Параметрические акустические антенны для исследования неоднородностей мирового океана тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ

ТАГАНРОГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ВОРОНИН Василий Алексеевич ^

ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ АКУСТИЧЕСКИЕ АНТЕННЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ МИРОВОГО ОКЕАНА

Специальность 01.04.06 - АКУСТИКА

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Таганрог 1998

Работа выполнена в Таганрогском государственном радиоте; ническом университете

Научный консультант д.т.н.. профессор, действительны член РАЕН Тимошенко В.И.

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук, профессор Рыжов В.П. Доктор физико-математических наук, профессор Есипов И.Б.

Доктор технических наук, профессор Тарасюк Ю.Ф.

Ведущая организация НИНГИ МО г. Санкт-Петербург

Защита состоится 1 октября 1998 г. в__14_часов на заседании диссертационного совета Д 063.13.04 Таганрогского государственного радиотехнического университета.

Адрес: 347928, ГСП-17а, г. Таганрог, Ростовская обл., пер. Некрасовский, 44

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан_1998 г.

Ученый секретарь ^

диссертационного

к.т.н. Старченко И.Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Промышленное освое-Мирового океана неразрывно связано с применением акус-¡, так как акустические волны являются практически единст-•<ым видом излучения, способным распространяться в воде рачительные расстояния. В практике исследования акусти-:их характеристик океанской среды используют традицион-}ва метода: контактный и дистанционный, причем лучшей ложностью исследования больших участков Мирового океа-за относительно короткое время является использование ганционных методов исследования, некоторые из которых ;матриваются в настоящей работе.

Дистанционные акустические методы исследовний основ большинстве случаев на использовании традиционных тических приборов, либо разрабатываемых специально для х исследований, либо приспособлении для этой цели штат-гидроакустической аппаратуры кораблей (эхолотов, гидро-¡торов, лагов и т.п.). В последнее время началось развитие юакустической исследовательской аппаратуры с примене-л методов нелинейной акустики. Использование нелинейно-заимодействия волн позволило создать исследовательские шексы с уникальными характеристиками, которые невозмо-быяо получить используя традиционные "линейные" модели роения аппаратуры.

С самого начала исследований в области нелинейного ¡модействия волн перед исследователями стала задача о шии неоднородностей водной среды на характеристики вза-зействия волн. Эта задача решалась в отдельных случаях различного типа неоднородностей, как в водной среде, так и ердом теле и в газах, однако исследованы далеко не все >! неоднородностей, направленность исследований не вела азработку принципов построения аппаратуры исследования на, хотя по результатам исследований и разработаны при-

боры диагностики сред. Исследования проводимые в настоящ< работе в некоторых случаях обобщают полученные ранее р зультаты, но в основном направлены на практическую реали; цию аппаратуры исследований.

В настоящей работе ставится задача исследования взг модействия волн в среде с неоднородностями в виде поток жидкости относительно поверхности преобразователей накач и в виде медленно меняющегося распределения скорости зву вдоль оси распространения взаимодействующих волн. Эти V следования направлены на создание аппаратуры, предназн ченной для исследования акустических характеристик океана \ этой точки зрения рассеяние волн накачки и генерируемых результате нелинейного взаимодействия волн будем счита взаимодействием акустических волн с параметрами среды, результатам которого и определяются акустические характер!^ тики океана. Второй порядок малости эффектов нелинейно взаимодействия и малая эффективность рассеяния волн на л/ лых и плавных неоднородностях говорят о необходимости уче влияния неоднородностей на параметры зондирующего сигнаг а особенности построения исследовательских комплексов применением методов нелинейной акустики требуют ново решения аппаратных частей комплексов.

Целью работы являются теоретические и экспериме тальные исследования нелинейных эффектов, возникающих п распространении и взаимодействии акустических волн в сред с изменяющимися параметрами и с неоднородностями в ви, гидродинамических потоков, разработка принципов построен аппаратуры для дистанционного исследования акустическ характеристик океана и создание комплексов с параметриче кими антеннами для проведения этих исследований.

Методы исследования. Поставленная в работе цель с тором достигается теоретическими и экспериментальными у следованиями. Основные выводы и положения обоснованы г

збными теоретическими расчетами и их сравнением в част-< случаях с известными результатами. Построенные физиче-е и математические модели имеют приближения с соответствиями оценками и наглядную физическую интерпретацию. :периментальные исследования проводились в различных гавиях и при их проведении достаточное внимание уделялось )верке достоверности исследований путем сравнения резуль-ов исследований с теоретическими предположениями и ре-ьтатами полученными другими методами. В основу принци-$ построения аппаратуры легли результаты теоретических и периментальных исследования. Принципы построения про->ены путем создания макетов, исследованием их характерис-, проведением измерений характеристик океана с помощью |работанных приборов и сравнением их с характеристиками, ученными традиционными методами исследований.

Научная новизна работы состоит:

- в теоретическом обосновании явлений взаимодействия 1н в неоднородных средах и взаимодействия волн с различии физическими полями в воде;

- в создании расчетной модели взаимодействия волн с зическими полями в параметрической приемной антенне и с зднсродностями в виде плавно неоднородного гидродинами-жого потока и в виде медленных изменений параметров сре-, расположенных в зоне взаимодействия излучающей пара-грической антенны;

- в экспериментальном установлении ряда новых, неиз-;тных ранее, закономерностей взаимодействия волн с средах еоднородностями в виде в виде плавно неоднородного гид-динамического потока и в виде медленных изменения пара-гров среды;

- в разработке новых принципов построения комплексов с заметрическими антеннами для измерения акустических ха-ггеристик океана;

- в разработке комплексов с использованием излучающ! и приемных параметрических антенн для дистанционного и ко тактного исследования акустических характеристик океана исследовании их параметров;

- в экспериментальных исследованиях акустических хар ктеристик океана разработанными комплексами.

Научная и практическая значимость работы состоит существенном расширении представлений о физических явл ниях, наблюдающихся при нелинейных взаимодействиях волн неоднородных средах и при взаимодействии акустических во/ с другими физическими полями; в использовании наблюдаемь явлений для создания комплексов с излучающими и приемный, параметрическими антеннами для исследования акустичесш характеристик океана; в разработке методов расчета характ ристик параметрических антенн в средах с неоднородностями; измерениях акустических характеристик океана разработанныг-комплексами.

На защиту выносятся следующие теоретически исслед ванные и практически установленные научные результаты.

1. Метод расчета характеристик взаимодействия акуст! ческих волн с физическими полями в приемной параметриче кой антенне на основе метода плавных возмущений с введен! ем комплексной фазы сигнала накачки.

2. Решение задачи взаимодействия акустических волн средах с гидродинамическим потоком.

3. Результаты теоретического исследования взаимодей твия акустических волн в средах с неоднородностями в ви^: гидродинамических потоков, медленно меняющихся физичесм параметров среды (скорости звука, температуры, солености) физических полей с различными фазовыми скоростями, там как акустические стоячие волны, низкочастотные акустичесю-волны, "медленные" волны типа внутренних волн.

4. Решение задачи взаимодействия сферических акусти-их волн в приемной параметрической антенне и модель гмной параметрической антенны локационного типа.

5. Методика использования излучающих параметрических 5нн для дистанционного зондирования гидрофизических ив в океане, уравнение локации объемных рассеивателей аметрическими антеннами и результаты расчетов характе-гик лоцирования.

6. Результаты экспериментальных исследований взаимо-ствия волн в среде с меняющейся по трассе распростране-скоростью звука и в среде с компактным гидродинамическим эком, расположенным в зоне взаимодействия волн.

7. Результаты экспериментальных исследований характе-тик параметрических антенн, предназначенных для исследо-ия акустических характеристик неоднородностей океана и ультаты экспериментальных исследований характеристик днородностей в виде следов движения и гидрофизических ев в океане параметрическими антеннами.

