Разработка методики расчета и исследование акустических параметров пористых водонасыщенных грунтов

Чернов, Максим Николаевич

Разработка методики расчета и исследование акустических параметров пористых водонасыщенных грунтов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ

Чернов, Максим Николаевич АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Таганрог МЕСТО ЗАЩИТЫ

2004 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.06 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Разработка методики расчета и исследование акустических параметров пористых водонасыщенных грунтов»

Автореферат диссертации на тему "Разработка методики расчета и исследование акустических параметров пористых водонасыщенных грунтов"

На провахрукописи

ЧЕРНОВ Максим Николаевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЁТА И ИССЛЕДОВАНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОРИСТЫХ ВОДОНАСЫЩЕННЫХ ГРУНТОВ.

Специальность01. 04.06 - акустика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Таганрог, 2004

Работа выполнена в Таганрогском государственном радиотехническом университете на кафедре электрогидроакустической и медицинской техники.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Воронин В.А. ТРТУ, г. Таганрог

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Турулин И.И. ТРТУ, г. Таганрог

кандидат технических наук, главный металлург ТАНТК им. Бериева - Панченко П.В. г. Таганрог

Ведущая организация: Научно-производственное предприятие НИПИОкеангеофизика, г. Геленджик

Защита состоится "26" августа 2004 г. в 14 на заседании диссертационного совета Д 212.259.04 при Таганрогском государственном радиотехническом университете, по адресу: 347922 Ростовская область, г. Таганрог, ул. Шевченко, 2, ауд. Е-306

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТРТУ

Автореферат разослан "_"_2004 г.

Учёный секретарь диссертационного совета,

к.т.н., доцент Старченко И.Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Большой интерес для человека представляет поиск заглублённых в грунт объектов и изучение акустических свойств донных грунтов для создания быстрых, дистантных и достоверных методов определения стратификации донных отложений и классификации их характера.

Решение выше перечисленных задач может быть осуществлено совершенствованием гидроакустических средств поиска и создания новых методов улучшения их технических характеристик, а также разработки методик расчёта основных акустических параметров среды по известным характеристикам составных частей сложных многокомпонентных донных сред естественных водоёмов.

Наиболее перспективным направлением • в решении задач прецизионного зондирования донного грунта является развитие гидроакустических методов вертикального профилирования. До настоящего времени приёмные тракты профилографов строились исходя из согласования их характеристик с зондирующими сигналами без учёта частотных искажений эхосигналов, вызванных затуханием звука. В подобных гидроакустических приборах излучаемый акустический сигнал изменяет свою структуру после отражения, и по анализу этих изменений в сигнале судят о физических свойствах исследуемых донных осадков. Известно, что поглощение акустических волн в осадках резко возрастает с частотой, следовательно, эхосигналы, приходящие с разных глубин, будут иметь различный спектральный состав. Это говорит о том, что выполнение акустических исследований без предварительного расчета и анализа акустических параметров донных грунтов может привести не только к отсутствию верного результата акустического профилирования дна, но и дать ложные сведения об исследуемой среде, что чревато в ряде случаев серьезными последствиями. Поэтому одной из приоритетных задач при создании гидроакустической аппаратуры такого класса является задача исследования взаимодействия зондирующего сигнала с границей вода-грунт и изучение изменений сигнала при прохождении им сквозь водонасыщенный грунт. Профилографы с узкой характеристикой направленности позволят повысить точность классификации донного грунта.

Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию акустических параметров пористых водонасыщенных грунтов и созданию математического аппарата для расчёта этих свойств в водонасыщенных средах по известным характеристикам компонент среды, а также исследованию зависимости энергетических характеристик параметрических гидролокационных систем от различных условии распространения звуковых волн в донных структурах.

Целью диссертационной работы является исследование влияния физических характеристик и свойств донных сред на их акустические параметры, для повышения эффективности лоцирования донных отложений дистантными методами с помощью зондирования.

Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи;

1. Проанализировать теоретические модели физических процессов, происходящих в пористых водонасыщенных средах при распространении в них акустических волн.

2. Провести выбор и оптимизацию расчётной модели, способной решить задачу математического моделирования процессов, происходящих в пористой водонасыщенной среде при прохождении сквозь неё акустических волн.

3. Исследовать зависимость основных акустических параметров среды от характеристик компонент пористой водонасыщенной среды.

4. Исследовать зависимости основных акустических параметров среды от характеристик зондирующего акустического сигнала.

5. Исследовать энергетические характеристики параметрических гидролокационных средств при лоцировании пористых водонасыщенных сред.

6. Провести экспериментальное подтверждение полученных расчётных характеристик.

7. Внедрить методы расчёта параметров пористых водонасыщенных сред для гидроакустических средств классификации донных грунтов

Научные положения выносимые на защиту;

1. Физическая модель процесса распространения акустических волн в пористых водонасыщенных средах.

2. Методика расчёта акустических параметров пористых водонасыщенных сред, с различным составом компонент.

3. Методика расчёта зависимостей акустических параметров пористых водонасыщенных сред, от характеристик зондирующего акустического сигнала.

4. Результаты исследований зависимостей основных акустических параметров пористых водонасыщенных сред от различных характеристик зондируемой среды и параметров акустического поля.

5. Методика расчёта энергетических характеристик параметрических антенн на основе расчетных акустических параметров донных осадков.

6. Результаты экспериментальных исследований акустических параметров донных осадков на основе спектрограммы отраженных сигналов.

Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующем:

1.Ha основе модели Био разработана физическая модель процессов, происходящих в пористых водонасыщенных средах при распространении в них акустических волн.

2. Проведены теоретические исследования акустических параметров пористых водонасыщенных сред в зависимости от их компонент на основе различных моделей расчёта параметров пористых сред.

3. Получены аналитические выражения, позволяющие анализировать зависимость акустических параметров пористых водонасыщенных сред от характеристик компонент донных осадков и компонент акустического поля.

4. Показана возможность использования полученных расчетных выражений для повышения эффективности определения энергетических характеристик параметрических антенн при лоцировании донных осадков по отраженному

акустическому сигналу, на основе расчёта акустических параметров пористых водонасыщенных сред.

Практическая ценность результатов, полученных в диссертационной работе, состоит в следующем:

• получены новые знания о процессах взаимодействия акустического сигнала с пористыми водонасыщенными средами донных грунтов;

• разработан алгоритм расчёта основных акустических параметров пористых водонасыщенных донных структур на основе теории Био;

• показаны пути повышения информационности и качества акустического сигнала, получаемого на основе стандартного гидроакустического оборудования;

• предложена оптимальная структурная схема для решении задач донного профилирования.

Реализация результатов работы. Разработанные в диссертации модели, методы и полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы в научно-исследовательских работах кафедры ЭГА и МТ ТРТУ. Научные и практические результаты, полученные в диссертации, внедрены на предприятиях и в организациях: НПП «НЕЛАКС» (г.Таганрог), НОЦ ММЭС (г.Таганрог), а также используются в учебном процессе при подготовке студентов в Таганрогском государственном радиотехническом университете.

Апробация. Основные научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: 45-й, 46-й, 47-й студенческих научных конференциях. (ТРТУ, Таганрог, 1998, 1999, 2000 гг.); Всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов «Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы — Биомедсистемы-99». (Рязань: РГТА, 1999); шестой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». (Москва: МЭИ, 2000); V Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления - КРЭС 2000». (Таганрог: ТРТУ, 2000); шестой международной научно-технической конференции - «Актуальные проблемы твёрдотельной электроники и микроэлектроники — ПЭМ-99». (Таганрог: ТРТУ, 2000); научных конференциях с международным участием «Экология 2000 - море и человек». (Таганрог ТРТУ, 2000, 2002); научно-технической конференции «Медицинские информационные системы — МИС-2000». (Таганрог ТРТУ, 2000); научно-технической конференции «Нелинейные акустические системы «НЕЛАКС - 2003». (Таганрог, ТРТУ, 2003); На XLIX научно-технической и научно-методической конференций профессорско-преподавательского состава, аспирантов и сотрудников ТРТУ. (Таганрог, ТРТУ, 2004).

