Исследование законов распределения акустического давления преобразователей накачки параметрических антенн в нелинейных средах

Куценко, Николай Николаевич

Исследование законов распределения акустического давления преобразователей накачки параметрических антенн в нелинейных средах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ

Куценко, Николай Николаевич АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Таганрог МЕСТО ЗАЩИТЫ

2009 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.06 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Исследование законов распределения акустического давления преобразователей накачки параметрических антенн в нелинейных средах»

Автореферат диссертации на тему "Исследование законов распределения акустического давления преобразователей накачки параметрических антенн в нелинейных средах"

на правах рукописи

КУЦЕНКО НИКОЛАЙ НИКОЛАЕВИЧ

Исследование законов распределения акустического давления преобразователей накачки параметрических антенн в нелинейных

средах

01.04.06 - Акустика

автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 6 НОЯ 2009

Таганрог 2009

003484896

Работа выполнена на кафедре электрогидроакустической и медицинской техники Технологического института федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Воронин Василий Алексеевич (ТТИ ЮФУ, г. Таганрог)

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Рыжов Владимир Петрович (ТТИ ЮФУ, г. Таганрог)

кандидат технический наук, ведущий научный сотрудник Усов Владимир Павлович (ООО «Аквазонд», г. Таганрог)

Ведущая организация:

ГНЦ ФГУГП «Южморгеология», (г. Геленджик)

Защита состоится 17.12.2009 г. в 14 час. 20 мин. на заседании диссертационного совета Д.212.208.23 в Южном федеральном университете.

Адрес: 347928, Ростовская обл., г. Таганрог, ул. Шевченко, 2, ауд. 306. С диссертацией можно ознакомиться в зональной библиотеке ЮФУ.

Автореферат разослан « 6 » ноября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

д.т.н., профессор

И. Б. Старченко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Освоение океана, внутренних акваторий и особенно шельфовых зон с целью поиска, разведки и добычи нефти и газа, рудных и строительных материалов, конкреций и других полезных ископаемых, поиск рыбных скоплений, проведение экологического мониторинга прибрежных и морских акваторий, классификация и изучение свойств морского дна — вот далеко не полный перечень задач, который решается на основе излучающих и приемных параметрических антенн. Такое широкое распространение параметрических антенн обусловлено их уникальными свойствами, такими как: небольшие габариты антенн накачки, отсутствие боковых лепестков характеристики направленности при сохранении ее ширины на уровне 3 дБ и т.д. Ввиду того, что по своей физической сути параметрическая антенна является вторичным полем преобразователей накачки, задача изучения их характеристик является крайне актуальной в этом аспекте.

Реальные эхосигналы всегда являются случайными вследствие присутствия большого количества источников шумов в природе. Поэтому они описываются вероятностными характеристиками, которые необходимо всегда учитывать при построении физических моделей.

В задачах адаптивного оптимального приема и обнаружения сигналов одним из важнейших вопросов является получение закона распределения принимаемого сигнала. Кроме того, в гидролокации широко применяются флуктуирующие сигналы со случайно модулированными квазипериодическими импульсными посылками, то есть сигналы с искусственно заданными вероятностными характеристиками.

Проблема решения всех этих задач делает исследование законов распределения акустического давления преобразователей накачки параметрических антенн актуальным вопросом, решение которого повысит эффективность использования аппаратуры данного класса.

Настоящая работа является продолжением исследований в области изучения вероятностных характеристик параметрических антенн, проводимых на кафедре электрогидроакустической и медицинской техники (ЭГА и МТ) Технологического института Южного федерального университета в г. Таганроге (ТТИ ЮФУ), и отличается от предыдущих работ целью, постановкой задач, методами их решения и полученными результатами.

Целями настоящей работы являются:

1. Теоретическое и экспериментальное исследование закона распределения мгновенных значений акустического давления в ближнем поле преобразователей накачки параметрических антенн.

2. Исследование нелинейных свойств среды на основе измерения статистических характеристик нелинейных волн.

3. Разработка принципов построения и структуры устройства, предназначенного для определения нелинейных свойств среды.

Для достижения целей исследования решались следующие задачи:

1. Теоретическое исследование плотности вероятности акустического давления нелинейных волн в ближней зоне преобразователей накачки.

2. Теоретическое исследование ' плотности вероятности акустического давления в нелинейных звуковых пучках.

3. Экспериментальное исследование закона распределения мгновенных значений акустического давления нелинейных волн в средах без дисперсии.

4. Теоретическое и экспериментальное исследование плотности вероятности акустического давления в параметрической антенне с двухчастотным и многокомпонентным сигналами накачки.

5. Разработка структуры устройства и методики исследования нелинейных свойств среды, основанной на решении обратной задачи преобразования статистических характеристик нелинейных акустических волн.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Математическая модель плотности вероятности акустического давления нелинейных волн в ближнем поле преобразователей накачки в средах без дисперсии.

2. Показана возможность формирования нормального закона распределения акустического давления в параметрической антенне с многокомпонентным сигналом накачки.

3. Результаты экспериментальных исследований плотности вероятности акустического давления интенсивных волн в нелинейных средах и плотности вероятности акустического давления в параметрической антенне с двухчастотным сигналом накачки.

4. Методика определения нелинейных свойств среды, которая основана на измерении законов распределения акустического давления.

Методы исследования. Теоретические исследования основывались на методах математической статистики и теории вероятности, которые применялись в задачах распространения акустических волн в нелинейных средах.

Экспериментальные исследования основывались на методиках, описанных в ОСТ 5-8361-86. Измерения проводились в заглушённом гидроакустическом бассейне кафедры ЭГА и МТ ТТИ ЮФУ. Размеры бассейна составляют: 2,5 м - ширина, 2,5 м - глубина, 4 м - длина. В качестве излучателя использовалась гидроакустическая антенна с резонансной частотой 135 кГц (полоса 30 кГц) и с площадью излучающей поверхности 200 см2. Таким образом, данное оборудование позволяет провести измерения до расстояния Шд =3 (1д ®57(2Л)).