8. Принципы построения комплексов с излучающими па-1етрическими антеннами для дистанционного измерения ха-теристик гидрофизических слоев и принципы построения сиги ы для исследования придонных слоев в океане с приемной «метрической антенной локационного типа.

9. Рекомендации по проектированию отдельных узлов ;тем.

10. Результаты практической реализации комплексов дис-щиоиного исследования неоднородностей в океане с параме-шескими антеннами.

Апробация работы. Основные результаты работы были здставлены: на четвертой научно-технической конференции информационной акустике, Москва, 1978 г.; на II Всесоюзном езде океанологов, Севастополь, 1982 г.; на XI Всесоюзной /стической конференции, Москва, 1991 г.; на МНТК "XX Гага-

ринские чтения", Москва, МГАТУ.1994 г.; на международной к нференции "Oceans engineering for today's technology ai tomorrow's preservation" , OCEANS-94, Brest, France, 1994,; i Всероссийской НТК "Медицинские информационные системь ТРТУ, Таганрог, 1995 г.; на МНТК "XXI Гагаринские чтени$ Москва, МГАТУ,1995 г.; на Международной конференц! "Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружа! щей среды" (International Conference POOS-95) , Томск, 1995 на Международной конференции "FORUM ACUSTICUM 199( Antwerpen, Belgium, 1996,; на Третьей Всероссийской Н" "Теория цепей и сигналов", Таганрог, 1998 г.; на Второй научн технической конференции "Современное состояние, проблек навигации и океанографии", Санкт-Петербург, 1995 г.; на Тр тьей международной научно-технической конференц! "Актуальные проблемы электронного приборостроения", Нов сибирск, 1996 г.; на XXXI - XLIV научно-технических конфере циях профессорско-преподавательского состава, аспирантов сотрудников ТРТУ, Таганрог, 1985 -1998 г.г.

Публикации . По результатам исследований опубликов но 43 научные работы, в том числе глава в монографии, изда ной в США, 37 статей и тезисов докладов, 4 изобретения. Крон того автор принимал участие в выполнении ряда научн исследовательских работ по теме диссертации, по которым ВИНИТИ зарегистрировано 16 научно-технических отчетов.

Личный вклад автора. Частично работы выполнены I паритетной основе с Кузнецовым В.П., Тарасовым С.П., Кирич нко И.А. и др. В основном же, все исследования, представле ные в работе, выполнены автором самостоятельно.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой лм ратуры. Общий объем диссертации составляет 243 страниць

цержит 78 рисунков, список литературы включает 217 наиме-ваний.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке ссийского Фонда Фундаментальных Исследований по грантам -02-14878 и 96-02-16312.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы исследований, ормулирована цель работы и основные положения, выноси-ю на защиту, а также кратко изложено содержание диссерта-л,

В первой главе проведен краткий обзор исследований зимодействия волн в однородных и неоднородных нелиней-х средах. В обзоре показано, что выбранное направление ис-эдований либо не рассматривалось ранее, либо исследова-ч не были направлены на практическое использование в ком-эксах дистанционного зондирования параметров толщи океа-

Рассмотрены пути решения задач нелинейного взаимо-Зствия волн и полей различных масштабов путем использо-шя уравнений механики сплошных сред и представления 1рофизических полей (давления, плотности, сжимаемости, •рости звука и гидродинамической скорости) в виде суммы жочастотных и высокочастотных полей, которые приводят к эднородному волновому уравнению. Рассмотрение взаимо-1ствия коллинеарных волн позволяет предложить и реализо-ъ идею параметрической излучающей антенны, а неколлине-ных приемной параметрической антенны. Приведено реше-з для взаимодействия плоских волн, распространяющихся под ом и рассчитаны параметры взаимодействия. Метод отыска-\ амплитуд комбинационных составляющих при взаимодейст-1 мощной волны накачки и слабой волны сигнала не всегда

приводит к однозначным решениям для характеристик генерируемых в результате взаимодействия волн, особенно при использовании в дальнейшем для выделения параметров взаимодействия фазовых схем. Известно, что преобладающим видом модуляции при существенно разных пространственно-временных масштабах взаимодействующих волн является фазовая модуляция. Описание параметрических явлений , основанное на введении комплексной фазы высокочастотной звуковой волны , позволяет использовать в данной задаче хорошс развитый метод плавных возмущений С.М.Рытова и получить более точное и строгое решение задачи в приближении, примыкающем к геометрическому, и притом наиболее удобное дл? анализа и практического использования с учетом современны) методов обработки фазово-модулированных сигналов. Метсу плавных возмущений для решения задачи взаимодействия зак лючается в том, что при решении параболического уравненм

вместо амплитуды A(t,r) вводится комплексная фазг

= S + ix , где % - собственно фаза a S - логарифм амплиту ды , или, так называемый, уровень. Подстановк;

A(t,r) = eT(t,r) в параболическое уравнение дает нелиней

ное уравнение для фазы

аш | зш

дх с0 oi

Критерием применимости линеаризованного параболическог уравнения являются условия А»1 и to»Q , где оз, "к соответственно частота и длина высокочастотной волны, Q и Л частота и характерный пространственный масштаб, если вза!< модействие идет с неоднородностями среды, или длина волн! низкочастотного сигнала, если взаимодействие идет с волно сигнала. Решение этого уравнения методом последовательнь приближений приводит к выражению

(£1,х,р)= -¡к |е с° - х,,р)5х!

о

эаведливому для случая крупномасштабных неоднороднос-которое можно использовать при расчете характеристик эимодействия волн в параметрической приемной антенне.

Анализ взаимодействия коллинеарных акустических волн роко рассматривался при разработке методов расчета харак-зистик излучающих параметрических антенн. В большинстве ^чаев этот анализ проводился при работе параметрической генны в однородной среде. Однако в реальных условиях па-метрическая антенна работает в неоднородной среде. С од-л стороны это флюктуации скорости звука , возникающие за эт квазистатических изменений параметров среды, а с другой эроны довольно часто в зоне взаимодействия волн накачки азывается гидродинамический поток , так как преобразовате-накачки помещаются на движущемся носителе. Таким обра-и , гидродинамическим потоком, находящимся в зоне взаимо-йствия волн накачки может быть поток обтекания антенны качки.

Исследования взаимодействия волн в движущейся среде эводилось методом последовательных приближений. Предлагалось, что добавка к полю, создаваемая вторичными истоками за счет взаимодействия волн в движущейся среде ад-тивна полю, создаваемому вторичными источниками в одно-цной среде, поэтому уравнение можно разделить на два - для хождения поля в однородной нелинейной среде и для нахож-ния добавки к полю за счет движения среды. Вектор скорости ижения среды тоже разделялся на две составляющих прольную и поперечную и решение искалось отдельно для каж-й составляющей.

Рассчитанные по полученным выражениям добавки к по» волн разностной частоты за счет движения Среды показы-ют, что поперечная и продольная составляющая вектора скости движения среды влияют на генерацию поля волн разност-

ной частоты, но их фазы несколько различаются. Компактны! поток в зоне взаимодействия волн накачки также вносит вклад ! генерацию добавки к полю. Общая амплитуда генерируемы волн увеличивается, причем степень увеличения связана с пг раметрами потока.

Во второй главе рассмотрены особенности исследовани параметров гидрофизических неоднородностей комплексами параметрическими антеннами.

Отличительными особенностями приемной параметриче ской антенны является то, что в пространстве между излучак щим и приемным преобразователями накачки взаимодействук щие волны могут быть неколлинеарны, для создания высока направленностей на низких частотах база антенны может бьп достаточно большой и сравнима с характерными масштабам пространственных неоднородностей. Характеристики приемнь параметрических антенн при различных размерах базы антенн и различных типах волн могут существенно различаться, поэт< му выделим несколько характерных случаев для дальнейше! анализа их характеристик:

приемный преобразователь накачки расположен в близ ней зоне излучающего преобразователя, а источник низкочаст тного сигнала в дальней зоне приемной параметрической а тенны;

приемный преобразователь накачки расположен в дал ней зоне излучающего преобразователя, а источник низкочаст тного сигнала в дальней зоне приемной параметрической а тенны;

приемный преобразователь накачки расположен в дал ней зоне излучающего преобразователя, а источник низкочаст тного сигнала в ближней зоне приемной параметрической г тенны.