Публикации. По результатам исследований, проведённых в рамках темы диссертационной работы, опубликовано 12 работ. Автор принимал участие в выполнении 3 научно-исследовательских работ по разработке и исследованию методов математического моделирования физических процессов, происходящих в пористых водонасыщенных средах при прохождении в них акустических волн.

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения, списка используемой литературы и приложения. Содержание диссертации изложено на 214 страницах и включает 95 рисунков и 126 наименований отечественной и зарубежной литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрены актуальность темы и цель диссертационной работы, обозначены задачи, которые необходимо решить для достижения поставленной цели, приведены результаты работы, выносимые на защиту, показаны научная новизна и практическая ценность работы, а также реализация результатов работы, апробация и результаты научной деятельности соискателя.

В первой главе выполнен обзор методов определения параметров пористых водонасыщенных сред. Рассмотрен ряд основных моделей расчёта параметров пористых водонасыщенных донных грунтов. Выполнен сравнительный анализ значений некоторых параметров среды, рассчитанных с помощью различных теоретических моделей. С помощью теоретического анализа установлено, что наиболее подробный учёт всех изменений происходящих в сложных пористых газо- и водонасыщенных средах под действием распространяющейся в них звуковой волны происходит в математической модели Алларда, основанной на теории Био. Кроме того, в первой главе описаны основные физические и акустические свойства донных грунтов.

Во второй главе представлено математическое описание теоретической модели, основанной на теории Био, для определения параметров среды акустическими методами. Модель рассматривает процесс изменения координат ряда точек в деформируемой акустическим полем среде, до и после возникновения деформации, с учётом характеристик самой среды.

Основные уравнения движения, описывающие процессы, происходящие в озвучиваемой среде могут быть записаны в виде линеаризированного уравнения Ньютона для единичного объема под действием внешнего давления:

где o)j - тензоры напряжения, Xt - компоненты телесной силы. На основе рассматриваемой математической модели были получены расчётные соотношения для определения основных параметров пористых водонасыщенных грунтов. В качестве объекта исследования использовалась песчаная водонасыщенная среда. В ходе математического описания процесса распространения звука в среде было установлено, что эффективная плотность и модуль объёмной упругости, основные параметры пористой водонасыщенной среды не постоянны и являются частотно зависимыми величинами. Для определения их значений требуется учитывать около 20-ти исходных характеристик компонент среды, что позволяет наиболее точно описать возникающие под действием звуковой волны изменения в среде. Описаны принципы расчёта акустического импеданса жидкости и высокопористых материалов при нормальном падении звуковой волны, а также коэффициентов

отражения и поглощения средой звуковых колебаний при нормальном их падении. Получены расчетные формулы для основных частотно зависимых параметров пористой водонасыщенной среды: эффективной плотности (1) и модуля объемной упругости (2).

(1) (2)

Результаты теоретического расчета величин эффективной плотности и модуля объемной упругости представлены на рис. 1 и 2. Физический смысл представленной на рис. 1 зависимости эффективной плотности от частоты сводится к тому, что на низкой частоте, когда длина волны акустического сигнала велика, передача колебаний в пористой водонасыщенной среде происходит путем раскачивания по толщине, большого участка среды, оказывая тем самым слабое изменение на структуру скелета пористого материала. В случае же распространения высокочастотного сигнала, с малой длиной волны, наблюдается возникновение локальных, мелкомасштабных колебаний пористой водонасыщенной структуры на уровне тонких слоев среды или даже каждой из частиц в отдельности. Такой процесс вызывает эффект расталкивания частицами друг друга, образуя тем самым вокруг себя пустоты которые тут же заполняются менее плотной по сравнению с материалом скелета заполняющей его жидкостью и суммарная плотность среды тем самым снижается

Рис. 1. Зависимость эффективной плотности песчаной водонасыщенной структуры от частоты.

Рис. 2. Зависимость модуля объемной упругости среды от частоты.

Исходя из полученных частотно зависимых величин эффективной плотности и модуля объемной упругости среды пористой водонасыщенной среды, найдем значение скорости распространения звуковых колебаний с в пористой водонасыщенной среде.

В качестве параметра плотности среды использовалась величина комплексно и частотно зависимой эффективной плотности пористого водонасыщенного материала, а в качестве модуля объемной упругости, комплексно и частотно зависимый модуль объемной упругости пористого материала К/, заполненного жидкостью. Выражение для определения скорости звука, имеет вид.

Ик7

(3)

Рассчитанная по формуле (3) зависимость скорости распространения звуковых колебаний в песчаной водонасыщенной структуре от частоты, для средних значений параметров среды, приведена на рис. 3. Из графика видно, что значение скорости звука в среде не одинаково для различных частот. Это вызвано тем, что с изменением частоты меняется плотность и сжимаемость среды. Распространение звука на низких частотах лишь по раме пористого материала (в вакууме), без участия заполняющей раму жидкой среды происходит на очень низких скоростях. В частности для песка она составляет около 100 -150 м/с. Заполнение песчаной рамы жидкостью приводит к значительному росту величины скорости звука.

На основе полученных нами ранее частотно зависимых величин эффективной плотности и модуля объемной упругости среды пористой водонасыщенной среды, было найдено значение характеристического импеданса пористой водонасыщенной среды, величина которого определяется по формуле:

Рис. 3. Зависимость скорости распространения звука в песчаной водонасыщенной структуре от частоты.

Рис. 4. Зависимость величины характеристического импеданса песчаной водонасыщенной структуры от частоты.

Из рис. 4 видно, что величина характеристического импеданса среды падает с ростом частоты. Это вызвано тем, что величина эффективной плотности среды с ростом частоты уменьшается (см. рис. 1), снижая тем самым величину характеристического импеданса с ростом частоты Аналогичное влияние оказывает и величина модуля объёмной упругости

Величина поверхностного импеданса пористой, водонасыщенной структуры зависит от толщины слоя пористой водонасыщенной среды и от типа рамы пористого материала: жесткой (спекшийся песок) и эластичной или упругой (обычный песок) Поверхностный импеданс среды с жесткой рамой пористого материала определяется по формуле.

zr = -j-

(5)

А ¡^к'^'

где й- толщина слоя среды; к—волновое число.

Нахождение поверхностного импеданса эластичной среды представляет большую сложность из-за более существенных изменений каркаса рамы под воздействием проходящей сквозь неё звуковой волны и представляет собой набор коэффициентов, характеризующих то или иное поведение системы:

_ z;z2V2-z2'z,V,

_ D

(6)

Расчетные зависимости поверхностного импеданса среды для жесткой и эластичной рамы в зависимости от частоты представлены на рис. 5,6

Рис. 5. Зависимость поверхностного импеданса жесткой среды от частоты звуковых колебаний.

Рис. 6. Зависимость поверхностного импеданса эластичной среды от частоты звуковых колебаний.

Значения поверхностного импеданса значительно разнятся и по амплитуде и по фазе, что объясняется различием в строении скелета озвучиваемой среды и соответственно различными реакциями его на акустическое воздействие.

Коэффициент отражения акустических волн пористой средой Romp, можно найти из выражения

Расчет коэффициента отражения пористой водонасыщенной среды Romp > как

>тр >

и для случая с поверхностным импедансом, производился отдельно для жесткого и упругого типов скелета.

Как видно из рисунков 7,8 с ростом частоты коэффициент отражения акустических колебаний снижается как для жесткой, так и для упругой рамы пористого материала. Это объясняется тем, что с уменьшением длины волны на

высоких частотах, большая часть среды задействуется в колебательном процессе. Видно, что частотная зависимость коэффициента отражения для эластичной рамы среды имеет ряд резонансных всплесков, обусловленных её высокой подвижностью

Рис. 7. Зависимость коэффициента отражения акустических колебаний песчаной водонасыщенной структурой с жесткой рамой от частоты.