Обработка данных производилась в среде МАТЬАВ.

' Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Получены результаты теоретических и экспериментальных исследований, показывающие связь между асимметрией фаз сжатия и разрежения нелинейных волн с изменением плотности вероятности акустического давления в ближнем поле преобразователей накачки.

2. Впервые показана нормализация закона распределения мгновенных значений акустического давления в параметрической антенне на основе теоретических и экспериментальных исследований.

3. Получено выражение, связывающее изменение плотности вероятности акустического давления с параметром нелинейности.

4. Разработана структура устройства и методика исследования нелинейных свойств среды, основанная на решении обратной задачи преобразования статистических характеристик нелинейных акустических волн.

Практическое значение работы заключается в следующем:

- в возможности обнаружения неоднородностей и нарушений сплошности среды на основе определения изменения плотности вероятности акустического давления;

- в методике измерения коэффициента нелинейности, которая дает возможность определения нелинейных свойств жидких сред;

- в использовании разработанной методики при решении задач адаптивного обнаружения и классификации гидроакустических сигналов.

Реализация результатов работы. Научные и практические результаты, полученные в диссертации, внедрены в КБ морской электроники «ВЕКТОР», а также используются в учебном процессе при подготовке студентов в Технологическом институте Южного федерального университета в г. Таганроге.

Апробация работы. Результаты работы представлялись на III Международной конференции в г. Донецке, Украина, на XX конференции Российского Акустического общества (г. Москва), на конференции Экология 2009 (г. Таганрог).

Публикации. За время работы над диссертацией опубликовано 5 работ, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов кандидатских и докторских диссертаций.

Объем и структура диссертации. Работа изложена на 133 страницах, иллюстрирована 42 рисунками и содержит 3 таблицы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложения. Список цитированной литературы содержит 85 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и основные задачи, которые необходимо решить для достижения поставленных целей, показаны научная новизна и практическая значимость работы, перечислены основные результаты, полученные автором в диссертации и выносимые на защиту.

Первая глава содержит обзор литературы, посвященный следующим вопросам:

1. Исследование статистических характеристик нелинейных волн в средах без дисперсии.

2. Исследование процесса рассеяния нелинейных волн при прохождении через случайно-неоднородные среды.

3. Методы измерения параметра нелинейности жидких сред.

4. Оптимизация характеристик параметрических антенн.

В главе производится анализ ряда монографий, статей, в которых приводится теоретическое описание спектральной плотности,

корреляционной функции и плотности вероятности колебательной скорости для некоторых частных случаев распространения акустических волн. Таким образом, в результате анализа, ставятся задачи, решению которых и посвящена данная диссертационная работа.

Вторая глава посвящена теоретическому исследованию законов распределения акустического давления нелинейных волн, распространяющихся в ближней зоне преобразователей накачки.

На основе адиабатического решения Римана для моментного значения давления в точке пространства

где у - показатель адиабаты Пуассона, У0 - колебательная скорость,

получены плотности вероятности акустического давления гармонических простых волн. Данные результаты представлены на рис.1.

Как видно из приведенных зависимостей акустического давления и соответствующих графиков плотности вероятности, с увеличением акустического числа Маха М0=у0/с0 профиль волны нелинейно изменяется и становится несимметричным. Таким образом, асимметрично изменяется и гистограмма распределения мгновенных значений акустического давления (рис. 1).

На основе известного выражения для плотности вероятности гармонического колебания со случайной начальной фазой получено выражение для плотности вероятности гармонического колебания с ассиметричным искажением полуволн.

С физической точки зрения нарушение симметрии профиля волны означает перераспределение энергии и смещение среднего значения на некоторую величину Ь. При небольших значениях параметра Ъ полученное выражение имеет следующий вид

р _ ^ + у-1 у05таУ^-' Ро V 2 со у

(1)

= + (2)

(2)

где

2 Ъ - коэффициент, определяющий сохранение

экстремальных значений давления.

а, м0 = б- иг

б, мп=б-ю-*

Г, М0 - 0,17

кгфпт

е, М0 = 0,3

Рисунок 1 - Графики давления (1) при различных М0 и соответствующие сглаженные гистограммы

На рис. 2 представлены графики плотности вероятности построенные по полученному уравнению (2).

в, Ыа = 0,1

Рисунок 2 - Графики плотности вероятности для уравнения (2) для

различны Ы а

Видно, что построенные графики плотности вероятности согласуются с результатами полученными для плотности вероятности на основе уравнения (1). На основе сравнительного анализа, можно сделать вывод о том, что изменение закона распределения акустического давления в данном случае связано с изменением среднего значения.

Таким образом, в данной главе получена математическая модель, описывающая изменение плотности вероятности акустического давления в ближнем поле преобразователей накачки при изменении интенсивности излучения.

Также во второй главе производится исследование законов распределения акустического давления в звуковых пучках. Данные исследования основывались на решении численными методами неоднородного волнового уравнения:

а д1ра 5У С1

На

2 дг2 рис.

+ -

дхдг 2 показано

Гдгру | 1 5уОЛ дг2 г дг

= 0. (3)

г1 ' J изменение плотности вероятности акустического давления нелинейных звуковых пучков с изменением относительного расстояния сг

(V = Ш разрыва =1

расстояние разрыва).

В начальный момент времени, при сг = 0, закон распределения симметричен. В дальнейшем при несимметричном искажении профиля волны происходит и нарушение симметрии закона распределения.

Положительная фаза, расширяясь, начинает «догонять» отрицательную. При образовании разрыва (сг = 1) происходит нелинейное затухание пиковых значений в звуковом пучке, что обуславливает стремление закона распределения к равномерному (уменьшение значения плотности вероятности на краях закона распределения).

