Исследование коэффициента прохождения сферических звуковых волн из воды в воздух тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ

^ На правах рукописи

Волощенко Александр Петрович

ИССЛЕДОВАНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПРОХОЖДЕНИЯ СФЕРИЧЕСКИХ ЗВУКОВЫХ ВОЛН ИЗ ВОДЫ В ВОЗДУХ

Специальность 01.04.06 - Акустика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 Ш 2015

Таганрог - 2015 г.

005570490

005570490

Работа выполнена в ФГАОУ ВО «Южный федеральный университет», институт нанотехнологий, электроники и приборостроения, кафедра электрогидроакустической и медицинской техники

Научный руководитель:

Доктор технических наук, профессор Тарасов Сергей Павлович

Официальные оппоненты:

Каевицер Владилен Иосифович, доктор технических наук, Фрязинский филиал ФГБУН Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, заместитель директора по научной работе.

Раскита Максим Анатольевич, кандидат технических наук, ООО КБМЭ «Вектор», старший научный сотрудник.

Ведущая организация:

ОАО «Акустический институт имени академика H.H. Андреева»

Защита состоится «гч» 2015 г. в ГЧдор на заседании

диссертационного совета Д 212.208.23 при ФГАОУ ВО «Южный федеральный университет» по адресу: г. Таганрог, ул. Шевченко, 2, к. Е, ауд. Е-306.

С диссертацией можно ознакомиться в зональной научной библиотеке ЮФУ имени Ю.А. Жданова, расположенной по адресу: 344103, г. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, д. 148, и на сайте ЮФУ по адресу http://hub.sfedu.ru/diss/announcement/4f6ccfa0-04b7-4f25-a8d4-001ab08d2bfl/

Автореферат разослан «б » см-о/^Х 2015 г. Ученый секретарь дисседгаццонного совета Д 212.208.23

Старченко Ирина Борисовна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Вопросы распространения звука вблизи границ раздела сред с разными волновыми сопротивлениями являются одними из ключевых в акустике. Граница раздела вода-воздух препятствует передаче акустического давления между этими средами т.к. по своим акустическим свойствам близка к идеально отражающей. Началом активных исследований вопроса связи акустических полей в водной и воздушной среде можно считать середину 20-го века. Именно в то время появились первые теоретические работы авторов Е. Оециоу и Л.М. Бреховских, позволяющие качественно и количественно описать законы прохождения акустических волн из воздуха в воду и наоборот. Практический интерес к изучению волновых процессов на границе раздела вода-воздух был связан с шумами, создаваемыми вертолетами, винтовыми самолетами, сверхзвуковым транспортом и т.д. Исследовались способы акустического обнаружения и измерения дальности до самолета с подводной платформы, а также возможное негативное влияние данных шумов на морскую флору и фауну. Поэтому основные теоретические и экспериментальные исследования прохождения звука через границу раздела, сосредотачивались на изучении акустического поля в воде, которое образуется в результате действия воздушных источников. Изучению формирования акустического поля в воздухе благодаря мощным подводным источникам, уделялось гораздо меньше внимания. Это связанно с тем, что согласно общепринятому мнению, прохождение акустического давления через границу раздела вода-воздух крайне мало и определяется только соотношением акустических импедансов соприкасающихся сред. Эти утверждения опираются на анализ отражения плоских волн и подтверждаются лучевой теорией в случае точечного источника звука. Однако лучевая теория, представляя частный случай волновой, не применима на расстояниях меньше длины волны от источника при рассмотрении прохождения из воды в воздух сферической или цилиндрической акустической волн, а значит, не учитывает некоторые особенности, которые могут существенно повлиять на результат рассматриваемого явления и стать причиной существенного увеличения коэффициента прохождения акустических волн из воды в воздух.

Цель работы. Целью диссертационной работы являются теоретические и экспериментальные исследования условий повышения коэффициента прохождения по давлению акустических волн через плоскую границу раздела вода-воздух, а также влияния неоднородных плоских волн, сопровождающих

з

излучение сферического источника в воде при заглублении его в пределах длины волны излучаемого сигнала, на коэффициент прохождения.

Задачи исследования. Исходя из проведенного анализа, в работе решаются следующие задачи:

- теоретические исследования увеличения коэффициента прохождения по давлению сферических акустических волн через границу раздела вода-воздух, при расположении излучателя в воде на расстояниях от границы в-пределах длины волны;

- математическое описание распространения неоднородной плоской волны от точечного и сферического источника и преломления при прохождении ее из воды в воздух;

- вывод выражения для вычисления и расчет скорости распространения неоднородных плоских волн в воде;

- физическое обоснование особенностей распространения и прохождения сферических акустических волн через границу раздела вода-воздух;

- экспериментальные измерения зависимости коэффициента прохождения по давлению сферических акустических волн через границу раздела вода-воздух от частоты излучаемого сигнала; от глубины расположения источника относительно границы; от волновых размеров источника; от расположения точки наблюдения;