Рис. 8. Зависимость коэффициента отражения акустических колебаний песчаной водонасыщенной структурой с упругой рамой от частоты.

В третьей главе на основе полученных теоретических исследований, проведено модельное исследование акустических параметров пористых водонасыщенных грунтов при изменении их основных характеристик, результаты которого представлены на рис. 9-12. Исследовано влияние пористости скелета и вязкости заполняющей его жидкости на изменение в широком диапазоне частот параметров пористых водонасыщенных сред таких как: эффективная плотность среды, модуль объемной упругости, скорость распространения звука в среде, характеристический и поверхностный импеданс среды, а также коэффициенты отражения и поглощения средой акустических колебаний.

Из графиков видно, что с увеличением пористости жесткой рамы материала коэффициент отражения существенно снижается благодаря уменьшению площади жёсткой отражающей границы раздела. В условиях же упругого скелета, не смотря на те же тенденции уменьшения коэффициента отражения, значительное влияние оказывает подвижность скелета. Как в случае с поверхностным импедансом, кривые, описывающие резонансные явления, имеющие место в структуре, смещаются в область более высоких частот на уровень мелкомасштабного колебательного процесса.

Зависимость же коэффициента отражения от вязкости заполняющей структуру жидкости в данном случае подчиняется принципу, аналогичному влиянию пористости среды, а именно: с увеличением жесткости границы раздела коэффициент отражения растет. Разница лишь в том, что в случае уменьшения пористости среды жесткость структуре придаёт увеличивающееся количество твёрдой рамы, а в случае с возрастающей вязкостью неподвижность среде придают вязкостные эффекты, тормозящие колебание частиц в озвучиваемом участке среды.

Рис. 9. Зависимость коэффициента отражения от жесткого скелета от частоты для различных значений пористости среды.

Рис. 10. Зависимость коэффициента отражения от жесткого скелета от частоты для различных значений вязкости жидкости.

— fc-wj

— Ь>ОМ

—

1в'(Га

Рис. 11. Зависимость коэффициента отражения от упругого скелета от частоты для различных значений пористости среды.

Sit

—

— 1-й.

— Ч'В

- 4-W -ч«»'

Рис. 12. Зависимость коэффициента отражения от упругого скелета от частоты для различных значений, вязкости жидкости.

Более того, на графиках явно видно, что при определённом уровне вязкости жидкости, заполняющей пористую среду, коэффициент отражения не имеет конкретных значений на более высоких частотах (рис. 12). Это связано с тем, что на этих частотах акустический сигнал фактически не достигает используемой в расчётах глубины в слое толщиной d = 10 м. Это доказывает необходимость предварительного численного анализа параметров среды перед использованием акустических методов исследования пористых водонасыщенных сред.

В этой главе рассмотрены зависимости основных акустических параметров песчаных водонасыщенных сред, таких как поверхностный импеданс, коэффициенты отражения и поглощения материала от толщины слоя на различных частотах сигнала для же'сткой и упругой рамы, показанные на рис. 13.

На графиках чётко просматривается прямая связь коэффициента отражения с величиной поверхностного импеданса среды, которая описывается уравнением (7). Следует отметить, что на низких частотах коэффициент отражения имеет гораздо большую величину, чем на высоких частотах.

Рис. 13. Зависимость величины коэффициента отражения от толщины слоя пористой водонасыщенной среды с жесткой рамой. Для частот: а-100 Гц, б- 10 кГц.

Это явление обусловлено инертностью системы, что дает возможность фазе колебаний материала сильно отставать от фазы озвучивающей его акустической волны, а следовательно возрастает количество отраженных участков волны, энергия которых в малой мере передалась пористой водонасыщенной среде.

В четвертой главе проведено исследование энергетических характеристик параметрических антенн при лоцировании пористых водонасыщенных сред. Произведён расчет оптимальных энергетических характеристик гидроакустического профилографа, требуемых при лоцировании слоя песчаной водонасыщенной донной структуры на основе следующего выражения:

Как видно из рисунка 14, зависимость акустической энергии, необходимой для исследования некоторого конкретного слоя пористой водонасыщенной структуры, имеет явно- выраженный минимум в определённом диапазоне частот. Это говорит о том, что можно в несколько раз повысить эффективность работы параметрических антенн за счёт использования наиболее эффективного диапазона частот. Кроме того, из рисунка 14 видно, проявление процесса реверберации, создающего для исследователей целый ряд сложностей при обработке сигнала, в наибольшей степени может быть

гч-тг 1 — г

•И

-тЬ -Ц п 1* '! [ г

ьН-Н и —ь-И-и- +

к - - , ь (~ ^—--

' 1 к ---'ч^ 1- ■|-1-г ■ 1

„1 -...... - ~

г ----1--Г_1

! !~! , г: • ;! 1 ! <

№ АГ«

Рис. 14. Зависимость акустической, мощности, необходимой для

регистрации донных осадочных слоев от частоты.

вызван не постоянством акустических параметров среды при изменении частоты зондирующего сигнала, что ранее не учитывалось при обработке акустического сигнала.

На рис. 15 и 16 представлена зависимость акустической мощности, необходимой для исследования донных осадочных слоев, от частоты при отклонениях значения пористости среды до величин к = 0,32 и к = 0,56, от исходного к - 0,47 (рис. 14). Как видно из графиков, изменение пористости оказывает существенное влияние на величину затрачиваемой для озвучивания слоя среды акустической мощности. При снижении пористости на 15% (рис. 15) от исходного значения (рис. 14) величина амплитуды резонансных пиков увеличивается почти вдвое. Кроме того, изменение пористости влечёт смещение значения частот, на которых наблюдаются данные всплески.

Рис. 15. Зависимость акустической мощности, от частоты при лоцировании донных структур. Изменение характеристики среды (А = 0,32), параметры сигнала исходные.

Рис. 16. Зависимость акустической мощности, от частоты при лоцировании донных структур.

Изменение хараетеристики среды (А = 0,56), параметры сигнала исходные.

Наиболее интересными результатами расчётов зависимости величины минимально необходимой акустической мощности от частоты при проведении исследований донных отложений, являются зависимости, отображающие изменение данной энергетической характеристики ПА с изменением толщины слоя среды, подвергаемой акустическому профилированию. Графики частотной зависимости акустической мощности, требуемой для зондирования донного грунта, для четырёх различных толщин слоя й пористой водонасыщенной донной структуры представлены на рисунках: рис. 17, d = 0,5 м; рис. 18, d = 5 м и исходный рис. 14 для толщины слоя, d = 1 м.

Из графиков видно, что с увеличением толщины зондируемого слоя донного грунта оптимальный диапазон акустической мощности сдвигается в область более низких частот. Величина затрачиваемой при этом акустической мощности существенно растёт. Так, при увеличении вдвое толщины слоя с 0,5 до 1 м, величина затрачиваемой акустической мощности возросла примерно в 5 раз, а

при увеличении толщины слоя с 5 до 10 м величина затрачиваемой акустической мощности возросла примерно в 10 раз.

Рис. 17. Зависимость акустической мощности, от частоты при лоцировании донных структур.

Изменение характеристики среды (ё- 0,5 м), параметры сигнала исходные

Рис. 18. Зависимость акустической мощности, от частоты при лоцировании донных структур.

Изменение характеристики среды (ё= 5 м), параметры сигнала исходные

Кроме модельного исследования основных акустических параметров среды и энергетических характеристик гидролокационного оборудования, в диссертации выполнен сравнительный анализ полученных результатов с полученными ранее экспериментальными данными.

Рис. 19. Усреднённый спектр ЛЧМ сигналов, отражённых от морского дна.

