрудняет
прием сигналов, близких по уровню к естественным динамическим шумам моря, а в режиме планирования не
вносит заметных добавок в естественные динамические шумы штилевого моря.

При оборудовании АНПА гидроакустическими электродвигателей аппарата. Величина уровня шума
системами для оценки эффективности их работы в модулируется частотами вращения лопастей винтов
приемном режиме необходимы оценки уровней и (частоты вращения валов двигателей, умноженные
спектрального состава помехи в соответствующих на число лопастей), создавая так называемый ло-
частотных диапазонах. На движущихся АНПА по- пастной частотный ряд. Вальные частоты двигателей
мехой будет величина собственного шумоизлучения в шумоизлучении АНПА не выражены явно в связи с
аппарата в точках размещения чувствительных эле- хорошей динамической баллансировкой валов с вин-
ментов систем. тами.

Необходимо отметить, что характеристики соб- Другой весомой причиной шума движущегося
ственного шума у корпуса аппарата относятся к АНПА является обтекание водой его корпуса. При
ближней зоне формирующегося акустического шу- этом турбулентными потоками воды создается ги-
мового поля. Структура поля сложна, поскольку шу- дродинамический широкополосный акустический
моизлучение АНПА обусловлено рядом разнесен- шум и возбуждаются резонансные колебания корпу-
ных в пространстве и взаимодействующих между са аппарата, добавляющие в шум АНПА дополни-
собой источников: несколько винтов с различными тельные дискретные составляющие.
и изменяющимися скоростями вращения; область
водной среды, где сходятся турбулентные струи от Для оценки характеристик акустического шумо-
винтов; вибрирующие части корпуса; зоны турбу- вого поля, создаваемого АНПА «ММТ-3000» [1] в
лентности при гидродинамическом обтекании корпу- движении у своего корпуса, был проведен ряд экс-
са и пр. Поэтому акустическое поле вблизи корпуса периментальных исследований. В экспериментах в
АНПА будет содержать помимо активной составля- середине днища аппарата в 150 мм от его корпуса
ющей энергии и значительную реактивную состав- для регистрации звукового давления шумового поля
ляющую, не участвующую в формировании бегущей устанавливалось автономное гидрофонное приемное
акустической волны от аппарата. При этом уровень устройство с нормированным рабочим диапазоном
звукового давления собственного шумоизлучения у частот 5–2000 Гц, чувствительностью гидрофона
корпуса АНПА может достигать больших значений. 160 мкВ/Па, коэффициентом усиления аналогово-
го тракта 50 и оцифровкой сигнала 16-разрядным
Основной вклад в шум АНПА вносит кавитаци- АЦП ±2,5В [2]. На рис. 1 приведен вид аппарата
онный шум винтов аппарата, вращающихся с боль- с измерительным устрйством.
шой скоростью. Это широкополосный шум в неко-
торой области частот и с частотой максимального 1 690091, г. Владивосток, ул. Суханова, 5а. Тел./факс.: +7 (423) 243-
излучения, зависящей от скорости вращения валов 24-16. E-mail: [email protected], [email protected]

58 ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30)

СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ПОДВОДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Рис. 1. АНПА «ММТ-3000» с автономным гидрофонным сонограммы (спектрограммы) принятых сигналов в
устройством двух частотных диапазонах.

АНПА в экспериментах выполнял заданные под- На временной развертке сигналов гидрофона при
водные маневрирования. В первом эксперименте втором проходе в виде коротких импульсов видна
на акватории Уссурийского залива с глубиной ме- работа профилографа АНПА даже на ходу аппарата.
ста 42 м при низком уровне помех из-за штилевой На высокочастотной сонограмме влияние этих им-
погоды и отсутствия ближнего судоходства была от- пульсов на спектр сигнала сказывается наличием
работана методика регистрации и оценки шумоиз- вертикальных частотных полос. Такие же полосы
лучения подводного аппарата в движении на штат- на других проходах, но более слабые, обусловле-
ной максимальной скорости. Аппарат в 2 м от дна ны функционированием навигационной системы
на скорости движения 2 м/с совершал три прохода АНПА. Однако эти системы из-за малой длительно-
(рис. 2), состоящих из прямолинейных галсов. В кон- сти излучаемых сигналов не оказывают существен-
це каждого прохода АНПА всплывал на поверхность ного влияния на осредненный спектр шума АНПА в
за счет положительной плавучести без работы своих низкочастотной области.
трех трехлопастных электродвигателей. В процессе
выполнения заданной миссии АНПА при постоян- По сигналам шумоизлучения АНПА на соно-
но работающих эхолоте и доплеровском лаге попе- граммах рис. 3 хорошо видно, что для поддержания
ременно включал и выключал свои навигационную заданных курса и глубины движения аппарат посто-
систему и ряд поисковых систем (два типа гидроло- янно корректирует обороты каждого из трех своих
каторов бокового обзора и профилограф). двигателей. В этой связи АНПА на ходу не является
источником стабильных во времени тональных (дис-
Для всех трех проходов АНПА (первые два со- кретных) составляющих шума, а генерирует шум в
стоят из двух разнокурсных галсов, а третий из од- некоторой области частот.
ного) на рис. 3 представлены временная развертка
величин отсчетов АЦП автономного гидрофонного Аналогичные измерения шумности АНПА
приемного устройства, закрепленного на аппарате, и «ММТ-3000» на скоростях движения 1,7 и 1,2 м/с
были проведены на акватории бухты Патрокл при
Рис. 2. Схема трех проходов АНПА «ММТ-3000» на скорости отключенных навигационной и поисковых системах
2 м/с (интервалы времени проходов: 15:34:30÷15:44:59; аппарата, но при наличии ближнего судоходства.

15:51:10÷16:01:10; 16:07:16÷16:14:06) На рис. 4–6 показаны вычисленные по экспери-
ментальным данным спектры звукового давления
шумоизлучения АНПА «ММТ-3000», формирующи-
еся на его корпусе при скоростях прямолинейного
движения аппарата 2; 1,7 и 1,2 м/с.

Все приведенные спектры на рисунках получены
и с использованием быстрого преобразования Фурье
с частотным разрешением 0,977 Гц, окном Ханнинга
и осреднением по 20 спектрам. Черные кривые на
рисунках – спектр действующей помехи при измере-
ниях сигнала, записанного при медленном всплытии
АНПА и неработающих двигателях.

