Исследование нелинейного акустического взаимодействия в приповерхностном слое моря тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ

На правах рукописи

ПОПОВ Петр Николаевич

УДК 551.463; 534.232; 534.6

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНОГО АКУСТИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ПРИПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ

МОРЯ

Специальность 01.04.06-Акустика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Владивосток - 2004 г.

Работа выполнена в Институте проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской Академии наук

Научный руководитель:

доктор физ.-мат. наук Буланов В.А.

Официальные оппоненты

доктор физ.-мат. наук, профессор Каневский И.Н.

кандидат технических наук Чудаков А.И.

Ведущая организация:

Дальневосточный государственный университет

Защита состоится 22 октября 2004 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д005.017.01 в Тихоокеанском океанологическом институте им. В.И. Ильичева по адресу: 690041, г. Владивосток, ул. Балтийская, 43, ТОЙ ДВО РАН.

Отзыв на автореферат присылать по адресу: 690041, г. Владивосток,

ул. Балтийская, 43. Ученому секретарю Совета доктору технических наук Коренбауму В.И.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТОЙ ДВО РАН Автореферат разослан " /7 " ОУ/ЛР¡Щ 2004 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета доктор технических наук

В.И. Коренбаум

ышгз

17Ш-

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Реальные жидкости всегда являются микронеоднородными и содержат различные фазовые включения в виде газовых пузырьков, и твердых взвесей. Морская вода содержит также фазовые включения биологического происхождения - зоо и фитопланктон, продукты распада биологических систем, рыбу и другие морские организмы различных размеров. Такие неоднородности приводят к рассеянию звука, дополнительному затуханию, дисперсии скорости звука, появлению дополнительной нелинейности среды.

Метод, основанный на теории обратного рассеяния звука от различных включений и структур, является одним из мощных методов в изучении морской среды. Особый интерес представляет изучение рассеяния звука на газовых пузырьках, которые всегда присутствуют в океане и обладают сильными звукорассеивающими свойствами. Во многих случаях именно пузырьки становятся основными источниками акустической нелинейности е морской среды. Задача определения типа неоднородностей, их концентрации, функции распределения g(R) по размерам и влияния их на акустическую нелинейность морской среды является актуальной и практически важной.

Цель диссертационной работы. Целью работы является изучение нелинейного акустического взаимодействия в приповерхностном слое моря и применение его для мот иторинга микронеоднородностей морской воды.

Научная новизна. При выполнении диссертационной работы были проведены экспериментальные ис следования, научная новизна которых состоит в следующем:

1. Впервые на различных глубинах и в различных районах океана получены данные о распределении пузырьков в приповерхностном слое морской воды. Показаны большие возможности применения широкополосных остронаправленных параметрических излучателей для исследования структуры океанической среды.

2. Предложен новый метод измерения нелинейного параметра морской воды, основанный на измерении эффективности генерации разностной частоты с применением параметрических акустических излучателей. Впервые получены данные о нелинейном параметре морской воды в широком диапазоне частот на различных глубинах. Показано, что нелинейный параметр жидкости с пузырьками зависит от вида функции распределения пузырьков по размерам, а также от характера нелинейного преобразования частоты.

3. Впервые проведены экспериментальные исследования поля высокочастотного параметрического излучателя в условиях мелководного прибрежного клина, в зимнее время. Проведенные исследования показали, что

РОС ч

\ЛЬНАЯ

> КА

к

структура поля параметрического излучателя в прибрежном клине качественно отличается от структуры поля в безграничном пространстве.

4. Показана возможность применения судовых эхолотов для излучения в параметрическом режиме с целью дистанционного измерения звукорассеивающих свойств, как водной толщи океана, так и поддонных слоев в широком диапазоне частот.

5. Предложен новый способ определения порога кавитации, основанный на измерении разности фаз между основной частотой и ее второй гармоники.

Научная и практическая значимость. Научная и практическая значимость диссертационной работы состоит в том, что проведенные исследования, расширяют представления и знания о нелинейном акустическом взаимодействии в микронеоднородном приповерхностном слое моря. Проведенные экспериментальные исследования показывают исключительные возможности использования параметрических излучателей при изучении важных параметров морской среды.

Полученные в диссертационной работе результаты позволяют:

• решать практические задачи акустической спектроскопии морской среды, получать вид функции распределения фазовых включений по размерам и концентрации, определять нелинейный акустический параметр морской воды;

• решать практические задачи с использованием акустических преобразователей в параметрическом режиме для исследований в океане.

Используемый в работе фактический материал получен в результате натурных экспедиционных исследованиях в период с 1987 по 2004 гг.

Апробация работы. По материалам диссертации имеется 27 публикаций, из них в центральном научном журнале 1 работа, в трудах международных конференций опубликована 1 работа, в рецензируемых сборниках 14 работ, в материалах российских конференций 6 работ, материалы использовались в ' отчетах на законченные НИР, имеющие государственные регистрационные номера, получено одно авторское свидетельство.

Результаты исследований докладывались на Втором Всесоюзном акустическом семинаре МАПР-2 (Москва, 1988 г.), на 7-м Всесоюзном совещании "Автоматизация процессов управления техническими средствами исследования мирового океана" (Калининград, 1989 г.), на Всесоюзном семинаре "Акустика неоднородных сред" (Новосибирск, 1992, 2004 г.г.), на VIII и X школе- семинаре "Акустика океана" акад. JI.M. Бреховских, (Москва, 2000, 2004 г.г.), на XIII сессии РАО (Москва, 2003 г.), на 18-м Международном акустическом конгрессе (Киото, Япония, 2004).

Результаты исследований, представленные в диссертации, использовались в отчетах по НИР №2002/1, №2001/2 "Акустические и гидрофизические исследования крупномасштабных и мелкомасштабных неоднородностей в Японском и Охотском морях" подпрограммы

"Исследование природы Мирового океана" ФЦП "Мировой океан", по НИР "Акустические исследования структуры океанической среды" Гос. per. №01.960.010859; "Методы и средства исследования океана. Разработка технических средств исследования океана акустическими методами" Гос. per. №01.960.010860, по проекту "Акустика" ОПТ "Мировой океан" Гос. per. №01870025967.

Личный вклад. Автор принимал активное участие в проведении экспериментальных исследований и обработке полученных данных. Автор самостоятельно проводил экспериментальные исследования по изучению акустической нелинейности морской воды и эффективности параметрических излучателей в морских условиях, участвовал в написании всех научных работ и самостоятельно писал соответствующие его тематике разделы каждой из работ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы Работа изложена на 124 страницах, включая 3 таблицы, 42 рисунка, 130 наименований цитируемой литературы

Содержание диссертации

Во введении показана актуальность темы и формулируются задачи и положения, выносимые на защиту и краткое содержание диссертации.

Глава 1 представляет собой литературный обзор.

Раздел 1.1 посвящен особенностям стационарного рассеяния звука в среде с фазовыми включениями. В разделе 1.2 показано, что применение методов нестационарной акустической спектроскопии позволяет разделять рассеяние звука на резонансных микронеоднородностях таких как газовые пузырьки, биологические объекты с воздушными плавательными пузырями от нерезонансных фазовых включений типа твердых частичек, зоо и фитопланктон. В разделе 1.3 рассматриваются особенности акустических излучателей, работающих на эффекте нелинейного взаимодействии акустических волн в воде, так называемые параметрические излучатели. Применение таких излучателей, благодаря их уникальным свойствам таким как широкополосность, сохранение узкой характеристики направленности на разностных частотах, отсутствием "боковых лепестков" в диаграмме направленности, возможность использовать различные схемы формирования акустического сигнала, позволяет значительно упростить и улучшить методику акустической спектроскопии. В разделе 1.3 рассматривается также вопрос использования метода нелинейного рассеяния звука на разностных со{ - сог = Q для диагностики резонансных и нерезонансных включений, определения сечения нелинейного рассеяния сг, функции распределения g(R) пузырьков и твердых частиц по размерам. В разделе 1.4 представлен обзор по нелинейному

акустическому параметру жидкости с фазовыми включениями. Морская среда сильно неоднородна по своему составу, это приводит к дополнительному рассеянию и затуханию звука, к увеличению нелинейных свойств среды, что, как правило, сказывается на эффективности работы параметрических излучателей. Поэтому одним из важных направлений в акустике моря является исследование параметра акустической нелинейности, характеризующего степень неоднородности и нелинейности морской среды. Раздел 1.5 посвящен вопросу влияния газовых пузырьков с различной функцией распределения на эффективность работы параметрических излучателей. Отмечено отличие коэффициента эффективности излучателя при работе в режиме Вестервельта от режима Берктея. В разделе 1.6, рассматриваются экспериментальные исследования структуры поля параметрического излучателя в условиях природного волновода в условиях мелкого моря. Раздел 1.7 посвящен некоторым особенностям акустической кавитации в море, которая может ограничивать возможность увеличение амплитуды звуковых волн при работе акустического излучателя в параметрическом режиме.