Первые два случая рассмотрены в первом разделе рае ты. Третий случай возникает при высоконаправленном прие! низкочастотных сигналов, при этом база антенны достигает с тен и тысяч метров и размер ближней зоны того же порядка.

Решение уравнения, полученного методом плавных эоз-щений в первом разделе с функцией описывающей поле низ-шстотного возмущения в виде

г s(t, г) - слагаемое, характеризующее флюктуации скорсс-звука в среде распространения c(t,r}= с0 [1+s(t,r)3; Vx(t„r) - со-¡вляющая скорости вихревого движения жидкости (газа) по правлению распространения волны накачки; <рп- потенциал

зкочастотного поля дает возможность определить тип взаи-действующего сигнала. Так, если низкочастотная волна явля-;я плоской гармонической волной, распространяющейся под (оторым углом & к оси х (базе приемника) со скоростью cq ,

при осесимметричном рассмотрении задачи имеем решение ч фазы волны накачки, которое в частных случаях дает либо зестное ранее решение для взаимодействия двух акустичес-: волн (при Сп =с0), либо для взаимодействия волны накачки стоячей звуковой волной (при са ->»о), либо для взаимодейс-1Я волны накачки с медленной волной (при сп « с0). Анализ пений позволил разработать параметрический акустический 1емник градиента давления.

Для случая расположения источника сигнала в ближней ю параметрической приемной антенны рассмотрено взаимо-Яствие сферических волн. Найдено решение для фазы ре-1ьтирующего колебания на основе метода плавных возмуще-Í. Решение позволяет определить характеристики приемной эаметрической антенны с большой базой. Высокая направ--¡ность приемных параметрических антенн с большой базой шоляет решить задачу направленного приема в гидролокато-с с параметрическими излучающими антеннами. Применение юсительно высоких частот накачки снижает габариты антен-\ системы и в рамках ее невозможно создать существенно давленный прием низкочастотных сигналов. Поэтому приме-

нение приемных параметрических антенн для организации направленного приема низкочастотных сигналов решает задачу при относительно небольших размерах антенн, сравнимых с размерами антенн накачки. Более того, использование приемных параметрических антенн в традиционных локаторах с широкой характеристикой излучения на низких частотах в излучении позволяет повысить разрешающую способность локатора по углу.

Существенным при использовании приемной параметрической антенны в локаторе является наличие излучающего пре образователя накачки со стороны прихода сигнала, что констру ктивно невозможно при транспортируемых системах. Поэтому предложена модель приемной параметрической антеннь "локационного" типа для гидроакустических систем, предназна ченных для стратификации донных осадков и обнаружена объектов вблизи дна. Сущность модели заключается в исполь зовании отраженных дном высокочастотных волн в качеств! волн накачки приемной параметрической антенны.

Для систем дистанционного зондирования неоднородное тей выведено уравнение локации, которое используется дл; расчета энергетических характеристик лоцирующих систем < параметрическими излучающими антеннами. Особенности уравнения является использование при его выводе в качеств! сигнала рассеянный объемом с неоднородностями сигнал. Пр этом падающий на объем сигнал генерируется в параметричес кой антенне. Рассчитанные энергетические характеристики по; воляют определить дальность локации неоднородностей с зг данным коэффициентом обратного объемного рассеяния и зг данными характеристиками излучающей параметрической ан тенны и характеристиками приемного тракта локатора.

В третьей главе приведены результаты экспериментал! ных исследований. В ходе работы над проблемой были прове дены широкомасштабные экспериментальные исследования лабораторных и натурных условиях, задачей которых ставилос определение характеристик акустических трактов приборов излучающими и приемными параметрическими антеннами, вы:

1ение особенностей их параметров при наличии неоднородно-ей среды в зоне взаимодействия волн и определение возможней использования параметрических антенн для идентифи-ции некоторых характеристик сред.

При проведении экспериментальных исследований опре-¡лялись амплитудно-частотные характеристики акустических актов приборов с параметрическими излучающими и приемами антеннами, характеристики направленности антенн, зави-мости характеристик параметрических антенн от параметров (еобразователей накачки и конструктивных особенностей. Ис-юдовались характеристики параметрических антенн при рабо-: их в однородных и неоднородных средах, причем в качестве ¡однородностей среды выбирались либо медленно меняющи-;я крупномасштабные неоднородности {в основном, в виде из-энения поля скорости звука , как фундаментальной характери-ики акустического поля), либо компактные неоднородности апример, в виде потока жидкости), характерные масштабы ко-рых меньше длины зоны взаимодействия волн и даже срав-1мы с длинами взаимодействующих волн. Для излучающих па-метрических антенн приводятся только изменения их пара-зтров в присутствии в зоне взаимодействия волн неоднород->стей среды.

Большое внимание уделено экспериментальным иссле-)ваниям гидрофизических неоднородностей параметрическими ггеннами. Такие исследования велись поэтапно. Вначале рас-готрены возможности лоцирования достаточно простых объек->в и законы формирования рассеянного поля вторичных волн >и расположении объектов в зоне взаимодействия волн накач-',, а затем рассмотрены результаты измерений рассеяния от дродинамических потоков жидкости и от гидрофизических не-1нородностей среды.

Для проведения экспериментальных исследований ис-шьзовались методики разработанные с участием автора. Медики разрабатывались для каждого конкретного случая и были ;нованы на общепринятых методиках исследований, описан-

ных в литературе по гидроакустическим и гидрологическим измерениям. Отличие разработанных методик от общепринятых объясняется особенностями аппаратуры с параметрическими антеннами и особенностями формирования характеристик параметрических антенн.

Экспериментальные исследования проводились с разными по характеристикам параметрическими антеннами, однако в работе приведены типичные результаты исследований при значениях параметров антенн близких к используемым в разработанных и внедренных приборах.

Измерения характеристик приемных параметрических антенн показали хорошее согласие с расчетными данными. Измерения изменения чувствительности вдоль базы параметрической приемной антенны с большой базой (до 1000 м) показали перспективность построения параметрических приемных антенн локационного типа.

Экспериментальные исследования влияния плавно меняющихся неоднородностей на характеристики излучающих параметрических антенн проводились в гидроакустическом бассейне путем моделирования изменений скорости звука с помощью тепловых потоков. Исследования показали, что изменения скорости звука влияют на характеристики антенны, причем максимальное изменение характеристик происходит при расположении неоднородностей у преобразователя накачки. Исследования показали необходимость при проектировании комплексов дистанционного зондирования неоднородностей учета изменений параметров среды у преобразователя накачки. Теоретически путем предельного перехода от слоистой среды к среде с плавно меняющимися параметрами получено выражение для расчета характеристик параметрических антенн в таких средах. Это выражение заложено в алгоритмы обработки сигналов е разработанном комплексе дистанционного зондирования гидрофизических неоднородностей.

Проведены многочисленные экспериментальные исследования нелинейного взаимодействия волн в средах с потоками

смотрены экспериментальные зависимости осевых распре-ений на различных разностных частотах, при различном ра-пожении оси потока относительно поверхности преобразова-ч накачки и различной ширине потока, его скорости и мини-¡ьных пространственных масштабов. Экспериментальные педования показывают качественное совпадение с теорети-<ими расчетами, однако в эксперименте амплитуды добавок чительно выше, что , по-видимому, связано с наличием в по-э другого типа неоднородностей. Исследования проводились дальней зоне параметрической антенны. Они показывают , и в дальней зоне амплитуда волны разностной частоты воз-тает при наличии потока в зоне взаимодействия волн. Медова ния поперечных распределений амплитуд волн разнос-й частоты при различных параметрах потока показали, что ичие потока вблизи поверхности преобразователя накачки ширяет поперечное распределения , а у границы ближней ы сужает его. Этот факт позволил уточнить физическую мо-1Ь параметрической антенны в среде с потоком.