- разработка методики измерения коэффициента прохождения по давлению акустических сферических волн через границу раздела вода-воздух с учетом влияния неоднородных плоских волн;

- разработка новых подходов и принципов передачи информации из воды в воздух посредствам акустических волн.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы экспериментальных исследований в лабораторных условиях гидроакустического бассейна, а также теоретические исследования в программных средах МаШСАБ и 1Х}гарЬ2.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1) Теоретически исследован коэффициент прохождения по давлению акустических сферических волн через плоскую границу раздела вода-воздух. Математически описаны и физически обоснованы: путь распространения неоднородной плоской волны от источника до границы раздела вода-воздух и закон преломления неоднородной плоской волны при прохождении ее из воды в воздух. Доказано влияние волнового расстояния от источника до границы раздела двух сред на уровень акустического поля в воздухе.

2) Получены результаты измерения зависимости коэффициента прохождения по давлению акустической сферической волны через границу раздела вода-воздух от частоты излучаемого сигнала, от глубины расположения источника относительно рассматриваемой границы. Показано, что увеличение коэффициента прохождения при расположении источника на расстоянии меньше длины волны от границы раздела происходит из-за влияния неоднородных плоских волн, и объясняется улучшением условий согласования волновых сопротивлений граничащих сред.

3) На основе результатов, полученных в ходе теоретических и экспериментальных исследований, разработаны новые подходы и принципы передачи информации из воды в воздух по акустическому каналу связи.

Практическая значимость. Повышение коэффициента прохождения по давлению для сферических акустических волн через границу раздела вода-воздух в диапазоне низких звуковых и инфразвуковых частот может иметь важные следствия в целом ряде геофизических, биологических и прикладных проблем в виде:

- принципов, объясняющих причины негативного влияния генерируемого под водой инфразвука на самочувствие и работоспособность экипажей морских судов и жителей прибрежных городов;

- методик оценки воздействия генерируемого под водой инфразвука на физические и химические процессы в атмосфере;

- способов обнаружения и изучения с летательных аппаратов морских животных, использующих акустические волны для общения и навигации и осуществления связи между подводными и воздушными объектами по акустическому каналу на низких звуковых и инфразвуковых частотах;

- методов определения и контроля параметров соприкасающихся сред в целях экологического мониторинга, на основе измерения коэффициента прохождения по давлению;

- принципов регистрации сейсмотектонических подвижек и подводных землетрясений, сопровождающихся низкочастотными звуковыми и инфразвуковыми волнами, которые ' при определенных условиях могут проходить из водной среды через границу раздела в атмосферу;

- способов мониторинга и оценки энергии мощных подводных взрывов путем инфразвуковых измерений в атмосфере.

На защиту выносятся следующие научные положения и результаты:

1. Теоретическая модель, в основу которой положены выражения для вычисления коэффициента прохождения по давлению через границу раздела

вода-воздух для сферических акустических волн, а также — скорости и пути распространения неоднородных плоских волн от источника до границы раздела, позволившая провести анализ причин возрастания коэффициента прохождения при расположении сферического источника на глубинах меньших длины волны и предложить адекватное объяснение сущности изучаемого явления.

2. Физическое обоснование увеличения коэффициента прохождения по давлению сферических акустических волн через границу раздела вода-воздух при расположении сферического источника на глубинах меньше длины волны от поверхности, заключающееся в том, что возрастание прозрачности границы при приближении к ней источника происходит благодаря улучшению условий согласования волновых сопротивлений граничащих сред.

3. Результаты экспериментальных исследований зависимости коэффициента прохождения по давлению акустических волн, излучаемых сферическим источником через границу раздела вода-воздух от частоты излучаемого сигнала, от пространственного расположения источника и точки наблюдения относительно границы, от волновых размеров источника.

4. Новые подходы и принципы передачи информации и связи с помощью акустических волн между корреспондентами в водной и воздушной среде.

Внедрение и практическое использование результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы в научных исследованиях и разработках ГНЦ ФГУГП «Южморгеология» и Санкт-Петербургского филиала ИО РАН, а также внедрены в учебный процесс подготовки студентов ФГАОУ ВО «Южный федеральный университет».

Достоверность результатов работы. Достоверность научных результатов, полученных в работе, обусловлена согласованностью экспериментальных и теоретических результатов, полученных автором с результатами других исследователей.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы обсуждались на различных конференциях и семинарах: 11-й и 13-й Международный научно-практический семинар «Практика и перспективы развития партнерства в сфере высшей школы», Таганрог, 2010 г. и 2012 г.; XV и XVI Всероссийская научно-техническая конференция студентов, молодых ученых и специалистов «НИТ». Рязань, 2010 г. и 2011 г.; II школа-семинар «Молодежно-студенческие разработки и творческие проекты для исследования и освоения прибрежно-шельфовых зон юга России». Геленджик, 2011 г.; 12-й Международный научно-практический семинар «Практика и перспективы развития партнерства в сфере