Глава 2 посвящена экспериментальным исследованиям функции распределения пузырьков в морской среде методами обратного рассеяния звука на высоких и низких частотах. В разделе 2.1 дано описание и приведены схемы экспериментальных установок, а также способов и методов измерения функции распределения g(R). На рис. 1 представлен параметрический излучатель с частотой накачки 150 кГц с комплектом приемных гидрофонов, установленных на поворотно-координатном устройстве, измерительно-вычислительный комплекс на борту судна НИС "Ак. А. Виноградов" и функциональная схема системы излучения и приема акустических сигналов (СИПАС). Управление излучением с параметрического излучателя и приемом сигналов обратного рассеяния осуществляется автоматизированной системой излучения и приема акустических сигналов (СИПАС). Принцип работы заключается в следующем. С двух, управляемых внешним напряжением, генераторов Г1, Г2 сигналы с частотами накачки у и fг поступают на линейный сумматор (ЛС). Получаемый в результате сложения исходных колебаний бигармоничебкий сигнал усиливается усилителем мощности (УМ, мощность '^-3 кВт) и излучается в воду излучателем с частотой резонанса /0~150 кГц. Изменение разностной частоты д/ в пределах 8 + 40 кГц осуществляется путем синхронной перестройки генераторов под действием управляющих сигналов.

Управление запуском осуществляется сигналом с "Таймера" системы КАМАК, который через "Инвертор" подаётся на разъем "Внешний запуск" генераторов. Сигнал обратного рассеяния звука на разностной частоте д/ = /, - / принимаются измерительными гидрофонами ГЗ, Г4. После фильтрации сигнал поступает либо непосредственно через аналого-цифровой преобразователь блока КАМАК в ЭВМ, либо записывается на 4-канальный

магнитофон на который записываются также синхроимпульсы посылок и серии посылок излучаемых частот накачки. С помощью той же системы СИПАС исследовалось обратное рассеяние звука в непараметрическом режиме, когда частота излучаемых в линейном режиме сигналов изменялась в интервале от 70 до 150 кГц.

В разделе 2.2 приведены некоторые результаты исследования рассеяния звука и распределения пузырьков по размерам в морской воде. На рис. 2. представлена функция распределения пузырьков по размерам g(R) на различных глубинах, экспериментально полученная в субарктических водах Тихого океана и рассчитанная по формуле:

SW- 2 02 D3(

Р}

где <5(Ло) - постоянная затухания колебаний резонансных пузырьков, определяемая тепловыми и радиационными потерями, в - половина ширины характеристики направленности, т - длительность импульса, с - скорость звука, Р[ и Ря - амплитуда давления в падающей и рассеянной волне, Я0 (/) размер резонансных пузырьков на частоте /.

На рис.2 наряду с экспериментальными данными нанесены аппроксимирующие эти данные степенные зависимости g(R) = АЯ~", вычисленные методом наименьших квадратов. На рис.2 видно, что с увеличением глубины изменяется показатель степени п, который заключен в интервале от 2,3 до 4,7 со средним значением около 4. Коэффициент А также зависит от глубины г. Он изменяется от 1 (Г6 см*1 до 10-13 см'1, уменьшаясь по экспоненциальному закону А = ехр(—г! V), где параметр Ь заключен в пределах от 0,6 до 1,0 м. Можно отметить важное обстоятельство, следующее из результатов, представленных на рис. 2. При значениях Я ~8-10"3 см наблюдается

локальный максимум функции g(R). При /?>8-1(Г3 см функция g(R) увеличивается с уменьшением Л, затем резко уменьшается и, начиная с размеров Л < 5 • 1 (Г3 см функция g(R) опять начинает расти с уменьшением Л.

На рис.3 представлена усредненная функция распределения пузырьков по размерам g(R,z) для субарктических вод Тихого океана.

Рис. 1. Параметрический излучатель с частотой накачки 150 кГц с комплектом приемных гидрофонов, установленных на поворотно-координатном устройстве, измерительно-вычислительный комплекс на борту судна НИС "Ак. А. Виноградов" и функциональная схема системы излучения и приема акустических сигналов (СИПАС)

глубинах в субарктических водах Тихого океана при скорости ветра 5 м/с и волнении моря 1 балл.

Рис. 3. Усредненная ф>нкция распределения пузырьков по размерам g{R,z) для субарктических вод Тихого океана.

В разделе 2.3. приведены результаты экспериментальных измерений пространственного распределения пузырьков в приповерхностном слое моря, полученные при движении судна вдоль выбранных трасс. На рис. 4 показана типичная структура приповерхностного слоя пузырьков, имеющая анизотропный характер. Основной вклад вносят пузырьки размером 20 мкм.

О 50 100 , 150 200 250

Г, (IT1)

Рис. 4. Типичная структура приповерхностного слоя пузырьков с радиусами 0.002 см в приповерхностном слое.

Появление протяженных в глубину структур связано с модуляцией пузырькового слоя, поверхностными гравитационными волнами и сложными механизмами вовлечения пузырьков в орбитальные движения в волне и их постепенное транспортирование в толщу воды.

Глава 3 посвящена исследованиям нелинейного параметра в приповерхностном слое моря. В работе предложен и апробирован метод измерения нелинейного параметра морской воды, основанный на измерении эффективности генерации разностной частоты с применением параметрических акустических излучателей. Особенностью предложенного метода является применение параметрических акустических излучателей в режиме Берктея. В этом режиме эффективная длина нелинейного взаимодействия определяется характерным расстоянием дифракционного расплывания пучка волн накачки, а величина Рп(г) зависит в дальнем поле в основном от параметра 8 и выражается в виде:

РЛг) = —^1-к1М{2ГеН'а)^ТР р £>\д) (2)

° Аре г & Щ ®2

На рис. 5 показана структурная схема измерения нелинейного параметра.

Рис. 5. Структурная схема эксперимента измерения нелинейного параметра: а) измерение на акустической базе, б) измерение на плотике с вытяжным фалом.

1 - судно, 2 - плотик на вытяжном фале с системой регулировки глубины погружения антенны, 3 - платформа, 4 - параметрический излучатель, 5 -приемный гидрофон, 6 - акустическая база б метров, 7 - усилитель мощности, 8 - блок управления СИПАС, 9 - предварительный усилитель гидрофона, 10 - усилитель 11 - селективный фильтр, 12 - блок приема СИПАС, 13 - ПЭВМ, 14 - 4-х канальный магнитофон

На основе измерения амплитуды волн разностной частоты Рп и накачки

Рш величина нелинейного параметра определяется по формуле:

е = Л(а>,П)-££-, (3)

K>i*0)2

Л(а>,П) = —7-^-=-, (4)

На рис. 6 представлены данные для станции 114 и станции 115, расположенных в суб!ропических водах. Из рис. 6 видно, что нелинейный параметр на глубине 6 метров испытывает значительные вариации и достигает значений 40-60. На глубине 23 метра среднее значение £-15, а на глубине 36

метров £ ~8, при этом на низких частотах Д/<12 кГц величина £ примерно равна значению ей для чистой морской воды без примесей. Предложенный метод позволил вперЕые получить экспериментальные значения величины нелинейного параметра в приповерхностном слое океана до глубины 20-30 м.

Рис. 6. Зависимость нелинейного параметра от частоты на глубинах 6, 23, и 36 метров для станции №114: 28°39М 169°40Е, и станции №115: 28°38Ы 169°55Е. Тихий океан 12 рейс "Академик А. Виноградов".

Глава 4 посвящена исследованию эффективности параметрических излучателей. С целью расширения частотного диапазона параметрического излучения, а также дхя исследования отражения звука от дна, его тонкое профилирование, были проведены исследования мощного, остронаправленного эхолота, стационарно установленного на судне. В разделе 4.1. описываются экспериментальные исследования на базе судового эхолота. Эхолот имел

следующие технические характеристики: рабочая частота - 30 кГц, выходная электрическая мощность - 5 кВт, ширина диаграммы направленности по уровню 0.7 составляет 3°, длительность излучаемых импульсов от 0.3 мс. до 50 мс., приемоизлучающая пьезокерамическая антенна установлена на гиростабилизированной платформе, которая может отклоняться на 20° от вертикали.

На рис. 7 представлена амплитудно-частотная характеристика эхолота в параметрическом режиме в диапазоне частот от 0 до 50 кГц. На рис. 7 видно, что в интервале параметрических частот от 1 до 10 кГц идет довольно мощное излучение разностных частот, которое по амплитуде в максимуме отличается лишь примерно на 30 с!В от амплитуды волн накачки частотами с 25.5 до 35.5 кГц. Амплитуда давления на разностных частотах составила 2,8хЮ4-т- 1,4хЮ3 Па м. Важно также отметить, что при повышенном уровне излучаемых сигналов, наряду с частотой заполнения формируются частотные составляющие высших гармоник fг — 2/| и /п = п/}.

О 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Частота, кГц

Рис. 7. Амплитудно-частотная характеристика эхолота в параметрическом режиме в интервале частот от 1 до 50 кГц.

