Селективное возбуждение мод параметрическим излучателем в мелком море

Кравчук, Денис Александрович

Селективное возбуждение мод параметрическим излучателем в мелком море тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ

Кравчук, Денис Александрович АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Таганрог МЕСТО ЗАЩИТЫ

2006 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.06 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Селективное возбуждение мод параметрическим излучателем в мелком море»

Автореферат диссертации на тему "Селективное возбуждение мод параметрическим излучателем в мелком море"

На правах рукописи

Кравчук Денис Александрович

СЕЛЕКТИВНОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ МОД ПАРАМЕТРИЧЕСКИМ ИЗЛУЧАТЕЛЕМ В МЕЛКОМ МОРЕ

Специальность 01.04.06 - Акустика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Таганрог — 2006

Работа выполнена в Таганрогском государственном радиотехническом университете на кафедре

Электрогидроакустической и медицинской техники

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ - доктор технических наук,

профессор С.П. Тарасов, ТРТУ, г.Таганрог.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ - доктор технических наук,

профессор Н.П. Заграй, ТРТУ, г. Таганрог.

кандидат технических наук, М.А. Степанов, НИИ "Бриз", г. Таганрог

Ведущая организация - научное конструкторско-технологическое бюро «Пьезоприбор», г. Ростов-на-Дону

Защита состоится "30" августа 2006г. в Ю20 на заседании диссертационного совета Д 212.259.04 в Таганрогском государственном радиотехническом университете, по адресу: 347922 Ростовская область, г. Таганрог, ул. Шевченко, 2, ауд. Е-306.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТРТУ

Общая характеристика работы.

Актуальность темы диссертации

Среди множества вопросов распространения звука в море большое внимание уделяется распространению на мелководье. Важность проблемы заключается в том, что большинство задач гидроакустики и гидролокации приходится решать именно в таких условиях.

При дистанциях много превышающих глубину места проявляются волноводные явления. Для этого процесса характерны как сложность теории, так и трудности математического описания акустических характеристик среды, заключенной между границами. В мелком море звук распространяется путем многократных отражений от поверхности и дна.

Характер волноводного распространения довольно сложен. Он определяется не только свойствами граничных поверхностей и геометрической конфигурацией волновода, но и способом возбуждения акустических колебаний.

Очевидно, высоконаправленный излучатель,

обеспечивающий малые углы скольжения падающих на границы волн, является более предпочтительным для возбуждения низких номеров нормальных мод в волноводе, что способствует наименьшему ослаблению звуковой энергии при распространении. Высокая направленность гидроакустических антенн может быть обеспечена на сравнительно высоких частотах, что ограничивает дальность действия гидролокационных систем. Излучение же низких частот предполагает, что излучатель будет либо слабонаправленным, либо иметь размеры, ставящие под вопрос возможность использования таких антенн в реальных условиях эксплуатации. т

Перспективной представляется идея использования в качестве источника гидроакустических сигналов параметрических акустических антенн, принцип действия которых основан на нелинейном взаимодействии волн при распространении.

Применение параметрических антенн для работы на мелководье позволит за счет их высокой направленности, низкого уровня бокового поля, малогабаритности, широкополосности добиться наиболее однородного озвучивания по глубине толщи

звукового канала и обеспечит селективное возбуждение мод в волноводе.

Для научного обоснования возможности использования параметрических антенн для формирования заданной структуры акустического поля в волноводе и разработки принципов построения гидроакустических систем обнаружения подводных объектов в мелком море требуется проведение исследований направленных на создание методик расчета акустического поля с учетом направленных свойств параметрической антенны и ее пространственной ориентации, разработку - моделей параметрических антенн в среде с границами и экспериментальную оценку результатов.

Цель работы

Целью диссертации является теоретическое и экспериментальное исследование в рамках модового подхода селективного возбуждения мод в плоскослоистых волноводах; получение аналитических оценок усредненных характеристик звукового поля на основе упрощенных моделей мелководных волноводов; численные расчеты для реальных акустических трасс.

Методы исследования

Достижение поставленной цели обеспечивается путем проведения теоретических и экспериментальных исследований. Основные выводы, положения, рекомендации обоснованы теоретическими расчетами и сравнением с известными результатами.