Изменение плотности вероятности акустического давления волны в процессе ее распространения в неоднородных средах может быть использовано в качестве локационного признака. В настоящее время разработан мощный математический аппарат, позволяющий оценить подобные изменения, в случае излучения волн с нормальным

Рисунок 3 - Изменение плотности вероятности акустического давления в звуковых пучках

распределением. Поэтому актуальна задача излучения подобных сигналов, которой посвящена третья глава. В ней проводится математическое моделирование плотности вероятности мгновенных значений акустического давления в параметрической антенне с многокомпонентным сигналом накачки. Данное моделирование основывалось на обобщенном выражении (4), которое описывает процесс генерации волны разностной частоты с многокомпонентным сигналом накачки:

т п-т

Р = 2] 2 РокРокнЛмт ' (4)

q=\ ¿=1

где рок и р0к+т - амплитуды звуковых давлений спектральных

составляющих волны накачки, взаимодействующих между собой;

Вкк+т - коэффициенты, описывающие пространственное распределение

волны разностной частоты.

• В результате получен сигнал с нормальным распределением акустического давления в параметрической антенне при 4-х компонентном сигнале. Данный результат моделирования приведен на рис. 4. Параметры полученного распределения плотности вероятности:

т = 0 ± 0,01, сг = 1,48 + 0,01, коэффициент асимметрии уа = 0,024,

коэффициент эксцесса уз = 0,2415.

Рисунок 4 - Закон распределения акустического давления для 4х компонентного сигнала Таким образом, возможно получение сигнала с близким к нормальному законом распределения акустического давления уже при 4-х компонентном сигнале накачки.

В четвертой главе разработан математический подход к определению нелинейных свойств среды, основанный на решении обратной задачи преобразования статистических характеристик нелинейных волн.

Прямая задача преобразования закона распределения при прохождении через нелинейную систему записывается в виде

-г Л-^Ы&Ы) ги>2.х,')- . (5)

где

р2 = У(р1)> (6)

- есть нелинейное детерминированное безынерционное преобразование, заданное детерминированной функцией р, = ф(/?2) — ветвь

функции, обратной к р2 =

Тогда решение для обратной задачи, которая заключается в отыскании выражения для функции ¥(/?,), примет вид интеграла Стильтьеса:

Данная формула описывает подход к определению функции, связывающей давление реакции среды Р2 с давлением возмущения Рх. Она лежит в основе разработанной методики определения нелинейных свойств среды, которые описываются нелинейной функцией Ч7^).

Также в главе проводится оценка относительной методической погрешности разработанной методики в зависимости от длительности исследуемого сигнала. Показано, что ее значение может не превышать 0,05.

Пятая глава содержит результаты экспериментальных исследований плотности вероятности акустического давления преобразователей накачки параметрических антенн. В данной главе приводятся схемы экспериментальных установок, технические характеристики используемого оборудования, условия проведения эксперимента.

Целями экспериментальных исследований являются:

1. Исследование зависимости плотности вероятности акустического давления от интенсивности излучения.

2. Исследование зависимости плотности вероятности акустического давления от расстояния до плоскости излучения.

3. Исследование плотности вероятности акустического давления в параметрической антенне с двухчастотным сигналом накачки.

На рис. 5 представлены экспериментально полученные изменения плотности вероятности акустического давления в зависимости от интенсивности излучения. В данном случае изменения формы закона распределения проявляются в нарушении симметрии. Ввиду увеличения мощности излучения, абсолютное значения плотности вероятности уменьшается.

Рисунок 5 - Изменение плотности

вероятности акустического давления гармонической волны от изменения интенсивности

Рисунок 6 - Изменение плотности вероятности акустического давления ВРЧ при частотах накачки 140 и 150 кГц

На рис. 7 показаны экспериментальные осциллограммы сигналов и соответствующие гистограммы, полученные на различных расстояниях от излучающей антенны.

Как известно, основные изменения, связанные с нелинейными свойствами среды распространения, происходят в ближней зоне. Поэтому наиболее значительное изменение формы закона распределения происходит также в ближней зоне гидроакустической антенны, до расстояния 1П6-1 (рис. 7, а). Дальнейшее изменение формы закона

распределения связано с перераспределением энергии в волне (рис. 7, г) и генерацией более высокочастотных компонент (рис. 7, е).

а, Шд=\

т «•¿.¿¿¿.it, Л

в, III, =2

д, ///,=3

г,Шд=2

е, ///а =3

Рисунок 7 - Осциллограммы сигналов и соответствующие сглаженные

гистограммы

На рис. 6 приведены графики законов распределения НЧ компонент на расстояниях I, 2 и 3 ///() от излучающей антенны (частоты накачки 140 и 150 кГц). Видно, что закон распределения практически не меняется и его изменение может быть обусловлено

только изменением структуры среды (появлением разрывов, неоднородностей, границ раздела и т.д.).

На рис. 8 приведены графики плотности вероятности акустического давления волн накачки на расстояниях 1, 2 и 3 1 /1д от излучающей антенны (частоты накачки: 140 и 150 кГц).

Рисунок 8 - Изменение закона распределения акустического давления излучаемого сигнала при частотах накачки 140 и 150 кГц

Видно, что результаты эксперимента хорошо согласуются с теоретическими, приведенными в главе 3 - при увеличении расстояния от излучателя процесс нормализуется (в данном случае для двух компонент он стремится к треугольной форме).

Таким образом, экспериментальные исследования подтвердили наличие существенных искажений в форме законов распределения акустического давления однокомпонентных нелинейных волн и волн накачки.

Также в пятой главе рассматриваются вопросы технической реализации разработанной методики определения нелинейных свойств среды. Структура предлагаемого устройства представлена на рис. 9.

В ЭВМ 1 формируются излучающие сигналы и параметры работы. Через буферное устройство 2 информация с ЭВМ поступает на внешнюю память 3 и устройство управления 4, которые вместе образуют

! i

W(x) 0 4

Рисунок 9 - Схема устройства определения коэффициента нелинейности

блок управления. Устройство управления 4 управляет работой внешней памяти и регулируемым предварительным усилителем 5. Усилитель мощности 6 усиливает сигнал и подает его на излучатель 7.