В комплексах дистанционного зондирования использова-! параметрических антенн обуславливается такими их уни-ьными характеристиками как узкая безлепестковая характе-тика направленности, постоянная ширина характеристики равленности в широкой полосе частот, монотонно изменяются амплитуда волны разностной частоты при изменении чаты. Поэтому в экспериментальных исследованиях измеря-;ь именно эти характеристики. Сравнение с расчетными Дании показало отличие экспериментально полученной амплиту-ьчастотной характеристики от теоретической.

Проведен комплекс исследований параметров гидрофи-еских неоднородностей разработанными макетами с параме-ческими антеннами. Исследования проводились в гидроакус-еском бассейне и в экспедициях на научно исследовательс-судах. проведенные исследования показали возможности их приборов, а сравнение с результатами , полученными дру-1И методами, достоверность измерений.

В четвертой главе рассмотрены особенности построена приемных параметрических антенн. Рассмотрены достоинства I недостатки приведенных схем. Анализ характеристик позволив предложить фазово-фильтровую схему построения приемноь части параметрического приемника. Приведены структурные схемы системы исследования придонных слоев в океане с ис пользованием приемной параметрической антенны локационно го типа. Приведены оценки влияния шумов моря на расп ределение чувствительности приемной параметрической ан тенны вдоль базы. Для анализа использовалось плосковолно вое приближение и равномерно распределенный в пространст ве шум моря. Результаты исследований показали, что наличие шума может ограничить длину базы приемной параметрическое антенны.

Рассмотрено влияние нелинейности входных каскадо! трактов обработки сигналов на характеристики приемных пара метрических антенн. Показано, что применение преобразовате лей накачки с низкой чувствительностью в области частот при нимаемых волн и фильтров высоких частот во входных каскада; устраняет взаимодействие волн накачки и сигнала на нелиней ности активных элементов входных каскадов параметрической приемника.

Для корректировки амплитудно-частотной характеристик! параметрической антенны предложено использование в алгори тмах расчета параметров зондирующего сигнала поправки н< амплитудно-частотные характеристики излучающих трактов па раметрических антенн. Результаты расчетов хорошо совпадаю с данными эксперимента. Приведены результаты разра ботки гидроакустического комплекса с параметрическими антен нами для дистанционного исследования параметров гидроф!/ зических слоев. В комплексе используются датчики гидрофизи ческих параметров, расположенные у преобразователя накачм а в алгоритмах обработки результатов зондирования заложен! алгоритмы для вычисления поправок на работу параметричес

1 антенны в неоднородной среде, которые приведены в пре-дущих разделах.

Рассмотрена схема построения глубоководного зонда с раметрической антенной для изучения силы обратного объе-ого рассеяния звука и вертикальных профилей скорости зву-

В заключении сформулированы основные результаты, пученные в диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведен анализ литературных источников посвящен-IX проблеме взаимодействия волн в неоднородных средах и ¡брано направление исследований.

2. В общем случае рассмотрена задача взаимодействия устических волн в средах, содержащих низкочастотные гид-физические поля. Показано, что влияние большинства полей одится к изменению плотности и сжимаемости среды, а, в кочном счете, к изменению скорости звука в среде. Описаны емы построения приемных и излучающих параметрических тенн.

3. Решена задача взаимодействия неколлинеарных акус-ческих волн в однородной среде и рассчитаны параметры не-¡нейного взаимодействия акустических волн и некоторые, наи->лее значимые, характеристики приемной параметрической ггенны.

4. Разработан метод описания параметрических явлений, нованный на методе плавных возмущений, путем введения мплексной фазы высокочастотной волны, что позволило полу-1ть более строгое и удобное для анализа и практического ис->льзования с учетом обработки фозово-модулированных сиг-1лов решение задачи.

5. Решена задача нелинейного взаимодействия волн е среде с компактным плавнонеоднородным гидродинамическил, потоком. Показано, что продольная и поперечная составляющие потока влияют на величину генерируемых параметрической ан тенной волн.

6. Рассчитаны поправки к полю волны разностной частоть при наличии в зоне взаимодействия неоднородного потока. Показано, что характер осевых распределений аналогичен харак теру распределений в волне разностной частоты в однородной среде. Генерируемая добавка к полю волны разностной частоть за счет неоднородности потока незначительно отличается пс фазе от волны разностной частоты в однородной среде, чтс приводит к увеличению амплитуды генерируемой волны разностной частоты. Изменение места положения оси потока относи тельно поверхности преобразователя накачки изменяет характеристики генерируемых волн, что говорит о том, что добавке возникает только в потоке.

7. Рассмотрены особенности измерения параметров гидрофизических полей в океане. Рассчитаны характеристики приемной параметрической антенны с использованием метода плавных возмущений, применение метода позволяет определить тип волны, "направление" ее распространения. Задача решена для акустической волны с фазовой скоростью, равной продольной скорости звука в среде, для стоячей звуковой волны и для медленно распространяющейся волны, как, например, внутренняя волна в океане. Предложена схема построения параметрического акустического приемника градиента давления и схема обработки сигнала.

8. Решена задача взаимодействия сферических акустических волн в приемной параметрической антенне и рассчитань характеристики приемной параметрической антенны с большой базой. На основании решений предложена модель приемной параметрической антенны локационного типа.

9. Разработана модель использования излучающей параметрической антенны для дистанционного зондирования гидро-

мзических неоднородностей. Выведено уравнение локации зъемных неоднородностей при использовании излучающей араметрической антенны. Рассчитаны характеристики параме-эической антенны для различных значений коэффициента об-этного объемного рассеяния и расстояния от преобразователя акачки до лоцируемого объема.

10. Определены задачи экспериментальных исследовний разработаны методики исследований и методы обработки ре-^льтатов измерений.

11. Экспериментальным путем получены характеристики риемной параметрической антенны при различных изменениях к параметров. В натурных условиях исследованы характерис-■1!<и параметрической приемной антенны с большой базой.

12. Проведены экспериментальные исследования взаи-одействия акустических волн в среде с изменяющейся по трас-з распространения волн скоростью звука. Изменение скорости зука приводит к изменениям в осевом и угловом распределе-лях амплитуды волны разностной частоты в излучающей пара-етрической антенне, разработана методика расчета таких из-енений, проведены расчеты и проведено сравнение расчетных экспериментальных зависимостей, которое показало адекват-эсть модели расчета. Сделаны рекомендации по введению по-эавок на изменение скорости звука при проектировании прибо-эв дистанционного измерения параметров гидрофизических тоев.

13. Проведены экспериментальные исследования взаи-одействия акустических волн в средах с гидродинамическим зтоком, расположенным в зоне взаимодействия волн накачки, азработана физическая модель явления. Показано, что в при-ггствии гидродинамического потока а зоне взаимодействия элн генерируется добавка к полю волны разностной частоты, тисящая от скорости потока, его ширины и месте расположены. Ширина характеристики направленности параметрической ^енны тоже меняется при наличии потока, причем при нахож-энии оси потока вблизи поверхности преобразователя накачки

она увеличивается, а вблизи конца зоны дифракции - сужается что вполне объясняется разработанной физической модельк явления. Уровни добавок к полю волны разностной частоты е экспериментальных исследованиях превышают расчетные значения, что связано с наличием в потоке неоднородностей другого типа, например, газовых пузырьков.