Из спектров, представленных на рис. 4–6, для
зарегистрированного собственного шумоизлучения
АНПА «ММТ-3000» у его корпуса в исследуемом
диапазоне частот 5−2000 Гц следует:

спектр шума АНПА на его корпусе во всем
диапазоне частот имеет мощную сплошную часть,
величина уровня которой спадает на 4–5 и 9−10 дБ
со снижением скорости движения аппарата от 2 до
1,7 м/с и 1,2 м /с, соответственно;

спектр шума АНПА на его корпусе имеет
частотные области с повышенной величиной спек-
тральных уровней над таковыми сплошной части
спектра (на спектрах «центральные частоты» обла-
стей помечены маркерами);

ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30) 59

СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ПОДВОДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Рис. 3. Временная развертка сигнала гидрофона трех проходов АНПА «ММТ-3000» на скорости
2 м/с и соответствующие развертке сонограммы без осреднения низкочастотной и высокочастотной

частей сигнала

Рис. 4. Спектры звукового давления у корпуса АНПА «ММТ-3000» трех галсов (красная, зеленая и синяя кривые) на скорости 2 м/с в
частотных диапазонах 5−200 и 200−2000 Гц

60 ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30)

СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ПОДВОДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Рис. 5. Спектр звукового давления у корпуса АНПА «ММТ-3000» (синяя кривая) на скорости 1,7 м/с
в частотных диапазонах 5−200 и 200−2000 Гц

Рис. 6. Спектр звукового давления у корпуса АНПА «ММТ-3000» (синяя кривая) на скорости 1,2 м/с в частотных диапазонах 5−200
и 200−2000 Гц

ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30) 61

СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ПОДВОДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Рис. 7. Спектры звукового давления у корпуса АНПА «ММТ-3000» на скорости движения 1,2 м/с в частотных диапазонах 5−200 и 200−2000 Гц
(красная кривая – прямолинейный галс АНПА в 4 м под поверхностью, синяя кривая – прямолинейный галс АНПА в 4 м над дном)

Рис. 8. Спектральные характеристики звукового давления на скорости движения 0 м/с в частотном диапазоне 5−1000 Гц. Синяя кривая –
шум на корпусе АНПА, коричневые кривые – шум в точках акватории, удаленных от АНПА на дистанцию 210 м, 560 и 750 м
соответственно

62 ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30)

СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ПОДВОДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

на всех скоростях движения АНПА спектры составляющая модуляции амплитуды частотных дис-
шума содержат частотные области в районе 16 Гц. крет шума при нахождении гидрофона между корпу-
Причем «центральные частоты» этих областей не- сом и дном.
сколько увеличиваются со снижением скорости
движения аппарата. Очевидно, что источником шу- Значительные уровни шумовой помехи на кор-
моизлучения для этих областей является резонансная пусе АНПА при его движении очевидно могут стать
низкодобротная вибрация корпуса АНПА, частота серьезным препятствием работе высокочувствитель-
которой увеличивается с уменьшением присоеденен- ных приемных систем, например дальней навигации
ной к корпусу массы воды на более низкой скорости и связи. С целью оценки перспектив размещения та-
движения аппарата; ких устройств на борту АНПА дополнительно были
выполнены измерения шумоизлучения при отсут-
при скорости движения АНПА 2 и 1,7 м/с спектр ствии движения в режиме свободного планирования.
шума имеет узкую область вблизи 118 Гц, которая
отсутствует при скорости 1,2 м/с. Идентификация На рис. 8 приведены спектральные характеристи-
источника сигналов в этой области затруднительна; ки звукового давления на корпусе аппарата при скоро-
сти движения 0 м/с в частотном диапазоне 5−1000 Гц
неупомянутые выше частотные области, поме- в сравнении с измеренными синхронно аналогичны-
ченные маркерами на спектрах диапазона 5−200 Гц, ми характеристиками в других точках акватории.
составляют кратный звуковой ряд относительно са-
мой низкой из них. Для скорости движения АНПА Можно заметить, что структура шумового поля в
2 м/с это область с «центральной частотой» 44,79 Гц, различных точках акватории, включая точку с разме-
1,7 м/с – 41,31 Гц, 1,2 м/с – 26,70 Гц. «Центральные щенным АНПА при неработающей системе движе-
частоты» этих областей хорошо коррелируют с ло- ния, практически идентична.
пастными частотами двигателей АНПА при скоро-
стях вращения их валов 896, 826 и 534 об/мин со- ВЫВОДЫ
ответственно, требуемых для достижения АНПА
упомянутых скоростей движения. 1. Собственное шумовое поле на корпусе АНПА
«ММТ-3000» при его движении характеризуется
Следует отметить, что при изменении места из- очень высокими значениями спектральных уровней,
мерения шумоизлучения на корпусе АНПА ход и что существенно затрудняет прием сигналов, близких
уровень в полученных спектральных кривых могут поуровнюкестественнымдинамическимшумамморя.
несколько отличаться от представленных на рис. 4–6.
Такого рода различия будут и при существенных из- 2. Собственное шумовое поле на корпусе АНПА
менениях условий измерения, например близости «ММТ-3000» в режиме планирования не вносит за-
аппарата к отражающим границам (поверхности метных добавок в естественные динамические шумы
и дну). Последнее иллюстрируется рис. 7, где при- штилевого моря.
ведены спектры шумов АНПА при его движении у
поверхности и у дна. На частотах выше 600 Гц наб­ В заключение авторы выражают благодарность
людается эффект снижения уровня шума из-за экра- сотрудникам ТОИ ДВО РАН за предоставленную воз-
нировки гидрофона корпусом АНПА от отражений от можность применить их аппаратуру для проведенно-
поверхности, так как отсуствует интерференционная го исследования, а сотрудникам ИПМТ ДВО РАН –
за подготовку и выполнение работ с использованием
АНПА.

ЛИТЕРАТУРА

1. Горнак В.Е., Инзарцев А.В., Львов О.Ю., Матвиенко Ю.В., Щербатюк А.Ф. ММТ-3000 – новый малогабаритный автономный необи-
таемый подводный аппарат ИПМТ ДВО РАН // Подводные исследования и робототехника. 2007. № 1 (3). С. 12−20.