Расстояние между излучателем 7 и приемником 8 равно И 1д = 1. Сигналы с приемника поступают на полосовой фильтр 9 и предварительный усилитель 10, которые образуют блок предварительной обработки. Сигналы оцифровываются с помощью АЦП 11. Цифровой сигнал поступает на устройство нормировки 12 и устройство определения гистограммы 13. Устройство 16 задает степень аппроксимирующего полинома и управляет работой блока расчета коэффициентов полинома 14. Далее производится оценка точности аппроксимации 15 и данные передаются на устройство принятия решения 17, которое управляется блоком управления. Если точность не удовлетворяет заданному порогу, то увеличивается степень полинома. Увеличение происходит до тех пор, пока точность аппроксимации не будет удовлетворительной. В блоке 18 производится деление выражения для плотности вероятности излучаемого сигнала, которая считывается из внешней памяти 3, и полученной плотности вероятности в блоке 14. 16

Интегрирующее устройство 19 передает результат на блок выделения коэффициентов при первых двух членах разложения 20 и в блоке 21 производится вычисление частного. Результат через буферный элемент выводится на ЭВМ 1.

Необходимо отметить, что блоки 12-21 могут быть реализованы в виде программного обеспечения для обработки принятых сигналов. Для этого случая работы алгоритм обработки принятых данных можно представить в виде блок-схемы, изображенной на рис. 10.

Рисунок 10 - Блок-схема алгоритма обработки сигналов и принятия

решения

Сигналы с АЦП записываются на жесткий диск ЭВМ. Каждый отчет кодируется в 14 разрядном формате. На вход алгоритма поступают данные, на основе которых производится определение нормированных гистограмм плотности вероятности для каждого сигнала. Затем используя полиномиальное приближение, определяется аналитическое выражения плотности вероятности для каждой гистограммы. В зависимости от задачи исследования вычисляется либо функция нелинейности, либо значения моментных функций, которые характеризуют изменение формы закона распределения (в случае детектирования инородных включений в среде). По результатам вычислений производится принятие решения для конкретной задачи.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты, полученные в диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

1. На основе анализа теоретической модели распространения простых волн установлено, что закон распределения мгновенных значений акустического давления нелинейных волн изменяется не только за счет образования разрывов, но и вследствие асимметрии фаз сжатия и разрежения.

2. На основе решения волнового уравнения ограниченных пучков установлено, что изменение закона распределения акустического давления в нелинейных звуковых пучках имеет пространственную зависимость.

3. Экспериментально установлено, что появление асимметрии в форме закона распределения акустического давления, обусловленное влиянием нелинейности среды, происходит в ближней зоне гидроакустической антенны.

4. Показана возможность формирования сигнала с нормальным законом распределения акустического давления с использованием параметрических антенн с многокомпонентным сигналом накачки.

5. Экспериментально установлено, что при распространении волны разностной частоты закон распределения мгновенных значений акустического давления практически не изменяется, а

его изменение может быть обусловлено только изменением структуры среды

6. Разработана методика определения нелинейных свойств среды, основанная на измерении статистических характеристик акустических волн.

7. Разработана структура устройства и алгоритм обработки данных, которые позволяют технически реализовать предложенную методику определения нелинейных свойств среды.

Список публикаций в журналах, рекомендованных ВАК

1. Куценко H.H. Определение изменения нелинейных свойств среды на основе нормализации закона распределения в параметрической антенне // Известия ЮФУ. Технические науки. - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009. - №6(95). - С. 24 - 29.

2. Куценко H.H., Воронин В.А. Изменение функции плотности вероятности акустического давления как признак присутствия инородных включений в морской среде // Известия ЮФУ. Технические науки. - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009. -№6(95).-С. 32-36.

Публикации в других изданиях

3. Куценко H.H. Исследование изменения закона распределения акустических сигналов в нелинейных средах // Нелинейные акустические системы. Сборник статей. - Ростов н/Д: Ростиздат, 2008.-С. 134- 142. '

4. Куценко H.H., Воронин A.B. Экологический мониторинг в статистически неоднородной водной среде. // Сборник трудов третьей международной научно-технической конференции молодых ученых и студентов «Информатика и компьютерные технологии» . - Донецк: ДонНТУ, 2007. - С. 552 - 554.

5. Куценко H.H. Исследование влияния нелинейности жидких сред на закон распределения мощных акустических волн. // Сборник трудов XX сессии Российского акустического общества. Т. 2. -М.: ГЕОС, 2008. - С. 370 - 374.

Личный вклад автора в публикациях состоит в следующем: [2] - построение математической модели закона распределения мгновенных значений акустического давления нелинейных шумов при прохождении чсчез статистически неоднородный слой;

[5] - математическое описание плотности вероятности гармонической волны при распространении в нелинейных средах. Проведение экспериментальных исследований.

Издательство Технологического института Южного федерального университета в г. Таганроге 347928, г. Таганрог, ГСП-17А, Некрасовский 44 Зак. Тираж 100 экз.

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата технических наук, Куценко, Николай Николаевич

Введение.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛОТНОСТИ ВЕРОЯТНОСТИ МГНОВЕННЫХ ЗНАЧЕНИЙ АКУСТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ НЕЛИНЕЙНЫХ ВОЛН.

2.1. Распространение интенсивных простых волн в нелинейных средах без дисперсии.

2.2. Плотность вероятности синусоидальной волны при распространении в нелинейной среде.

2.3. Плотность вероятности нормальной шумовой волны при большой мощности излучения.

2.4. Плотность вероятности мгновенных значений давления в нелинейных звуковых пучках.

2.5. Выводы.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МГНОВЕННЫХ ЗНАЧЕНИЙ АКУСТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ В ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ АНТЕННЕ.

3.1. Закон распределения мгновенных значений акустического давления в параметрической антенне.