высшей школы». Донецк, 2011 г.; XIII школа-семинар им. акад. Л.Б. Бреховских «Акустика океана», совмещенной с XXIII сессией РАО. Москва,

2011 г.; Научная конференция «Сессия научного совета РАН по акустике и XXIV РАО». Москва, 2011 г.; XI Всероссийская конференция «ГА». Санкт-Петербург, 2012 г.; Международный молодежный конкурс научно-исследовательских работ «ПРОГРЕСС». Таганрог, 2012 г.; 10-я Международная научно-техническая конференция «ФРЭМЭ». Суздаль, 2012 г.; Научная конференция «Сессия Научного совета РАН по акустике и XXV РАО». Москва,

2012 г.; XII Всероссийская научно-техническая конференция «МИС». Таганрог, 2012 г.; 7-я Всероссийская научная конференция «Экология 2013 - море и человек». Таганрог, 2013 г.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 19 печатных работ, включая 7 статей, в журналах, рекомендованных ВАК России для опубликования научных результатов диссертаций и 12 тезисов докладов. Кроме того 1 статья опубликована в издании, входящем в список Scopus и Web of Science.

Струкггура н объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемых источников. Общий объем диссертации 187 страниц и содержит 61 рисунок и 1 таблицу. Список использованных источников включает 186 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении диссертации обоснована актуальность темы, приведены ее цель, основные задачи, научная новизна и практическая значимость, а также сведения об апробации и структуре диссертации.

В первой главе проведен обзор литературных источников по исследованию вопроса связи акустических полей в водной и воздушной средах. Рассмотрено прохождение акустических волн из воздуха в воду и наоборот. Показано, что процесс прохождения акустических волн из воздуха в воду теоретически и экспериментально исследован гораздо глубже, чем процесс прохождения акустических волн из воды в воздух. Отмечено что, созданная в середине прошлого века математическая модель Л.М. Бреховских, показала теоретическую возможность существенного увеличения прозрачности для акустического сигнала границы раздела вода-воздух. Требовалось экспериментальное подтверждение данной математической модели для выяснения физической сущности явления и оценки перспектив практического использования его для передачи информации из воды в воздух. На основе проведенного анализа сформулированы задачи исследований.

Вторая глава посвящена теоретическим исследованиям прохождения сферических акустических волн через плоскую границу раздела вода-воздух.

Описан процесс прохождения плоской и сферической акустической волны через плоскую границу раздела двух сред. Исследование сферической акустической волны осуществляется через разложение ее по плоским волнам и дальнейший анализ методом перевала.

Рассмотрена математическая модель JI.M. Бреховских, показывающая что, звуковой потенциал в воздухе Ф создается двумя компонентами Ф1 и Ф2. Первая компонента Ф1 получается в результате анализа методом перевала уравнения для звукового потенциала прошедшей в воздух сферической акустической волны.

. г г0 nD 1

i Л-'

Jx(z0 sin~3a — —D sirr^aA (jnsina + nsinax)

si гг/?г

__

Ф _ _ gik 1« * z „^jn^cos^p^- 1

R

n sinpi + i rt^¡n2cos2[i1 - 1 i

+-

+

(2)

ш(1 - n2)fc R

где х — расстояние между приемником и источником в горизонтальной плоскости, к — волновое число, D — высота расположения приемника, а - угол скольжения падающей плоской однородной волны, ai — угол скольжения преломленной плоской однородной волны, Zo - глубина расположения источника, R = Vx2 +D2, pi - угол скольжения однородной плоской волны, трансформировавшейся из неоднородной плоской волны.

Вторая компонента Ф2 учитывает возникновение волны нового типа. Путь новой волны от источника к приемнику существенно отличается от пути однородной плоской волны, построенной по законам геометрической акустики. Неоднородные плоские волны, спадающие в направлении распространения, падают на границу раздела сред и создают в воздушной среде однородные плоские волны, бегущие под всеми углами скольжения (cos Д > i, где п -коэффициент преломления). Необходимо отметить, что неоднородные плоские волны присутствуют в разложении, излученной источником О сферической волны.

Поскольку в задачи исследований входит получение количественных характеристик прозрачности границы, которые подлежат сравнению с результатами эксперимента, в диссертации сосредоточено внимание на

получении выражения и исследовании коэффициента прохождения по давлению сферических акустических волн через границу раздела вода-воздух. Коэффициент прохождения по давлению определяется по формуле

(3)

где р - акустическое давление в точке в воздухе при наличии границы раздела сред, ра - акустическое давление в то же точке в воздухе при отсутствии границы раздела сред.

Давление в воздухе р складывается из двух частей. Основной член это уравнение (1), описывающее значение звукового потенциала в точке воздушной среды в рамках лучевой теории. В качестве дополнительного члена используется уравнение (2), учитывающее влияние неоднородных плоских волн. Значение звукового давления в падающей волне равно

I ра. Ае1кг

Ро ='

(4)

где г = ■

071

А - постоянная, определяемая из граничных

V"2" ссеЧх) ' условий.