Научная новизна работы 1. Разработана методика для расчета поля параметрического излучателя, позволяющая определить условия (заглубление и ориентацию источника накачки) селективного возбуждения мод в волноводе.

2. Теоретически исследованы условия возбуждения низших мод волны разностной частоты в мелком море.

- Практическая значимость полученных в работе результатов.

. . Результаты проведенных теоретических и'

экспериментальных исследований структуры акустического поля параметрического излучателя (ПИ) в условиях волноводного распространения звука могут быть использованы для прогнозирования характеристик параметрических

гидроакустических средств при работе ПИ в морских звуковых каналах, в том числе при определении условий (заглубления и пространственной ориентации источника накачки) селективного возбуждения мод в мелком море. Они позволяют, в частности, интерпретировать экспериментальные данные по параметрическому излучению в акустических волноводах.

Внедрение результатов работы

Разработанные в диссертации методики, алгоритмы, полученные научные и практические результаты внедрены в организациях в/ч 30895, Акустический институт им. H.H. Андреева, ГНЦ "Южморгеология".

Апробация результатов работы Основные результаты работы обсуждались и были одобрены на следующих научно-технических конференциях: пятидесятая студенческая научная конференция, Таганрог, ТРТУ, 2003г.; VII Всероссийская научная конференция студентов и аспирантов "Техническая кибернетика радиоэлектроника и системы управления" ТРТУ, Таганрог 2004г.; 51-я научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, ТРТУ, Таганрог, 2005г.; 52-я научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, ТРТУ, Таганрог, 2006г.; Первая ежегодная научная конференция студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН. Ростов-на-Дону 2005г.; Вторая ежегодная научная конференция студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН. Ростов-на-Дону 2006г.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Методика расчета акустического поля параметрического излучателя в волноводе с учетом направленных свойств и частотного диапазона, заглубления антенны накачки и ее ориентации относительно поверхности и морского дна.

2. Результаты теоретических исследований условий возбуждения низших мод в звуковом канале мелкого моря, в

условиях, когда необходимо учитывать нелинейное взаимодействие отраженных от границ волн накачки и когда взаимодействием волн накачки можно пренебречь в зависимости от пространственной ориентации антенны накачки.

3. Результаты экспериментальных исследований вертикального распределения звукового давления сигнала разностной частоты параметрической антенны по глубине волновода в мелком море.

4. Принципы построения гидроакустических параметрических средств обнаружения в мелком море в условиях волноводного распространения акустических сигналов.

Публикации

По результатам исследований, проведенных в рамках темы диссертационной работы, опубликовано 8 работ, среди которых 5 статей и 3 тезиса докладов. Кроме того, автор принимал участие в выполнении ряда научно-исследовательских работ по теме диссертации, по которым зарегистрировано в ВИНИТИ 3 отчета.

Содержание диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, заключения и четырех основных глав.

Во введении обосновывается актуальность темы и научная новизна работы, сформулирована цель и основные положения, выносимые на защиту, и также кратко изложено содержание диссертации.

В первой главе проведен анализ результатов исследований процессов нелинейного взаимодействия акустических волн и особенностей работы параметрических антенн в океанических волноводах. Рассмотрены основные методы расчета акустических полей и вопросы нелинейного взаимодействия акустических волн параметрических излучателей звука.

Во второй главе представлены результаты теоретического изучения вопроса о влиянии отражающих границ волновода на формирование поля параметрических излучателей звука.

В п. 2.1 сформулирована математическая постановка задачи о возбуждении волновода параметрическим излучателем с высоконаправленным пучком накачки с учетом наличия в области

нелинейного взаимодеиствия отражающих границ (поверхность, морское дно).

В приближении заданного поля накачки акустическое давление р5 волны разностной частоты (ВРЧ) удовлетворяет неоднородному уравнению:

Ар5+К2п2(г)рх =-0.(2)р^х,у,2)р\{х,у,г). (1)

Правая часть уравнения описывает пространственное распределение виртуальных нелинейных источников, созданных взаимодействующими волнами накачки ри(х,у,г).

Схема пространственного расположения антенны накачки в изоскоростном волноводе показана на рис. 1.

о,__*

го-

поверхность воды

/ / ! / / ) П ) ) I / ! / / / 1 / / 1 /

Дно

Рис.1.