Поэтому одновременно со спектром для разностных частот А/ присутствуют спектральные составляющие, начиная с 14.5 кГц, чередующиеся через 1.5 кГц вплоть до 44.5 кГц. Присутствие таких спектральных пиков обусловлено вторичным взаимодействием волн накачки и /2 с волнами разностной частоты Д/, так что наблюдается генерация звука с частотами /2 = 2/, и 2/х — /2. Интервал между спектральными пиками в этом ряде равен:

|Л(2/2-/,)М|А/;|=З|Д/21 (5)

Поскольку изменение = ¡Д/^ частоты накачки было равно 0.5 кГц,

интервал между спектральными пиками вторичных волн оказался равным 1.5 кГц. Таким образом, эхолот в параметрическом режиме оказывается широкополосным, причем амплитуда сигнала на различных частотах Д/, 2 /2 - /и 2/ -/2, как видно на рис. 7, лишь примерно на 30 с® меньше амплитуды сигналов накачки. На рис. 8, рис. 9 приведены записи сигналов обратного рассеяния звука на частоте Л/ = 3 кГц на глубинах до 100 метров. На рис. 8, рис. 9 на глубине 100 метров видно мощное донное отражение и проникновение сигнала в грунт, а также довольно значительное объемное рассеяние в приповерхностном слое.

длительностью импульса г = 2,5 мс, ширина луча $ = 1,62°

Полученные данные свидетельствуют о перспективности применения модернизированных судовых эхолотов в параметрическом режиме для исследования как для дистанционного измерения звукорассеивающих свойств водной толщи моря, так и исследования поддонных слоев в широком диапазоне частот.

В разделе 4.2 приводится методика и экспериментальные исследования эффективности параметрического излучателя с частотой накачки 150 кГц. Структурная схема экс теримента показана на рис. 5. Измерения эффективности проводилось на различных глубинах, а акустическая база (6) с излучателем (4) и гидрофонами (5) опускалась горизонтально.

Из представленных в работе результатов можно сделать вывод о том, что

Рис. 8. Сигналы обратного рассеяния звука на частоте д/- = 3 кГц

Рис. 9. Рассеяние звука на частоте 3 кГц в параметрическом режиме

вблизи поверхности пузырьки газа в меньшей степени влияют на возможное увеличение амплитуды разностной частоты, чем на большей глубине. Этот вывод связан с тем, что в однородном слое, когда параметрическое излучение не уходит из слоя с повышенным значением нелинейного параметра, коэффициента поглощения и дисперсии звука, на величину амплитуды волн разностной частоты влияет линейное поглощение на разностных частотах, приводящее к уменьшению амплитуды давления параметрического сигнала. Другой причиной подобного явления может стать экстремальная зависимость параметра эффективности Кэф от концентрации пузырьков g(R). В частности,

при меньших значениях g(R), близких к значениям £„,(/?)> соответствующих максимуму функции Кэф{£), амплитуда давления на разностной частоте при прочих равных условиях может быть больше амплитуды давления на разностной частоте, полученной для слоя с концентрацией g(R) > gm (Л).

Раздел 4.2.3 посвящен исследованию особенностей трехчастотного режима параметрического излучения. На рис. 11 приведен спектр, который соответствует взаимодействию волн накачки с частотами /^=145 кГц, У; =170кГц, /2 =110кГц.

Частота, кГц

Рис. 11. Вид спектра параметрического излучателя при 3-х частотном режиме излучения. Спектр соответствует взаимодействию волн накачки с частотами

На рис. 11 видно, что при 3-х частотном режиме излучения происходит образование комбинационных параметрических частот, которые отвечают различным порядкам взаимодействия основных частот накачки. Так первый порядок соответствует соотношению - /2 = А/1г, /х — /0 = А/] 0,

/0 - f2 = А/"0 2. На рис. 11 этим частотам соответствуют спектральные пики 60 кГц, 25 кГц и 35 кГц. Второй порядок определяется соотношениями/j - Afl z, Л ~ A/Î 2 > /о - A/i 2 и Т-Д- В спектре (рис. 11 ) можно видеть соответствующие пики на частотах 110 кГц, 75 кГц и 50 кГц.

Таким образом, в результате взаимодействия 3-х волн накачки спектр параметрического излучения сильно обогащается дополнительными спектральными составляющими, причем спектральные компоненты представлены довольно значительными амплитудами.

Рассматривая один из многочисленных примеров записи при 3-х частотном излучении рис. 11, можно сделать вывод, что для задач многочастотного зондирования океанической среды этот режим можно применять наряду со сканированием разностной частоты в обычном 2-х частотном режиме.

В разделе 4.3 описываются экспериментальные исследования структуры поля параметрического излучателя в условиях прибрежной зоны. Схема эксперимента показана, на рис. 12. Экспериментальные исследования поля высокочастотного параметрического излучателя, работающего в условиях мелководного прибрежного клина, проводились зимой, когда поверхность моря была покрыта слоем льда. Такие условия позволили детально исследовать структуру поля на различных расстояниях от излучателя. На рис 13 приведено распределение поля по глубине на расстоянии от 10 до 60 метров. Проведенные исследования позволили выявить следующие важные особенности в структуре поля параметрических излучателей. В горизонтальной плоскости (рис.14) характеристика направленности параметрического излучателя соответствует условиям безграничного пространства. Основной вклад в формирование

Рис. 12. Схема эксперимента:

1 - лабораторное помещение на пирсе, 2 - поворотно-кординатное устройство, 3 - параметрический излучатель ПИ-150,4 - поверхность моря, покрытая льдом, 5 - дно бухты, 6,7 - измерительные гидрофоны, 10,15,25, 30,40 и 60 м - расстояние от излучателя.

дистанциях от излучателя для частоты накачки 133 кГц (а) и разностной частоты 35 кГц (б).

Угол, фая

Рис. 14. Угловое распределение поля ПИ в горизонтальной плоскости. Частота накачки 142 кГц, разностная частота 15 кГц на расстоянии 25 м.

вертикальной структуры поля (рис.13) параметрического излучателя оказывают границы волновода. При этом возбуждение направленным источником волноводных мод примерно одинаково на всех частотах (разностных и накачке), зависит от расстояния и, в частности, для расстояния 60 метров оказалось равным 3. Одно из важных преимуществ параметрического излучателя - чрезвычайно узкая характеристика направленности на всех параметрических частотах, в условиях мелководного волновода имеет сложную структуру и зависит от граничных условий распространения акустических сигналов.

В разделе 4.4 приводится схема эксперимента и некоторые результаты экспериментальных исследований акустической кавитации в зависимости от режимов излучения.

При работе излучателя в параметрическом режиме, для получения больших амплитуд акустического поля на разностных частотах, необходимо применять высокие мощности излучения на частотах накачки. Величина мощности излучения на этих частотах может достигать уровня порога кавитадионной прочности воды. Поэтому важной задачей является прогнозирование начальной стадии развития кавитационных процессов, как на поверхности излучателя, так и в области взаимодействия мощных первичных высокочастотных акустических волн.

При увеличении мощности излучения акусшческого сигнала из-за нелинейных свойств жидкости происходит искажение начального профиля звуковой волны, что приводит к появлению в спектре кратных основной частоте гармоник:

со

п=о

Происходит процесс перекачки энергии из основной частоты в частоты высших гармоник. Начальная стадия кавитации сопровождается резким увеличением нелинейюсти жидкости. За счет этого, в частности, происходит изменение параметров сигнала на частоте 2/, переизлученного кавитационной областью. Измеряя разность фаз между волной основной частоты / и второй гармоникой 2/ по максимальному изменению фазы, можно определить момент начала кавитационного процесса в жидкости.

На рис. 14 приводятся результаты измерения разности фаз между сигналом основной частоты и второй гармоникой сигнала в зависимости от напряжения на излучагеле. В работе показано, что экстремальные изменения разности фаз между волной излучения частоты / и гармоникой 2/ хорошо совпадают как с порогами кавитации, определяемыми по другим методикам, так и определяют переход к последующим стадиям кавитационного процесса.

Рис. 14 Разность фаз 1уежду волной накачки / и ее второй гармоникой 2/ в кавитационной области в зависимости от напряжения на излучателе (о- / =800 Гц, 11=2 м, Д- /=2300 Гц, Ь=2 м).

В заключении сформулированы основные результаты

1. Проведены экспериментальные исследования рассеяния звука на различных микронеоднородностях морской воды: газовые пузырьки, твердые частицы, планктон. Метод нестационарного рассеяния звука с использованием специально разработанных параметрических акустических остронаправленных излучателей позволил получить данные о распределении пузырьков в широком диапазоне размеров в верхнем слое океана, которые на момент проведения исследований были наиболее подробными и достоверными в мировой практике.

2. Экспериментальные исследования позволили предложить и апробировать в натурных морских условиях новый метод измерения нелинейного параметра морской воды, основанный на измерении эффективности низкочастотной генерации звука параметрическими акустическими излучателями. Впервые получены данные о нелинейном параметре морской воды в широком диапазоне частот на различных глубинах.

3. Проведенные экспериментальные исследования поля высокочастотного параметрического излучателя в условиях мелководного прибрежного клина выявили резко анизотропную структуру поля параметрического излучателя, качественно отличающуюся от структуры поля в безграничном пространстве. Полученные в работе результаты позволяют четко очертить границы применимости параметрических излучателей как инструментов акустического мониторинга морской среды в условиях мелководья.

4. Экспериментальные исследования с судовыми эхолотами в режиме многочастотного параметрического излучения позволили показать перспективность использования модернизированных судовых эхолотов в параметрическом режиме для дистанционного исследования звукорассеивающих свойств, как водной толщи океана, так и поддонных слоев в широком диапазоне частот.