Рассматриваемая математическая модель позволяет изучить зависимость коэффициента прохождения по давлению от трех основных параметров: глубины г0 расположения источника, его частоты / излучения и от места расположения приемника. При проведении расчетов примем значения скорости звука в воде с и воздухе С] равными с=1450 м/с и с1=330 м/с, соответственно. Тогда значения показателя преломления п и отношения ш плотностей двух сред равны п = 4,39, т = 1,3 • Ю-3.

Получено выражение для коэффициента прохождения по давлению сферических акустических волн через границу раздела вода-воздух

Ар = 20&

л2 О

\siii3 (х)

(>2- саг2 (*))

, 711 2П х 51 л(/?!)

(5)

1тк171(0!) + £ 77 ^а^О?!) - 1 ш(1-п2)/сй

Результаты математического моделирования зависимости коэффициентов прохождения по давлению представлены на рисунках 1а и 16. Сплошной линией отображена зависимость коэффициента прохождения с учетом вклада

неоднородных плоских волн. Пунктирной линией отображена зависимость коэффициента прохождения без учета вклада неоднородных плоских волн (в формуле (5) не учитывается дополнительный член).

Ас дБ

2 3 4 1ио 0 12

а) б)

Рисунок 2 - Зависимость коэффициента прохождения по давлению сферической волны от волнового расстояния от источника до границы раздела а) г0=0,05 м, а=5°, /?,=11°, £>=0,1 м,/=[1.,.20] кГц; б) го=[0,01 ...0,5] м, а=[1,5...46]°,Р\—\\°, /5=0,1 м,/=2 кГц

На рисунках 1а и 16 показаны зависимости коэффициента прохождения по давлению сферической волны Ар от волнового расстояния от источника до границы раздела. Как видно из рисунка 1а, коэффициент прохождения по давлению обладает зависимостью от волнового расстояния от излучателя до границы раздела. Чем меньше волновое расстояние, тем больше акустическое давление в воздухе. К примеру, при волновом расстоянии равном 0,2, коэффициент прохождения по давлению равен -22 дБ, что на 62 дБ превышает значение, прогнозируемое с помощью лучевой теории (-84 дБ). Также заметно, что при волновом расстоянии равном 2, вклад неоднородных и однородных волн в прохождение звукового давления из воды в воздух становится примерно одинаковым. Поэтому на глубинах меньше 2 преобладает влияние неоднородной компоненты, а на глубинах больше 2 ее вклад быстро спадает.

Схожие выводы получены на основе анализа рисунка 16. Чем меньше волновое расстояние, тем больше акустическое давление в воздухе. К примеру, при волновом расстоянии равном 0,08, коэффициент прохождения по давлению равен -4 дБ, что на 76 дБ превышает значение, прогнозируемое с помощью лучевой теории (-80 дБ). В тоже время, при волновом расстоянии равном 1,5, вклад неоднородных и однородных волн в прохождение звукового давления из воды в воздух становится примерно одинаковым. Поэтому на глубинах меньше 1,5 преобладает влияние неоднородной компоненты, а на глубинах больше 1,5 ее вклад быстро спадает. На рисунке 16 наблюдается характерный провал,

расположенный в интервале глубин от 1,3 до 2. Это объясняется влиянием резкого спада коэффициента прохождения по давлению однородных плоских волн [см. рисунок 16, пунктирная линия].

Для того чтобы выяснить какой путь проходит неоднородная плоская волна от источника до границы раздела двух сред, под какими углами р (в расчетах р был принят равным 90°) происходит трансформация неоднородной ПЛОСКОЙ ВОЛНЫ В однородную плоскую волну, и ПОД каким углом Р1 происходит дальнейшее распространение образовавшейся в воздухе волны в диссертации был рассмотрен процесс формирования акустического поля сферическим источником. Согласно работам авторов Е. Скучик и Г.М. Свердлин колебательная скорость частиц в сферической волне отстает по фазе от давления на угол (р, зависящий от аргумента кг, т.е. от волнового расстояния до точки наблюдения.

Если кг « 1 (г « Я), то сшр -> кг, <р -» п/2 и амплитуда скорости частиц убывает по закону 1/т2. Область вблизи центра волны, где действует этот закон, называют неволновой зоной, так как в ней гидродинамические эффекты перетекания жидкости преобладают над волновыми; эту область называют также ближним полем и ее размеры определяют неравенством кг < 1 или г < Х/2п « Л/б.

Следовательно, распространяющаяся в ближнем поле акустическая волна

не является чисто продольной волной. Скорость распространения ее изменяется

и зависит от фазы ср между колебательной скоростью частиц и звуковым

давлением. На этом основании в диссертации получено выражение для

скорости волны, распространяющейся в ближнем поле:

ш

Сбп=/с71+ (6)

Скорость звука в воде меняется в широком диапазоне значений (от 0 до 1450 м/с), и при определенных условиях (77° < (р < 90°) может быть меньше скорости звука в воздухе (330 м/с).