2. Тагильцев А.А., Безответных В.В., Моргунов Ю.Н., Стробыкин Д.С. Экспериментальное тестирование распределенной вертикальной
автономной приемной системы // Подводные исследования и робототехника. 2019. № 2 (28). С. 47−53.

ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30) 63

СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ПОДВОДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

УДК 621.396.96 10.25808/24094609.2019.30.4.008

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СПЕКТРАЛЬНОГО СОСТАВА
ПОДВОДНОГО ШУМА ДВИЖИТЕЛЯ

НЕОБИТАЕМОГО ПОДВОДНОГО АППАРАТА

А.Н. Захаров, В.Н. Белобловский, С.В. Полищук 198 научно-исследовательский центр
Министерства обороны Российской Федерации1

Целью работы является определение наиболее значимых частотных составляющих подводного шума дви-
жителя необитаемого подводного аппарата «Марлин-350» с использованием программно-аппаратного из-
мерительного комплекса.

Задачами работы являются:
проведение спектрального анализа подводного шума движителя телеуправляемого необитаемого

подводного аппарата «Марлин-350»;
оценка наиболее значимых частотных составляющих и определение источника их возникновения.

Исследованы частотные составляющие подводного шума движителя и показано, что основная гармо-
ническая составляющая звукоряда совпадает с установленным количеством оборотов соответствующего
режима движителя, а последующие составляющие являются кратными основной. Выполнен теоретический
расчет, показавший , что наиболее значимые частотные составляющие в спектре подводного шума аппарата
совпадают с расчетными значениями зубцевой частоты и ее гармоник соответствующих режимов вращения

движителя. Установлено соответствие расчетно-теоретических и экспериментальных результатов.

ВВЕДЕНИЕ обнаружения морских объектов по их шумам, в том
числе и автономных необитаемых подводных аппа-
В настоящее время область применения автоном- ратов. Например, в отечественных публикациях [1,
ных необитаемых подводных аппаратов весьма ши- 2] рассматриваются вопросы обработки сигнала и
рока. С их использованием возросли возможности выявления вально-лопастного звукоряда шумоизлу-
по проведению океанографических исследований, в чения автономного необитаемого подводного аппа-
том числе исследований гидробионтов. Вместе с тем рата в условиях повышенного уровня шумов моря.
подводный аппарат может представлять собой источ-
ник значительного шума, в ряде случаев влияюще- Известно [3, 4], что возникновение шумоизлуче-
го на результат исследований. Как следствие этого, ния от подводного объекта обусловлено вибрацией
необходимой является задача измерения шумов и его механизмов, в частности движительного агрегата
контроля их уровней, а также выявление источников и гребного винта. Автономный необитаемый подво-
возникновения повышенных шумов. дный аппарат, имеющий в своем составе электродви-
житель, как и другие подводные объекты, создает
Для выявления таких источников на морских подводный шум, частотный диапазон и относитель-
объектах традиционно используются вибрацион- ный уровень которого не установлены. Так как коли-
ные измерения. Однако для подводных аппаратов их чество источников возможных шумов у автономного
применение практически невозможно по очевидным необитаемого подводного аппарата по сравнению с
причинам. В этом случае для решения задачи могут корабельными системами ограничено, целесообраз-
быть использованы гидроакустические измерения. но произвести оценку частотных составляющих,
В военной области измерение шумов морских объ- превалирующих в подводном шуме аппарата.
ектов, в том числе надводных кораблей и подводных
лодок, проводится с целью нормирования уровней Для выявления источников подводного шума
подводного шума, что необходимо для их защиты от необитаемого подводного аппарата проведены
неконтактного оружия. Также исследуются вопросы
1 299024, г. Севастополь, ул. Эпроновская, 7. Тел.: +7 (869) 224-01-87,
+7 (978) 817-74-51. E-mail: [email protected], [email protected]

64 ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30)

СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ПОДВОДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

экспериментальные измерения в условиях берегово- усилитель мощности Bruel & Kjaer, type 2713;
го незаглушенного бассейна с использованием про- аналогово-цифровой преобразователь L-Card
граммно-аппаратного измерительного комплекса. E20-10D;
ПЭВМ с набором программ для генерации сиг-
В качестве объекта исследования был выбран налов разных типов в качестве источника сигнала;
движитель телеуправляемого необитаемого подво- ПЭВМ с соответствующим программным
дного аппарата (ТНПА) «Марлин-350» (разработчик обесп­ ечением в качестве устройства для регистра-
ООО «Тетис-Про», РФ). Его конструкция предусма- ции, анализа и обработки сигналов.
тривает наличие бесколлекторного двигателя и пони- Программное обеспечение, поставляемое в ком-
жающего редуктора. Подобные движители широко плекте с аналогово-цифровым преобразователем,
используются в исследовательских автономных не- позволяет проводить спектрально-временной анализ
обитаемых подводных аппаратах, например в «Gavia». принятых сигналов, а также осуществлять экспорт
данных в другие приложения для дальнейшей обра-
Предметом исследования является спектральный ботки.
состав подводного шума движителя указанного аппа- При необходимости в состав комплекса могут
рата. быть включены дополнительные технические сред-
ства, например преобразователи, усилитель мощ-
Целью работы является определение наиболее ности, аналоговый фильтр из состава комплекта
значимых частотных составляющих подводного КИП-10.
шума движителя необитаемого подводного аппарата Для проведения частотно-временного анализа
на примере ТНПА «Марлин-350». акустических сигналов, формируемых работой ме-
ханизмов, используются программы SpectraRTA,
Задачами работы являются проведение спек- SpectraLAB и SpectraPlus, которые позволяют выпол-
трального анализа подводного шума движителя те- нять узкополосный и долеоктавный анализ сигналов
леуправляемого необитаемого подводного аппарата в широком спектре частот долеоктавных фильтров
«Марлин-350», оценка наиболее значимых частот- в соответствии с требованиями ГОСТ [5]. Наряду с
ных составляющих и определение источника их воз- текущим отображением результатов долеоктавного
никновения. анализа программы позволяют отображать текущие
спектрограммы, временные зависимости фазы и дру-
„„ Методика эксперимента гие графические окна как в реальном масштабе вре-
мени, так и в режиме постобработки.
Исследование шумовых «портретов» морских С целью получения высокого отношения сигнал
объектов требует использования современных тех- /помеха измерение спектральных характеристик про-
нических и программных измерительных средств. изводилось в лабораторном бассейне. Размеры бас-
С этой целью на базе отдельных технических и сейна составляли 5,7 × 3,7 × 1,9 м (длина × ширина
программных средств сформирован программно- × глубина), акустическое заглушение в бассейне не
аппаратный измерительный комплекс, позволяю- предусмотрено.
щий осуществлять многоканальный прием гидро­ Уровень шумов в выбранной полосе измерений
акустических сигналов в диапазоне частот от 1 Гц до ограничивается влиянием сетевой помехи. Кроме
470 кГц, их регистрацию и обработку. того, за счет организационных мероприятий, исклю-
чающих возникновение непреднамеренных помех
В процессе формирования программно-аппарат- приему сигналов, соблюдался режим «акустической
ного измерительного комплекса разработаны схемы тишины».
подключения аппаратуры из состава комплекса, про- Схема подключения аппаратуры комплекса пока-
ведены наладочные, калибровочные работы, а также зана на рис. 1.
подобрано программное обеспечение для анализа ги- Выбранные настройки приборов:
дроакустических сигналов. коэффициент усиления ЕС6067– 8 дБ;
входное сопротивление усилителя ЕС6067 –
Состав технических средств комплекса включает: 1 МОм;
гидрофоны (обратимые) Teledyne RESON, входная емкость усилителя ЕС6067– 4,7 нФ;