5 Проведенные экспериментальные исследования излучателя в докавитационном и кавитационном режимах позволили установить предельные режимы эффективного излучения звука. Предложен новый способ определения начала порога кавитации, основанный на изменении разности фаз между основной частотой и ее второй гармоники.

Основные результаты диссертации изложены в следующих публикациях.

1. Буланов В.А., Попов П.Н. Исследование характеристик узколучевого эхолота в параметрическом режиме. // В сб.: "Антенны и преобразователи". Владивосток: ДВГУ, 1988. с. 148-153.

2. Буланов В.А., Воронина Л.Г., Попов П.Н. Вопросы излучения и приема сигналов при акустической спектроскопии морской среды. // Доклады Второго Всесоюзного акустического семинара. МАПР-2. М.: изд. АКИН 1988. с. 106.

3. Буланов В.А., Воронина Л.Г., Попов П.Н. Исследование морской среды с помощью автоматизированной системы акустической спектроскопии. // Доклады 7-го Всесоюзного совещания "Автоматизация процессов управления техническими средствами исследования мирового океана", Калининград: 1989, с. 58.

4. Половинка Ю.А., Попов П.Н. Исследование спектра кавитационного шума при непрерывном импульсном и двухчастотном излучении. // Доклады Второго Всесоюзного акустического семинара МАПР-2. М.: изд. АКИН, 1988. с. 127.

5. Половинка Ю.А., Попов П.Н. Исследование амплитудно-фазовых характеристик сигналов на различных стадиях акустической кавитации // Акуст. журн., 1990. Т. 36, № 4. с. 779-781.

6. Акуличев В.А., Половинка Ю.А., Попов П.Н., Способ определения кавитационной прочности жидкости. // Авторское свидетельство №4718280/25-28 (096203), 1990.

7. Воронина Л.Г., Полоничко В.Д., Попов П.Н Параметрические акустические излучатели для исследования рассеяния звука в океане // XI Всесоюзная акустическая конференция, М.: 1991. с. 4.

8. Буланов В.А., Воронина Л.Г., Попов П.Н. Обработка сигналов при акустической спектроскопии морской среды // Доклады Второго Всесоюзного акустического семинара МАПР-2. М.: изд. АКИН, 1988, с. 105.

9. Акуличев В.А., Буланов В.А., Воронина Л.Г., Попов П.Н Рассеяние звука на микронеоднородностях морской воды. // В заключительном отчете ИПМТ ДВО РАН "Исследование рассеяния звука на микронеоднородностях морской среды и определение параметров неоднородностей акустическими методами" по заданию 03. 03. НЗ проекта "Акустика" ОКП "Мировой океан" Гос. per. .№01870025967. Владивосток: 1991. с 12-36.

10. Акуличев В.А., Буланов В.А., Воронина Л.Г., Попов П.Н. Рассеяние звука * на микронеоднородностях морской среды // Препринт. ИПМТ ДВО РАН.

Владивосток: 1991 24 с.

П.Буланов В.А., Корсков И.В., Попов П.Н. Исследования нелинейного параметра морской воды в приповерхностном слое океана. // В заключительном отчете ИПМТ ДВО РАН "Исследование рассеяния звука на микронеоднороднос-ях морской среды и определение параметров неоднородностей акустическими методами" по заданию 03. 03. НЗ проекта "Акустика" ОКП "Мировой океан" Гос. per. .№01870025967. Владивосток: 1991. с. 97-126.

12. Буланов В.А., Корсков И.В., Полоничко В.Д., Попов П.Н., Соседко С.Н. Исследование рассеяния звука и параметров верхнего слоя океана. // В сб. "Морские технологии", вып.2, Владивосток, Дальнаука 1998. с. 132-156.

13. Буланов В.А., Корсков И.В., Попов П.Н., Соседко С.Н. Исследования рассеяния звука в мелком море. // В сб. "Морские технологии", вып. 3, Владивосток: Дальнаука, 2000. с. 254-263.

14. Акуличев В.А., Буланов В.А., H Корсков И.В., Моргунов Ю.Н., Попов П.Н. Экспериментальные исследования распространения звука вдоль трасс в Японском море. // В сб. Морские технологии. ИПМТ ДВО РАН. вып. 4, Владивосток: Дальнаука, 2001. с. 119-139.

15. Буланов В.А., Корсков И.В., Попов П.Н., Соседко С.Н. Исследования распространения звука в деятельном слое моря. // В заключительном отчете ИПМТ ДВО РАН "Исследования неоднородностей океанической среды акустическими методами" по теме 5.2.1. "Акустические исследования структуры океанической среды" Номер гос. регистрации. №01.960.010859. Владивосток: 2001, с. 60-74.

16. V.A. Akulichev, V.A. Bulanov, I.V. Korskov, P.N. Popov Acoustic Sounding of Upper Sea Water Layer at Different Areas of the World Ocean. // In : Proceed of the 18th International Congress on Acoustics. ICA 2004, Kyoto, Japan, p. 24152422.

17. Акуличев В.А. Буланов B.A., Корсков И.В., Попов П.Н. Исследования распространения и рассеяния звука в шельфовой зоне Японского моря. // В сб. "Акустика океана". Доклады X школы- семинара акад. JI.M. Бреховских. М.: ГЕОС, РАО, 2004, с. 35-38.

18. Акуличев В.А. Буланов В.А., Корсков И.В., Попов П.Н. Акустическое зондирование верхнего слоя морской воды в различных районах океана. // В сб. "Акустика океана". Доклады X школы- семинара акад. JI.M. Бреховских. М.: ГЕОС, РАО, 2004, с. 237-242.

19. Буланов В.А., Бугаева JÏ.A., Корсков И.В., Попов П.Н., Половинка Ю.А. Реконструкция физических параметров дна в заливе с использованием схемы движущегося источника и неподвижного приемника. // В сб. "Акустика океана". Доклады X школы- семинара акад. JI.M. Бреховских. М.: ГЕОС, РАО, 2004, с. 335-338.

20. Акуличев В.А., Буланов В.А., Воронина Л.Г., Попов П.Н Распределение пузырьков и акустическая нелинейность приповерхностного слоя моря // В Сб.: "Акустика неоднородных сред" СО РАН Институт гидродинамики, вып. 105, Новосибирск: 1992. с. 6

21. Буланов В.А., Корсков И.В., Попов П.Н. Возможности акустической спектроскопии морской среды при нелинейном рассеянии звука с обращенным волновым фронтом. // В сб. "Морские технологии", вып.1, Владивосток: Дальнаука 1996. с. 199-206.

22. Акуличев В.А., Буланов В.А., Воронина Л.Г., Попов П.Н. Исследование объемного рассеяния звука на низких частотах в океане // В сб. "Современное состояние и перспективы развития теории и прикладных вопросов гидроакустики" Владивосток: Изд-во ТОВВМУ, 1996. с. 4-6.

23. Буланов В.А. Корсков И.В., Попов П.Н. Акустическая диагностика морской среды при нелинейном рассеянии звука с обращенным волновым фронтом. // В сб. "Исследование и освоение Мирового океана", Владивосток: Дальнаука, 1998, с. 72-74.

24. Акуличев В.А., Буланов В.А., Попов П.Н. Фрактальная размерность объемного рассеяния на низких частотах в океане. // В сб. "Акустика океана". Доклады VIII школы- семинара акад. Л.М. Бреховских. М.: ГЕОС, РАО, 2000, с. 36-39.

25. Половинка Ю.А. Попов П.Н. Экспериментальное исследование структуры поля параметрического излучателя в условиях прибрежной зоны. // В сб. Морские технологии. ИПМТ ДВО РАН. вып. 4, Владивосток: Дальнаука, 2001. с. 140-148.

26. Половинка Ю.А. Попов П.Н. Исследования акустической кавитации в зависимости от реж шов излучения в натурных условиях. // В сб. Морские технологии. ИПМТ ДВО РАН. вып. 5, Владивосток: Дальнаука, 2003. с.119-134.

27. Половинка Ю.А. Попов П.Н. Исследования акустической кавитации в зависимости от режимов излучения в натурных условиях. // XIII сессия РАО, М.: ГЕОС, 2003, т. 1. с. 44-47.

ПОПОВ Петр Николаевич

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНОГО АКУСТИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ПРИПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ

МОРЯ

Специальность 01.04.06-Акустика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Отпечатано в типографии ИПК МГУ им. адм. Г. И. Невельского 690059, Владивосток, ул. Верхнепортовая, 50а

1,5 уч.-изд. л. Тираж 100 экз.

Формат 60x84/16 Заказ №

ï

РНБ Русский фонд

2006-4 11372

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Особенности нелинейного акустического взаимодействия в микронеоднородной морской среде.

1.1. Особенности рассеяния звука в жидкости с фазовыми включениями.

1.2. Нестационарное рассеяние в присутствии резонансных включений.

1.3. Физические принципы, лежащие в основе акустических параметрических излучателей.

1.4. Нелинейный акустический параметр жидкости с пузырьками.

1.5. Влияния газовых пузырьков на эффективность параметрических излучателей.

1.6. Поле параметрического излучателя в условиях природного волновода.

1.7. Критерии определения порогов акустической кавитации.

Глава 2. Экспериментальные исследования функции распределения пузырьков в морской среде методами обратного рассеяния звука.48 2.1. Экспериментальная установка, аппаратура, методы измерений.