Рис. 20. Зависимость акустической мощности, от частоты при лоцировании дна с пористой водонасыщенной структурой.

Как видно из графика (см. рис. 20), зависимость величины акустической мощности от изменяющейся в широком диапазоне частоты акустического сигнала не постоянна и имеет ярко выраженные, особенно на низких частотах, всплески, которые и могут оказывать существенное влияние на формирование так называемой "реверберационной помехи". Более того, из графика видно, что частотный диапазон максимально эффективного использования акустической мощности лежит в диапазоне 15 — 16 кГц, и именно в этом диапазоне (см. рис. 19), согласно результатам экспериментальных исследований, наблюдается

максимальный всплеск амплитуды отраженного сигнала, что и подтверждает полученные нами результаты.

В соответствии с проведенными модельными исследованиями был предложен принцип построения параметрического профилографа, способного обеспечить наилучшие возможности для исследования пористых водонасыщенных донных структур.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.

Приложение содержит акты внедрения и использования результатов работы, результаты математического моделирования процесса распространения акустических колебаний в пористых водонасыщенных средах и расчёта энергетических характеристик параметрических антенн, в виде компьютерных программ написанных в пакетах MatLab 6.1 и MathCad 2001 Professional.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

К основным результатам выполненной в диссертации научно исследовательской работы следует отнести следующее:

1. Математические расчёты на основе модели Алларда выявили сложную зависимость основных акустических параметров пористой песчаной водонасыщенной среды от характеристик озвучивающего сигнала.

2. Установлено, что величины эффективной плотности и модуля объёмной упругости песчаной водонасыщенной структуры при озвучивании акустическим сигналом в широком диапазоне частот не постоянны. Вследствие этого, все зависящие от этих параметров акустические параметры среды не постоянны и зависят от частоты акустического сигнала.

3. Расчёт и исследование скорости распространения звуковых колебаний в песчаной водонасыщенной среде показал, что скорость звука в пористой водонасыщенной среде растёт с ростом частоты, а с увеличением пористости материала среды и вязкости заполняющей его жидкости уменьшается.

4. Проведённый расчет зависимостей характеристического импеданса и поверхностного импедансов для случаев жесткого и упругого скелетов показал, что во всех случаях наблюдается характерный спад их величины с ростом частоты. При этом величина характеристического импеданса зависит прямо пропорционально от величин эффективной плотности и модуля объёмной упругости среды, а величина поверхностного импеданса для обоих видов скелета имеет гораздо более сложную зависимость.

5. Величина поверхностного импеданса для жесткого и упругого типов скелета пористого материала имеет различные значения, причем на низких частотах кривые зависимости импеданса от частоты имеют характерные' всплески, что не позволяет предсказать точное значение этого параметра даже в узком диапазоне частот. Уменьшение толщины озвучиваемого слоя приводит к расширению в области низких частот полосы, где имеют место всплески амплитуды. Величина поверхностного импеданса для обоих типов скелета с ростом пористости снижается, а при увеличении вязкости растёт.

6.Величина коэффициента отражения для обоих типов скелета с ростом пористости снижается, а при увеличении вязкости растёт, а значение коэффициента поглощения при увеличении пористости, напротив возрастает, а при увеличении вязкости уменьшается.

7. Исследование зависимости поверхностного импеданса, коэффициентов отражения и поглощения акустического сигнала средой от толщины слоя для жёсткой и упругой рамы показало, что с ростом частоты звука нестабильность этих параметров повышается, а с увеличением толщины слоя озвучиваемой песчаной водонасыщенной среды наоборот снижается. Установлено, что для упругой среды размах и количество амплитудных всплесков гораздо больше, чем для среды с жестким скелетом во всем спектре частот.

8.Расчёт энергетических характеристик параметрических профилографов выявили сложную зависимость этих характеристик от частоты. Величина акустической мощности имеет различные значения и характерные всплески амплитуды в широком диапазоне частот, наиболее явно проявляющиеся на низких частотах. Кроме того, установлено, что изменение пористости материала среды и вязкости заполняющей его жидкости оказывает существенное влияние на величину затрачиваемой для озвучивания слоя среды акустической мощности, имеющее сложный, неоднозначный характер.

9.Результаты расчёта показали, что при изменении толщины озвучиваемого слоя среды и при изменении расстояния от антенны до дна, имеет место изменение не только амплитудной и частотной зависимости резонансных всплесков, но и изменение общей зависимости величины акустической мощности от частоты. С увеличением толщины исследуемого слоя донного грунта оптимальный диапазон акустической мощности сдвигается в область более низких частот. Величина затрачиваемой при этом акустической мощности существенно растёт.

10. Сравнение полученных результатов расчёта зависимости величины излучаемой акустической мощности от частоты с результатами экспериментальных исследований показали их качественное совпадение.

И. Установлено, что зависимость величины акустической мощности от изменяющейся в широком диапазоне частоты акустического сигнала не постоянна и имеет ярко выраженные, особенно на низких частотах, всплески, которые и могут быть одним из источников "реверберационной помехи".

12. Определено, что из всех характеристик среды и параметров распространения сигнала только толщина озвучиваемого слоя среды и расстояние с которого производится лоцирование дна оказывают существенное влияние на изменение частотного диапазона максимального к.п.д. сигнала. Следовательно, зная расстояние от антенны до дна и значения основных физических характеристик среды, мы можем определить толщину озвучиваемого нами слоя.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Чернов М.Н. Портативная установка для исследования физических параметров водоёмов. Известия ТРТУ, тематический выпуск. «Материалы научной конференции с международным участием «Экология 2000 - море и человек», Таганрог: ТРТУ, 2000,216 с.

2.Чернов М.Н., Чернов Н.Н. Акустический анализатор жидких сред. Известия ТРТУ. Тематический выпуск. Медицинские информационные системы. «Материалы научно-технической конференции - Медицинские информационные системы - МИС-2000». Таганрог: ТРТУ, 2000. №4(18). 218 с.

З.Чернов М.Н., Воронин В.А Портативный параметрический гидролокатор для экологических исследований донных отложений Азовского моря. Известия ТРТУ. Тематический выпуск. Медицинские информационные системы. «Материалы научно-технической конференции - Медицинские информационные системы - ПЭМ-99». Таганрог: ТРТУ, 2000, №4(18). 218 с.

4.Чернов М.Н., Воронин В.А. Аппаратный комплекс для акустического мониторинга экологического состояния водной среды и придонных отложений водоёмов. Известия ТРТУ. Таганрог: ТРТУ, 2001, № 2 (20), 151 с.

5.Чернов М.Н. Измерители скорости звука в аппаратных комплексах экологического мониторинга. Сборник тезисов докладов V Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления — КРЭС 2000». Таганрог: ТРТУ, 2000.

6. Чернов М.Н. Параметрический локатор для экологического мониторинга водных ресурсов. Сборник тезисов докладов Шестой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». М: МЭИ, 2000, Том 2,216 с.

7. Чернов М.Н. Особенности исследования биоресурсов мирового океана с помощью параметрических локаторов. Сборник тезисов докладов Всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых учёных и специалистов «Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы -Биомедсистемы-99». Рязань: РГТА, 1999, 80 с.

8.Чернов М.Н. Аппаратный метод оценки фитопланктона в водоёмах. Известия ТРТУ. Тематический выпуск «Экология 2002 - море и человек». Материалы второй Всероссийской научной конференции с международным участием. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2002, №6(29), С. 111 - 113.

9. Чернов М.Н. Оценка состояния загрязненности вод Таганрогского залива по исследованию распределения фитопланктона акустическими методами. Известия ТРТУ. Тематический выпуск «Экология 2002 - море и человек». Материалы второй Всероссийской научной конференции с международным участием. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2002, №6(29), С. 113 - 114.