Таким образом, акустическое поле в воздушной среде формируется в результате преломления акустических; волн как из дальнего поля, так и из ближнего. Акустическая волна из источника попадает в приемник двумя путями. Один из них характерен для акустической волны, распространяющейся в дальнем поле, другой свойственен акустической волне распространяющейся в ближнем поле.

Свойства акустической волны в ближнем поле соответствуют свойствам неоднородной плоской волны, изложенные М.А. Исаковичем. А именно: волны

не являются чисто продольными волнами, т.к. колебательные скорости частиц, имеют компоненту, перпендикулярную к скорости распространения волн, обусловленную вязкостью, и скорость распространения у возмущения изменяется от нуля до максимального значения в среде распространения. Процесс прохождения однородной и неоднородной плоских волн через плоскую границу раздела воды и воздуха это процесс прохождения акустических волн из ближнего и дальнего полей через границу раздела двух сред.

Поэтому коэффициент преломления П] неоднородной плоской волны с расстоянием г, которое она проходит от поверхности источника до границы раздела сред, запишется

созр сок с

Щ =-тг.щ =--=,-> 1.

С05& Сгл/ш2Г2 + С2

Таким образом, поскольку скорость распространения возмущения (неоднородной волны) от сферического источника растет с увеличением расстояния в пределах длины волны, расположение границы раздела относительно источника фактически определяет значение этой скорости при падении неоднородной волны на границу. Чем меньше расстояние между границей и излучателем, тем меньше скорость падающей неоднородной волны. А следовательно и лучше согласование волновых сопротивлений водной и воздушных сред, что, естественно, увеличивает прозрачность границы раздела.

Необходимо отметить, что увеличение коэффициента прохождения по давлению свойственно не только сферическому источнику, но и цилиндрическому, если расположить его так, чтобы излучающая цилиндрическая поверхность была расположена перпендикулярно к границе раздела. Объяснение этого явление аналогично, что и для сферического источника, т.к. цилиндрическую акустическую волну можно разложить плоским однородным и неоднородным акустическим волнам.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям исследования зависимостей коэффициента прохождения по давлению сферических акустических волн через границу раздела жидкость-газ на глубинах меньше длины волны, на примере границы раздела вода-воздух. Разработана и описана структурная схема измерительного стенда. Приведены основные параметры используемой аппаратуры. Подробно рассмотрены условия и методы при проведении измерений в условиях гидроакустического бассейна. Проведена оценка погрешности измеряемых величин. Разработана методика измерения коэффициента прохождения по давлению через границу

раздела вода-воздух, при расположении источника на расстояниях от нее меньше длины волны.

Согласно теоретической модели и расчетам, изложенным выше, степень влияния неоднородных плоских волн на коэффициент прохождения по давлению сферических акустических волн через границу раздела вода-воздух зависит от частоты излучения источника /, глубины его расположения относительно рассматриваемой границы 20 и пространственного расположения приемника в воздухе х.

В качестве излучателя использовалась сфера диаметром 30 мм. Обработка и представление экспериментапьных данных выполнялись в математическом редакторе МаЛСАО.

а) б)

Рисунок 2 - Зависимость коэффициента прохождения через границу раздела вода-воздух от а) частоты излучения источника; б) глубины расположения

источника

На рисунке 2а показана экспериментальная зависимость коэффициента прохождения по давлению через границу раздела вода-воздух от частоты излучения источника при условиях: - сплошная линия, го=0,01 м, х=0,5 м, &4=(3,9-5,5)%; - пунктирная линия, го=0,5 м, х=0,5 м, <У=(3,9-7,2)%.

Как видно из рисунка 2а, коэффициент прохождения обладает зависимостью от частоты излучения источника. Чем ниже частота излучения, тем больше акустическое давление в воздухе. К примеру, на частоте 1 кГц коэффициент прохождения равен -43 дБ, что на 29 дБ превышает значение, прогнозируемое с помощью лучевой теории (-72 дБ), это согласуется с результатами расчетов. Данное явление обусловлено тем, что со снижением частоты, происходит усиление воздействия неоднородных плоских волн на акустическое поле в воздухе. На частоте 5 кГц и ниже, вклад неоднородных плоских волн начинает доминировать.

На рисунке 26 показана экспериментальная зависимость коэффициента прохождения по давлению через границу раздела вода-воздух от глубины расположения источника при условиях: - сплошная линия, /=2 кГц, х=0,5 м, 5,2-7,2)%; - пунктирная линия,/=20 кГц, х=0,5 м, &4=(3,6-4,2)%.