3.2. Нормализация закона распределения мгновенных значений акустического давления в параметрической антенне с многокомпонентным сигналом накачки.

3.3. Влияние инородных включений в сплошной среде на плотность вероятности акустического давления параметрической антенны с многокомпонентным сигналом накачки.

3.4. Выводы.

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕЛИНЕИНОСТИ СРЕДЫ НА ОСНОВЕ ИЗМЕНЕНИЯ ЗАКОНА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МГНОВЕННЫХ ЗНАЧЕНИЙ АКУСТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ.

4.1. Выражение для определения нелинейности уравнения состояния на основе изменения плотности вероятности акустического давления акустической волны.

4.2. Аппроксимация плотности вероятности мгновенных значений акустического давления.

4.3. Методика определения функции нелинейности на основе плотности вероятности мгновенных значений акустического давления нелинейных волн.

4.4. Определение методических погрешностей измерения плотности вероятности акустического давления.

4.5. Выводы.

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАКОНОВ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ НЕЛИНЕЙНЫХ ВОЛН ПРИ РАСПРОСТРАНЕНИИ В СПЛОШНОЙ СРЕДЕ.

5.1. Установка для исследования плотности вероятности акустического давления шумовой волны с нормальным законом распределением.

5.2. Анализ экспериментальных результатов измерения плотности вероятности акустического давления шумовой волны.

5.3. Установка для исследования плотности вероятности акустического давления однокомпонентной волны, волн накачки и волны разностной частоты.

5.4. Анализ экспериментальных результатов, полученных при измерении плотности вероятности акустического давления однокомпонентной волны, волн накачки и волны разностной частоты.

5.5. Определение коэффициента нелинейности по полученным экспериментальным данным.

5.6. Обработка результатов измерений.

5.7. Структура устройства определения нелинейных свойств среды на основе измерения плотности вероятности акустического давления нелинейных волн.

5.8. Выводы

Введение диссертация по физике, на тему "Исследование законов распределения акустического давления преобразователей накачки параметрических антенн в нелинейных средах"

Нелинейная акустика сформировалась на стыке нескольких наук, именно поэтому довольно трудно дать строгое определение как предмета, изучаемого ею, так и момента ее возникновения и выделения в относительно самостоятельную ветвь. Обычно нелинейной акустикой называют раздел физики, изучающий поведение настолько мощных звуковых и ультразвуковых возмущений (а также различных эффектов, связанных с их распространением), что описание процессов с помощью линейных дифференциальных уравнений становится непригодным [42].

Поскольку здесь приходится иметь дело с нелинейными уравнениями, то принцип суперпозиции их решений нарушается. С физической точки зрения это объясняется тем, что волны начинают влиять друг на друга, т.е. взаимодействовать между собой. Это приводит к появлению ряда новых явлений, порой настолько существенных, что их нельзя считать малыми поправками к линейной теории.

Когда речь шла об одном или нескольких гармонических возмущениях на границе среды, то подразумевалось, что исходный спектр представляет собой совокупность дельта-функций. Точно так же бесконечно узкими считались спектральные линии возникающих в среде гармоник и комбинационных частот. Случай широкого исходного спектра соответствовал импульсному возмущению, форма которого тоже вполне детерминирована.

Вместе с тем естественно применить аппарат нелинейной акустики к анализу распространения случайных звуковых возмущений. Рассмотрение деформации формы начального спектрального распределения, динамики различных нелинейных взаимодействий представляет и здесь несомненный интерес. Важность этих исследований обусловлена в первую очередь наличием реальных источников, являющихся, по существу, источниками шумовых волн. В качестве примеров можно указать на такие явления, как кавитация [46], электрические разряды в воде [48], взрывы, мощные струйные течения [46] и т.д., сопровождающиеся излучением интенсивных шумов. Более того, обычные источники ультразвука, с которыми приходится иметь дело в повседневной лабораторной практике, также не вполне монохроматичны. Несмотря на малую ширину спектральных линий, они имеют все же конечную ширину, что обусловлено наличием амплитудных и фазовых флуктуаций и конечной длительностью реализаций. Случайный характер входного возмущения может существенно повлиять на протекание нелинейных процессов, так что с этим обстоятельством часто нельзя не считаться.

Нужно заметить, что в смежной с нелинейной акустикой области волновых процессов — в нелинейной оптике — статистические явления изучены весьма полно [3]. Математический аппарат здесь во многом более прост, так как из-за сильной дисперсии в оптике возможно оперировать медленно изменяющимися комплексными амплитудами нескольких квазимонохроматичных волн. Относительная простота, а также наличие важных практических приложений стимулировали исследования вопросов статистики мощного лазерного излучения. В настоящее время статистическая нелинейная оптика [3] представляет собой довольно развитую область, результаты которой многократно подвергались экспериментальной проверке.

Статистические явления при распространении волн в нелинейных средах наблюдаются не только в акустике, но и во многих областях физики и техники. Достаточно упомянуть такие, как упругие волны в твердых и жидких средах, поверхностные колебания жидкости, волновые (турбулентные) движения плазмы, нелинейная оптика и электродинамика и др. В различных физических задачах статистическая эволюция волн возникает в результате нестационарности и неоднородностей среды, в которой распространяется волна, а также случайными могут быть источники поля, форма и положение границ раздела и условия приема и регистрации волн. К этим основным статистическим схемам фактически сводится постановка подавляющего большинства линейных и нелинейных задач статистической волновой теории [66, 67]. В акустике проблемы взаимодействия интенсивных шумовых возмущений наиболее интересны в средах без дисперсии, поскольку в этом случае все спектральные компоненты эффективно взаимодействуют друг с другом, что приводит к образованию новых спектральных линий и уширению спектров, а также к формированию универсального вида спектра независимо от характера спектра источника возмущений.

Кроме того достаточный интерес представляет процесс формирования закона распределения мгновенных значений акустического давления в нелинейных волнах. Это связано с тем, что, зная закон распределения, мы можем определять интересующие нас моментные функции. Поэтому в данной работе уделенно основное внимание именно исследованию процессов изменения законов распределения.