2.2. Исследование рассеяния звука и распределения пузырьков по размерам в морской воде на высоких частотах.

2.3. Особенности распределения пузырьков в приповерхностном слое моря.

Глава 3 Исследования нелинейного параметра в приповерхностном слое моря.

3.1. Аппаратура и методика измерения нелинейного параметра с применением параметрических излучателей.

3.2. Основные результаты измерения нелинейного параметра в приповерхностном слое моря.

3.3. Обсуждение результатов.

Глава 4. Исследование эффективности параметрических излучателей

4.1. Исследования характеристик параметрического излучения с частотой накачки 30 кГц.

4.1.1. Методика исследований и аппаратура.

4.1.2. Амплитудно-частотная характеристика и результаты работы акустического комплекса в параметрическом режиме.

4.2. Экспериментальное исследование эффективности параметрического излучателя с частотой накачки 150 кГц.

4.2.1. Методика исследований и аппаратура.

4.2.2. Экспериментальные исследование эффективности параметрического излучателя на различных глубинах в Индийском океане.

4.2.3. Исследование особенностей трехчастотного режима параметрического излучателя.

4.3. Экспериментальные исследования структуры поля параметрического излучателя в условиях прибрежной зоны.

4.3.1. Особенности проведения экспериментальных исследований —93 4.3.2 Основные результаты.

4.4. Исследование порога акустической кавитации в зависимости от режимов излучения в натурных условиях.

4.4.1. Схема эксперимента, характеристики измерительного комплекса и режимы излучения.

4.4.2. Основные результаты экспериментальных исследований.

4.4.3. Обсуждение результатов.

Большой практический интерес представляют дистанционные методы исследования океана, которые значительно повышают эффективность экспериментальных исследований и существенно расширяют круг решаемых задач. Существуют различные физические методы, которые могут быть положены в основу дистанционного зондирования океана. Хорошо известны варианты спутниковых методов, в основе которых лежит применение электромагнитных волн. В силу высокого поглощения электромагнитных волн в атмосфере и океане, проникновение их в толщу водной среды сильно ограничено. Из-за этого возможности дистанционного зондирования водной толщи с применением электромагнитных волн различного диапазона (инфракрасного, оптического, СВЧ и т. д.) резко ослаблены. В отличие от электромагнитных волн, акустические волны хорошо распространяются в океанической среде. Благодаря своим физическим свойствам и свойствам морской среды акустические волны способны возбуждаться при сравнительно малых затратах энергии, распространяться в среде лучше, чем другие виды волн, например, оптические или электромагнитные волны. Поэтому, наиболее приемлемой основой передачи и получения информации в океане является акустическое поле.

При использовании акустических методов исследования океана, существует два различных подхода к определению физических параметров среды по распространению в ней того или иного вида излучения. Первый основан на регистрации изменений и искажений акустических сигналов при распространении вдоль протяженных трасс и последующего "восстановления" параметров среды путем решения обратных задач. Особенность этого метода заключается в том, что при проведении экспериментов необходимо обеспечить разнесенный прием и излучение сигналов [4,5]. При проведении работ требуется набор излучателей и приемников звука, применение сложных технических методов и средств, которые позволяют проводить оценку интегральных крупномасштабных динамических процессов морской среды и их медленных вариаций [4,5]. Примером конкретной реализации такого подхода в акустике океана служит метод так называемой "акустической томографии" [1], являющийся аналогом применяемого в медицине метода рентгеновской томографии. Пространственное разрешение при использовании этого метода ограничено жестко фиксированной базой, на которой проводятся измерения.

Другой подход основан на явлении рассеяния звука на различных неоднородностях [2,3] морской среды и применении методов акустической спектроскопии. В варианте, когда излучатель и приемник находятся в одной точке, а полезная информация заключена в сигналах, рассеянных от различных объектов в обратном направлении, реализуется довольно простыми техническими средствами и позволяет получить более высокое пространственное разрешение.

Реальные жидкости всегда являются микронеоднородными и содержат различные фазовые включения в виде газовых пузырьков и твердых взвесей. Морская вода содержит также фазовые включения биологического происхождения - зоо и фитопланктон, продукты распада биологических систем, рыбу и другие морские организмы различных размеров. Кроме указанных неоднородностей причиной объемного рассеяния звука в океане является тонкая структура (или микроструктура) гидрофизических полей (изменение скорости звука, плотности, температуры и т.д.) [1.2.3], а также различные турбулентные образования, внутренние волны и т.п. Такие неоднородности приводят к рассеянию звука, дополнительному затуханию, дисперсии скорости звука, появлению дополнительной нелинейности среды. Теория распространения звука в морской воде показывает возможность акустического мониторинга таких сложных сред. Разработке практических методов акустического мониторинга морской среды посвящено значительное количество отечественных и зарубежных работ. Предметом многих экспериментальных работ является получение информации не только о суммарной концентрации различных микронеоднородностей, но и о раздельном вкладе каждого из типов включений.

Метод, основанный на теории обратного рассеяния звука от газовых пузырьков, выделяется авторами [6-9] как один из мощных методов в изучении морской среды. Особый интерес представляет изучение рассеяния звука на газовых пузырьках, которые всегда присутствуют в окене и обладают сильными звукорассеивающими свойствами. Во многих случаях именно пузырьки становятся основными источниками акустической нелинейности морской среды [2,3,6]. Задача определения типа неоднородностей, их концентрации и функции распределения по размерам g(R) является актуальной и практически важной.

Основное направление исследований, проведенных при выполнении диссертационной работы, состояло в изучении нелинейного взаимодействия акустических волн в деятельном приповерхностном слое моря, которое может быть положено в основу разработки нелинейных акустических методов мониторинга микронеоднородностей в морской воде.

Цель работы

Целью работы является изучение нелинейного взаимодействия акустического излучения в приповерхностном слое моря и применение его для мониторинга микронеоднородностей морской воды.

Научная новизна

При выполнении диссертационной работы были проведены экспериментальные исследования, научная новизна которых состоит в следующем:

1. Впервые на различных глубинах и в различных районах океана получены данные о распределении пузырьков в приповерхностном слое морской воды. Показаны большие возможности применения широкополосных остронаправленных параметрических излучателей для исследования структуры океанической среды.

2. Предложен новый метод измерения нелинейного параметра морской воды, основанный на измерении эффективности генерации разностной частоты с применением параметрических акустических излучателей. Впервые получены данные о нелинейном параметре морской воды в широком диапазоне частот на различных глубинах. Показано, что нелинейный параметр жидкости с пузырьками зависит от вида функции распределения пузырьков по размерам, а также от характера нелинейного преобразования частоты.

3. Впервые проведены экспериментальные исследования поля высокочастотного параметрического излучателя в условиях мелководного прибрежного клина в зимнее время. Проведенные исследования показали, что структура поля параметрического излучателя в прибрежном клине качественно отличается от структуры поля в безграничном пространстве.

4. Показана возможность применения многочастотного режима судовых эхолотов для излучения в параметрическом режиме с целью дистанционного измерения звукорассеивающих свойств, как водной толщи океана, так и поддонных слоев в широком диапазоне частот.

5. Предложен новый способ определения порога кавитации, основанный на измерении разности фаз между основной частотой и ее второй гармоники.

Научная и практическая значимость

Научная и практическая значимость диссертационной работы состоит в том, что проведенные исследования расширяют представления и знания о нелинейном акустическом взаимодействии в микронеоднородном приповерхностном слое моря, показывают исключительные возможности использования параметрических излучателей при изучении важных параметров морской среды.

Полученные в диссертационной работе результаты позволяют:

• решать практические задачи акустической спектроскопии морской среды, получать вид функции распределения фазовых включений по размерам, определять нелинейный акустический параметр морской воды;

• применять параметрические излучатели для акустических исследований в океане.

Диссертационная работа выполнялась в рамках ряда государственных научных программ, в том числе ФЦП "Мировой океан" и "Интеграция", а также при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований -проекты №94-02-006092, №96-02-19795, №00-02-16913, №03-02-110710, проект РФФИ - Приморье 01-05-96907 (руководитель проектов Буланов В.А.)

Апробация работы

По материалам диссертации имеется 27 публикаций, из них в центральном научном журнале 1 работа, в трудах международных конференций опубликована 1 работа, в рецензируемых сборниках 14 работ, в материалах российских конференций 6 работ, материалы использовались в отчетах на законченные НИР, имеющие государственные регистрационные номера, получено одно авторское свидетельство на изобретение.

Результаты исследований докладывались на Втором Всесоюзном акустическом семинаре МАПР-2 (Москва, 1988 г.), на 7-м Всесоюзном совещании "Автоматизация процессов управления техническими средствами исследования мирового океана" (Калининград, 1989 г.), на Всесоюзном семинаре "Акустика неоднородных сред" (Новосибирск, 1992, 2004 г.г.), на VIII и X школе- семинаре акад. Л.Д. Бреховских, (Москва, 2000, 2004 г.г.), на XIII сессии РАО (Москва, 2003 г.), на 18-м Международном акустическом конгрессе (Киото, Япония, 2004).