14. Проведены экспериментальные исследования метрологических характеристик излучающих параметрических антенн предназначенных для исследования океана. Основными метрологическими характеристиками определены зависимость ширины характеристики направленности от частоты, амплитудно-частотная характеристика и уровень боковых лепестков в характеристик направленности. Показано, что ширина характеристик!' направленности практически не меняется в диапазоне разностных частот, а уровень боковых лепестков в используемых антеннах не превышает значения -30 дБ. Амплитудно- частотна* характеристика монотонно изменяется, но в высокочастотной области значительно отличается от расчетной, что связано с влиянием ширины полосы пропускания электроакустической: тракта сигналов накачки. Экспериментальные исследования е натурных условиях показали, что формирование сферическогс фронта волны разностной частоты заканчивается на расстояни ях порядка нескольких длин зоны дифракции волны накачки.

15. Проведены экспериментальные исследования по ис пользованию параметрических излучающих антенн в комплек сах, предназначенных для исследований акустических характе ристик потоков, следов движения объектов и гидрофизически) слоев. Исследованы частотные зависимости обратного объем ного рассеяния звука гидрофизическими слоями в диапазоне 4,{ - 22 кГц, измерены суточные изменения обратного объемногс рассеяния волн. Показана взаимосвязь физических параметро{ толщи океана с силой обратного объемного рассеяния. Резуль таты измерений сравнивались с результатами, полученным» другими методами.

16. Разработаны структурные схемы приемных парамет-•юских антенн с различными видами обработки сигналов. По-¡ано, что применение фазовой схемы обработки корректно 1ЬКо при использований квадратурной схемы детектирования, >т чувствительности схемы зависит помехоустойчивость сис-лы. Разработана фазово-фильтровая схема обработки сигна-накачки и определены перспективы ее использования.

17. Разработана система для исследования придонных эев в океане с использованием приемной параметрической генны локационного типа с высокой производительностью иска за счет создания веера характеристик направленности в жиме приема и высокой угловой разрешающей способностью счет большой базы параметрического приемника.

18. Для приемных параметрических антенн с большой зой проведена оценка влияния шумов моря на их характерис-(и. Анализ проводился с использованием уравнения Бюргер-

Показано, что изменение с расстоянием сигнальной и шумо-й составляющей в выходном сигнале приемной параметриче-зй антенны различно, что может привести к ухудшению соот-шения сигнал/шум при увеличении базы антенны. Выведено ражение для анализа изменения соотношения сигнал/шум и изменении базы антенны.

19. Рассмотрено влияние нелинейности входных каска-в приемной части приемной параметрической антенны на ее рактеристики. Экспериментально и теоретически показано, э в результате нелинейности входных каскадов в системе об-ботки сигналов параметрической антенны образуются сигна-I сходные по параметрам с принимаемыми, при этом изменя-ся характеристики антенны.

20. Разработана модель расчета реальной амплитудно-стотной характеристики с учетом амплитудно-частотных хара-зристик реальных электроакустических трактов.

21. Разработан изготовлен и испытан гидроакустический \дплеке с излучающими параметрическими антеннами для станционного исследования параметров гидрофизических

слоев. В алгоритмах расчета параметров слоев по результатаfy зондирования и измерения гидрофизических параметров у при емной антенны заложены поправки на изменения параметроЕ среды в месте установки антенны, изменение сигнала в соот ветствии с законом его распространения, изменение парамет ров антенны при наличии потоков в зоне взаимодействия воль накачки и на учет реальной амплитудно-частотной характерно тики.

22. Разработан изготовлен и испытан в экспедициях е океане глубоководный зонд для изучения силы обратного объе много рассеяния звука и вертикальных профилей скорости звуке в океане. В комплексе используются излучающая параметричес кая антенна и измеритель скорости звука для проведения комп лексных исследований акустических характеристик Мировогс океана.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1.Воронин В.А., Павлюк В.П., Рыбачек М.С.,Тарасов С.П. Тимошенко В.И. Использование параметрических устройств t океанологических исследованиях. Сб. НТО им. А.Н. Крылове "Акустические методы исследования океана" вып. 255 "Судостроение" Ленинград, 1977 г.

2.Timoshenko V.l. .Maximov V.N., Voronin V.A. Investigador of nonlinear parametric sound reception Journal de Physique supplement on №11, tome 40,1979.

3.Воронин B.A. .Тимошенко В.И..Тарасов С.П. Экспериме нтальные исследования параметрического приемника звука ( фазовым детектированием сигнала. Труды четвертой научно технической конференции по информационной акустике. Моек ва, 1978 г.

4.Воронин В.А., Максимов В.Н.,Пояркова В.А., Тимошенкс В.И. Исследование нелинейного параметрического приемнике звука с фазовым детектированием. Сб. НТО им. А.Н. Крылове

устические методы исследования океана", "Судостроение" ¡нинград, 1978 г.

5.Воронин В.А., Рыбачек М.С..Тарасов С.П., Тимошенко А. Измерительные широкополосные нелинейные излучатели ука для акустических исследований . Сб. НТО им. А.Н. Крыло-

акустические методы исследования океана", удостроение", Ленинград, 1978 г.

6.Воронин В.А., Максимов В.Н..Тимошенко В.И. Парамет-ческая акустическая приемно-излучающая система. Авторское идетельство № 688104 601С 13/00 от 18.04.1978 г.

7.Воронин В.А., Максимов В.Н.,Тимошенко В.И. Парамет-ческий акустический приемник. Авторское свидетельство 702852 в01С 13/00 от 10.05.1978 г.

З.Воронин В.А., Тимошенко В.И., Громов В.И., Тарасов П., Тер-Сааков Э.В. Способ акустической геолокации и устрой-во для его осуществления. Авторское свидетельство № ■7313 С01С 13/00 от 26.12.1978 г.

Э.Воронин В.А., Максимов В.Н., Пояркова В.А., Тимошенко И. Исследование характеристик нелинейного параметрическо-акустического приемника. Прикладная акустика" .1пЛ/И.Таганрог, ТРТИ, 1979 г.

Ю.Воронин В.А., Максимов В.Н.,Тимошенко В.И Акустиче-ий параметрический приемник .Авторское свидетельство № 16539 в01С 13/00 от 29.04.1979 г.

11.Воронин В.А., Максимов В.Н.,Тимошенко В.И. Экспе-¡ментальные исследования нелинейного параметрического устического приемно-излучающего комплекса . Сб. НТО им. Н. Крылова "Акустические методы исследования океана" , Су-зстроение" Ленинград, 1979 г.

12.Воронин В.А., Новиков Б.К., Тарасов С.П., Тимошенко И . Исследование пространственных характеристик парамет-(ческих антенн при наличии отражающей границы в зоне взаи-эдействия."Прикладная акустика" выпЛ/Ш.Таганрог, ТРТИ, 1981

13.Воронин В.А., Гурский В.В., Котляров В.В., Тарасов С.П., Тимошенко В.И. Использование широкополосного низкочастотного параметрического локатора для поиска подводных объектов, находящихся под слоем ила или грунта . Сб. НТО им

A.Н. Крылова "Акустические методы исследования океана" выл 334, "Судостроение" Ленинград, 1980 г.

14.Воронин В.А., Житковский Ю.Ю., Кузнецов В.П., Тарасов С.П., Тимошенко В.И. Использование параметрическкогс гидролокатора в океанологических исследованиях. Тезисы докладов II Всесоюзного съезда оеанологов. Вып. 4 "Физика и хими? Океана". Севастополь, 1982 г.

15.Воронин В.А., Кузнецов В.П. Влияние шумов моря не характеристики приемной параметрической антенны "Прикладная акустика" вып.(Х.Таганрог, ТРТИ, 1983 г.

16.Воронин В.А., Кузнецов В.П., Тарасов С.П., Тимошенкс

B.И. Экспериментальные исследования параметрического гид ролокатора в океане. "Прикладная акустика" вып. IX. Таганрог ТРТИ, 1983 г.

17.Воронин В.А., Житковский Ю.Ю. и др. Использование параметрического гидролокатора в океанологических исследо ваниях. "Океанология", АН СССР, том XXV, вып.4, 1985 г. С 692-697.

