Исследование приемных параметрических антенн в подводном звуковом канале тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ

1. ИССЛЕДОВАНИЯ ВОПРОСОВ РАННЕГО ОБНАРУЖЕНИЯ МАЛОШУМЯЩИХ ОБЪЕКТОВ И НЕЛИНЕЙНЫХ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ ПРИЕМНИКОВ

ЗВУКА (краткий обзор).

1.1. Исследования распространения волн в стратифицированном океане.

1.2. Исследования приемных параметрических антенн.

2. ЛУЧЕВАЯ КАРТИНА АКУСТИЧЕСКОГО ПОЛЯ В НЕОДНОРОДНОЙ СРЕДЕ.

2.1. Постановка задачи.

2.2. Исследования лучевой картины поля в линейном приближении.

2.3. Влияние нелинейности среды на лучевую картину поля.

2.4. Выводы.

3. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИЕМНОЙ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ АНТЕННЫ НА РАССЕЯННЫХ ВОЛНАХ.

3.1. Схема приемной параметрической антенны на рассеянных волнах.

3.2. Характеристики волн рассеянных, объемными рассеивателями.

3.3. Взаимодействие сферических акустических волн в приемной параметрической антенне.

3.4. Амплитуда волны разностной частоты в локационном параметрическом приемнике.

3.5. Исследование фазы волны накачки в приемной параметрической антенне на рассеянных волнах.

3.6. Характеристики приемной параметрической антенны в подводном звуковом канале.

3.7. Экспериментальные исследования характеристики приемной параметрической антенны с большой базой.

3.8. Выводы.

4. ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ

ПРИЕМНЫХ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ АНТЕНН В СИСТЕМАХ ОБНАРУЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ В

ПОДВОДНОМ ЗВУКОВОМ КАНАЛЕ.

4.1. Задачи обнаружения объектов по их акустическому полю.

4.2. Принципы построения приемных параметрических антенн.

4.3. Экспериментальные исследования приемной параметрической антенны на отраженных волнах.

4.4. Методика обработки результатов экспериментальных исследований.

4.5. Выводы.

Звук является весьма перспективным средством исследования подводных глубин, связи, обнаружения и классификации шумящих и не шумящих подводных объектов, расположенных как в толще воды, так и на грунте и в толще донных осадков. С помощью акустических волн в океане проводят разведку полезных ископаемых в толще грунта, разведку залегания железно марганцевых конкреций на дне глубокого океана, поиск рыбных скоплений и оценку биологических ресурсов океана.

Способность звука распространяться на большие расстояния связана с наличием в природе подводного звукового канала, открытого советскими и американскими учеными независимо друг от друга в середине 40-х годов прошлого века. При анализе распространения звука на большие расстояния необходимо учитывать рефракцию звуковых лучей, вдоль которых распространяется звуковая энергия. Рефракция вызвана тем, что море является неоднородной средой с изменяющимися температурой гидростатическим давлением, соленостью и, следовательно, скоростью звука. Масштабы изменений скорости звука в океане различны по вертикали и горизонтали. По вертикали изменения более быстрые, и поэтому при рассмотрении распространения волн в такой неоднородной среде в основном учитываются именно они, хотя при дальнем распространении и медленные изменения по горизонтали могут привести к существенным отклонениям распространения волн от прямолинейного.

Рефракция волн приводит к тому, что при обнаружении подводных объектов активными или пассивными средствами можно попасть в ситуацию, когда определение координат объекта по карте и по данным акустики значительно различаются из-за криволинейности лучей, вдоль которых распространяется энергия волн. Кроме того, рефракция волн приводит к тому, что появляются зоны тени, в которых объект не обнаруживается акустическими средствами. В точку приема приходят волны по разным путям с задержкой по времени, вследствие разной длины лучей и это может вызвать замирание сигналов в точке приема.

Решения проблемы замирания сигнала в точке приема осуществляется с помощью узко направленных приемных систем, которые позволяют выделить отдельный луч, или группу лучей с малыми относительными задержками. Такие антенные системы обычно имеют большие размеры, выполняются стационарными и не пригодны для использования на движущихся носителях.