Результаты исследований, представленных в диссертации, использовались в отчетах по НИР №2001/2, №2002/1 "Акустические и гидрофизические исследования крупномасштабных и мелкомасштабных неоднородностей в Японском и Охотском морях" подпрограммы "Исследование природы Мирового океана" ФЦП "Мировой океан", по НИР "Акустические исследования структуры океанической среды" государственный регистрационный №01.960.010859; "Методы и средства исследования океана. Разработка технических средств исследования океана акустическими методами" государственный регистрационный №01.960.010860, по проекту "Акустика" ОГП "Мировой океан" государственный регистрационный №01870025967.

Личный вклад

Автор принимал активное участие в проведении экспериментальных исследований и обработке полученных данных. Автор самостоятельно проводил экспериментальные исследования по изучению акустической нелинейности морской воды и эффективности параметрических излучателей в морских условиях, участвовал в написании всех научных работ и самостоятельно писал соответствующие его тематике разделы каждой из работ.

Содержание диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы Работа изложена на 126 страницах, включая 3 таблицы, 42 рисунка, 130 наименований цитируемой литературы.

4.4.3. Выводы

Из представленных результатов следует, что процесс ультразвуковой кавитации в приповерхностном слое моря с увеличением глубины идет при более высоких амплитудах звукового поля и проходит ряд стадий, где наблюдается как интенсивная перекачка энергии по спектру, так и стабилизация этого процесса. Кавитационная прочность, определяемая как величина давления первой области перекачки энергии по спектру, не зависит от глубины. Экстремальные изменения разности фаз между волной излучения частоты f и гармоникой 2 f наблюдается хорошая корреляция как с порогами кавитации, определяемыми по другим методикам, так и определяют переход к последующим стадиям кавитационного процесса.

Эти результаты качественно объясняются в предположении о преобладающем влиянии на кавитационный процесс фазовых включений в жидкости [31,76,82]. Экстремальные изменения разности фаз Ьср, отражают изменение дисперсионных свойств жидкости на различных стадиях кавитационного процесса.

Заключение

При выполнении диссертационной работы были проведены экспериментальные исследования и получены следующие существенные научные результаты.

1. Проведены экспериментальные исследования рассеяния звука на различных микронеоднородностях морской воды: газовые пузырьки, твердые частицы, планктон. Метод нестационарного рассеяния звука с использованием специально разработанных параметрических акустических остронаправленных излучателей позволил получить данные о распределении пузырьков в широком диапазоне размеров в верхнем слое океана, которые на момент проведения исследований были наиболее подробными и достоверными в мировой практике.

2. Экспериментальные исследования позволили предложить и апробировать в натурных морских условиях новый метод измерения нелинейного параметра морской воды, основанный на измерении эффективности низкочастотной генерации звука параметрическими акустическими излучателями. Впервые получены данные о нелинейном параметре морской воды в широком диапазоне частот на различных глубинах.

3. Проведенные экспериментальные исследования поля высокочастотного параметрического излучателя в условиях мелководного прибрежного клина выявили резко анизотропную структуру поля параметрического излучателя, качественно отличающуюся от структуры поля в безграничном пространстве. Полученные в работе результаты позволяют четко очертить границы применимости параметрических излучателей как инструментов акустического мониторинга морской среды в условиях мелководья.

4. Экспериментальные исследования с судовыми эхолотами в режиме многочастотного параметрического излучения показали перспективность использования модернизированных судовых эхолотов в параметрическом режиме для дистанционного исследования звукорассеивающих свойств, как водной толщи океана, так и поддонных слоев в широком диапазоне частот.

5. Проведенные экспериментальные исследования параметрического излучателя в докавитационном и кавитационном режимах позволили установить предельные режимы эффективного излучения звука. Предложен новый способ определения начала порога кавитации, основанный на изменении разности фаз между основной частотой и ее второй гармоникой.

1. Клей К.С., Медвин Г. Акустическая океанография. Пер. с англ. М.: Мир, 1980. 582 с.

2. Урик Д.Р. Основы гидроакустики. Л.: Судостроение, 1978. 448 с.

3. Физические основы подводной акустики. Пер. с англ. под ред. В. И. Мясищева. М.: Сов. радио, 1957. 740 с.

4. Моргунов Ю.Н. Разработка технических средств и методов акустического мониторинга морской среды. // Диссертация . уч. степ, д.т.н. Владивосток: ТОЙ ДВО РАН, 2001. 221 с.

5. Нужденко А.В. Разработка технических средств акустической диагностики гидрофизических процессов в морской среде // Диссертация . уч. степ, к.т.н. Владивосток: ТОЙ ДВО РАН, 2002, 128 с.

6. Акуличев В.А., Буланов В.А., Кленин С.А. Акустическое зондирование газовых пузырьков в морской среде // Акуст. журн. 1986.Т.32. №3. с. 289295.

7. Колобаев П. А. Исследование концентрации и статистического распределения размеров пузырьков, создаваемых ветром в приповерхностном слое океана // Океанология. 1975. Вып.6. с.1013-1017.

8. Johnson B.D., Cooke R.C. Bubble populations and spectra in coastal water:

9. Photographic approach//J. Geophys. Res. 1979. V. 84, No. 7. P. 3761-3766.

10. Thorpe S.A. Measurements with an automatically recording inverted echo sounder; ARIES and the bubble clouds // J. Phys. Oceanography. 1986. V. 16. P. 1462-1478.

11. Medwin H., Fitzgerald J., Rautmann G. Acoustic Miniprobing for Ocean Microstructure and Bubbles // J. Geophys.Res. 1975. V.80. N3. P. 405-413

12. Бесов А.С., Кедринский B.K., Пальчиков Е.И. Изучение начальной стадии кавитации с помощью дифракционной оптической методики // Письма в ЖТФ. 1984. Т. 10. №4. с. 240-244.

13. Vagle S.,Farmer D. The measurements of bubble-size distributions by acoustical backscatters // Journ. of Atmospheric and Oceanic Technology. 1992. V.9. No 5. P. 630-664.

14. Бесов A.C., Кедринский B.K., Пальчиков Е.И. Структура кавитационных ядер и аномальные свойства воды // Динамика сплошной среды. 1992. Т. 104.

15. Чабан И.А. О затухании колебаний газовых пузырьков в жидкости связанном с теплообменом//Акуст. журн. 1989. Т.35. Вып.1. с. 182-183

16. Акуличев В.А., Буланов В.А., Кленин С.А. Исследование нестационарного рассеяния звука на микронеоднородностях морской воды // Отчет по НИР "Мальта". Гос.рег.№Я26781. Владивосток: ТОЙ ДВНЦ АН СССР. 1984. 32 с.

17. Акуличев В.А., Буланов В.А., Кленин С.А., Киселев В.Д. Уханев С.С. Исследование рассеяния звука и распределения пузырьков по размерам в море В кн: Акустические исследования жидкости с фазовыми включениями. Владивосток: ДВО АН СССР.1984. с.41-49.

18. Колобаев П.А. Объемное рассеяние звука в мелком море // Вопросы судострооения. Сер. Акустика. 1980.Вып. 14. с.128-135.

19. Breitz N., Medwin Н. Instrumentation for In Situ Acoustical Measurements of Bubbles Spectra under Breaking Waves // J. Acoust. Soc. Am. 1989. V.86. N 2. P.739

20. Farmer D.M., Lemon D.D. The Influence of Bubbles on Ambient Noise in the Ocean at High Wind Speeds // J. Phys. Ocean. 1984. V.14. P.1762-1778

21. Vagle S.,Farmer D. The measurements of bubble-size distributions by acoustical backscatters // Journ. of Atmospheric and Oceanic Technology. 1992. V.9. No 5. P. 630-664.

22. Акуличев B.A., Буланов B.A., Кленин C.A., Киселев В.Д. Исследование обратного рассеяния звука и распределение пузырьков по размерам в море // X Всесоюз. акуст. конф. М.: АКИН. 1983.Ду-8. с. 89-92.

23. Turner W.R. Microbubble Persistence in Fresh Water. // J. Acoust. Soc. America, 1961, V. 33, N 9, pp. 1223-1233.

24. Исимару И. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах. // М.: Мир. 1981.Т.1,2.

25. Medwin Н. In situ acoustic measurements of bubble populations in coastal ocean water.//J. Geophys.Res. 1970. V.15.No.3. P.599-611.

26. Medwin H., Daniel A. Acoustical Measurements of Bubble Production by Spilling Breakers. // J.Acoust.Soc.Am. 1990. V.88. N1. P.408-412

27. Medwin H. Acoustical bubble spectrometry at sea. // Cavitation and inhomogeneities in underwater acoustics. // Ed. W. Lauterborn. Berlin: Springer, 1980. P. 167-193.

28. Medwin H. In situ acoustic measurements of microbubbles at sea. // J. Geophys. Res. 1977. V. 82. P. 971-975.

29. Thorpe S.A. On the Determination of К in the Near-Surface v Ocean from Acoustic Measurements ob Bubbles. // J. Phys. Ocean. 1984. V.14. P.855-863

30. Thorpe S.A. The Effect of Langmuir Circulation on the Distribution of Submerged Bubbles Caused by Breaking Wind Waves. // J. Fluid Mech. 1984. V.142. P.151-170

31. Thorpe S.A. On the Clouds of Bubbles Formed by Breaking wind-waves in deep water, and their role in air-sea gas transfer. // Phil. Trans. R. Soc. Lond. 1982. V.A304. P.155-210

32. Буланов B.A. Введение в акустическую спектроскопию микронеоднородных жидкостей // Владивосток, Дальнаука, 2001. 279 с.