18.Воронин В.А., Кузнецов В.П., Березуцкий A.B. Об экс периментальных исследованиях поля скорости звука в океане "Прикладная акустика" вып,XI.Таганрог, ТРТИ, 1985 г.

19.Воронин В.А., Кузнецов В.П., Березуцкий A.B., Тимо шенко В.И. Акустическкое зондирование океанского термоклин; на частотах 12, 20, 30 кГц. "Прикладная акустика" вып.Х1. Таган рог, ТРТИ, 1985 г.

20.Воронин В.А., Тарасов С.П. и др. Отражение от диско сигналов параметрической антенны. "Прикладная акустика" выг XII. Таганрог, ТРТИ, 1987 г.

21.Воронин В.А., Гринберг И.Э. Исследование влияни нелинейности приемного тракта параметрической антенны на е

актеристики. "Прикладная акустика" вып.ХП. Таганрог, ТРТИ, ¡8 г., депон. ВИНИТИ, 1988 г. №9108-В88.

22.Тимошенко В.И., Воронин В.А., Тарасов С.П. Исследо-!ие отражения и рассеяния звука дном океана и придонными ¡ями параметрическими антеннами .Труды XI Всесоюзной стической конференции, Москва, 1991 г., Секция Б.

23.Вороиин В.А., Тимошенко В.И., Тарасов СЛ., Котляров !., Кузнецов В.П. Исследование приемной параметрической 'енны с большой базой. Акуст. журнал, т.38, Na2, М., 1992 г.

24. Воронин В.А., Кириченко И.А. Влияние изменения ско-гги звука на погрешность измерения обратного объемного зсеяния параметрическим измерительным комплексом // Ма->иалы XXXIX научно-технической коференции. Таганрог, ТУ. 1993. С. 123-124.

25. Воронин В.А., Кириченко И.А. Использование параме-1ческого гидролокатора для экологических исследований дон-х осадков И Сб. тез. докл. МНТК " XX Гагаринские чтения", М., АТУ. 1994. С.12-13.

26.Воронин В.А., Тимошенко И.В. Location by nolinear sraction of the reflection signals. Proceeding of coference iEANS-94 "Oceans engineering for today's technology and norrow's preservation", Brest, France, 13-16 Sep.,1994, v.1, p. 1-744.

27.Воронин B.A., Тимошенко В.И., Тарасов С.П., Аносов 1 и др. Investigation of hydrophisical inhomogeneities by rameiric acoustic devices. Proceeding of coference OCEANS-94 ceans engineering for today's technology and tomorrow's jservation", Brest, France, 13-16 Sep.,1994, v.1, p. 768-771.

28.Воронин B.A., Тимошенко В.И., Тарасов С.П. The role of rametric arrays in the ocean research. In book "Nonlinear oustic" American Institute of Physics (AIP PRESS), New York, 94, p. 231-270

29. Воронин В.А., Кириченко И.А. Моделирование поля эрости звука в стратифицированной среде // Известия ВУЗов, юктромеханика. № 4. 1995 , с. 96-98.

30. Воронин В.А., Кириченко И .А. Исследование парамет рической антенны в стратифицированной среде с изменяющим ся полем скорости звука II Известия ВУЗов, Элетромеханика. N 4. 1995

31. Воронин В.А., Кириченко И.А. О влиянии потока жи,е кости с пульсациями давления на поле параметрического изл> чателя II Материалы Всероссийской НТК "Медицинские инфор мационные системы" , Таганрог, ТРТУ. 1995 . Вып.5 (XII). с. 2£ 34.

32. Воронин В.А., Кириченко И.А. Экспериментальное ис следование неоднородного гидродинамического потока на харг ктеристики параметрической антенны II Труды ТРТУ, Материал! XLI НТК, Таганрог, ТРТУ. 1995 .

33. Воронин В.А., Воронин Е.В., Кириченко И.А. Особенно сти применения параметрической антенны для экологически исследований водной среды II Сб.тез.докл. МНТК "XXI Гагарине кие чтения", М„ МГАТУ. 1995. С. 27.

34. Воронин В.А., Кириченко И.А. Параметрическая av тенна для экологических исследований водной среды II Матер!/ алы Международной конференции "Фундаментальные и приклг дные проблемы охраны окружающей среды". Тез. докладов. Т. ' Томск, ТГУ. 1995. с. 27-28.

35. Voronin V.A., Kirichenko I.A. Parametric array fc ecological investigations of water medium II International Conferenc POOS-95, September 12-16,1995. Tomsk, p. 62-63.

36.Воронин B.A., Тимошенко В.И..Тарасов С.П. Using of parametric acoustic array for engineering and archeolog; ACUSTICA , Journal of the Evropean Acoustics Association (EEIG v.82, supl.1, p. S199, Jan-Feb 1996.

37.Воронин B.A. Nonlinear interaction of acoustical waves i inhomogeneities media and désigné of parametric receiving arra; ACUSTICA, Journal of the Evropean Acoustics Association (EEIG v.82, supl.1, p. S200, Jan-Feb 1996.

38.Воронин B.A., Кириченко И.А. Влияние гидрофизиче« ких неоднородностей на измерение обратного объемного раса

ия звука. Тезисы третьей всероссийской НТК "Теория цепей и гналов" (ТЦиС), Таганрог, из-во ВУЗов, "Электромеханика", г. ¡вочеркасск, 1996 г., с.70-71.

39.Воронин В.А., Аносов B.C., Тарасов С.П., Тимошенко

A. Параметрический гидроакустический донный профилограф. зисы второй научно-технической конференции "Современное стояние, проблемы навигации и океанографии", Санкт-ггербург, 1995 г., с. 146.

40.Воронин В.А., Аносов B.C., Тарасов С.П., Тимошенко И., Лиходиевский Ю.Ф. Корабельный комплекс дистанционно-

акустико-гидрофизического зондирования морской среды, ¡зисы второй научно-технической конференции "Современное стояние, проблемы навигации и океанографии", Санкт-зтербург, 1995 г., с. 150-151.

41.Воронин В.А., Тарасов С.П., Борисов С.А., Бросалин

B. Исследование и анализ характеристик параметрического юфилографа донных отложений. Труды третьей международ->й научно-технической конференции "Актуальные проблемы ¡ектронного приборостроения", т.7, "Радиотехника", Новоси-ipcK, 1996 г., с.97-98.

42. Воронин В.А., Кириченко И.А., Тарасов С.П., Тимошен-I В.И. Исследование характеристик параметрических антенн в ^однородной стратифицированной среде. Межвузовский сбор-1К "Технические средства исследования Мирового океана"/ Под 5Д. Г.П. Турмова, Ю.Н. Кульчина. - Владивосток: Изд.-во ДВГТУ, 396 г. - с. 78 - 84.

43. Воронин В.А., Кириченко И.А. Особенности работы злучающей параметрической антенныв среде с гидрофизичес-ши неоднородностями. Известия ТРТУ. Специальный выпуск Материалы XL1I научно-технической конференции". Таганрог: зд-во ТРТУ, 1997. №2(5), с. 150 - 151.