TC4034 и TC4013;
двухчастотный преобразователь Teledyne

RESON ТС2122;
усилитель зарядовый Teledyne RESON для пье-

зокерамических датчиков (предварительный усили-
тель) EC6067;

усилитель по напряжению Teledyne RESON
EC6081;

ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30) 65

СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ПОДВОДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Рис. 1. Схема включения аппаратуры программно-аппаратного измерительного комплекса в приемный канал

частота среза аналогового фильтра КИП-10 – Анализ частотных составляющих показывает,
что основная гармоническая составляющая зву-
6,4 кГц; коряда совпадает с установленным количеством
коэффициент усиления EC6081– 10 дБ; оборотов соответствующего режима движителя, а
частота дискретизации сигнала – 25 кГц. последующие составляющие являются кратными
основной. На рис. 2 для Nоб = 600 об/мин частотные
Чувствительность приемной характеристики ги- составляющие принимают значения 597, 1790, 2389,
дрофона Reson 4034 на измеряемом участке частот- 2983 Гц и т.д., что указывает на то, что они являются
ной полосы (1–6400 Гц) является практически ли- одним звукорядом. На рис. 3 для Nоб = 800  об/мин
нейной и составляет 221 дБ (±0,5 дБ). частотные составляющие имеют значения 802, 1604,
2406, 3248, 4010, 4812, 5614 Гц. Для сравнения отно-
Режимы работы (число оборотов движителя в сительных энергетических уровней на рис. 2, 3 отме-
минуту) движителя ТНПА задавались с использова- чено значение «сетевой» помехи ≈ 49 Гц. По своим
нием управляющей служебной программы аппарата величинам уровни кратных спектральных составля-
и составляли 200, 400, 600, 800 об/мин. Поддержа- ющих значительно превышают сетевую помеху. Для
ние установленной скорости вращения движителя частоты 4812 Гц превышение составляет не менее
позволило обеспечить необходимое условие стацио- 26 дБ (рис. 2).
нарности принимаемого шумового сигнала, необхо-
димое для спектральной оценки. Работа в указанных Спектральных составляющих, соответствую-
режимах обеспечивалась на протяжении не менее щих «лопастным» частотам, от вращения 6-лопаст-
1 мин, что обусловлено необходимостью получения ного гребного винта (60 Гц для Nоб = 600 об/мин и
достаточного объема данных (отсчетов сигнала) для 80 Гц для Nоб = 800 об/мин) в полученной реализации
последующего анализа. С целью удержания ТНПА не зафиксировано.
на установленном расстоянии от гидрофона (≈ 1 м)
выбирался один из вертикальных движителей. Источником возникновения вибраций в ука-
занном частотном диапазоне до частоты среза филь-
Анализ спектра подводного шума выполнялся с тра являются работающие механизмы со скоростью
помощью стандартной функции быстрого преобра- вращения, превышающей скорость вращения дви-
зования Фурье, входящей в пакет математического жителя (гребного винта) приблизительно в 60 раз.
приложения Matlab 8. Размер выборки составлял Таким механизмом в движителе может быть пони-
32768 значений сигнала. Разрешение по частоте при жающий редуктор и соответственно вышеуказанные
этом составило 0,76 Гц. Усреднение спектра осу- спектральные значения, присутствующие в спектре
ществлялось по всей длине реализации, тип усред- сигнала, могут быть обусловлены его вибрацией.
нения – линейный.
Для определения источника возникновения шума
Результаты спектрального анализа показали на- рассмотрим устройство движителя ТНПА «Мар-
личие устойчивого частотного звукоряда для каждо- лин-350», внешний вид которого показан на рис. 4, а.
го режима работы. Наиболее высокие уровни спек- Движитель состоит из бесколлекторного двигателя и
тральных составляющих проявились на режимах понижающего редуктора, установленного в металли-
работы движителя 600 и 800 об/мин, что свидетель- ческом футляре. Гребной винт, имеющий 6 лопастей,
ствует о выходе движителя на установившийся ре- установлен на ось редуктора с помощью магнитной
жим работы. Графики спектральных характеристик муфты.
шума двигателя представлены на рис. 2, 3 (ось частот
имеет логарифмический масштаб представления).

66 ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30)

СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ПОДВОДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Рис. 2. Спектральная плотность реализации шума движителя телеуправляемого необитаемого подводного аппарата (Nоб = 600 об/мин)

Рис. 3. Спектральная плотность реализации шума движителя ТНПА (Nоб = 800 об/мин)

Внешний вид электродвигателя (тип 393025) и (рис. 5, а). Передача состоит из центрального коле-
редуктора (тип 203113) производства фирмы Maxon, са α с наружными зубьями, центрального колеса b с
Швейцария [6, 7], устанавливаемого в движителе, внутренними зубьями и водила Н, на котором укре-
приведен на рис. 4, б. По своему конструктивно- плены оси сателлитов g, которые вращаются вокруг
му исполнению редуктор является планетарным. своих осей и вместе с осью вокруг центрального ко-
Планетарными называют передачи, включающие леса. При неподвижном колесе b (рис. 5, б) движение
в себя зубчатые колеса с перемещающимися осями может передаваться от α к Н или от Н к α.

ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30) 67

СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ПОДВОДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

а циональные оборотной частоте вращения ротора
(шестерни), так и несинхронные, связанные с ре-
б зонансными процессами и не пропорциональные
Рис. 4. Движитель ТНПА «Марлин-350»: частоте вращения ротора. Вся основная мощность
а   – движитель, вид в сборе; б – электро- в вибросигнале от зубчатой пары сосредоточена в
двигатель и редуктор из состава движителя достаточно высокочастотной области. Импульсное и
кинематическое возбуждения вызывают вибрацию с
В ступени планетарного редуктора формулы рас- частотой зацепления зубьев FZ = Z × FB, где FB – ча-
чета частот, вызванных вращением солнечной ше- стота вращения зубчатого колеса, Z – число зубьев.
стерни Fo, водила Fv, сателлитов Fg и кольцевой ше- Частота вращения, так называемая частота зубоза-
стерни, называемой «корона» Fk,, определяются тем, цепления, и является наиболее информативной со-
какой элемент ступени неподвижен. ставляющей в спектре вибрационного сигнала. Дан-
ная вибрация несинусоидальная, поэтому в спектре
Из теории известно [8], что работу любой зубча- присутствует несколько гармоник этой частоты, и
той пары в редукторе сопровождает целый ряд харак- может достигать единиц или даже десятка килогерц.
терных вибраций, которые обусловлены усилиями, Амплитуда этой гармоники обычно очень чувстви-
сопровождающими передачу вращающего момента тельна к нагрузке, передаваемой через редуктор.
через зону зубозацепления. Интенсивность вибраций, возбуждаемых зубчатыми
передачами, возрастает с увеличением передаваемой
Вибросигналы от зубчатых пар содержат в себе нагрузки и скорости вращения.
как синхронные компоненты (гармоники), пропор-
Вибрации от зубозацепления являются нестаци-
онарными в том плане, что имеют в своем составе
несколько фаз «обкатывания», точнее говоря «про-
скальзывания» зуба по зубу, различающихся у раз-
личных типов зубчатых зацеплений. Каждая из этих
фаз возбуждает колебания своей частоты, не связан-
ной с частотой зубозацепления. Более того, каждый
из зубьев, в силу своих специфических отличий от
других зубьев, генерирует свои частоты. На это на-
кладывается то, что пары «взаимно обкатываемых»
зубьев постоянно меняются, так как шестерни имеют
не одинаковое количество зубцов.

Описанные особенности приводят к появлению
в вибрации неоднородного «белого шума» вблизи
частоты зубозацепления, под которым понимается
смесь колебаний различных частот.

В спектрах вибраций передач основными инфор-
мационными частотами, характеризующими состоя-
ние передачи, являются частота FZ и частоты n × FZ,
где п = 2, 3 и т. д., а также комбинационные частоты
F = FZ ± k × FВ, где k – целое число; характеризую-
щее амплитудную модуляцию колебаний с частотой
зацепления.

Для редуктора рассматриваемого типа имеет ме-
сто случай неподвижной «короны», соответственно
выражения для расчета этих частот имеют вид [9]:

аб Fv=FoZo/2(Zo+Zg), (1)
Рис. 5. Схематическое размещение колес в планетарной передаче Fg=(Fo-Fv)Zo/Zg, (2)
Fz=(Fo-Fv)Zo=FgZg=FvZk, (3)
68 ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30)

СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ПОДВОДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Расчетные данные частот вибрации редуктора

Количество Количество оборотов Частота вращения, Гц
оборотов на на выходном валу
входном валу редуктора Fоб, водило Fv сателлитов Fg зубчатая Fz модуляционная
редуктора, мин/с n×Fz+n×Fоб
3,4286 8,6460 198,8 n×Fz-n×Fоб
мин/с 200 / 3,33 6,8571 17,2919 397,7
10,2857 25,9379 596,6 219; 438; 656; 875
1200 / 20 400 / 6,66 13,7143 34,5839 795,4 179; 378; 536; 715

2400 / 40 600 / 10 437; 875 1313; 1751
358; 715; 1073; 1431
3600 / 60 800 / 13,33
656; 1313; 1970; 2626;
4800 / 80 536; 1073; 1610; 2146

875; 1751; 2626; 3502;
715; 1431; 2146; 2862;

где, Zo – количество зубцов «солнечной» шестерни; ющем звукопоглощающих покрытий. В ходе измере-
Zg – количество зубцов «сателлита»; Zk – количество ний расстояние между гидрофоном и движителем
зубцов «короны». составляло примерно 1 м, что, с учетом фактической
геометрии источника звука, соответствует условиям
Число зубцов шестерен указанного редукто- сформированного поля дальней зоны в выбранном
ра имеет значения равные Zo=12 для «солнечной», частотном диапазоне измерений.
Zg = 23 для «сателлита» и Zk = 60 для «короны».
Коэффициент понижения редуктора составляет 6 : 1. Анализ результатов экспериментальных иссле-
дований акустических характеристик бассейна,
По формулам (1)–(3) в зависимости от скорости полученных на этапе настроечных и проверочных
оборотов вала электродвигателя/движителя произ- работ программно-аппаратного измерительного ком-
ведены расчеты частот вращения «водила», «сател- плекса, показывает, что при неизменном расстоянии
лита» и частоты зубозацепления, значения которых между гидрофоном и движителем порядка 1 м, в
указаны в таблице. рассмотренном диапазоне частот, фактический раз-
брос данных не превышает 3 дБ вне зависимости от
Как видно из таблицы, частоты оборотов движи- расположения пары движитель – гидрофон относи-
теля практически совпадают с частотами зацепления тельно отражающих поверхностей бассейна. Данное
соответствующих режимов, которые присутствуют в утверждение подкрепляет достоверность получен-
спектрах рис. 2 и 3. Незначительные различия в зна- ных результатов.
чениях расчетных и полученных частот объяснимы
погрешностью при установке режимов работы дви- Рис. 6. Уровни шума редуктора, имеющего зубчатые пе-
жителя в управляющей программе. Локальные подъ- редачи из2 р–асзтлиалчньы–кхапмраотне; р3и–алкаопвр: о1н–к–апсртональ–сталь;
емы уровня спектра вблизи частоты зубозацепления
и ее гармоник, очевидно, относятся к «белому шуму»,
описанному ранее.