10. Чернов М.Н. Применение модели Био и Алларда для расчёта основных параметров пористых водонасыщенных сред. Известия ТРТУ. Тематический выпуск «Нелинейные акустические системы «НЕЛАКС - 2003». Материалы научно-технической конференции. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2003, №6(35), С. 116 -121.

11. Чернов М.Н. Характерные особенности поведения звуковой волны при распространении в жесткой и эластичной пористых средах. Известия ТРТУ. Тематический выпуск «Нелинейные акустические системы «НЕЛАКС — 2003». Материалы научно-технической конференции. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2003, №6(35), С. 139-145.

12. Чернов М.Н. Модель для определения свойств пористых водонасыщенных сред. Известия ТРТУ. Специальный выпуск. Материалы XLIX научно-технической и научно-методической конференций профессорско-преподавательского состава, аспирантов и сотрудников ТРТУ. Таганрог: Изд-во ТРТУ,2004,№1(36), С. 113-114.

В работах выполненных в соавторстве, личный вклад автора состоит в следующем:

в [2] описан принцип работы основных блоков анализатора; в [3] рассмотрены условия работы гидролокатора, создана структурная схема; в [4] рассмотрены принципы построения аппаратного комплекса;

Издательство Таганрогского государственного радиотехнического университета Зак. №_. Тираж 100 экз.

№14206

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата технических наук, Чернов, Максим Николаевич

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОР МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОРИСТЫХ ВОДОНАСЫЩЕННЫХ СРЕД

1.1. Модели расчёта параметров водонасыщенных грунтов

1.2. Сравнение значений некоторых параметров среды, рассчитанных с помощью различных теоретических моделей

1.3. Физические и акустические свойства донных грунтов

1.4. Выводы

2. РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПОРИСТЫХ ВОДОНАСЫЩЕННЫХ ГРУНТОВ

2.1. Описание математической модели

2.1.1. Обозначение векторных операторов

2.1.2. Соотношения напряжения и деформации для однородных упругих сред

2.1.3. Уравнения движения

2.1.4. Волновые уравнения для жидкости и пористой среды

2.1.5. Акустический импеданс жидкости и высокопористых материалов при нормальном падении звуковой волны

2.1.6. Импеданс одно- или многослойной жидкости, прикреплённой к жесткой непроницаемой стене, при нормальном падении волн

2.1.7. Коэффициенты отражения и поглощения среды при нормальном падении звуковых колебаний

2.2. Расчет основных параметров пористой водонасыщенной среды

2.2.1. Расчёт зависимости величины эффективной плотности пористого водонасыщенного материала от частоты

2.2.2. Расчёт зависимости модуля объемной упругости среды от частоты

2.2.3. Расчёт скорости распространения звуковых колебаний в пористой водонасыщенной среде

2.2.4. Расчёт величины импеданса пористого водонасыщенного материала акустическому воздействию

2.2.5. Расчёт коэффициентов отражения и поглощения средой акустических колебаний

2.3. Сравнительный анализ результатов, полученных при математическом моделировании процесса распространения звука в среде с результатами лабораторных измерений

2.4. Выводы 93 3. МОДЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОРИСТЫХ ВОДОНАСЫЩЕННЫХ ГРУНТОВ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ

ИХ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

3.1. Исследование влияния пористости скелета и вязкости заполняющей его жидкости на изменение параметров пористых водонасыщенных сред в широком диапазоне частот

3.1.1. Исследование изменения эффективной плотности среды от частоты для различных значений пористости рамы и вязкости жидкости

3.1.2. Исследование изменения модуля объёмной упругости среды от частоты для различных значений пористости рамы и вязкости жидкости

3.1.3. Исследование изменения скорости распространения звука в среде при различных значениях пористости рамы и вязкости жидкости от частоты колебаний

3.1.4. Исследование влияния пористости среды и вязкости жидкости на изменение характеристического импеданса

3.1.5. Исследование изменения поверхностного импеданса среды при изменении пористости среды и вязкости жидкости на различных частотах колебаний

3.1.6. Исследование частотной зависимости коэффициента отражения средой акустических колебаний при различных значениях пористости среды и вязкости жидкости

3.1.7. Исследование частотной зависимости коэффициента поглощения акустических колебаний средой при различных значениях пористости среды и вязкости жидкости

3.2. Исследование зависимости акустических параметров песчаных водонасыщенных сред от толщины слоя на различных частотах сигнала для жёсткой и упругой рамы

3.2.1. Исследование зависимости величин поверхностного импеданса, коэффициентов отражения и поглощения материала с жёсткой рамой от толщины слоя и на различных частотах

3.2.2. Исследование зависимости величин поверхностного импеданса, коэффициентов отражения и поглощения материала с упругой рамой от толщины слоя для различных частот звуковых колебаний

3.3. Исследование влияния толщины слоя песчаной водонасыщенной среды с жёсткой и упругой рамой на акустические параметры среды

3.3.1. Исследование зависимости величин поверхностного импеданса, коэффициентов отражения и поглощения материала с жёсткой рамой от частоты звука для различных толщин слоя пористой среды

3.3.2. Исследование зависимости величин поверхностного импеданса, коэффициентов отражения и поглощения материала с упругой рамой от частоты звука для различных толщин слоя пористой среды

3.4. Выводы 138 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ АНТЕНН ПРИ ЛОЦИРОВАНИИ

ПОРИСТЫХ ВОДОНАСЫЩЕННЫХ СРЕД

4.1. Энергетическая дальность действия параметрических гидролокаторов в водной среде

4.2. Энергетические характеристики параметрического профилографа пористых водонасыщенных донных структур

4.3. Исследования энергетических характеристик гидроакустического профилографа при лоцировании слоя песчаной водонасыщенной донной структуры

4.4. Выводы

5. МОДЕЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОРИСТЫХ ВОДОНАСЫЩЕННЫХ СРЕД НА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ АНТЕНН

5.1. Исследование зависимости акустической мощности от характеристик среды и параметров акустического сигнала

5.2. Параметрический профилограф для исследования пористых водонасыщенных донных структур

5.3. Выводы

Введение диссертация по физике, на тему "Разработка методики расчета и исследование акустических параметров пористых водонасыщенных грунтов"

Актуальность темы.

Мировой океан, занимающий порядка 60% территории нашей планеты, и содержащий по некоторым прогнозам до 70 % полезных ископаемых и энергетических ресурсов Земли, имеет стратегическое значение в плане освоения его со стороны человечества. В программах индустриального развития высокоразвитых стран мира поставлена цель освоения ресурсов мирового океан, что приводит к резкому подъёму в развитии средств, позволяющих проводить исследование морского дна с целью обнаружения и классификации природных ископаемых, находящихся в глубинах морей.

Большой интерес для человека представляют также поиск заглублённых в грунт объектов и изучение акустических свойств донных грунтов для создания быстрых, дистантных и достоверных методов определения стратификации донных отложений и классификации их характера.

Решение вышеперечисленных задач исследования Мирового океана и освоения его богатств может быть осуществлено совершенствованием гидроакустических средств поиска и создания новых методов улучшения их технических характеристик, а также разработки методик расчёта основных акустических параметров среды по известным характеристикам составных частей сложных многокомпонентных естественных сред. Все эти мероприятия смогут повысить информативности акустических зондирующих сигналов и обеспечить возможность получения и обработки достоверных сведений об объекте исследования с хорошей разрешающей способностью.