В работах, написанных в соавторстве, личный вклад ав~ эра состоит в следующем: в /1/ определена область использо-эний параметрических антенн в океанологических исследова-иях, проведены экспериментальные исследования; в /2-4,9/

разработаны схемы приемной параметрической антенны(ППА) с фазовым детектированием сигнала накачки, проведены экспериментальные исследования и сделан анализ результатов измерений; в /5/ проведены экспериментальные исследования и выбраны основные параметры антенн; в /6,7,10/ разработаны схемы построения систем, отражающие сущность изобретений; в /81 разработан способ акустической геолокации с ППА; в /11/ разработана схема приемо-излучающего комплекса, измеряны его характеристики; в /12/ уточнена физическая модель рассеяния волн на границе в зоне взаимодействия; в /13/ Измеряны характеристики параметрического локатора и разработаны рекомендации по использованию в океанологических исследованиях; в /14,16-19/ разработаны методики использования ПА в океанологических исследованиях, проведены измерения характеристик рассеяния объемными неоднородностями, характеристик комплексов и проведено сравнение с результатами, полученными с использованием традиционных комплексов; в /15/ предложена модель взаимодействия затухающих волн накачки и сигнала с равномерно распределенным шумом, проведено численное моделирование; в /20/ разработана математическая модель рассеяния, решена задача и проведены экспериментальные исследования; и /21/ разработана математическая модель, проведены расчеты, экспериментальные исследования и сделаны выводы; в /22/ проведены экспериментальные исследования; В /23/ разработана модель ППА с большой базой, поведены экспериментальные исследования и теоретические оценки; в /24,25/ разработана методика расчета характеристик, сделан анализ результатов расчетов; в /26/ разработана модель построения ППА на отраженных волнах; в /28/ разработаны модели ППА и их схемы построения,модели расчета характеристик, проведены экспериментальные исследования и сделаны выводы по разрабатываемым вопросам; в /27/ разработаны схемы комплекса и предложены методики введения поправок в расчеты поля; в /29-31/ предложены методики моделирования изменения скорости звука и проведены экспериментальные ис-

дования; в /33-35/ предложена методика использования ПА I экологических целей, обобщены результаты исследований; б/ предложена методика использования ПА для археологии и )СК0Й инженерии; в /381 обобщены результаты исследований влиянию неоднородностей на характеристики ПА; в /39-41/ дложено введение в комплекс измерителя' параметров гид-эизических полей, разработаны алгоритмы расчета поправок, ведены экспериментальные исследования; в /42,43/ разра-ана математическая модель ПА в неоднородной среде, про-,ены расчеты характеристик антенн, экспериментальные ис-дования и сделаны выводы.

¿JC.it 9/-Зй?з/оГ

ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ АКУСТИЧЕСКИЕ АНТЕННЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ МИРОВОГО ОКЕАНА

01.04.06. - Акустика

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант

действительный член РАЕН. Лауреат Государственной премии в области науки,

Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Тимошенко Владимир Иванович

Таганрог -1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................ 5

1. НЕЛИНЕЙНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН В СРЕДАХ д ИЗМЕНЯЮЩИМИСЯ ПАРАМЕТРАМИ........... 12

1.1. Исследования взаимодействий акустических волн в

нелинейных средах.................................... 12

1.2. Взаимодействие высокочастотных акустических полей с низкочастотными полями в жидкости...................... 17

1.3. Взаимодействие неколлинеарных акустических волн в

средах без дисперсии.................................. 24

1.4. Решение задачи взаимодействия полей методом плавных возмущений.......................................... 36

1.5. Взаимодействие акустических волн в средах с неоднородными потоками при коллинеарном

распространении волн в ограниченных пучках.............. 44

1.6. Особенности характеристик параметрических излучающих

антенн в средах с неоднородными потоками................ 54

2.0ПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛЕЙ В ОКЕАНЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКИМИ АНТЕННАМИ....................... 60

2.1. Исследование гидрофизических полей в океане параметрическими антеннами............................ 60

2.2. Характеристики приемной параметрической антенны и

их использование в исследованих океана................... 63

2.3. Взаимодействие сферических акустических волн в приемной параметрической антенне и создание локационных параметрических систем................................. 72

2.4. Дистанционное зондирование гидрофизических

неоднородностей в океане параметрическими антеннами..... 78

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕЛИНЕЙНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВОЛН В

НЕОДНОРОДНЫХ СРЕДАХ И ХАРАКТЕРИСТИК СРЕД........ 92

3.1. Задачи экспериментальных исследований и методики

их проведения......................................... 92

3.2. Исследование характеристик приемной

параметрической антенны............................... 95

3.3. Исследование нелинейного взаимодействия акустических

волн в среде с изменяющимися параметрами............... 103

3.4. Исследование взаимодействия акустических волн

в присутствии гидродинамического потока в среде........... 114

3.5. Экспериментальные исследования метрологических характеристик излучающих параметрических антенн, предназначенных для исследований гидрофизических неоднородностей....................................... 127

3.6. Исследование рассеяния волн неоднородностями в

виде потоков и следов движения........................... 135

3.7. Исследование гидрофизических неоднородностей

в океане параметрическими антеннами.................... 139

4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ АНТЕНН

ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ ОКЕАНА........ 150

4.1. Реализация приемных параметрических антенн

и особенности их построения............................. 150

4.2. Особенности построения приемных параметрических антенн локационного типа для исследования придонных

слоев в океане......................................... 165

4.3. Оценка влияния шумов моря на характеристики приемной параметрической антенны............................... 179

4.4. Особенности построения входных каскадов приемной

части приемной параметрической антенны................. 182

4.5 Некоторые особенности характеристик излучающих параметрических антенн для исследования

гидрофизических слоев в океане.......................... 188

4.6. Гидроакустический комплекс с излучающими параметрическими антеннами для дистанционного исследования параметров гидрофизических слоев в океане ... 192

4.7. Глубоководный зонд для изучения объемного рассеяния

звука и вертикальных профилей скорости звука в океане...... 198

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................. 209

ЛИТЕРАТУРА............................................. 217

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................ 239

ВОЕ ^ЕЭЛ

Г1 Е

Расширение промышленного освоения Мирового океана неразрывно связано с применением акустики, так как акустические волны

являются практически единственным видом излучения, способным распространяться в воде на значительные расстояния. В практике исследования акустических характеристик океанской среды используют традиционно два метода: контактный и дистанционный, причем лучшей возможностью исследования больших участков Мирового океана за относительно короткое время является использование дистанционных методов исследования, некоторые из которых рассматриваются в настоящей работе.

Дистанционные акустические методы исследований основаны в большинстве случаев на использовании традиционных акустических приборов, либо разрабатываемых специально для таких исследований, либо приспособлении для этой цели штатной гидроакустической аппаратуры кораблей (эхолотов, гидролокаторов, лагов и т.п.). В последнее время началось развитие гидроакустической исследовательской аппаратуры с применением методов нелинейной акустики. Использование нелинейного взаимодействия волн позволило создать исследовательские комплексы с уникальными характеристиками, которые невозможно было получить используя традиционные "линейные" модели построения аппаратуры.

С самого начала исследований в области нелинейного взаимодействия волн перед исследователями стала задача о влиянии неод-нородностей водной среды на характеристики взаимодействия волн. Эта задача решалась в отдельных случаях для различного типа неод-нородностей, как в водной среде, так и в твердом теле и в газах, однако исследованы далеко не все виды неоднородностей, направленность

исследований не вела на разработку принципов построения аппаратуры исследования океана, хотя по результатам исследований и разработаны приборы диагностики сред. Исследования проводимые в настоящей работе в некоторых случаях обобщают полученные ранее результаты, но в основном направлены на практическую реализацию аппаратуры исследований.

Масштабы неоднородностей среды океана ( характерные размеры) изменяются в очень широких пределах от самых наименьших размеров до наибольших (от размера релаксирующей молекулы соли до размера синоптических вихрей и внутренних волн). К небольшим, по сравнению с используемыми длинами волн, неоднородностям можно отнести взвешенные твердые частицы пыли, скелеты морских организмов и т.п. Такие неоднородности обеспечивают слабое рассеяние волн и его релеевский характер. Однако, объединение таких неоднородностей в слои может привести к достаточно сильному рассеянию, как например, рассеяние на придонных и гидрофизических слоях. Другой вид неоднородностей - парогазовые пузырьки, природа которых может иметь различный характер. И если твердые включения изменяют плотность среды, то пузырьки меняют ее сжимаемость. Строго говоря, почти любой вид неоднородности меняет скорость распространения акустических волн, которая считается одной из основных фундаментальных характеристик водной среды.