33. Бреховских JI.M., Лысанов Ю.П. Теоретические основы акустики океана. Д.: Гидрометеоиздат, 1982. 264 с.

34. Наугольных К.А., Островский Л.А. Нелинейные волновые процессы в акустике. М.: Наука, 1990. 237 с.

35. Акуличев В.А., Буланов В.А., Кленин С.А., Киселев В.Д. Исследования распределения пузырьков по размерам в море В кн.: Проблемы научныхисследований Мирового океана. Тез. докл. 4 Всес. конф. "Мировой океан" Секц.10. Владивосток: ДВПИ. 1983. с. 31-33.

36. Акуличев В.А., Буланов В.А., Кленин С.А., Киселев В.Д. Применение параметрических излучателей для исследования распределения пузырьков по размерам в море // В сб.: Прикладная акустика. 1983. №9. Таганрог: ТРТИ. с. 116-120.

37. Bulanov V.A. Acoustical spectroscopy of resonance inclusions in sea water -In: Proceed of Fifth Western Pacific Regional Acoustics Conference. // Ed. S.W. Yoon, M. Bae. Seoul, Korea, V.I. 1994. P.480-485.

38. Сандлер Б.М., Селивановский Д.А., Соколов А.Ю. Измерения концентрации газовых пузырьков в приповерхностном слое моря // ДАН СССР. 1981. Т. 260, №6. с. 1474-1476.

39. Gensane М. Bubble population measurements with aparametric array // J.Acoust.Soc.Amer. 1994. V.95.No6. P.3183-3190

40. Андреева И.Б. Рассеяние звука в океанических звукорассевающих слоях. — В кн.: "Акустика океана", под ред. Акад. JI.M. Бреховских, М.: Наука, 1974, с. 491-558.

41. Андреева И.Б., Самоволькин В.Г. Рассеяние акустических волн на морских организмах. // М.: Агропромиздат, 1986, 104 с.

42. Подводная акустика. Пер. с англ. Житковского Ю.Ю. и Лысанова Ю.П. под. ред. Бреховских JI.M. М.: Мир. 1970, 495 с.

43. Буланов В.А. Акустика микронеоднородных жидкостей и методы акустической спектроскопии // Диссертация . уч. степ, д.ф.-м.н., Владивосток: ИПМТ ДВО РАН, 1997. 457 с.

44. Буланов В.А. Затухание звука при учете диссипации энергии в приповерхностном слое океана. Препринт ИПМТ ДВО АН СССР, Владивосток: изд. ДВО АН СССР, 1991, 27 с.

45. Новиков Б.К., Тимошенко В.И. Параметрические антенны в гидролокации. Л.: Судостроение, 1990, 256 с.

46. Кобелев Ю.А., Сутин A.M. Генерация звука разностной частоты в жидкости с пузырьками различных размеров. // Акуст. журн. 1980. Т. 4, N 6. с. 860-865.

47. Наугольных Б. К., Островский Л.А., Сутин A.M. Параметрические излучатели звука. // Нелинейная акустика: Сб. статей. Горький; ИПФ АН СССР, 1980, с. 143-160

48. Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика. // Л.: Судостроение. 1981. 264 с.

49. Буханиевич И.Ф., Рыбачек М.С., Тимошенко В.И. Экспериментальные исследования нелинейного акустического излучателя. // В кн. Прикладная акустика. Вып. И, Таганрог, 1976, с. 104-110.

50. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Механика. // М.: Наука, 1973. 208 с.

51. Вайнштейн Л.А., Вакман Д.Е. Разделение частот в теории колебаний и волн. М.: Наука, 1983. 288 с.

52. Воронин В.А., Куценко Т.Н., Тарасов С.П. Особенности формирования характеристики направленности параметрической антенны. // Акуст. журн. 2000. Т. 46, N 6. с. 838-840.

53. Буланов В.А., Полоничко В.Д. Эффективность параметрического взаимодействия акустических волн в приповерхностном слое моря, содержащем газовые пузырьки. Препринт ИПМТ ДВО АН СССР, Владивосток: Изд. ДВО АН СССР. 1990. 35 С.

54. Тимошенко В.И. Расчет и проектирование параметрических акустических преобразователей. // Учебное пособие. Таганрог, ТРТ, 1978.

55. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. // М., Сов. Радио, 1978.

56. Кобелев Ю.А., Островский Л.А. Модели газожидкостной смеси, как нелинейной диспергирующей среды. В кн.: Нелинейная акустика. Теоретические и экспериментальные исследования. Горький: ИПФ АН СССР, 1980. с. 143-160.

57. Акуличев В.А., Буланов В.А., Шеховцев Д.Н. Влияние поверхностного волнения на параметрическую генерацию звука в резонаторе. В сб.: Методы и средства гидрофизических исследований океана, Владивосток: ДВГУ. 1989. с.61-66.

58. Красильников В.А., Крылов В.В. Введение в физическую акустику. М.: Наука, 1984. 400 с.

59. Быков В.Г., Николаевский В.Н. Нелинейные геоакустические волны в морских осадках. // Акуст. журн. 1990. Т.36. Вып.4. с.606-610

60. Bulanov V.A., Bjorno I .К., Bjorno L. Acoustic nonlinarity of two-phase media. Theory.// Report of Department of Industrial Acoustics, Technical University of Denmark, DK-2800, Lyngby, 1994, 47 p.

61. Bulanov V.A. Acoustical nonlinearity of microinhomogeneous liquids. //In: Advances in nonlinear acoustics. / Ed. H.Hobaek, Singapore-London-New Jersey: World Scientific. 1993. P.674-679.

62. Остроумов Г.А., Дружинин Г.А., Крячко B.M., Токман А.С. Нелинейные акустические явления в жидкостях с пузырьками газа // Вестник ЛГУ. 1975. вып.З. с.131-132.

63. Горкавенко В.В. Флуктуации акустической нелинейности в шельфовой зоне Японского моря // В сб. Доклады Дальневосточной акустической конференции, Владивосток, ТОВВМУ, 1994, с. 58-61.

64. Горкавенко В.В. Пространственная и временная изменчивость поля акустической нелинейности на шельфе Японского моря // Сб. "Морские технологии", вып. 1, Владивосток, Дальнаука, 1996, с. 230-240.

65. Горкавенко В.В. Результаты исследования параметра акустической нелинейности в море и некоторые предположения о его физической природе // Сб. "Морские технологии", вып. 2, Владивосток, Дальнаука, 1998, с. 186-194.

66. Филлипс П. Динамика верхнего слоя океана. М Мир, 1980.

67. Козяев Е.Ф., Наугольных К.А. Параметрическое излучение звука в двухфазной среде // Акуст. журн 1980. Т. 26 №1, с. 91-98.

68. Акуличев В.А., Буланов В.А., Половинка Ю.А. Распространение звука в жидкости с парогазовыми пузырьками. В кн.: Распространение акустических волн. Владивосток: ДВПИ. 1982. С.79-82.

69. Полякова А.Л., Сильвестрова О.Б. О параметрическом излучателе звука, работающего в среде с пузырьками газа // Акуст. журн. 1980. Т. 26, N 5. с. 783-787.

70. Westervelt P.I. Parametric acoustic array // J/ Acoustic. Soc. Amer. 1963. Vol. 35, No. 4. P. 535-537

71. Лернер A.M., Сутин A.M. Влияние газовых пузырьков на поле параметрического излучателя звука // Акуст. журн. 1983. Т.29, № 5. с. 659-660.

72. Назаров В.Е, Островский Л.А., Сутин А.М. Теория параметрического излучателя звука на пузырьковом слое // Докл. Всесоюз. акуст. конф. Секция Б. М.: АКИН, 1983. с. 61-64.

73. Буланов В.А., Полоничко В.Д., Влияние дисперсионных свойств среды на эффективность параметрических излучателей звука в приповерхностных слоях океана // Тез. V Дальневост. акуст. конф. Владивосток, 1989. Ч. I, С. 47-49.

74. Глотов В.П., Колобаев П.А., Нейумин Г.Г. Исследования рассеяния звука пузырьками, созданными искусственным ветром в морской воде, и статистического распределения размеров пузырьков // Акуст. журн. 1961. Т. 7, Вып. 4, с. 421-427.

75. Акустика океана / под. Ред. Л.М. Бреховских, М.: Наука 1974.

76. Акуличев В.А., Алексеев В.Н., Буланов В.А. Периодические фазовые превращения в жидкостях. / М.: Наука, 1986, 280 с.

77. Горская И.С., Островский Л.А., Сутин A.M. Параметрическиое излучение звука в мелком море // Акуст. журн. 1983, Т31, №4, с. 451-555.

78. Карабутова Н.Е., Новиков Б.К. Работа параметрического излучателя звука в плоском волноводе // Акуст. журн. 1986, Т32, №1, с. 65-70.

79. Зайцев В.Ю., Островский JI.A., Сутин А. М. Модовая структура поля параметрического излучателя в акустическом волноводе // Акуст. журн. 1987, Т33,№1,с. 37-42.