Актуальность темы

Известно, что реальные сигналы всегда являются случайными вследствие присутствия большого количества источников шумов в природе. Поэтому они обладают вероятностными характеристиками, которые необходимо всегда учитывать при построении физических моделей.

В задачах адаптивного оптимального приема и обнаружения сигналов одним из важнейших вопросов является получение закона распределения принимаемого сигнала. Кроме того в гидролокации широко применяются флуктуирующие сигналы со случайно модулированными квазипериодическими импульсными посылками, то есть сигналы с искусственно заданными вероятностными характеристиками.

Проблема решения всех этих задач делает исследование законов распределения акустического давления преобразователей накачки параметрических антенн крайне актуальным вопросом народного хозяйства, решение которого повысит эффективность использования аппаратуры данного класса.

Целями настоящей работы являются:

2. Исследование нелинейных свойств среды на основе измерения статистических характеристик нелинейных волн.

Для достижения целей исследования решались следующие задачи:

2. Теоретическое исследование плотности вероятности акустического давления в нелинейных звуковых пучках.

5. Разработка структуры устройства и методики исследования нелинейных свойств среды, основанной на определении статистических характеристик акустических волн.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

Методы исследования. Теоретические исследования статистических процессов при распространении нелинейных волн основывались на результатах наиболее известных монографий, посвященных данной тематике [16, 28-31]. Теоретическое рассмотрение процессов распространения нелинейных звуковых пучков основывалось на численных методах решения неоднородного волнового уравнения, описанного в [5].

Экспериментальные исследования проводились согласно ОСТ 5-836186 [57] в заглушённом гидроакустическом бассейне кафедры электрогидроакустической и медицинской техники Технологического института Южного Федерального университета в г. Таганроге. Размеры бассейна составляют: 2,5 м — ширина, 2,5 м — глубина, 4м — длина. В качестве излучателя использовалась гидроакустическая антенна с резонансной частотой 135 кГц (полоса 30 кГц) с площадью излучающей S поверхности 200 см". Для данной антенны ближнее поле равно 10 » — «1.гг.

Таким образом, данное оборудование позволяет провести измерения до з.

Перевод аналогового сигнала в цифровой осуществлялся аналогово-цифровым преобразователем Е20-10, позволяющим дискретизировать сигнал с частотой дискретизации до 10 МГц. Количество разрядов на 1 отсчет 14 бит.

Обработка данных производилась в среде MATLAB. Данный инструментарий был выбран ввиду его удобства при реализации процедур обработки сигналов, наглядности при выводе результатов и большого числа встроенных инструментов (toolbox), позволяющих легко выполнять разнообразные стандартные операции.

Научная новизна работы заключается в следующем:

Практическое значение работы заключается в следующем:

Апробация работы. Результаты работы представлялись на III Международной конференции в г. Донецке, Украина, на XX конференции Российского Акустического общества (г. Москва), на коференции Экология 2009 (г. Таганрог).

Публикации. За время работы над диссертацией опубликовано 5 работ, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Заключение диссертации по теме "Акустика"

5.8. Выводы

На основе сделанных экспериментальных измерений и проведенной обработки полученных сигналов можно сделать следующие выводы:

1) ввиду воздействия нелинейности среды на акустическую волну большой интенсивности происходит нелинейное изменение формы закона распределения акустического давления;

2) основные изменения формы закона распределения, обусловленные нелинейностью среды, происходят в ближней зоне гидроакустической антенны;

3) при увеличении количества частотных компонент в излучаемом сигнале происходит нормализация закона распределения (нормализация ЗР при узкополосном излучении);

4) искажение формы закона распределения ВРЧ в параметрических антеннах практически отсутствует;

5) на основе определения законов распределения мгновенных значений давления акустической волны в двух точках пространства, за счет искажения формы закона распределения становится возможным определение коэффициента нелинейности среды —.

Заключение

В заключении сформулируем основные выводы и результаты работы.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Куценко, Николай Николаевич, Таганрог

1. Акуличев В.А., Буланов В.А., Корсков И.В., Попов П.Н. Акустическое зондирование верхнего слоя морской воды в различных районах океана // Подводные исследования и робототехника. — 2006. — №2. — С. 59-71.

2. Ануфриев И.Е., Смирнов А.Б., Смирнова Е.Н. MATLAB 7. СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 1104 с.

3. Ахманов С.А., Чиркин А.С., Статистические явления в нелинейной оптике, Изд-во МГУ, 1971.

4. Балицкий Ф.Я., Иванова М.А., Соколова А.Г., Хомяков Е.И. Виброакустическая диагностика зарождающихся дефектов. М.: Наука, 1984.-с. 120.

5. Бахвалов Н.С., Жилейкин Я.М., Заболотская Е.А. Нелинейная теория звуковых пучков. М.: Наука. 1982. - (Современные проблемы физики). - 176 с.

6. Блинова Л.П., Колесников А.Е., Ланганс Л.Б. Акустические измерения // М.: Изд-во стандартов, 1971, с. 269.

7. Буланов В.А. Введение в акустическую спектроскопию микронеоднородных жидкостей. Владивосток: Дальнаука. 2001. 280 с.

8. Васильева О.А., Карабутов А.А., Лапшин Е.А., Руденко О.В. Взаимодействие одномерных волн в средах без дисперсии.—М.: Изд-во Моск. ун-та, 1983.

9. Васильева О.А. Численный анализ на ФОРТРАНе/Под ред. В. В. Воеводина, В. А. Морозова.— М.: Изд-во Моск. ун-та, 1980. — С. 47.

10. И.Виноградова М.Б, Руденко О.В., Сухоруков А.П. Теория волн: Учебноепособие. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1990.-432 с.