Коэффициент прохождения обладает зависимостью от глубины расположения источника. Чем меньше глубина расположения излучателя, тем больше акустическое давление в воздухе. На глубине 1 см коэффициент прохождения по давлению равен -48 дБ, что на 24 дБ превышает значение, прогнозируемое с помощью лучевой теории (-72 дБ), что согласуется с теоретическими расчетами.

Необходимо отметить, что увеличение прохождения акустического давления из воды в воздух происходит, только если рассмотренные параметры лежат в определенных диапазонах значений [см. рисунки 2а и 26].

Данное явление обусловлено тем, что с уменьшением глубины расположения источника, происходит усиление воздействия неоднородных плоских волн на акустическое поле в воздухе. Это утверждение легко подтвердить, подробно изучив сигнал, измеряемый микрофоном в рассматриваемой точке поля [см. рисунок 3]. Путь распространения неоднородной плоской волны от источника к приемнику отличается от пути, проходимого однородной плоской волной, распространяющейся по законам геометрической акустики. Также скорость распространения неоднородной плоской волны всегда меньше скорости распространения однородной плоской волны в воде. Два данных фактора позволяют разделить во времени однородную и неоднородную плоские волны.

Рисунок 3 - Амплитудно-временная зависимость уровня сигнала на частоте 3 кГц

На рисунке 3 представлена осциллограмма, отражающая амплитудно-временную зависимость уровня сигнала на частоте 3 кГц. По оси ординат отложена амплитуда сигнала и^дВ. По оси абсцисс - время распространения сигнала с. Видно, что на частоте 3 кГц, уровень сигнала

трансформировавшегося из неоднородной плоской волны [область 2] более чем в 17 раз выше уровня сигнала от однородной плоской волны [область 1]. Также,

очевидно, что второй сигнал существенно запаздывает (порядка 1 мс) относительно первого сигнала. Это может означать, что путь и скоросгь распространения сигналов различны. Данное предположение подтверждается теоретическими расчетами.

Рисунок 4 — Зависимость коэффициента прохождения по давлению от волнового расстояния до границы раздела вода-воздух а) (z0=0,01 м, х=0,5 м, /=[1...20] кГц); б) (z0=[0,01...0,5] м,*=0,5 м,/=2 кГц)

На рисунках 4а и 46 представлена зависимость коэффициента прохождения по давлению от безразмерного параметра kz0, позволяющего оценить степень влияния глубины расположения источника z0 и частоты его излучения / на коэффициент прохождения. Кривые зависимостей на одних и тех же интервалах значений kz0 не одинаковы. Это означает, что изменение глубины расположения источника и частоты его излучения оказывают различное влияние на коэффициент прохождения. Экспериментальные зависимости на рисунках 4а и 46 подтверждают результаты теоретических расчетов [см. рисунки 1а и 16]. Естественно совпадают и выводы, сделанные в результате анализа теоретических и экспериментальных зависимостей. Например, зависимости на рисунках 46 и 16 обладают характерным провалом в интервале значений глубин от 0,7 до 2.

При проведении теоретических расчетов и создании математических моделей, описывающих влияние неоднородных плоских волн на прохождение звука из воды в воздух, в качестве источника акустических волн рассматривается точечный источник. Авторы Е.В. Глушков, Н.В. Глушкова и O.A. Годин теоретически показали, что волновые размеры излучателя не влияют на изучаемое явление, если каждый из них не превышает длину волны излучаемой частоты. При проведении эксперимента, в качестве излучателя использовались сферы диаметрами 30 мм и 50 мм. Расхождение полученных зависимостей для каждого излучателя не превышает погрешность измерений.

Существование увеличения коэффициента прохождения по подавлению акустических волн также подтверждено для цилиндрического источника. В качестве излучателя использовался цилиндр диаметром 10 см и толщиной 5 см. Излучение происходило на частоте 7 кГц при заглублении источника на 1 см {кго=0,3). Результаты экспериментальных исследований опубликованы автором в работе [4].

В четвертой главе рассмотрены возможные варианты и области практического применения полученных теоретических и экспериментальных результатов. Обсуждаются новые подходы и принципы передачи информации из водной среды в воздушную с помощью акустических волн.

Предлагается использовать акустический канал связи не только для коммуникации подводных носителей друг с другом или с надводными кораблями, а также с дрейфующими и береговыми гидроакустическими станциями, и с летательными аппаратами. Это становится возможным за счет увеличения коэффициента прохождения по давлению для сферических акустических волн через плоскую границу раздела вода-воздух, в результате влияния неоднородных плоских волн, возникающего при расположении сферического источника в воде на глубинах меньше длины волны от данной границы раздела двух сред.

Принципиально важно, чтобы передача информации осуществлялась в низкочастотном диапазоне (сотни Гц - единицы кГц).

В качестве излучателя следует использовать сферическую, либо цилиндрическую антенну. Цилиндрический излучатель, или протяженная антенна более удобны с точки зрения размещения на подводном аппарате, а также предпочтительны с точки зрения эффективности излучения. Результаты проведенных экспериментов показали, что прозрачность границы вода-воздух существует и для цилиндрических волн при тех же условиях.