Для решения задачи выделения отдельных лучей в подводном звуковом канале в работе предлагается использовать приемную параметрическую антенну, в которой прием волн осуществляется за счет нелинейного взаимодействия принимаемой волны с волной накачки. В водной среде волны накачки распространяются по тем же лучам, что и волны сигнала, что и дает возможность использования их для селекции лучей. Однако волна накачки в параметрической приемной антенне имеет большую интенсивность. Это приводит к тому, что в воде в присутствии мощной звуковой волны скорость звука меняется и, следовательно, меняется направление луча.

В настоящей работе ставится задача исследования влияния мощной звуковой волны накачки на распространение волны накачки и сигнала, исследования характеристик приемных параметрических антенн, расположенных в подводном звуковом канале и разработка гидроакустических систем с приемными параметрическими антеннами для выделения лучей в подводном звуковом канале.

Целью диссертационной работы являются теоретические и экспериментальные исследования влияния нелинейных эффектов на распространение волн в подводном звуковом канале и характеристик приемных параметрических антенн, предназначенных для выделения лучей в подводном звуковом канале в системах дальнего обнаружения.

Поставленная в работе цель автором достигается теоретическими исследованиями процессов распространения волн в подводном звуковом канале с учетом нелинейных свойств среды, разработкой моделей расчета характеристик приемных параметрических антенн, расположенных в подводном звуковом канале и экспериментальной проверкой некоторых характеристик предлагаемых систем для использования в устройствах дальнего обнаружения.

На защиту выносятся следующие положения:

- математическая модель распространения волн в нелинейной неоднородной среде с учетом рефракции лучей;

- методика расчета характеристик приемной параметрической антенны, работающей на рассеянных объемными неоднородностями волнах;

- результаты теоретических исследований характеристик приемной параметрической антенны в подводном звуковом канале;

- принцип построения многоканальной системы селекции лучей в звуковом канале с многочастотной параметрической антенной;

- схемы построения приемных параметрических антенн на рассеянных волнах;

- результаты экспериментальных исследований приемных параметрических антенн.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка цитируемых литературных источников.

Основные результаты работы были опубликованы в трудах Таганрогского государственного радиотехнического университета, Санкт-Петербургского военно-морского института радиоэлектроники /78/, в известиях Нижегородского государственного университета и апробированы на конференциях различного уровня.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Подробные выводы по результатам исследований проведенных в диссертационной работе приведены в конце каждого раздела диссертации. В настоящем разделе приводятся основные результаты.

В диссертационной работе получены следующие основные результаты: проведен обзор литературных источников по вопросам исследования распространения волн в стратифицированном океане и исследованию приемных параметрических антенн, который показал актуальность выбора направления исследований; на основании исследований лучевой картины поля в линейном приближении рассмотрено влияние нелинейности среды на лучевую картину поля, предложена математическая модель распространения волн в нелинейной неоднородной среде с учетом рефракции лучей, проведено математическое моделирование распространения волн в неоднородной нелинейной среде; разработана схема приемной параметрической антенны, работающей на рассеянных неоднородностями волнах, предложена методика расчета характеристик такой приемной параметрической антенны для антенн с плоскими и сферическими волнами накачки, рассчитаны основные параметры локационной приемной параметрической антенны на рассеянных волнах; проведены теоретические исследования характеристик приемной параметрической антенны, расположенной в подводном звуковом канале, показано, что искривление лучей в канале приводит к изменениям характеристик приемной параметрической антенны, приведены экспериментальные исследования, показывающие возможность реализации приемной параметрической антенны с большой базой; рассмотрены принципы построения приемных параметрических антенн, на основании которых предложены новые принципы построения приемных параметрических антенн на рассеянных волнах и многочастотных приемных параметрических антенн для системы селекции лучей в подводном звуковом канале; проведены экспериментальные исследования, которые показали принципиальную возможность реализации приемной параметрической антенны на рассеянных волнах.

1. Косырев Д.В. Метод оценки вклада гидрологических и аэрологических факторов в эффективность работы гидроакустических средств. Таганрог, ТРТУ. Известия ТРТУ №3, 1998 г., с. 109-110.

2. Косырев Д.В. Береговая система наблюдения ВМФ РФ. Таганрог, ТРТУ. Известия ТРТУ №1, 2002 г., с.295.