Наиболее перспективным направлением в решении задач прецизионного зондирования донного грунта является развитие гидроакустических методов вертикального профилирования. До настоящего времени приёмные тракты профилографов строились исходя из согласования их характеристик с зондирующими сигналами без учёта частотных искажений эхосигналов, вызванных затуханием звука. В подобных гидроакустических приборах излучаемый акустический сигнал изменяет свою структуру после отражения, и по анализу этих изменений в сигнале судят о физических свойствах исследуемых донных осадков. Однако известно, что поглощение акустических волн в осадках резко возрастает с частотой, следовательно, эхосигналы, приходящие с разных глубин, будут иметь различный спектральный состав. Это говорит о том, что выполнение акустических исследований без предварительного расчёта и анализа акустических параметров донных грунтов может привести не только к отсутствию верного результата акустического профилирования дна, но и дать ложные сведения об исследуемой среде, что чревато в ряде случаев серьезными последствиями. Поэтому одной из приоритетных задач при создании гидроакустической аппаратуры такого класса является задача исследования взаимодействия зондирующего сигнала с границей вода-грунт и изучение изменений сигнала при прохождении им сквозь водонасыщенный грунт. Решение этой задачи особенно значимо при использовании для исследования дна параметрических профилографов, принцип работы которых основан на формировании волн рабочей частоты при взаимодействии волн конечной амплитуды. Такие профилографы обладают узкой характеристикой направленности и могут с успехом использоваться для классификации донного грунта.

Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию акустических параметров пористых водонасыщенных грунтов и созданию математического аппарата для расчёта этих свойств в водонасыщенных средах по известным характеристикам компонентов среды, а также исследованию зависимости энергетических характеристик параметрических гидролокационных систем от различных условии распространения звуковых волн в донных структурах.

Цель диссертационной работы.

Целью данной диссертационной работы является исследование влияния физических характеристик и свойств донных сред на их акустические параметры для повышения эффективности лоцирования донных отложений дистантными методами с помощью параметрических гидролокационных систем зондирования.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Проанализировать теоретические модели физических процессов, происходящих в пористых водонасыщенных средах при распространении при распространении в них акустических волн.

2. Провести выбор и оптимизацию расчётной математической модели, способной решить задачу моделирования процессов, происходящих в пористой водонасыщенной среде при прохождении акустических волн.

4. Исследовать зависимость основных акустических параметров среды от характеристик зондирующего акустического сигнала.

6. Провести экспериментальное подтверждение полученных расчётных характеристик.

Научные положения выносимые на защиту:

1. Физическая модель процесса распространения акустических волн в пористых водонасыщенных средах.

2. Методика расчёта акустических параметров пористых водонасыщенных сред, с различным составом компонент.

3. Методика расчёта зависимостей акустических параметров пористых водонасыщенных сред при варьировании характеристик зондирующего акустического сигнала.

Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующем:

1. На основе модели Био разработана физическая модель процессов, происходящих в пористых водонасыщенных средах при распространении в них акустических волн.

4. Показана возможность использования полученных расчётных выражений для повышения эффективности определения энергетических характеристик параметрических антенн при лоцировании донных осадков по отраженному акустическому сигналу, на основе расчёта акустических параметров пористых водонасыщенных сред.

Практическая ценность результатов, полученных в диссертационной работе, состоит в следующем:

• показаны пути повышения информационного качества акустического сигнала, получаемого на основе стандартного гидроакустического оборудования;

• предложена оптимальная структурная схема для решении задач донного профилирования.

В первой главе выполнен обзор методов определения параметров пористых водонасыщенных сред. Рассмотрены основные модели расчёта параметров пористых водонасыщенных донных грунтов. Выполнен сравнительный анализ значений некоторых параметров среды рассчитанных с помощью различных теоретических моделей. Описаны основные физические и акустические свойства донных грунтов. Показана связь между параметрами водонасыщенных осадков и параметром нелинейности процесса распространения звуковых колебаний в среде.

Во второй главе представлено математическое описание теоретической модели, основанной на теории Био, для определения параметров среды акустическими методами. Рассмотрены соотношения напряжения и деформации в акустическом поле для упругих сред, уравнения движения и волновые уравнения, описывающие процесс распространения звука, для жидкости и пористой среды. Описаны принципы расчёта акустического импеданса жидкости и высокопористых материалов при нормальном падении звуковой волны, а также коэффициентов отражения и поглощения средой звуковых колебаний при нормальном их падении. Получены расчетные формулы для основных частотно зависимых параметров пористой водонасыщенной среды: эффективной плотности, модуля объемной упругости, скорости распространения звуковых колебаний в пористой водонасыщенного среде, характеристического и поверхностного импеданса пористой водонасыщенной среды для жесткой и упругой рамы материала, а также коэффициентов отражения и поглощения средой акустических колебаний.

В третьей главе на основе полученных теоретических исследований, проведено модельное исследование акустических параметров пористых водонасыщенных грунтов при изменении их основных характеристик. Исследовано влияние пористости скелета и вязкости заполняющей его жидкости на изменение, в широком диапазоне частот, параметров пористых водонасыщенных сред таких как: эффективная плотность среды, модуль объёмной упругости, скорость распространения звука в среде, характеристический и поверхностный импеданс среды, а также коэффициент отражения и поглощения средой акустических колебаний. Исследованы зависимости основных акустических параметров песчаных водонасыщенных сред, таких как поверхностный импеданс, коэффициенты отражения и поглощения материала от толщины слоя на различных частотах сигнала для жёсткой и упругой рамы. Представлены результаты исследования влияния толщины слоя песчаной водонасыщенной среды с жёсткой и упругой рамой на значения величин поверхностного импеданса, коэффициентов отражения и поглощения средой звуковых колебаний.

В четвертой главе проведено исследование энергетических характеристик параметрических антенн при лоцировании пористых водонасыщенных сред. Представлены основные принципы расчета энергетической дальности действия параметрических гидролокаторов в водной среде и рассчитаны энергетические характеристики параметрического профилографа для исследования пористых водонасыщенных донных структур. Произведён расчет оптимальных энергетических характеристик гидроакустического профилографа, требуемых при лоцировании слоя песчаной водонасыщенной донной структуры. Проведен анализ полученных результатов.

В пятой главе проведено исследование зависимости излучаемой акустической мощности, необходимой для эффективного лоцирования донных структур, от различных характеристик среды и параметров акустического сигнала. Выполнен сравнительный анализ полученных результатов с полученными ранее экспериментальными данными. Предложен принцип построения параметрического профилографа, способного обеспечит наилучшие возможности для исследования пористых водонасыщенных донных структур. Приведена его структурная схема.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.

Приложение содержит акты внедрения и использования результатов работы, результаты математического моделирования процесса распространения акустических колебаний в пористых водонасыщенных средах и расчёта энергетических характеристик параметрических антенн, в виде компьютерных программ написанных в программных обеспечениях MatLab 6.1 и MathCad 2001 Professional.

Реализация результатов работы.

Разработанные в диссертации модели, методы и полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы в научно-исследовательских работах кафедры ЭГА и МТ ТРТУ. Научные и практические результаты, полученные в диссертации, внедрены на предприятиях и в организациях: НЛП «НЕЛАКС» (г. Таганрог), НОЦ ММЭС (г. Таганрог), а также используются в учебном процессе подготовки студентов в Таганрогском государственном радиотехническом университете. Апробация:

Основные научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- 45-й, 46-й, 47-й студенческих научных конференциях, ТРТУ, Таганрог, 1998, 1999, 2000 гг.;

- Всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых учёных и специалистов «Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы - Биомедсистемы-99». Рязань: РГТА, 1999;

- Шестой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Москва: МЭИ, 2000;

- V Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления -КРЭС 2000». Таганрог: ТРТУ, 2000;

- Шестой международной научно-технической конференции - «Актуальные проблемы твёрдотельной электроники и микроэлектроники - ПЭМ-99». Таганрог: ТРТУ, 2000;

- Научной конференции с международным участием «Экология 2000 - море и человек», Таганрог: ТРТУ, 2000;

- Научно-технической конференции «Медицинские информационные системы - МИС-2000». Таганрог: ТРТУ, 2000;

- Второй Всероссийской научной конференции с международным участием «Экология 2002 - море и человек». Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2002;

- Научно-технической конференции «Нелинейные акустические системы «НЕЛАКС - 2003». Таганрог, ТРТУ, 2003;

- На XLIX научно-технической и научно-методической конференций профессорско-преподавательского состава, аспирантов и сотрудников ТРТУ. Таганрог, ТРТУ, 2004;

Объём и структура работы:

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы и приложения. Содержание диссертации изложено на 210 страницах и включает 95 рисунков и 126 наименований отечественной и зарубежной литературы.