Необходимым условием для передачи информации в воздушную среду с подводного носителя является то, чтобы глубина его погружения (или погружения антенной системы) не превышала длины волны сигнала излучаемого сферической, либо цилиндрической антенной.

Для проявления исследуемого эффекта размеры антенны не должны превышать длину волны излучаемого сигнала. Размеры антенны с точки зрения прохождения сигнала из воды в воздух решающего значения не имеют, хотя с точки зрения эффективности излучения на низких частотах являются определяющими.

Оценка уровней сигналов для конкретных значений глубин на определенной частоте, к примеру, согласно расчетам дает следующие значения. При частоте излучения гидроакустической антенны 1 кГц и расположении подводного носителя на глубине 1 м, коэффициент прохождения по давлению для сферических акустических волн через границу раздела вода-воздух может достигать значения -30 дБ.

Предложенные принципы передачи информации от подводного носителя по акустическому каналу связи, основанные на увеличении коэффициента прохождения по давлению для сферических и цилиндрических акустических волн, могут быть с успехом использованы при необходимости маскировки подводного носителя и затруднить или даже исключить обнаружение подводного носителя с помощью визуальных методов, радаров и спутников. Особенно это может быть актуально, если всплытие подводного носителя невозможно вследствие аварии или данная операция не предусмотрена конструктивно. В частности, возможность многоразового использования гидроакустического канала связи выгодно отличает данный способ от способов связи, основанных на применении радиогидроакустических буев. Что касается ограничений связанных с волнением моря и скоростью движения подводного носителя, то, согласно теоретическим работам O.A. Година, волнение моря не влияет на увеличение коэффициента прохождения акустических волн из воды в воздух, если высота морской волны не превышает длину волны сигнала излучаемого гидроакустической антенной.

Предложенные принципы передачи информации от подводного носителя к летательному аппарату либо к другому надводному объекту актуальны и могут дополнить и улучшить существующие системы связи.

В заключении представлены основные результаты теоретических и практических исследований.

Основные результаты и выводы:

1. Проведены исследования, показывающие, что коэффициент прохождения по давлению для сферических акустических волн через границу раздела жидкость-газ может быть существенно большей величины, чем при прохождении плоских волн, если сферический излучатель расположен на глубинах меньше длины волны.

2. Математически и физически описан путь распространения неоднородной плоской волны от источника до границы раздела двух сред, а также преломление неоднородной плоской волны при прохождении ее из воды в воздух. Полученные данные позволят повысить точность в расчетах при

моделировании физических процессов в неволновой зоне акустического поля источника, находящегося около границы раздела воды и воздуха.

3. Рассчитана скорость распространения неоднородных плоских волн в воде. Полученная зависимость скорости распространения неоднородных плоских волн от расстояния в неволновой зоне акустического поля источника может быть использована в задачах согласования акустических импедансов соприкасающихся сред.

4. Разработана методика измерения коэффициента прохождения по давлению акустических сферических волн через границу раздела вода-воздух с учетом влияния неоднородных плоских волн. Созданная методика позволяет повысить достоверность экспериментальных результатов.

5. Измерена зависимость коэффициента прохождения по давлению сферических волн через границу раздела вода-воздух от частоты излучения и от глубины расположения источника относительно рассматриваемой границы, от пространственного расположения приемника, от волновых размеров источника. Полученные экспериментальные данные могут быть использованы в целом ряде прикладных задач.

6. Разработаны новые подходы и принципы передачи информации из воды в воздух посредствам акустических волн, позволяющие создать акустические средства дополняющие существующие способы и методы связи между корреспондентами в водной и воздушной среде.

Публикации по теме диссертации в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Волощенко А.П., Тарасов С.П. Влияние неоднородных волн на прохождение низкочастотного звука через границу раздела вода-воздух // Известия ЮФУ. Технические науки. 2012. -№9 (134). - С. 201-206.

2. Волощенко А.П., Куценко А.Н., Резниченко A.A., Слуцкий Д.С. Исследование характеристик акустических и биомедицинских сигналов для создания диагностической и гидроакустической аппаратуры // Известия ЮФУ. Технические науки. 2013. - №1 (138). - С. 20-26.

3. Тарасов С.П., Тимошенко В.И., Волощенко А.П. и др. Измерение фазочастотной характеристики приемной антенны многолучевого эхолота в условиях гидроакустического бассейна // Инженерный вестник Дона. 2012. Т. 22. №4-1.

4. Волощенко А.П., Тарасов С.П. Эффект аномальной прозрачности границы раздела жидкость-газ для звуковых волн // Акустический журнал. 2013. Т. 59. №2. С 186-192.

5. Волощенко А.П., Тарасов С.П. Исследование неоднородных волн вблизи границ раздела сред // Инженерный вестник Дона. 2013, №2.