3. Косырев Д.В. Вопросы раннего обнаружения малошумящих объектов в условиях северной базы. Нижний Новгород. Известия НГГУ, №7, 2001 г.

4. Косырев Д.В. Пути оптимизации учета гидрологических факторов, влияющих на формирование акустического поля шумов океана. Таганрог, ТРТУ. Известия ТРТУ №2, 1997 г., с. 153-154.

5. Knudsen V., Alfourd R., Emling J. Underwater ambient noise. J.Mar. Resarch. 7. 1948, №3.

6. Wenz G. Acoustic ambient noise in Ocean, spectra and sources. JASA, 34, 1962, №12.

7. Горелова Г.В., Черепанцев С.Ф. О некоторой процедуре формирования физической и математической модели шумов моря. // Акустические методы исследования океана. JL: «Судостроение», 1976. Вып. 237.

8. Черепанцев С.Ф. Об одной особенности поля морских шумов. // Акустические методы исследования океана. JL: «Судостроение», 1979. Вып. 303.

9. Бреховских JI.M. Волны в слоистых средах. М.: Наука, 1973. 343 с.

10. Тюрин A.M., Сташкевич А.П., Таранов Э.С. Основы гидроакустики. Л.: «Судостроение», 1966 г., с. 295.

11. Справочник по гидроакустике. Под ред. А.Е. Колесникова. Л.: «Судостроение», 1987. - 356 с.

12. Распространение волн и подводная акустика. Под ред. Дж.Б. Келлера и Дж.С. Пападакиса. М.: «Мир», 1980. 230 с.

13. Клещев А.А., Клюкин И.И. Основы гидроакустики. JL: «Судостроение», 1987. -224 с.

14. Бреховских JIM., Лысанов Ю.П. Теоретические основы акустики океана. Л.: «Гидрометеоиздат», 1982 г. 264 с.

15. Pekeris С. Theory of propagation of explosive sound in shallow water. Geol. Soc. Am. Mem., 27, 1948.

16. Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. М.: Изд. АН СССР, 1957 г.

17. Ludwig D. Uniform asymptotic expansion at a caustic. Comm. Pure Appl. Math., 19, 215, 1966.

18. Кравцов Ю.А. Модификация метода геометрической оптики. Изв. ВУЗов, сер. «Радиофизика», 7, 664, 1964.

19. Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика. Л.: «Судостроение», 1981. - 264 с.

20. Westrwelt P.J. Parametric Acoustic Array, J.A.S.A., 1963, 35, p.536-537.

21. Berktay H.O., Al-Temimi C.A. Virtual array for underwater Relption, J.Sound Vib., 1961, 9, 2, p. 295-307.

22. Bernard G.R., Willette J.G., Truchard J.J., Shooter J.H. Parametric acoustic redeving array, J.A.S.A., 1972, 52, p. 1437-1441.

23. Berktay H.O., Shooter J.A. Parametric receives with spherically spreading pump waves, J.A.S.A., 1973, 54, 4, p. 1056-1061.

24. Berktay H.O., Shooter J.A. Nearfield effects in end-fire line array, J.A.S.A. 1973, 53, 2, p.550-557.

25. Rogers P.H., Van Buren A.L., Williams A.O., Barber J.M.

26. Parametric detection of low-frequency acoustic waves in the nearfield of an arbitrary directional pump transducer, J.A.S.A., 1974, 55, 3, p. 528534.

27. Rogers P.H., Van Buren A.L., Williams A.O., Barber J.M. Parametric detection of low-frequency waves in the near-field of a directional pump source, "Finte-Amplitude wave Eff. Fluide Proc. Symp.", Copenhagen, 1973, Gnildford, 1974, p. 190-194.

28. Rogers P.H., Van Buren A.L., Williams A.O., Barber J.M. Parametric detection of a low-frequency plane waves a circular piston beam, J.A.S.A., 1973, 53, 1, p. 383-388.

29. Bartram J.F. Saturation effects in a parametric receiving array, J.A.S.A., 1974, 55, p. 523 (A).

30. Felton F.H., Kesner J.W., Saturated parametric receiving array, seventh International Symposium on Nonlinear Acoustics, Blackburg, 1976, 125-128.