В п.2.2 анализируется параметрическая генерация звука в регулярных изоскоростных волноводах. В теоретических исследованиях модель мелкого моря представлена волноводом с акустически мягкими границами и волноводом с акустически жестким дном.

Рассмотрены особенности формирования вертикальной структуры поля волны разностной частоты для случая нормированного масштаба акустического поля при различных значениях параметра кИ ('где к-волновое число волны разностной частоты, Ь - глубина волновода). Смысл такого нормирования определяется возможностью перехода от метрических характеристик пространственного масштаба к характеристикам, нормированным в волновых соотношениях. Это позволяет провести анализ полученных результатов теоретических исследований по предложенной модели для прогнозирования вертикальной структуры акустического поля, при сохранении нормированных значений, для широкого диапазона частот

накачки, разностной частоты и пространственных масштабов акустического волновода.

На рис.2 показаны зависимости вертикальной структуры

акустического поля при изменении параметра кк от 3 до 300.

Для возбуждения первой моды необходимо чтобы кк принимало значения в пределах нескольких десятков. Для значений сотен кк наблюдается возбуждение высших мод.

Расчеты проводились для широкой полосы частот и в частности для 500 Гц когда глубина волновода становится соизмеримой с длиной волны разностной частоты. Частоты накачки в этом случае были выбраны в районе 20 кГц. Ширина характеристики направленности 2°.

Проведены расчеты по предложенной модели для волновода с

акустически мягкими

границами (см. рис. За и рис.4) и акустически мягкой и жесткой границами (см. рис.Зб) при ориентации антенны в сторону дна и в сторону поверхности (рис. За, б и рис.4) соответственно. Полученные распределения звукового давления по глубине позволяют провести анализ

Рис.2

трансформации структуры поля при волноводном распространении на больших расстояниях.

Из полученных зависимостей видно, что при распространении сохраняется модовая структура акустического поля волны разностной частоты для случая, когда антенна ориентированна в сторону дна (Рис.3а,б). При этом, можно

При ориентации антенны в сторону поверхности номер возбуждаемой моды существенно зависит от заглубления антенны (см. рис.4 г=0,5м; 1,5м; 2,5м) при углах наклона антенны, соизмеримых с шириной характеристики направленности (ХН).

Рассмотрены три случая формирования акустического поля в волноводе в зависимости от пространственной ориентации параметрического излучателя в вертикальной плоскости:

При горизонтальной ориентации излучателя пучок накачки практически не испытывает отражения от границ волновода. Точка касания акустическим пучком границы волновода х » /, (где 13 -длина зоны затухания волн накачки параметрической антенны). Такая геометрия задачи практически всегда может быть обеспечена в реальных морских условиях, когда ширина характеристики направленности излучающей антенны накачки не превышает единиц градусов.

Поверхность х

7777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777 г Д"о

Рис.5

Построены зависимости распределения звукового давления для горизонтально ориентированного излучателя для двух характерных случаев акустических границ при моделировании условий мелкого моря.

Распределения звукового давления по глубине при различном заглублении излучающей антенны 1 - 0,5м; 2 - 1м; 3 -1,5м, 4 - 2м; 5 - 2,5м и 6 - 2,8м на расстоянии 450м для волновода с акустически мягкой и жесткой границами и двумя акустически мягкими границами показаны на рис. 6.

При небольших углах наклона антенны соизмеримых с шириной характеристики направленности, когда переотражением пучка накачки от границ волновода можно пренебречь, и считать, что волны накачки существенно затухнут, нелинейное взаимодействие отраженных волн, также как в предыдущем случае, можно не учитывать.

Поверхность х

////////////////////////////////////>//////////////////////// г Дно

Рис.7

Такая постановка задачи позволяет моделировать волноводное распространение при небольших изменениях угла наклона излучающей антенны накачки, которые возможны, например, при качке судна. Точка касания акустическим пучком границы волновода дальше ближней зоны антенны накачки. Поэтому взаимодействие отраженных волн не влияет на формирование акустического поля.

01 112 (13 04 05 06 07 08 0»

Р>норм

01 02 ИЗ 04 115 Ц(. Ц7 «Й ИЧ 1

Р =13 кГц

3=2.5" 03

9=2"

Х«225»

Л 2*1.5м 06

1.«

27 2.мЗ

г,м)

Рис.8

При углах наклона излучающей антенны, соизмеримых и шириной характеристики направленности, результаты расчетов практически совпадают с расчетами, полученными при горизонтальной ориентации излучателя (рис.8).