6. Волощенко А.П., Тарасов С.П. Исследование неоднородных волн в целях экологического мониторинга водных пространств // Известия ЮФУ. Технические науки. 2013. - №9 (146). - С. 123-129.

7. Волощенко А.П., Голосов П.С., Орда-Жигулина Д.В., Старченко И.Б. Особенности методов и средств исследования параметров жидких сред в медицине и гидроакустике // Известия ЮФУ. Технические науки. 2014. - №1 (150).-С. 7-13.

Публикации по теме диссертации в других изданиях:

8. Волощенко В.Ю., Волощенко А.П., Тарасов С.П. Особенности проведения экспериментальных измерений акустической прозрачности границы раздела вода-воздух // Известия ТТИ ЮФУ-ДонНТУ. Материалы XI Международного научно-практического семинара «Практика и перспективы развития партнерства в сфере высшей школы». В 3-х кн. - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ,

2010, Кн. 3, №10. - С. 67-70.

9. Волощенко А.П., Тарасов С.П. К вопросу о прохождении акустических волн через границу раздела двух сред // Материалы XV Всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов «НИТ-2010». - Рязань: РГРТУ, 2010. С. 90-91.

10. Волощенко А.П. Аномальная прозрачность границы раздела вода-воздух на низких частотах II Материалы II школы-семинара «Молодежно-студенческие разработки и творческие проекты для исследования и освоения прибрежно-шельфовых зон юга России». - Геленджик: Филиал ЮФУ в г. Геленджике,

2011.-С. 58-62.

11. Волощенко В.Ю., Волощенко А.П., Тарасов С.П. Экспериментальное исследование акустической прозрачности границы раздела вода-воздух для звуковых частот // Материалы XII международного научно-практического семинара «Практика и перспективы развития партнерства в сфере высшей школы». В 2-х т. - Донецк: ДонНТУ, 2011, Т. 2. - С. 29-32.

12. Тарасов С.П., Волощенко А.П. Исследования акустической прозрачности границы раздела вода-воздух // Доклады XIII школы-семинара им. акад. Л.Б. Бреховских «Акустика океана», совмещенной с XXIII сессией РАО. - М.: ГЕОС, 2011, С. 155-158.

13. Волощенко А.П., Тарасов С.П. Экспериментальные исследования эффекта аномальной прозрачности границы раздела вода-воздух для низких частот //

Сборник трудов научной конференции «Сессия научного совета РАН по акустике и XXIV РАО». -М.: ГЕОС, 2011, Т. 1. -С. 202-204.

14. Волощенко А.П., Тарасов С.П. Экспериментальная проверка математической модели эффекта аномальной прозрачности // Материалы XVI Всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов «НИТ-2011». - Рязань: РГРТУ, 2011, С. 284-286.

15. Волощенко А.П., Тарасов С.П. Исследование частотной зависимости коэффициента прохождения акустических волн через границу раздела вода-воздух // Труды XI Всероссийской конференции «ГА-2012». - СПб.: Наука, 2012, С. 346-348.

16. Волощенко А.П. Исследование явления аномальной прозрачности границы раздела двух сред для акустических волн // Студент и научно-технический прогресс. Сборник научных работ финалистов международного молодежного конкурса. - Ростов н/Д: Изд-во ЮФУ, 2012, С. 13-16.

17. Волощенко А.П., Тарасов С.П. Роль неоднородных волн при прохождении звука из воды в воздух // Доклады X международной научно-технической конференции «ФРЭМЭ-2012». Книга 3. - Владимир: 2012. - С. 154-158.

18. Волощенко А.П., Тарасов С.П. Исследование влияния неоднородных волн на процесс прохождения звука через границу раздела вода-воздух // Сборник трудов научной конференции «Сессия Научного совета РАН по акустике и XXV РАО». - М.: ГЕОС, 2012, Т. 1. - С. 220-223.

19. Волощенко В.Ю., Волощенко А.П. Особенности самоградуировки акустических преобразователей на низких частотах // Известия ТТИ ЮФУ-ДонНТУ. Материалы XIII Международного научно-практического семинара «Практика и перспективы развития партнерства в сфере высшей школы». В 3-х кн. - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ. Кн. 3. 2012, №12. - С. 60-64.

В работах, опубликованных в соавторстве, лично автору принадлежат: в [9, 10, 12] - проведение эксперимента и анализ его результатов; [8, И, 19] -описание условий проведения эксперимента; [1, 3, 4, 13-15] - сравнение и анализ теоретических и экспериментальных результатов; [2, 5-7, 17, 18] -разработка математической модели и анализ результатов моделирования.

Формат 60 х 841"6. Бумага офсетная Печать ризографня. Заказ №85 Тираж 100 экз.

Отпечатано в Секторе обеспечения полиграфической продукцией в г.Таганроге отдела полиграфической, корпоративной и сувенирной продукции ИПК КИБН МЕДИА ЦЕНТРА ЮФУ ГСП 17А, г. Таганрог, 28, Энгельса, I тел.(8634)371717