Заключение диссертации по теме "Акустика"

5.3. Выводы.

1. Пористость скелета оказывает существенное влияние на величину затрачиваемой при озвучивании слоя среды акустической мощности. Изменение пористости приводит к смещению значения частот, на которых наблюдаются амплитудные всплески.

2. Изменение вязкости жидкости приводит к более сложным законам изменения мощности требуемой при озвучивании среды. При увеличении вязкости на два порядка в одном случае резонансные проявления уменьшаются, а в другом растут. При этом общая динамика изменения величины необходимой акустической мощности остаётся постоянной как по амплитуде, так и по частоте составляющей.

3. Изменении толщины озвучиваемого слоя среды, приводит к изменению амплитудной и частотной зависимости резонансных пиков, а также к изменению величины акустической мощности. С увеличением толщины зондируемого слоя донного грунта оптимальный диапазон акустической мощности смещается в область более низких частот. Величина затрачиваемой при этом акустической мощности существенно растёт.

4. Изменение расстояния от антенны до дна оказывает влияние на высоту резонансных всплесков и изменяет частотный диапазон оптимальных энергозатрат при лоцировании.

5. Имея базу данных параметров отраженных от различных донных структур сигналов и рассчитав зависимость изменения амплитуды сигнала от расстояния для конкретной среды, можно без проведения грунтоотбора и лабораторных исследований судить о свойствах пористой водонасыщенной донной структуры.

6. Проведенный на основе модели Алларда расчёт зависимости величины акустической мощности от частоты для различных значений солёности и температуры совпадает с известными результатами ранее проведённых теоретических и экспериментальных исследований.

7. Возрастающий уровень шумовых помех или требования к отношению сигнал/помеха принимаемого сигнала, приводит к прямо пропорциональному росту величины затрачиваемой на озвучивание слоя среды акустической мощности, как по среднему её значению, так и по резонансным всплескам.

8. Сравнение полученных расчётных результатов зависимости величины излучаемой акустической мощности от частоты с результатами полученных ранее экспериментальных исследований показали их качественное совпадение.

9. Зависимость величины акустической мощности от частоты акустического сигнала имеет ярко выраженные, особенно на низких (100 1000 Гц) частотах, всплески, которые могут оказывать существенное влияние на формирование реверберационной помехи.

10. Из всех характеристик среды и параметров звукового сигнала только толщина озвучиваемого слоя среды и расстояние с которого производится лоцирование оказывают существенное влияние на изменение частотного диапазона максимального к.п.д. сигнала, а следовательно, зная расстояние от антенны до дна и значения основных физических характеристик среды, можно определить толщину озвучиваемого слоя.

11. При проведении акустических исследований на заведомо известной глубине в пористой водонасыщенной среде предварительная математическая оценка энергетических характеристик ПА может позволить сэкономить не только энергозатраты, но и облегчить обработку сигнала, и кроме того позволит оценить мощность излучающей антенны, необходимую для озвучивания толстого слоя донной структуры на требуемой частоте.

12. При разработке гидроакустической аппаратуры для исследования донных структур необходимо учитывать особенности ряда измеряемых параметров, так как: большинство из них имеют реальные и мнимые составляющие, поэтому для получения их максимальной информативности следует использовать соответствующую обработку сигнала с выделением его комплексной части; поверхность границы раздела вода-грунт имеет не ровную форму и требует точного измерения профиля дна.

6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключение отметим основные результаты выполненной в диссертации научно исследовательской работы:

1. Показано, что исследование акустических параметров пористых водонасыщенных донных структур является актуальной и приоритетной задачей подводной гидролокации, а акустические методы дистантного определения параметров водной среды и донного грунта являются наиболее перспективными при проведении гидрологических исследований. Установлено, что для получения достоверных результатов акустической локации необходимо наиболее точно определять широкий спектр характеристик объекта исследования.

2. На основе анализа математических моделей процесса распространения звука в пористых газо- и водонасыщенных средах установлено, что наиболее точной в настоящее время является модель Алларда, основанная на теории Био. Её использование позволяет получить наиболее достоверное и точное значение основных акустических параметров пористых водонасыщенных сред. Выполненный в диссертации математический расчёт на основе модели Алларда выявил сложную зависимость основных акустических параметров пористой песчаной водонасыщенной среды от характеристик озвучивающего сигнала.

3. Установлено, что величины эффективной плотности и модуля объёмной упругости песчаной водонасыщенной структуры при озвучивании акустическим сигналом в широком диапазоне частот не постоянны, причём увеличение пористости материала приводит к росту величины всех исследуемых параметров, а увеличение вязкости среды существенно увеличивает значение величины эффективной плотности при неизменном модуле объёмной упругости. Вследствие этого, все зависящие от этих параметров акустические параметры среды не постоянны и зависят от частоты акустического сигнала. Проведенное исследование влияния пористости материала и вязкости заполняющей его жидкости на изменение параметров пористых водонасыщенных сред в широком диапазоне частот показало, что на большинство акустических параметров среды влияние изменения пористости и вязкости среды так же весьма существенно.

4. Выполненный в диссертационной работе расчёт и исследование скорости распространения звуковых колебаний в песчаной водонасыщенной среде показал обратную зависимость: скорость звука в пористой водонасыщенной среде растёт с ростом частоты, а с увеличением пористости материала среды и вязкости заполняющей его жидкости уменьшается.

5. Проведённый расчет зависимостей характеристического импеданса и поверхностного импедансов для случаев жесткого и упругого скелетов показал, что во всех случаях наблюдается характерный спад их величины с ростом частоты. При этом величина характеристического импеданса зависит прямо пропорционально от величин эффективной плотности и модуля объёмной упругости среды, а величина поверхностного импеданса для обоих видов скелета имеет гораздо более сложную зависимость. Установлено, что при увеличении пористости материала и вязкости среды значение величины характеристического импеданса существенно растет.

6. Величина поверхностного импеданса для жесткого и упругого типов скелета пористого материала имеет различные значения, причем на низких частотах кривые зависимости импеданса от частоты имеют характерные всплески, что не позволяет предсказать точное значение этого параметра даже в узком диапазоне частот. Проявление данных всплесков для упругой рамы пористого материала имеет место в более широком диапазоне низких частот, чем для жесткого скелета. Установлено, что величина поверхностного импеданса, зависит от толщины озвучиваемого слоя пористой водонасыщенной среды. Уменьшение толщины озвучиваемого слоя приводит к расширению в области низких частот полосы, где имеют место всплески амплитуды,. Величина поверхностного импеданса для обоих типов скелета с ростом пористости снижается, а при увеличении вязкости растёт. При увеличении вязкости, заполняющей пористый материал жидкости, глубина проникновения акустического сигнала в грунт быстро сокращается.

7. Для коэффициентов отражения и поглощения акустических колебаний сохраняется сложная зависимость значений от частоты, а на низких частотах имеют место сильные скачки амплитуды. Проведённый анализ показал, что величина коэффициента отражения для обоих типов скелета с ростом пористости снижается, а при увеличении вязкости растёт, а значение коэффициента поглощения при увеличении пористости, напротив возрастает, а при увеличении вязкости уменьшается.