При углах наклона излучателя больших, чем ширина характеристики направленности (рис.9), необходимо учитывать влияние многократных лереотражений сигнала разностной частоты и взаимодействие отраженных волн накачки. В работе проведены исследования особенностей волноводного распространения в зависимости от наклона ПИ в сторону поверхности или дна с учетом нелинейного взаимодействия отраженных волн накачки.

Поверхность

///////////////////////////////////////////////////////////// Дно

Рис.9

Поскольку частоты волн накачки близки, коэффициенты отражения считались одинаковыми.

Уравнение (2) является решением неоднородного уравнения (1), где Ыт(в,р,х) описывает угловое распределение параметрического излучения на различных модах в зависимости от угла наклона р оси ПИ в вертикальной плоскости, а также учитывает взаимодействие отраженных от границ волновода волн накачки, е - параметр нелинейности, разностная частота, с-скорость звука в воде Я-глубина волновода, \|/т- собственные функции волновода, %т-горизонтальное волновое число ш-й моды, "\У- акустическая мощность, 8т- поглощение донным грунтом, 9-ширина ХН, х-расстояние от ПИ.

На рис.Ю(а-г) представлены результаты исследований вертикального распределения поля волны разностной частоты, которые показали возможность возбуждения в акустическом волноводе в условиях мелкого моря мод в широкой полосе частот (13кГц - рис.10а,б и 20кГц - рис.1 Ов,г) при соответствующем наклоне акустической оси параметрической излучающей антенны. Показано, что эффективность возбуждения мод зависит от направленных свойств параметрического излучателя, частотного диапазона параметрической гидроакустической системы.

л™*. . IV».

01 (12 113 <14 05 0.6 «7 (18 09 I

--Г"=ЯГкГц

Э=7,5„° 6=2°

•. —г=о.5и

V —г«1-5м ■ ^ ■■• • г»2 5м

01 (12 03 04 05 Ой 07 (Ж оч Г

Г=Ж5ПГ "Р—7,5° е--? -2=0 5м —г=1 бм -----2=2.5м

Рис. 10

Выражение (2) позволяет рассчитать трехмерную модель поля давления волны разностной частоты вдоль трассы волновода с учетом коэффициента поглощения за счет вязкости и теплопроводности среды распространения акустических волн — а и поглощения донным грунтом - дт (рис.11,12.).,

Распределение звукового давления по глубине на расстоянии до 505м от излучателя (Р_= 13 кГц, ^1=160 кГц, ^2=147 кГц, ширина ХН 9=2°), расположенного на глубине г=1,5м, при наклоне излучателя в сторону дна Р=-7,5°.

Распределение звукового давления по глубине на расстоянии до 505м от излучателя (Р_=13 кГц, 5>1=160 кГц, £,2=147 кГц, ширина ХН 0=2°), расположенного на глубине 2=0,5м, при наклоне излучателя в сторону поверхности Р=2,5

Рис. 1 1

Рис. 12

На основании полученных результатов можно сделать вывод, что при определенной ориентации излучателя в сторону дна или поверхности, в зависимости от заглубления излучателя в волноводе, можно селективно возбуждать, либо, первую моду (рис.11), либо, (при других значениях угла наклона акустической оси параметрического излучателя и других величинах заглубления антенны накачки) происходит возбуждение мод высших порядков (рис.12).

В третьей главе разработана методика экспериментальных исследований измерения вертикального распределения звукового давления в мелком море. Проведены, в морских условиях, экспериментальные измерения вертикальных распределений звукового давления при различных углах наклона преобразователя накачки параметрической излучающей антенны, различных значениях волны разностной частоты на расстоянии 225м (рис. 13) и отраженного сигнала от уголкового отражателя с Кэ=2м с целью увеличения протяженности трассы распространения сигнала (рис .14).

Измерен профиль дна на трассе распространения акустических сигналов, определены амплитуды звукового давления волны разностной частоты и построены разрезы вертикального распределения звукового давления. Интересно, что морское дно в точке проведения измерений, результаты которых представлены на рис.13, представляло собой акустически жесткую границу, а дно, в месте приема отраженного сигнала (см. рис.14) представляло собой акустически мягкую границу (в сильной степени загазованный органический ил).