80. Зайцев В.Ю., Калачев А.И., Наугольных К.А., Степанов Ю.С. Экспериментальное исследование поля параметрического излучателя волноводе // Акуст. журн. 1988, Т34, №3, с. 470-474.

81. Flynn H.G. Physics of acoustic cavitation in liquids // In Physical Acoustics (Ed.Mason W.P.) Academic Press, New York, 1964. P. 57-172.

82. Сиротюк М.Г. Экспериментальные исследования ультразвуковой кавитации. // В кн.: Мощные ультразвуковые поля. Под ред. Л.Д. Розенберга. М. Наука, 1968, 292 с.

83. Акуличев В.А. Кавитация в криогенных кипящих жидкостях. М.: Наука, 1978.280 с.

84. Зарембо Л.К., Красильников В.А. Введение в нелинейную акустику // М., Наука, 1966. с. 269-275.

85. Lauterborn W., Cramer Е. On the dynamics of acoustic cavitation noise Spectra // Acustica. 1981, V.49, №4, P. 280-287.

86. Apfel R.E. Acoustic cavitation prediction // J. Acoust. Soc. Amer. 1981. V.69, №6, P. 1624-1633.

87. Чулкова H.B., Макаров B.K., Супрун С.Г., Кортнев А.А. О физическом смысле эрозионного наступления кавитации // В сб. научных тр., № 132, М., Институт стали и сплавов, 1981. с.22-26.

88. Гордейчук Т.В. Сонолюминисценция кавитационной области воды в атмосфере инертных газов. // Диссертация. уч. степ, к.ф-м.н., Владивосток: ТОЙ ДВО РАН, 2003, 128 с.

89. Namara W.B., Didenko Y.T. Suslic K.S. // Nature, 401, 1999. P 772-784.

90. Акуличев В.А., Ильичев В.И., Мальков В.В. Устройство для определения кавитационной прочности жидкости // Авт. свидетельство СССР №186215, 08.04.1965. Опубликовано: Бюллетень №18, 12.09.1966.

91. Соседко С.Н. Программа SCATTER для обработки и визуализации импульсных сигналов обратного рассеяния звука. // В сб. "Морские технологии", вып.4, Владивосток, Дальнаука 2001. с. 204-210.

92. Буланов В.А., Воронина Л.Г., Попов П.Н. Вопросы излучения и приема сигналов при акустической спектроскопии морской среды. // Доклады Второго Всесоюзного акустического семинара. МАПР-2. М., изд. АКИН 1988. с. 106.

93. Буланов В.А., Воронина Л.Г., Попов П.Н. Исследование рассеяния звука и нелинейных параметров верхнего слоя океана с применением параметрических излучателей. // Отчет о работах в 12-м рейсе НИС "А. Виноградов", Владивосток, 1988. с. 315-335.

94. Буланов В.А. Исследование рассеяния звука и характеристик параметрических акустических излучателей // Отчет о работах в 24-м рейсе НИС "Проф. Богоров" Владивосток, 1987, с. 52-64.

95. Воронина Л.Г., Полоничко В.Д., Попов П.Н Параметрические акустические излучатели для исследования рассеяния звука в океане // В кн.: XI Всесоюзн. акустич. конференция. Секция Б. М.: Акустич. ин-т. 1991. с. 105-108.

96. Буланов В.А., Воронина Л.Г., Полоничко В.Д., Попов П.Н. Исследования рассеяния звука и параметров верхнего слоя океана // Отчет об экспедиционных работах в рейсе №16 (первый этап) НИС "Академик

97. Александр Виноградов" Т.1. "Акустические исследования в Тихом и Индийском океанах". Владивосток: ИПМТ ДВО АН СССР. 1990. с.303-368.

98. Буланов В.А., Воронина Л.Г., Попов П.Н. Обработка сигналов при акустической спектроскопии морской среды // Доклады Второго Всесоюзного акустического семинара. МАПР-2. М., изд. АКИН, 1988. с. 105.

99. Акуличев В.А., Буланов В.А., Воронина Л.Г., Попов П.Н. Исследование рассеяния звука на микронеоднородностях морской среды. // Отчет ТОЙ ДВО РАН по 1-му этапу НИР "Аквамарин". Владивосток. 1988.

100. Акуличев В.А., Буланов В.А., Воронина Л.Г., Полоничко В.Д., Попов П.Н

101. Акуличев В.А., Буланов В.А., Воронина Л.Г., Попов П.Н. Рассеяние звука на микронеоднородностях морской среды // Препринт. ИПМТ ДВО РАН. Владивосток, 1991 24 с.

102. Буланов В.А., Корсков И.В., Полоничко В.Д., Попов П.Н., Соседко С.Н. Исследование рассеяния звука и параметров верхнего слоя океана. // В сб. "Морские технологии", вып.2, Владивосток, Дальнаука 1998. с. 132156.

103. Соловьев А.А., Корсков И.В., Попов П.Н. Исследования рассеяния звука. // В отчете об экспедиционных работах в рейсе №27 НИС "Проф. Гагаринский", Владивосток. ТОЙ ДВО РАН, 1999. с. 49-69.

104. Буланов В.А., Корсков И.В., Попов П.Н., Соседко С.Н. Исследования рассеяния звука в мелком море. // В сб. "Морские технологии", вып. 3, Владивосток: Дальнаука, 2000. с. 254-263.

105. Акуличев В.А., Буланов В.А., Н Корсков И.В., Моргунов Ю.Н., Попов П.Н. Экспериментальные исследования распространения звука вдоль трасс в Японском море. // В сб. Морские технологии. ИПМТ ДВО РАН. вып. 4, Владивосток: Дальнаука, 2001. с. 119-139.

106. V.A. Akulichev, V.A. Bulanov, I.V. Korskov, P.N. Popov Acoustic Sounding of Upper Sea Water Layer at Different Areas of the World Ocean. // In : Proceed of the 18th International Congress on Acoustics. ICA 2004, Kyoto, Japan, p. 2415- 2422.

107. Акуличев B.A. Буланов B.A., Корсков И.В., Попов П.Н. Исследования распространения и рассеяния звука в шельфовой зоне Японского моря. // В сб. "Акустика океана". Доклады X школы- семинара акад. J1.M. Бреховских. М. ГЕОС, РАО, 2004, с. 35-38.

108. Акуличев В.А. Буланов В.А., Корсков И.В., Попов П.Н. Акустическое зондирование верхнего слоя морской воды в различных районах океана. // В сб. "Акустика океана". Доклады X школы- семинара акад. JI.M. Бреховских. М. ГЕОС, РАО, 2004, с. 237-242.

109. Буланов В.А., Попов П.Н. Исследование характеристик узколучевого эхолота в параметрическом режиме. // Межвузовский сборник "Антенны и преобразователи". Владивосток: ДВГУ, 1988. с. 148-153.

110. Акуличев В.А., Буланов В.А., Воронина Л.Г., Попов П.Н Распределение пузырьков и акустическая нелинейность приповерхностного слоя моря // Сборник "Акустика неоднородных сред" СО РАН Институт гидродинамики, вып. 105, Новосибирск, 1992. с. 6

111. Буланов В.А., Корсков И.В., Попов П.Н. Возможности акустической спектроскопии морской среды при нелинейном рассеянии звука с обращенным волновым фронтом. // В сб. "Морские технологии", вып.1, Владивосток, Дальнаука 1996. с. 199-206.

112. Буланов В.А. Корсков И.В., Попов П.Н. Акустическая диагностика морской среды при нелинейном рассеянии звука с обращенным волновым фронтом. // В сб. "Исследование и освоение мирового океана", Владивосток: Дальнаука, 1998, с. 72-74.

113. Акуличев В.А., Буланов В.А., Попов П.Н. Фрактальная размерность объемного рассеяния на низких частотах в океане. // В сб. "Акустика океана". Доклады VIII школы- семинара акад. Л.М. Бреховских. М. ГЕОС, РАО, 2000, с. 36-39.

114. Половинка Ю.А. Попов П.Н. Экспериментальное исследование структуры поля параметрического излучателя в условиях прибрежной зоны. // В сб. Морские технологии. ИПМТ ДВО РАН. вып. 4, Владивосток: Дальнаука, 2001. с. 140-148.

115. Половинка Ю.А. Попов П.Н. Исследования акустической кавитации в зависимости от режимов излучения в натурных условиях. // В сб.

116. Морские технологии. ИПМТ ДВО РАН. вып. 5, Владивосток: Дальнаука, 2003. с.119-134.

117. Половинка Ю.А., Попов П.Н. Исследование спектра кавитационного шума при непрерывном импульсном и двухчастотном излучении. // Доклады Второго Всесоюзного акустического семинара МАПР-2.М., изд. АКИН, 1988. с. 127

118. Половинка Ю.А., Попов П.Н. Исследование амплитудно-фазовых характеристик сигналов на различных стадиях акустической кавитации // Акуст. журн., 1990. Т. 36, № 4. с. 779-781.

119. Акуличев В.А., Половинка Ю.А., Попов П.Н., Способ определения кавитационной прочности жидкости. // Авторское свидетельство №4718280/25-28 (096203), 1990.

120. Половинка Ю.А. Попов П.Н. Исследования акустической кавитации в зависимости от режимов излучения в натурных условиях. // XIII сессия РАО, М. ГЕОС, 2003, т. 1, с. 44 47.