31. Кузнецов B.H. Уравнения нелинейной акустики. Акуст. журнал, 1970, 16, 4, с. 548-553.

32. Al-Temini С. A. Effects of acoustic shadows of the performance of a parametric receiving system, J. Sound Vib., 1976.

33. Truchard J.J. The detection of a frequency plane wave with a parametric reseiving array "Finite-Amplitude wave Effects in fluids", Copenhagen, 1973, p. 184-188.

34. Truchard J.J. Parametric acoustic receiving array, 1, Theory, J.A.S.A., 1975, 58, 6, p. 1141-1145.

35. Truchard J.J. Parametric acoustic receiving array, 11, Experiment, J.A.S.A, 1975,58, 6, p. 1146-1150.

36. McDonaugh R.N. Long-aperture parametric receiving array, J.A.S.A, 1975, 57, 5, p. 1150-1155.

37. Мюир Т. Дж. Нелинейная акустика и ее роль в геофизикеморских осадков, в кн: «Акустика морских осадков», под ред. Ю.Ю. Жидковского. М., «Мир», 1977, с. 227-273.

38. Berktay Н.О., Muir T.G. Arrays of parametric receiving arrays, J.A.S.A., 1973, 53, 5,p. 1377-1383.

39. Горелик А.Г., Зверев В.А. К вопросу о взаимодействии звуковых волн. Акуст.ж., 1955, 14, с. 339-342.

40. Зверев В.А., Калачев А.И. Модуляция звука звуком при пересечении акустических волн. Акуст.ж., 1970, 16, 2, с. 245-251.

41. Pimonov L. Modulation d'ondes Stationnairis ultrasonores dans Г am, "Ann. telecom.", 1954, 2, 1, p. 24-28.

42. Hikaru Dute, Yoshinori Tokica. Parametric directional microphone, "The 6-th International Congress Acoustics", Tokyo, 1968, D-4-6.

43. Богатенков A.B., Головин Ф.В., Гущин B.B., Зверев В.А., Калачев А.И. Экспериментальные исследования параметрического микрофона. Тезисы докладов II Всесоюзного научно-технического совещания «Нелинейная гидроакустика 76» Таганрог, ТРТИ, 1976, с. 98-101.

44. Калачев А.И. Модуляция звукового пучка плоской звуковой волной. Доклады IX Всесоюзной акустической Конференции, секция «Б», М., 1977, с. 47-50.

45. Преобразующая антенная решетка с параметрическим управлением. Патент США № 3882444, G015 9/66, «Изобретения за рубежом», 30, 1975.

46. Воронин В. А. Параметрические акустические антенны для исследования неоднородностей мирового океана. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Таганрог 1998 г.

47. Физические основы подводной акустики. Под ред.

48. Мясищева В.И. М.: «Советское радио», 1955. - 740 е., илл.

49. Тимошенко В.И., Воронин В.А. и др. Разработка и изготовление остронаправленного приемно-излучающего комплекса (промежуточный отчет 113108). Таганрог, ТРТИ, 1977, инв. Б 632718.

50. Тимошенко В.И., Воронин В.А. и др. Разработка и изготовление остронаправленного приемно-излучающего комплекса (заключительный отчет 113108). Таганрог, ТРТИ, № 6680820, 1978 г.

51. Timoshenko V.I., Maximov V.N., Voronin V.A. Investigation of nonlinear parametric sound reception Journal de Physique, supplement on №11, tome 40, 1979.

52. Воронин В.А., Максимов B.H., Пояркова В.А., Тимошенко

53. B.И. Исследование нелинейного параметрического приемника звука с фазовым детектированием. Сб. НТО им. А.Н. Крылова "Акустические методы исследования океана", «Судостроение» Ленинград, 1978 г.

54. Воронин В.А., Максимов В.Н., Тимошенко В.И. Параметрическая акустическая приемно-излучающая система. Авторское свидетельство № 688104 G01C 13/00 от 18.04.1978 г.

55. Воронин В.А., Максимов В.Н., Тимошенко В.И. Параметрический акустический приемник. Авторское свидетельство №702852 G01C 13/00 от 10.05.1978 г.