Вертикальное распределение звукового

давления Р_=20 кГц угол наклона -7,5° отраженного от отражателя сигнала' на расстоянии 225м от излучателя.

Р_,Па Р_,Па

4 8 12 16 20 24 0.02 0.04 0 06 0.08 0.1 0.12

Вертикальное этраженного о (Р_=20 кГц, угол наклона -5°)

0.5

распределение

2.5

г,м

Рисунок 13

Рисунок 14

Проведены сравнения теоретических (пунктирная линия) и экспериментальных (сплошная линия) вертикальных распределений амплитуд звукового давления волны разностной частоты, нормированных к максимальному значению (рис.15).

Вертикальное распределение

звукового давления на расстоянии 225м от излучателя Р_=20 кГц, угол наклона -7,5° (сплошная линия-эксперимент, пунктир - теория)

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Рисунок 15

Анализ сравнения нормированных зависимостей для теоретических и экспериментальных исследований позволил сделать вывод о том, что результаты экспериментальных исследований с достаточной точностью соответствуют результатам теоретических распределений звукового давления. На рис. 16 и 17 представлена зависимость амплитуды звукового давления волны разностной частоты Р_=20 кГц (а) и нормированного давления волны разностной частоты Р_=20 кГц (б) от угла наклона

антенны накачки, полученные в результате экспериментальных и теоретических исследований, соответственно. Результаты сравнения теоретической и экспериментальной зависимостей Р(Р) хорошо согласуются.

Зависимость амплитуды давления первой моды в зависимости от угла наклона

антенны накачки

по результатам экспериментальных по результатам теоретических

исследований Р_=20кГц исследований Р =20кГц

Полученные результаты натурных испытаний подтверждают результаты теоретических исследований, выявивших особенности модовой структуры поля ПИ в волноводе.

В четвертой главе изложены основные принципы построения параметрического гидролокационного комплекса предназначенного для обнаружения подводных объектов в мелком море. Гидролокатор должен обладать высокой направленностью; электронное сканирование луча позволит осуществлять обзор пространства в горизонтальной плоскости; поскольку эффективность возбуждения мод зависит от угла наклона оси ПИ, необходимо обеспечить возможность изменения положения характеристики направленности относительно поверхности и дна (это же необходимо для стабилизации луча в заданном положении при качке судна); . выявленная зависимость вертикальной структуры акустического поля от частоты сигнала, предполагает необходимым обеспечение широкополосности системы с

возможностью оперативного регулирования частоты.

Выработаны рекомендации по оптимизации конструкции параметрической излучающей антенны. Приведена структура параметрического гидролокатора для обнаружения подводных объектов в мелком море.

В заключении сформулированы основные результаты выполненных исследований и выводы по работе.

В приложении приведены акты внедрения полученных результатов, разработанных методик и алгоритмов.

Основные результаты работы

Основные теоретические и практические результаты, полученные в диссертационной работе, состоят в следующем:

1. Разработана методика расчета поля параметрического излучателя в зависимости от пространственной ориентации антенны накачки в изоскоростном волноводе.

2. Получены выражения для расчета уровня акустического поля параметрического излучателя в зависимости от глубины волновода для горизонтально ориентированного излучателя и для излучателя направленного в сторону поверхности воды и дна, позволяющие определить условия (заглубление и ориентацию источника накачки) селективного возбуждения заданной группы мод волновода.

3. Теоретические и экспериментальные исследования показали, что возбуждение мод зависит от направленных свойств, угла наклона параметрической антенны и частотного диапазона" сигналов разностной частоты и взаимодействующих волн накачки.

4. При горизонтальной ориентации излучателя, когда пучок накачки практически не испытывает отражения от границ волновода вклад нелинейного взаимодействия отраженных волн накачки в селективное возбуждение мод не учитывается.

5. При наклоне антенны на углы соизмеримые с шириной характеристики направленности переотражением пучка накачки от границ волновода можно пренебречь, и, считая, что волны накачки существенно затухнут, взаимодействие отраженных волн

можно не учитывать.