Изменение режима работы движителя от полного
хода до малого приводит к перераспределению мощ-
ности шумоизлучения с периодических компонент с
дискретным спектром на случайные компоненты со
сплошным спектром.

Характер изменения огибающей полученного ча-
стотного спектра в целом совпадает с данными [10],
согласно которым распределение частот спектра для
пары зубчатых шестерней «сталь–сталь» показано на
рис. 6.

Отдельно стоит отметить представительность ре-
зультатов измерений, полученных в бассейне, не име-

ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30) 69

СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ПОДВОДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Совпадение расчетных и экспериментальных
данных позволяет использовать сформированный
Исследование подводного шума движителя программно-аппаратный измерительный комплекс
ТНПА «Марлин-350» показало, что источником наи- в условиях берегового незаглушеного бассейна для
более значимых частотных составляющих шума яв- изуч­ ения шумовых характеристик других необитае-
ляется планетарный редуктор. мых подводных аппаратов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Колмогоров В.С., Викторов Р.В., Шпак С.А., Пономарев М.О. О возможности выявления вально-лопастного звукоряда шумоизлу-
чения подводного аппарата в условиях повышенного уровня шумов моря» // Материалы 6-й Всерос. науч.-техн. конф. «Технические пробле-
мы освоения Мирового океана». Владивосток, 2015. С. 294−298.

2. Колмогоров В.С., Викторов Р.В., Москаленко Э.В., Шпак С.А. Использование адаптивной обработки сигнала при контроле шумоиз-
лучения подводного аппарата // Материалы 5-й Всерос. науч.-техн. конф. «Технические проблемы освоения Мирового океана». Владивосток,
2013. C. 400−403.

3. Урик Р.Дж. Основы гидроакустики: пер. с англ. Л.: Судостроение, 1978. 448 с.
4. Евтютов А.П., Колесников А.Е., Ляликов А.П. Справочник по гидроакустике. Л.: Судостроение, 1982. 552 с.
5. ГОСТ Р 8.714-2010 (МЭК 61260:1995) ГСИ. Фильтры полосовые октавные и на доли октавы. Технические требования и методы
испытаний. Национальный стандарт Российской Федерации.
6. Maxon. Motor data – key information, maxon’s product range at a glance. – URL: https://www.maxonmotor.com/maxon/view/product/
motor/ecmotor/ec/ec40/393025 (дата обращения: 20.04.2019).
7. Maxon. Gear data – key information, maxon’s product range at a glance. – URL: https://www.maxonmotor.com/maxon/view/product/gear/
planetary/gp42/203113 (дата обращения: 20.04.2019).
8. Диагностика дефектов вращающегося оборудования по вибрационным сигналам» 2012 г. – URL: http://vibrocenter.ru/demo/
vibro2012_3.pdf (дата обращения: 25.06.2019).
9. Северо-западный учебный центр. Вибродиагностика дефектов механических передач. – URL: http://vibro-expert.ru/vibrodiagnostika-
defektov-mexanicheskix-peredach.html (дата обращения: 25.06.2019).
10. Болгов В.М., Плахов Д.Д., Яковлев В.Е. Акустические шумы и помехи на судах. Л.: Судостроение, 1984. 192 с.

70 ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30)

РЕФЕРАТЫ разработке ПП учитывался опыт ИПМТ ДВО РАН в
создании и эксплуатации широкого спектра средств
УДК 62-529 подводной робототехники. Ключевой особенностью
DOI: 10.25808/24094609.2019.30.4.001 ПП является использование децентрализованного асин-
Ключевые слова: телеуправляемый необитаемый хронного событийно-ориентированного режима обмена
подводный аппарат, глубоководные исследования, мор- специализированными пакетами данных (сообщения-
ская экспедиция, мониторинг морских донных экоси- ми) между всеми программными компонентами МРК.
стем, подводные операции, навигационный комплекс, Помимо этого ПП предоставляет ряд средств, облегча-
программное обеспечение. ющих проектирование, наладку и эксплуатацию систем
Коноплин А.Ю., Денисов В.А., Даутова Т.Н., Куз- управления (визуализация информационного трафика в
нецов А.Л., Московцева А.В. ТЕХНОЛОГИЯ ИС- системе, логирование и постобработка потоков данных,
ПОЛЬЗОВАНИЯ ТНПА ДЛЯ КОМПЛЕКСНОГО ИС- реконфигурирование программного обеспечения, симу-
СЛЕДОВАНИЯ ГЛУБОКОВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ  ляция работы отдельных компонентов МРК). В статье
// Подводные исследования и робототехника. 2019. рассматривается «философия» построения ПП, обсуж-
№ 4 (30). С. 4–12. даются особенности организации и функционирования
Статья посвящена технологии использования те- ее компонентов.
леуправляемого необитаемого подводного аппарата
(ТНПА) рабочего класса «Comanche 18», позволяющей УДК 681.883.67.001:621.396.677
эффективно выполнять глубоководные исследователь- DOI: 10.25808/24094609.2019.30.4.003
ские операции в условиях сильных придонных тече- Ключевые слова: взаимодействующие АНПА,
ний и сложного рельефа подводных гор. Приведены групповое управление, обучение с подкреплением, па-
особенности планирования подводных работ, пилоти- трулирование.
рования ТНПА, организации погружений и взаимодей- Спорышев М.С., Щербатюк А.Ф. О НЕКОТОРЫХ
ствий с экипажем судна-носителя. Описаны созданные АЛГОРИТМАХ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ ПАТРУЛИРОВА-
средства пробоотбора, обеспечивающие качественный НИЯ ПОДВОДНОЙ СРЕДЫ С ПОМОЩЬЮ ГРУППЫ
сбор научного материала, а также разработанное про- ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ АНПА // Подводные ис-
граммное обеспечение, предназначенное для интеллек- следования и робототехника. 2019. № 4 (30). С. 21–26.
туальной и информационной поддержки деятельности Работа посвящена задаче патрулирования области
операторов ТНПА. В статье приведены результаты в подводной среде с помощью группы автономных не-
комплексных исследований экосистем океанических обитаемых подводных аппаратов (АНПА). Рассмотре-
поднятий на примере гайотов и гор Императорского на децентрализованная стратегия, допускающая обмен
хребта (северная часть Тихого океана), выполненных информацией между аппаратами с возможной потерей
с помощью ТНПА «Comanche 18 в глубоководной на- данных и учитывающая сложности сетевого взаимо-
учно-исследовательской экспедиции Национального действия в подводной среде. Исследованы алгоритмы
научного центра морской биологии в Тихом океане в на основе методов обучения с подкреплением. Прове-
2019 г. ден сравнительный анализ. Описаны результаты моде-
лирования работы предложенных алгоритмов в среде
УДК 004.896+629.58+001.891.57 OpenAI gym.
DOI: 10.25808/24094609.2019.30.4.002
Ключевые слова: программная платформа, УДК 551.46.077:629.584
межпроцессорное взаимодействие, морской роботизи- DOI: 10.25808/24094609.2019.30.4.004
рованный комплекс (МРК), необитаемый подводный Ключевые слова: автономный необитаемый под-
аппарат (НПА), децентрализованная система управле- водный аппарат, групповая работа, групповая (коллек-
ния, программный компонент, логирование данных, ка- тивная) навигация, гидроакустическая навигационная
нал связи. система, гидроакустический модем.
Елисеенко Г.Д., Инзарцев А.В., Павин А.М. ПРО- Ваулин Ю.В., Дубровин Ф.С., Щербатюк Д.А.,
ГРАММНАЯ ПЛАТФОРМА ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ РАС- Щербатюк А.Ф. О МЕТОДАХ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НА-
ПРЕДЕЛЕННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ МОРСКИХ ВИГАЦИИ ГРУПП АНПА: КРАТКИЙ ОБЗОР // Под-
РОБОТИЗИРОВАННЫХ КОМПЛЕКСОВ // Подводные водные исследования и робототехника. 2019. № 4 (30).
исследования и робототехника. 2019. № 4 (30). С. 13–20. С. 27–36.
Описывается программная платформа (ПП), ис- Приведен обзор подходов, предназначенных для
пользуемая при проектировании систем управления решения задач навигации групп АНПА. Даются опи-
для морских роботизированных комплексов (МРК), в сания методов навигации на основе асинхронных и
том числе имеющих распределенную структуру. При синхронных ГАНС, раскрываются особенности таких

ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30) 71

методов применительно к группам АНПА. Рассмотре- Изложены физические основы информационной
ны современные подходы, в основе которых лежит идея технологии обработки звукового поля, основанной на
организации информационного взаимодействия АНПА двукратном преобразовании Фурье интерференцион-
друг с другом с целью обеспечения навигации группы в ной картины, формируемой широкополосным источ-
целом. Отмечено, что одним из приоритетных является ником звука в точке размещения приемной системы.
подход, предполагающий наличие в группе одного или Рассмотрено применение обработки в области локали-
нескольких АНПА, оснащенных полным комплектом зации малошумных источников.
навигационных датчиков с целью высокоточного опре-
деления их местоположения. Относительное положение УДК 534.232:534.8
остальных аппаратов в группе вычисляется на основе DOI: 10.25808/24094609.2019.30.4.007
дальностей до выделенных АНПА. Обсуждены вопро- Ключевые слова: шумоизлучение, автономные
сы применения автономных необитаемых водных аппа- подводные роботы, экспериментальные исследования,
ратов, выполняющих функцию мобильных маяков, для акустические сигналы, спектральные характеристики.
навигации групп АНПА и алгоритмы формирования их Хворостов Ю.А., Матвиенко Ю.В. ХАРАКТЕРИ-
траекторий для повышения точности навигации груп- СТИКИ СОБСТВЕННОГО ШУМОИЗЛУЧЕНИЯ МА-
пы АНПА. Раскрываются достоинства и недостатки ЛОГАБАРИТНОГО АНПА // Подводные исследования
каждого из подходов. и робототехника. 2019. № 4 (30). С. 58–63.
Представлены результаты экспериментальных ис-
УДК 534.2, 534.23 следований уровня собственного шума АНПА «ММТ-
DOI: 10.25808/24094609.2019.30.4.005 3000» в частотном диапазоне от 5 до 2000 Гц, формиру-
Ключевые слова: несамосопряженная модельная ющегося на корпусе аппарата при различных режимах
постановка, обобщенные нормальные волны, инвари- и условиях движения. Установлено, что собственное
ант, мягкий экран, комбинированный приемник. шумовое поле на корпусе аппарата при его движении
Касаткин Б.А., Злобина Н.В., Касаткин С.Б. ПО- характеризуется очень высокими значениями спек-
ГРАНИЧНЫЕ ВОЛНЫ В ПРОБЛЕМЕ ОБНАРУЖЕ- тральных уровней, что существенно затрудняет прием
НИЯ ПОДВОДНЫХ ИСТОЧНИКОВ ШУМА // Под- сигналов, близких по уровню к естественным динами-
водные исследования и робототехника. 2019. № 4 (30). ческим шумам моря, а в режиме планирования не вно-
С. 37–48. сит заметных добавок в естественные динамические
Приведен краткий обзор методов обнаружения шумы штилевого моря.
подводных источников шума и критический анализ
возможной дальности их обнаружения. Обсуждаются УДК 621.396.96
дискуссионные вопросы адекватности классической DOI: 10.25808/24094609.2019.30.4.008
трактовки приграничного (приповерхностного или Ключевые слова: измерительный комплекс, спек-
придонного) распространения звуковых волн и влия- троанализатор, необитаемый подводный аппарат, ча-
ния мягкого экрана на процесс обнаружения шумовых стотно-временной анализ, частота зацепления зубьев.
источников. Изложена альтернативная точка зрения, Захаров А.Н., Белобловский В.Н., Полищук С.В.
основанная на использовании несамосопряженной мо- ОПРЕДЕЛЕНИЕ СПЕКТРАЛЬНОГО СОСТАВА ПОД-
дельной постановки граничных задач в акустике сло- ВОДНОГО ШУМА ДВИЖИТЕЛЯ НЕОБИТАЕМОГО
истых сред. Приведены примеры дальнего распростра- ПОДВОДНОГО АППАРАТА // Подводные исследова-
нения звуковых волн, обусловленного возбуждением ния и робототехника. 2019. № 4 (30). С. 64–70.
пограничных волн обобщенного типа комплексным Целью работы является определение наиболее
угловым спектром источника. Приведены примеры ис- значимых частотных составляющих подводного шума
пользования комбинированного приемника в мелком движителя необитаемого подводного аппарата «Мар-
море в инфразвуковом диапазоне частот и оценки его лин-350» с использованием программно-аппаратного
помехоустойчивости как перспективного приемника измерительного комплекса.
шумовых сигналов инфразвукового диапазона. Задачами работы являются:

УДК 542.34 проведение спектрального анализа подводного
DOI: 10.25808/24094609.2019.30.4.006 шума движителя телеуправляемого необитаемого под-
Ключевые слова: интерферометрия, океанический водного аппарата «Марлин-350»;
волновод, локализация шумового источника, скаляр-
но-векторные приемники. оценка наиболее значимых частотных составля-
Кузькин В.М., Матвиенко Ю.В., Переселков С.А. ющих и определение источника их возникновения.
ПРИМЕНЕНИЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКОЙ ОБ-
РАБОТКИ ДЛЯ ЛОКАЛИЗАЦИИ МАЛОШУМНЫХ Исследованы частотные составляющие подво-
ИСТОЧНИКОВ ЗВУКА // Подводные исследования и дного шума движителя и показано, что основная
робототехника. 2019. № 4 (30). С. 49–57. гармоническая составляющая звукоряда совпадает с

72 ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30)

установленным количеством оборотов соответствую- IMTP FEB RAS in marine industry was taken into account
щего режима движителя, а последующие составляю- when developing this software. A key feature of SP is the
щие являются кратными основной. Выполнен теоре- use of a distributed asynchronous event-oriented mode for
тический расчет, показавший, что наиболее значимые data packets exchange (called messages) between all soft-
частотные составляющие в спектре подводного шума ware components of marine robotic systems. In addition,
аппарата совпадают с расчетными значениями зубцевой the software provides a number of tools that facilitate the
частоты и ее гармоник соответствующих режимов вра- design, adjustment and operation of control systems (vis-
щения движителя. Установлено соответствие расчет- ualization of information traffic in the system, logging and
но-теоретических и экспериментальных результатов. post-processing of data flows, reconfiguration of software,
simulation of the selected components operation). The ar-
ABSTRACTS ticle considers the “philosophy” of SP building, discusses
the features of the organization and functioning of its com-
Key words: remotely operated underwater vehicle, ponents.
deep-sea research, sea expedition, monitoring of marine
bottom ecosystems, underwater operations, navigation Key words: cooperative AUVs, group control, rein-
system, software. forcement learning, patrolling.

Konoplin A.Yu., Denisov V.A., Dautova T.N., Sporyshev M.S., Shcherbatyuk A.F. ABOUT SOME
Kuznetsov A.L., Moskovtseva A.V. TECHNOLOGY OF ALGORITHMS FOR THE SOLUTION OF THE
TECHNOLOGY OF THE ROV USING FOR COM- PROBLEM OF PATROLING UNDERWATER ENVI-
PREHENSIVE RESEARCH OF DEEP-SEA ECOSYS- RONMENT BY USING A GROUP OF INTERACTING
TEMS // Underwater Investigations and Robotics. 2019. OF AUV // Underwater Investigations and Robotics. 2019.
No. 4 (30). P. 4–12. No. 4 (30). P. 21–26.

The paper is devoted to the technology of the The problem of patrolling the area in an underwater
working-class remotely operated underwater vehicle environment using a group of autonomous uninhabited un-
(ROV) “Comanche 18” usage. This technology provides derwater vehicles (AUV) is considered. When solving this
efficiently performing of deep-sea research operations problem for the underwater environment, some additional
in extreme conditions of strong bottom currents and issues arise that make the task computationally expensive
complex topography of seamounts. Features of the un- and inaccessible to exact optimization methods. We consid-
derwater operations planning, ROV operating and and in- er one of the approximate approaches, which has become
teractions with control center on the carrier vessel are pre- increasingly popular in recent years - reinforced learning.
sented. Created sampling tools are described that provide The patrolling process is formulated as a Markov decision
high-quality collection of scientific material. The developed process (MDP). A decentralized strategy is considered that
software designed for intellectual and informational support allows the exchange of information between vehicles with
of ROV operators activities of is also described. possible data loss and takes into account the difficulties of
network interaction in the underwater environment. We
The paper describes the results of comprehensive re- compare several reinforcement learning approaches and
search of marine ecosystems of mountains of the Emperor provide results of simulated experiments for the proposed
Chain (northern part of the Pacific Ocean). These studies algorithms in the OpenAI gym environment.
were carried out with the help of the ROV “Comanche 18”
in the deep-sea research expedition of the National Research Key words: autonomous underwater vehicle (AUV),
Center for Marine Biology in the Pacific Ocean in 2019. group work, group (collective) navigation, sonar navigation
system, sonar modem.
Key words: software platform, inter-process com-
munication, marine robots, unmanned underwater vehicle Vaulin Yu.V., Dubrovin F.S., Shcherbatyuk D.A.,
(UUV), decentralized control system, software component, Shcherbatyuk A.F. ABOUT AUVS GROUP NAVIGA-
data logging, communication link. TION METHODS: SHORT REVIEW // Underwater In-
vestigations and Robotics. 2019. No. 4 (30). P. 27–36.
Eliseenko G.D., Inzartsev A.V., Pavin A.M. SOFT-
WARE PLATFORM FOR THE DEVELOPMENT OF A review of approaches designed to solve the problems
DISTRIBUTED CONTROL SYSTEMS IN MARINE of navigating AUV teams is given. Descriptions of navi-
ROBOTICS // Underwater Investigations and Robotics. gation methods based on asynchronous and synchronous
2019. No. 4 (30). P. 13–20. HANS are given, the features of such methods with respect
to AUV groups are revealed. Modern approaches are con-
The software platform (SP) used in the design of con- sidered, which are based on the idea of o​​ rganizing AUA in-
trol systems for marine robotics, including those with a formation interaction with each other in order to ensure the
distributed structure, is being described. The experience of navigation of the group as a whole.

ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30) 73