56. Воронин В.А., Тимошенко В.И., Громов В.И., Тарасов

57. C.П., Тер-Сааков Э.В. Способ акустической геолокации и устройство для его осуществления. Авторское свидетельство № 747313 G01С 13/00 от 26.12.1978 г.

58. Воронин В.А., Максимов В.Н., Пояркова В.А., Тимошенко В.И. Исследование характеристик нелинейного параметрического акустического приемника. "Прикладная акустика" вып.VII. Таганрог, ТРТИ, 1979 г.

59. Воронин В.А., Максимов В.Н., Тимошенко В.И Акустический параметрический приемник. Авторское свидетельство № 786539 G01С 13/00 от 29.04.1979 г.

60. Воронин В.А., Максимов В.Н., Тимошенко В.И.

61. Экспериментальные исследования нелинейного параметрического акустического приемно-излучающего комплекса. Сб. НТО им. А.Н. Крылова "Акустические методы исследования океана", «Судостроение» Ленинград, 1979 г.

62. Воронин В.А., Кузнецов В.П. Влияние шумов моря на характеристики приемной параметрической антенны. "Прикладная акустика" вып.IX. Таганрог, ТРТИ, 1983 г.

63. Воронин В.А., Кузнецов В.П. и др. Отчет отряда рассеяния звука на гидрофизических неоднородностях. Отчет/ Институт океанологии АН СССР им. П.П. Ширшова. Экспедиция НИС "Академик Мстислав Келдыш", 6-рейс. Рук. Житковский Ю.Ю., Москва, 1983 г., с. 61.

64. Воронин В.А., Гринберг И.Э. Исследование влияния нелинейности приемного тракта параметрической антенны на ее характеристики. "Прикладная акустика" вып. XII. Таганрог, ТРТИ, 1988 г., депон. ВИНИТИ, 1988 г. №9108-В88.

65. Березуцкий А.В., Воронин В.А. и др. Отчет отряда объемного рассеяния звука. Отчет/ Институт Океанологии АН СССР им. П.П. Ширшова. Экспедиция на НИС "Академик Иоффе", 1-й рейс, научн. рук. Ю.Ю. Житковский, Москва, 1989 г., с. 40.

66. Воронин В.А, Тимошенко В.И, Тарасов С.П, Котляров В.В, Кузнецов В.П. Исследование приемной параметрической антенны с большой базой. Акуст. журнал, т.38, №2, М. , 1992 г.

67. Тимошенко В.И, Воронин В.А. и др. Исследование гидроакустического комплекса для дистанционного зондирования морской среды. Отчет /ТРТИ: науч. рук. В.И.Тимошенко, 11604/93, № гос.рег. 01.9.30009551; инв. № 029.40002966 Таганрог. 1993, с. 53.

68. Воронин В.А, Тимошенко И.В. Location by nolinear interaction of the reflection signals. Proceeding of coference OCEANS-94 "Oceans engineering for today's technology and tomorrow's preservation", Brest, France, 13-16 Sep, 1994, v.l, p. 741-744.

69. Воронин В.А, Тимошенко В.И, Тарасов С.П. The role ofparametric arrays in the ocean research. In book "Nonlinear acoustic" American Institute of Physics (AIP PRESS), New York, 1994, p. 231270.

70. Воронин В.А., Тимошенко В.И.,Тарасов С.П. Using of а parametric acoustic array for engineering and archeology. ACUSTICA, Journal of the Evropean Acoustics Association (EEIG), v.82, supl.l, p. SI99, Jan-Feb 1996.

71. Воронин B.A. Nonlinear interaction of acoustical waves in inhomogeneities media and designe of parametric receiving array. ACUSTICA, Journal of the Evropean Acoustics Association (EEIG), v.82, supl.l, p. S200, Jan-Feb 1996.

72. Колесников А.Е. Акустические измерения. Л.: «Судостроение», 1983. 256 с.

73. Рабинович С.Г. Погрешности измерений Л.: «Энергия», 1978. 272 с.

74. Косырев Д.В. Вопросы раннего обнаружения малошумящих объектов в условиях северной базы. Санкт-Петербург, XI НТК ВМИ радиоэлектроники, 2000 г., С. 122.