6. При углах наклона излучателя больших, чем ширина характеристики направленности, необходимо учитывать влияние многократных переотражений сигнала разностной частоты и взаимодействующих волн накачки.

7. По результатам теоретических и экспериментальных исследований установлено, что возбуждение низшей моды зависит от ориентации антенны накачки в сторону поверхности и дна.

8. Сформулированы основные принципы построения гидролокатора для обнаружения подводных объектов в мелком море с использованием параметрических антенн. Разработана структура параметрического гидролокатора для обнаружения подводных объектов в мелком море.

Список работ по теме диссертации:

1.Кравчук Д.А. Исследование низкочастотных приемных антенн. Пятидесятая студенческая научная конференция. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2003. - с.250-251.

2.Кравчук Д.А. Исследование элементов низкочастотной приемной антенны на основе изгибных колебаний при различных условиях закрепления. VII Всероссийская научная конференция студентов и аспирантов "Техническая кибернетика радиоэлектроника и системы управления" ТРТУ, Таганрог 2004. - с.319-320.

3.Кравчук Д.А., Тарасов С.П. Исследование характеристик параметрической антенны при волноводном распространении сигнала в мелком море. Известия ТРТУ. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2005.-с.114-115.

4.Кравчук Д.А. Исследование модовой структуры акустического поля параметрического излучателя в мелком море. Первая ежегодная научная конференция студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН. Ростов-на-Дону 2005. -с.255 - 256.

5.Кравчук Д.А, Куценко А.Н. Экспериментальное исследование закономерностей формирования акустического поля в мелком море и возможности селективного возбуждения низших мод параметрическим излучателем. Вторая ежегодная научная

конференция студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН. Ростов-на-Дону 2006. - с. 282-283.

6.Кравчук Д.А., Куценко А.Н. Экспериментальное исследование модового распространения сигнала в мелком море. XVIII сессия Российского акустического общества 2006. - т.2. с. 124-126.

7.Кравчук Д.А., Куценко А.Н. Экспериментальное исследование модового распространения сигнала в мелком море. Нелинейная гидроакустика. Труды научной конференции. Ростов-на-Дону 2006.-е. 46-49.

8.Кравчук Д.А. Влияние импедансных свойств дна на поведение когерентной компоненты звукового сигнала. Нелинейная гидроакустика. Труды научной конференции. Ростов-на-Дону 2006 - с.85-87.

Личный вклад диссертанта в работы, опубликованные в соавторстве состоит в следующем:

в работе /3/ - проведены теоретические исследования и математическое моделирование;

в /5, 6, 7/ - проведены экспериментальные исследования в морских условиях (принимал участие в экспедициях), сделаны выводы.

Издательство Таганрогского государственного радиотехнического университета ГСП-17А, Таганрог, пер. Некрасовский, 44

Тип.ТРТУ Заказ №рв2тир.ЙОЭкз.

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата технических наук, Кравчук, Денис Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

1 . АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССОВ НЕЛИЕНЙНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН И ОСОБЕННОСТЕЙ РАБОТЫ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ АНТЕНН В ОКЕАНИЧЕСКИХ ВОЛНОВОДАХ.

1.1 Вопросы нелинейного взаимодействия акустических волн параметрических излучателей звука.

1.2 Методы расчета акустических полей и особенности работы параметрических антенн в океанических волноводах.

1.3 Выводы.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЗВУКА В УСЛОВИЯХ ВОЛНОВОДНОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ В МЕЛКОМ МОРЕ.

2.1. Теоретический анализ параметрического излучения звука в регулярных волноводах.

2.2 Исследование структуры акустического поля параметрического излучателя в изоскоростиом регулярном волноводе.

• 2.3 Основные результаты выводы.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЯ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЙ АНТЕННЫ

ПРИ РАСПРОСТРАНЕНИИ СИГНАЛА В МЕЛКОМ МОРЕ.

3.1 Методика экспериментальных исследований распределения акустического поля параметрической антенны в мелководных районах моря.

3.2 Аппаратура для проведения экспериментальных измерений вертикального распределения звукового давления.

3.3. Результаты проверки комплекса в натурных условиях.

3.4 Результаты экспериментальных исследований.

3.5 Выводы.

4. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО ГИДРОЛОКАЦИОННОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ПОДВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ В МЕЛКОМ МОРЕ.