11. Воронин В.А., Кузнецов В.П., Мордвинов Б.Г., Тарасов С.П., Тимошенко В.И. Нелинейные и параметрические процессы в акустике океана. -Ростов на Дону: РостИздат. 2007. 448 с.

12. Воронин В.А., Куценко Т.Н., Тарасов С.П. Энергетический потенциал многокомпонентного параметрического геолокатора. Материалы к юбилейной конференции "Теория и практика геологогеофизических исследований" . - Геленджик, 1999.

13. Воронин В.А., Тарасов С.П., Тимошенко В.И. Гидроакустические параметрические системы. Ростов на Дону: Ростиздат, 2004. - 400 с.

14. Гривцов В.В. Исследование фазовых характеристик параметрических антенн и создание параметрических излучателей с равномерным фазовым распределением. — Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. JL: ЛЭТИ, 1983.

15. Гурбатов С.Н., Малахов А.Н., Саичев А.И. Нелинейные случайные волны в средах без дисперсии. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1990. -(Соврем, пробл. физики). - 216 с.

16. Гурбатов С. Н., Руденко О. В., Саичев А. И. Волны и структуры в нелинейных средах без дисперсии: прил. к нелинейной акустике. М. : Физматлит, 2008. - 495 с.

17. Гурский В.В. Исследование характеристик параметрической антенны в режиме излучения модулированных сигналов разностной частоты. — Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. -Л.: ЛЭТИ, 1978 г.

18. Гусев В.А., Руденко О.В. Статистические характеристики интенсивной волны за двумерным фазовым экраном // Акустический журнал. 2006. -том 52. - №1. - С. 30-42.

19. Дьяконов В.П. MATLAB 6.0/6.1/6.5/6.5+SP1 + Simulink 4/5. Обработка сигналов и изображений. М.: COJIOH-Пресс, 2005. — 592 с.

20. Заболотская Е.А., Хохлов Р.В. Квазиплоские волны в нелинейной акустике ограниченных пучков / Акустический журнал, 1969. Т. 15, -вып. 1. - С.40-47.

21. Зверев В.А., Калачев А.И. Измерение рассеяния звука звуком при наложении параллельных пучков // Акуст. журнал. — 1968. — Т.114, вып.2. С.214-220.

22. Клячкин В. И. Статистический анализ векторно-фазовых характеристик акустических полей и алгоритмы их регистрации // Акустический журнал. -2004.-том 50.-№4.-С. 516-523.

23. Кобелев Ю.Ф., Островский Л.А. Модели газожидкостной смеси, как нелинейной диспергирующей среды. В кн. Нелинейная акустика. Горький: ИПФ АН СССР, 1978. с. 143-160.

24. Колобаев П.А. Объемное рассеяние звука в мелком море // Вопросы судостроения. Сер. Акустика. 1980. Вып. 14. С 1013-1017.

25. Г. Корн, Т. Корн. Справочник по математике (для научных работников и инженеров). М.: «Наука». 1974. 832 с.

26. Корнфельд М. Упругость и прочность жидкостей. Гостехиздат, 1951.

27. Кузнецов В.П. К теории нелинейных волновых процессов. Диссертация на соискание ученой степени к.ф.-м.н. Акуст. институт., М.: 1971.

28. Кузнецов В.П. Случайные акустические поля в нелинейных средах. Акуст. ж. 1969, т. 15, вып. 4, с. 554-559.

29. Кузнецов В.П. О спектрах интенсивных шумов. Акус. ж. 1970, т. 16, вып. 1, с. 155-156.

30. Кузнецов В.П. Нелинейное распространение шумов. Доклад на VI Всес. акуст. конф. (секция Б). М.: 1968.

31. Кузнецов В.П. Уравнения нелинейной акустики // Акуст. журнал.- 1970. -Т. 16.-Вып. 4. С.548-549.

32. Кузнецов В.П. К теории нелинейных звуковых волн в случайно-неоднородных средах. В кн. Прикладная акустика. Таганрог, 1981, вып. УШ, с.35-42.

33. Кузнецов В.П. О затухании низкочастотного звука в турбулентной среде. Акуст.ж., 1982, т.28, в. 4, с.521-522.

34. Кузнецов В.П. О рассеянии звука температурными неоднородностями в океане ДАН СССР, 1986, т.290, 5, с. 1081.

35. Куценко Н.Н. Исследование изменения закона распределения акустических сигналов в нелинейных средах // Нелинейные акустические системы. Сборник статей. Ростов н/Д: «Ростиздат». - 2008. - с. 134 — 142.

36. Куценко Н.Н. Исследование влияния нелинейности жидких сред на закон распределения мощных акустических волн. // Сборник трудов XX сессии Российского акустического общества. Т. 2. М.: ГЕОС, 2008. - с. 370 -374.

37. Куценко Т.Н. Исследование параметрических антенн с многокомпонентным сигналом накачки. Автореферат диссертации на соискании ученой степени кант. тех. наук. Таганрог, 2000 г.

38. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М., Механика сплошных сред, Гостехиздат, 1954.

39. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. Книга первая. М. Изд-во «Советское радио» , 1969. 752 с.

40. Мирский Г.Я. Аппаратурное определение характеристик случайных процессов. М. Л., Изд-во «Энергия», 1967, 432 с.

41. Михайлов И.Г., Шутилов В.А. Об искажении формы ультразвуковой волны конечной амплитуды в различных жидкостях. Акуст. Ж. 6, 340. 1960.

42. Мощные ультразвуковые поля, под ред. Л.Д. Розенберга, «Наука», 1968.

43. Назаров В.Е. Диссипативная акустическая нелинейность поликристаллического цинка // Акустический журнал. 2001. - том 47. -№4.-С. 509-519.

44. Науголных К.А., Рой Н.А., Электрические разряды в воде, «Наука», 1971.

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

46. Наугольных К.А., Островский Л.А., Сутин A.M. Параметрические излучатели звука // Нелинейная акустика. Теоретические и экспериментальные исследования. Горький: ИПФ АН СССР, 1980. С. 143-160.