К крупномасштабным неоднородностям в океане можно отнести объемные неоднородности, представляющие собой распределения плотности, температуры, солености и др., и, следовательно, скорости звука. Среды с такими неоднородностям и называют средами с плав-номеняющимися параметрами, хотя они характеризуются высокой степенью изменчивости. Флюктуации объемных неоднородностей имеют анизатропный характер. Горизонтальные их масштабы значительно превышают вертикальные, которые, кроме того, имеют широкий спектр

масштабов от самых малых до самых больших, занимающих всю глубину океана.

Отдельно можно рассматривать неоднородности в виде потоков внутри массы воды. Это течения, следы движения кораблей и животных, перемешивание масс воды в результате взаимодействия океана с атмосферой и дном. Использование акустических приборов для дистанционного зондирования Мирового океана предполагает размещение их на движущихся носителях. Поэтому акустические антенны практически всегда работают в движущейся относительно них среде, т.е. вблизи антенны всегда располагаются неоднородности в виде потоков, и их воздействие на процесс генерации вторичных волн в параметрической антенне необходимо учитывать.

Исследование нелинейного взаимодействия волн в большинстве случаев ведется в предположении однородности среды. Для таких случаев достаточно хорошо развит математический аппарат решения задач взаимодействия волн, разработаны физические модели и принципы построения аппаратуры. Влияние неоднородностей в виде парогазовых пузырьков и структурных неоднородностей на характеристики взаимодействия также хорошо изучено.

В настоящей работе ставится задача исследования взаимодействия волн в среде с неоднородностями в виде потоков жидкости относительно поверхности преобразователей накачки и в виде медленно меняющегося распределения скорости звука вдоль оси распространения взаимодействующих волн. Эти исследования направлены на создание аппаратуры, предназначенной для исследования акустических характеристик океана, и с этой точки зрения рассеяние волн накачки и генерируемых в результате нелинейного взаимодействия волн будем считать взаимодействием акустических волн с параметрами среды, по результатам которого и определяются акустические характеристики океана. Второй порядок малости эффектов нелинейного взаимодей-

ствия и малая эффективность рассеяния волн на малых и плавных не-однородностях говорят о необходимости учета влияния неоднородно-стей на параметры зондирующего сигнала, а особенности построения исследовательских комплексов с применением методов нелинейной акустики требуют нового решения аппаратурных частей комплексов.

Целью диссертационной работы являются теоретические и экспериментальные исследования нелинейных эффектов, возникающих при распространении и взаимодействии акустических волн в средах с изменяющимися параметрами и с неоднородностями в виде гидродинамических потоков, разработка принципов построения аппаратуры для дистанционного исследования акустических характеристик океана и создание комплексов с параметрическими антеннами для проведения этих исследований. Поставленная в работе цель автором достигается теоретическими и экспериментальными исследованиями. Основные выводы и положения обоснованы подробными теоретическими расчетами и их сравнением в частных случаях с известными результатами. Построенные физические и математические модели имеют приближения с соответствующими оценками и наглядную физическую интерпретацию. Экспериментальные исследования проводились в различных условиях, и при их проведении достаточное внимание уделялось проверке достоверности исследований путем метрологической проработки исследований и сравнением результатов исследований с теоретическими предположениями и результатами полученными другими методами. В основу принципов построения аппаратуры легли результаты теоретических и экспериментальных исследования. Принципы построения проверены путем создания макетов, исследованием их характеристик, проведением измерений характеристик океана с помощью разработанных приборов и сравнением их с характеристиками, полученными традиционными методами исследований.

На защиту выносятся следующие теоретически исследованные и практически установленные научные результаты.

1. Метод расчета характеристик взаимодействия акустический I/ волн с физическими полями в приемной параметрической антенне на основе метода плавных возмущений с введением комплексной фазы сигнала накачки.

2. Решение задачи взаимодействия акустических волн в средах с плавнонеоднородным гидродинамическим потоком.

3. Результаты теоретического исследования взаимодействия акустических волн в средах с неоднородностями в виде плавнонеодно-родных гидродинамических потоков, медленно меняющихся физических параметров среды (скорости звука, температуры, солености) и физических полей с различными фазовыми скоростями, таких как акустические стоячие волны, низкочастотные акустические волны, "медленные" волны типа внутренних волн.

4. Решение задачи взаимодействия сферических акустических волн в приемной параметрической антенне и модель приемной параметрической антенны локационного типа.

5. Методика использования излучающих параметрических антенн для дистанционного зондирования гидрофизических слоев в океане, уравнение локации объемных рассеивателей параметрическими антеннами и результаты расчетов характеристик лоцирования.

6. Результаты экспериментальных исследований взаимодействия волн в среде с меняющейся по трассе распространения скоростью звука и в среде с компактным гидродинамическим потоком, расположенным в зоне взаимодействия волн.

7. Результаты экспериментальных исследований метрологических характеристик параметрических антенн, предназначенных для исследования акустических характеристик неоднородностей океана, и результаты экспериментальных исследований характеристик неодно-

родностей в виде следов движения и гидрофизических слоев в океане параметрическими антеннами.

8. Принципы построения комплексов с излучающими параметрическими антеннами для дистанционного измерения характеристик гидрофизических слоев и принципы построения системы для исследования придонных слоев в океане с приемной параметрической антенной локационного типа.

9. Рекомендации по проектированию отдельных узлов систем.

10. Результаты практической реализации комплексов дистанционного исследования неоднородностей в океане с параметрическими антеннами.

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

В первой главе приведены теоретические исследования взаимодействия акустических волн в однородных и неоднородных средах. Рассмотрена задача взаимодействия акустических волн с низкочастотными полями. Разработан метод описания параметрических явлений в приемной параметрической антенне на основе использования метода плавных возмущений. Решена задача нелинейного взаимодействия акустических волн в средах с гидродинамическим потоком, расположенным в зоне взаимодействия волн.

Во второй главе рассмотрены особенности измерения параметров гидрофизических неоднородностей комплексами с параметрическими антеннами. Решена задача взаимодействия сферических волн в приемной параметрической антенне с большой базой. Предложена модель приемной параметрической антенны локационного типа. Выведено уравнение локации для лоцирования источников обратного объемного рассеяния звука параметрическими антеннами и рассчитаны локационные характеристики.

и

В третьей главе поставлены задами экспериментальных исследований. Проведены исследование нелинейного взаимодействия волн в однородных средах, в средах с изменяющимися параметрами и средах с плавнонеоднородным гидродинамическим потоком. Проанализированы метрологические характеристики излучающих параметрических антенн, предназначенных для использования в комплексах гидрофизических исследований океана. Приведены исследования рассеяния волн потоками и следами движения и измерения силы обратного объемного рассеяния звука с использованием параметрических антенн.

В четвертой главе рассмотрены особенности построения приемных параметрических антенн. Приведены структурные схемы системы исследования придонных слоев в океане с использованием приемной параметрической антенны локационного типа. Приведены оценки влияния шумов моря и нелинейности входных каскадов трактов обработки сигналов на характеристики приемных параметрических антенн. Рассмотрены некоторые особенности характеристик излучающих параметрических антенн, предназначенных для исследования гидрофизических неоднородностей. Приведены результаты разработки гидроакустического комплекса с параметрическими антеннами для дистанционного исследования параметров гидрофизических слоев и глубоководного зонда с параметрической антенной для изучения силы обратного объемного рассеяния звука и вертикальных профилей скорости звука.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.

Диссертация выполнена при частичной финансовой поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований по грантам 93-0214878 и 96-02-16312.

1. НЕЛИНЕЙНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН В СРЕДАХ С ИЗМЕНЯЮЩИМИСЯ ПАРАМЕТРАМИ

1.1. Исследования взаимодействий акустических волн в

нелинейных средах

Проектирование параметрических антенн для исследования океана требует знаний законов формирования полей антенн в реальных средах. Многочисленные теоретические исследования нелинейного взаимодействия волн проводились для идеальных ср