8. Исследование зависимости поверхностного импеданса, коэффициентов отражения и поглощения акустического сигнала средой от толщины слоя для жёсткой и упругой рамы показало, что с ростом частоты звука нестабильность этих параметров повышается, а с увеличением толщины слоя озвучиваемой песчаной водонасыщенной среды наоборот снижается. Исследование зависимости этих параметров в широком диапазоне звуковых частот показало, что с увеличением толщины слоя озвучиваемой среды количество и размах амплитудных всплесков сокращается, благодаря чему повышается предсказуемость значений акустических параметров. Установлено, что для упругой среды размах и количество амплитудных всплесков гораздо больше, чем для среды с жестким скелетом во всем спектре частот.

9. Расчёт энергетических характеристик параметрических профилографов выявили сложную зависимость этих характеристик от частоты. Поэтому при решении задач лоцирования необходимо учитывать максимально возможное количество факторов, способных повлиять на значение величины отраженного сигнала, в том числе коэффициентов прохождения и поглощения звука в грунте. Величина акустической мощности, необходимой для эффективного лоцирования донного грунта с заданным уровнем отношения сигнал/помеха принимаемого отраженного сигнала от различного по толщине слоя пористой водонасыщенной донной структуры, имеет в широком диапазоне частот различные значения и имеет характерные всплески амплитуды, наиболее явно проявляющиеся на низких частотах. Кроме того, установлено, что изменение пористости материала среды и вязкости заполняющей его жидкости оказывает существенное влияние на величину затрачиваемой для озвучивания слоя среды акустической мощности, имеющее сложный, неоднозначный характер.

10. Результаты расчёта показали, что при изменении толщины озвучиваемого слоя среды и при изменении расстояния от антенны до дна, имеет место изменение не только амплитудной и частотной зависимости резонансных всплесков, но и изменение общей зависимости величины акустической мощности от частоты. С увеличением толщины исследуемого слоя донного грунта оптимальный диапазон акустической мощности сдвигается в область более низких частот. Величина затрачиваемой при этом акустической мощности существенно растёт.

11. Анализ зависимости величины акустической мощности от частоты для различных значений температуры и солёности водной среды показал, что изменение температуры среды оказывает существенное влияние на величину необходимой акустической мощности, а изменение солёности во всём диапазоне реальных значений, характерных для естественных водоёмов, не оказывает существенного влияния на величину затрачиваемой при донном профилировании акустической мощности. Кроме того, установлено, что изменение значения средней частоты накачки параметрической излучающей антенны приводит к значительным изменениям величины затрачиваемой акустической мощности.

12. Сравнение полученных результатов расчёта зависимости величины излучаемой акустической мощности от частоты с результатами экспериментальных исследований показали их качественное совпадение.

13. Установлено, что зависимость величины акустической мощности от изменяющейся в широком диапазоне частоты акустического сигнала не постоянна и имеет ярко выраженные, особенно на низких частотах, всплески, которые и могут быть одним из источников "реверберационной помехи".

14. Определено, что из всех характеристик среды и параметров распространения сигнала только толщина озвучиваемого слоя среды и расстояние с которого производится лоцирование дна оказывают существенное влияние на изменение частотного диапазона максимального к.п.д. сигнала.

Следовательно, зная расстояние от антенны до дна и значения основных физических характеристик среды, мы можем определить толщину озвучиваемого нами слоя.

15. Установлено, что при проведении акустических исследований пористой водонасыщенной среды предварительная математическая оценка энергетических характеристик ПА может позволить сэкономить не только энергозатраты, но и облегчить обработку сигнала, а также позволит оценить мощность излучающей антенны, необходимую для озвучивания толстого слоя донной структуры на требуемой частоте. Поэтому, при разработке гидроакустической аппаратуры для исследования донных структур необходимо учитывать особенности ряда измеряемых параметров, их комплексные составляющие и профиль границы раздела вода-грунт.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Чернов, Максим Николаевич, Таганрог

1. Акустика дна океана. //Пер. с англ. /Под ред. Ю.Ю. Житковского. М.: Мир, 1984.-454 с.

2. Акустика океана. //Под ред. JI.M. Бреховских. М.: Наука, 1974, 694 с.

3. Андерсон Р.С., "Статистическая корреляция между физическими свойствами и скоростью звука в осадках" //В кн: Акустика морских осадков. / Пер. с англ., М.: Мир, 1977, 438-480.

4. Афанасьев С.Б., Семёнова Н.Г. Импеданс слоя жидкости при гармоническом сдавливании и сдвиге. //Физическая акустика. Распространение и дифракция волн. Сборник трудов XI сессии Российского акустического общества. Том 1. М.: ГЕОС, 2001, С. 78 - 81.

5. Барник В., Вендт Г., Каблов Г.П., Яковлев А.Н. Гидролокационные системы вертикального зондирования дна. //Под ред. А.Н. Яковлева. -Новосибирск: Изд-во Новосибирского университета, 1992, 218 с.

6. Богоров Г. В., Валовов В. И., Ильин А. В. Микрорельеф дна Атлантического океана //Океанологические исследования. М.: Наука, 1971. - Вып. 21. - С. 247-270.

7. Бражников Н.И. Физические и физико-химические методы контроля состава и свойств вещества. Ультразвуковые методы. //Под ред. академика Шумиловского Н.Н., М. и Д.: Энергия, 1965.

8. Бреховских JT.M. Волны в слоистых средах. М.: Наука, 1957, 274 с.

9. Бунчук А.В., Житковский Ю.Ю. "Рассеяние звука дном океана в мелководных районах (обзор)". // Акуст. журн., 26(5), 641-654(1980).

10. Бутковский О.Я., Заболотская Е.А., Кравцов Ю.А., Рябыкин В.В. Экспериментальное наблюдение вынужденного комбинационного рассеяния звука на газовых пузырьках в воде. // Акуст. журнал, 1987-Т.23№ 1.- С. 163-164.

11. Воронин В.А. Параметрические акустические антенны для исследования неоднородностей мирового океана. // Автореферат диссертации на соискание ученой степени д-ра техн. наук. Таганрог, ТРТУ, 1998 с.243.

12. Воронин В.А., Тарасов С.П., Тимошенко В.И. Гидроакустические параметрические системы. Ростов н/Д: Ростиздат, 2004. - 400 с.

13. Гидроакустическая энциклопедия. //Под общ. ред. В.И. Тимошенко. Ред. кол. JI.M. Бреховских, Н.А. Дубровский, О.В. Руденко и др. Таганрог: Издательство ТРТУ, 1999, 788 с.

14. Ефимов А.В., Ивакин А.Н., Лысанов Ю.П., "Геоакустическая модель рассеяния звука дном океана основанная на данных глубоководного бурения Океанология, 28(3), 371-375 (1988).

15. Зарембо Л.К., Красильников В.А. Введение в нелинейную акустику. М.: Наука, 1966, 520 с.

16. Заславский Ю.М. Об эффективности возбуждения быстрой и медленной волн Био в водо- и газонасыщенных средах. // Электронный журнал «Техническая акустика» 2(2002) 13.1 13.12

17. Ивакин А.Н., "Акустические статистические модели дна для мелководных районов океана", Судостроительная промышленность, сер. Акустика, №1, 3-10 (1986).

18. Ивакин А.Н., "О рассеянии звука многомасштабными неоднородностями грунта", Океанология, 21(1), 42-44(1981).

19. Ивакин А.Н., "Обратное рассеяние звука дном океана. Теория и эксперимент", Акустика океанской среды / Под ред. Л.М. Бреховских и И.Б. Андреевой, М.: Наука, 1989, с. 160-169.

20. Ивакин А.Н., "Рассеяние звука неоднородностями стратифицированных осадков", Акуст. журн., 32(6), 791-798 (1986).

21. Ивакин А.Н., "Рассеяние звука случайными неоднородностями подводного грунта и малыми неровностями его поверхности", Вопросы судостроения, сер. Акустика, №17, 20-25(1983).

22. Ивакин А.Н., Лысанов Ю.П., "Рассеяние звука объемными неоднородностями подводного грунта ограниченного неровной поверхностью", Акуст. журн., 27(3), 384-390(1981).23.