47. Новиков Б.К. Взаимодействие акустических волн и теория параметрических излучателей ультразвука // Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд.техн.наук. МГУ, 1976.-с.246.

48. Новиков Б.К., Рыбачек М.С., Тимошенко В.И. Взаимодействие дифрагирующих пучков и теория высоконаправленных излучателейультразвука 11 Акуст. Журнал. 1977. - Т.23, вып.4. - С.621-626.

49. Новиков Б.К., Рыбачек М.С., Тимошенко В.И. Амплитудные и пространственные характеристики параметрических излучателей // Прикладная акустика. — Таганрог: ТРТИ, 1976. —Bbin.IV. — С.31-43.

50. Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Исследование и разработка гидроакустических антенн и приборов // Нелинейная акустика. — Горький: Институт прикладной физики, 1980. С.31-44.

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

52. Новиков Б.К., Тимошенко В.И. Параметрические антенны в гидролокации. Л.: Судостроение, 1989. - 256 с.

53. ОСТ 5-8361-86. Аппаратура гидроакустическая. Антенны и преобразователи. Методы измерения электроакустических параметров в измерительных бассейнах.

54. Пугачев B.C. Введение в теорию вероятностей. Издательство «Наука», главная редакция физико-математической литературы, 1968, 368 с.

55. Разработка аппаратуры на основе параметрических антенн для обнаружения, классификации подводных объектов. Отчет (заключительный), №113111, инв. №0286.0094566. Таганрог: ТРТИ, 1985, - T.I, С.80.

56. Руденко О.В. Взаимодействие интенсивных шумовых волн. Успехи физ. наук. 1986, т. 149, в. 3, с. 413-447.

57. Руденко О.В., Гурбатов С.Н., Хедберг К.М. Нелинейная акустика в задачах и примерах: учеб. пособие для студ. вузов. М.: Физматлит, 2007.- 176 с.

58. Руденко О.В., Солуян С.И. Теоретические основы нелинейной акустики. -М.: Наука, 1975.

59. Руденко О.В. , Солуян С.И., Хохлов Р.В. Ограниченные квазиплоские пучки периодических возмущений в нелинейной среде / Акустический журнал, 1970.-Т.19.-Вып. 6. С.871-876.

60. Руденко О.В., Солуян С.И., Хохлов Р.В. Проблемы теории нелинейной акустики // Акустический журнал, 1974. Т.20. — Вып. 3. — С.449-467.

61. Руденко О.В., Солуян С.И., Хохлов Р.В. К нелинейной теории параксиальных звуковых пучков // Доклад АН СССР, 1975. Т.225. -Вып.5. - С.1053-1056.

62. Рытов С.М. Введение в статистическую радиофизику. М.: «Наука», 1966.

63. Рытов С.М., Ю.А. Кравцов, В.И. Татарский. Введение в статистическую радиофизику. Часть II Случайные поля, М.: «Наука», 1978.

64. Тарасов С.П. Нелинейное взаимодействие акустических волн в задачах гидролокации // Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. ТРТУ, Таганрог, 1998. - С.410.

65. Тихонов В.И., Шахтарин Б.И., Сизых В.В. Случайные процессы. Примеры и задачи. Т.2. Линейные и нелинейные преобразования: Учеб. пособие для вузов. Под ред. В.В. Сизых. — М.: Радио и связь, 2004. 400 с.

66. Филоненко Е.А., Хохлова В.А. Эффекты акустической нелинейности при терапевтическом воздействии мощного фокусированного ультразвука на биологическую ткань // Акустический журнал. 2001. - том 47. - №4. -С. 541-549.

67. Шкловская-Корди В.В., Акустический метод определения внутреннего давления в жидкостях. Акуст. Ж. 9, 107. 1963.

68. Beyer R.T. Parameter of nonlinearity of fluids. J. Acoust. Soc. Am. 32, 719. 1960.

69. Beyer R.T. Nonlinear acoustics. USA: Naval Ship Syst. Command., 1974. 405 P

70. Berktay H.O. A propagation model for parametric sources using rectangular transducers / Proc. 6-th Int. Symp. Nonlin. Acoust. Moscow, 1975.

71. Berktay H.O., Leany D.G. Farfield performance of parametric transmitters // J.Acoust.Soc.Amer., 1974.- №55. P.539-546.

72. Dunn F., Law W., Frizzell L. The nonlinearity parameter B/A of biological media // Proc. X Intern. Symp. Nonlinear Acoust. Kobe (Jap.), 1984. P. 221225.

73. Eller A.J. Improved effeciency in the parametric source / J. Acoust.Soc. Amer., 1975. -№ 58.-P.l 193-1200.

74. Moffett M.B., Mellen R. H., Konrad W. L. Parametric acoustic sources of rectangular aperture / J. Acoust. Soc. Amer., 1978. № 63. - P. 1326-1331.

75. Moffett M.B.Westervelt P.J., Beyer R.T. Large-amplitude pulse propagation a transient effect//J.Acoust.Soc.Amer., 1971. -№49. -P.339-343.

76. Odero D. Calculation of the accurate difference-freguency field of a parametric circular piston / Underwater Acoustics & Signal Processing, 1981, P.219-222.

77. Stewart R.M. Detection of rolling element bearing damage by statistical vibration analysis. J. Mech. Design. Trans. ASME, 1974, vol. 100, N2.

78. Tegowski J., Lubniewski Z. Seabed characterization using spectral moments of the echo signal. — Acta Acoustica united with acustica, vol. 88/5, 2002. P. 623626.

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

80. Voronin V.A., Konovalova S.S., Kutsenko T.N., Tarasov S.P. Investigation of Hydroacoustic Parametric Sub-Bottom Profiler Characteristics. / Conference & Exibition, 13-16 September, 1999. Ocean'99, - Seattle, Washington, 1999.

81. Westervelt P.J. «Parametric acoustic array» // J. Acoust. Soc. Amer., 1963, v. 35, №4, p. 535-537.hi