4.1 Принципы построения параметрического гидролокационного комплекса для обнаружения подводных объектов в мелком море.

4.2 Выработка рекомендаций по оптимальной конструкции параметрической излучающей антенны.

4.3 Параметрический гидролокационный комплекс для обнаружения подводных объектов в мелком море.

4.4 Выводы.

Введение диссертация по физике, на тему "Селективное возбуждение мод параметрическим излучателем в мелком море"

Очевидно, высоконаправленный излучатель, обеспечивающий малые углы скольжения падающих на границы волн, является более предпочтительным для возбуждения низких номеров нормальных мод в волноводе, что способствует наименьшему ослаблению звуковой энергии при распространении. Высокая направленность гидроакустических антенн может быть обеспечена на сравнительно высоких частотах, что ограничивает дальность действия гидролокационных систем. Излучение же низких частот предполагает, что излучатель будет либо слабонаправленным, либо иметь размеры, ставящие под вопрос возможность использования таких антенн в реальных условиях эксплуатации.

Для научного обоснования возможности использования параметрических антенн для формирования заданной структуры акустического поля в волноводе и разработки принципов построения гидроакустических систем обнаружения подводных объектов в мелком море требуется проведение исследований направленных на создание методик расчета акустического поля с учетом направленных свойств параметрической антенны и ее пространственной ориентации, разработку моделей параметрических антенн в среде с границами и экспериментальную оценку результатов.

Цель работы

Научная новизна работы

1. Разработана методика для расчета поля параметрического излучателя, позволяющая определить условия (заглубление и ориентацию источника накачки) селективного возбуждения мод в волноводе.

2. Теоретически исследованы условия возбуждения низших мод волны разностной частоты в мелком море.

Практическая значимость полученных в работе результатов.

Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований структуры акустического поля параметрического излучателя

ПИ) в условиях волноводного распространения звука могут быть использованы для прогнозирования характеристик параметрических гидроакустических средств при работе ПИ в морских звуковых каналах, в том числе при определении условий (заглубления и пространственной ориентации источника накачки) селективного возбуждения мод в мелком море. Они позволяют, в частности, интерпретировать экспериментальные данные по параметрическому излучению в акустических волноводах. Научные положения, выносимые па защиту:

2. Результаты теоретических исследований условий возбуждения низших мод в звуковом канале мелкого моря, в условиях, когда необходимо учитывать нелинейное взаимодействие отраженных от границ волн накачки и когда взаимодействием волн накачки можно пренебречь в зависимости от пространственной ориентации антенны накачки.

Содержание диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, заключения и четырех основных глав. В работе приводится список литературы из 97 наименований.

Заключение диссертации по теме "Акустика"

4.4.Выводы

В результате рассмотрения путей технической реализации гидроакустической аппаратуры были сформулированы основные принципы построения гидролокатора для обнаружения подводных объектов в мелком море с использованием параметрических антенн.

Были сформулированы основные задачи, решаемые гидролокатором для обнаружения подводных объектов с учетом волноводного распространения волны разностной частоты в мелком море.

На основе проведенных экспериментальных исследований закономерностей формирования акустического поля в мелком море, были изложены основные требования к параметрическим излучающим системам и выработаны рекомендации по оптимизации конструкции параметрической излучающей антенны гидроакустической системы для обнаружения подводных объектов в мелком море.

Разработана структура параметрического гидролокатора для обнаружения подводных объектов в мелком море.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Подробные выводы по результатам диссертационной работы сделаны в конце каждой главы. Подводя общий итог диссертационной работы, можно сделать выводы и заключения:

1. Сформулирована математическая постановка задачи о возбуждении волновода параметрическим излучателем с высоконаправленным пучком накачки с учетом наличия в области нелинейного взаимодействия отражающих границ.

2. Разработана методика расчета поля параметрического излучателя в зависимости от пространственной ориентации антенны накачки в изоскоростном волноводе.

3. Рассмотрены три случая формирования акустического поля в волноводе в зависимости от пространственной ориентации параметрического излучателя в вертикальной плоскости.

4. Получены выражения для расчета уровня акустического поля параметрического излучателя в зависимости от глубины волновода для горизонтально ориентированного излучателя и для излучателя направленного в сторону поверхности воды и дна, позволяющие определить условия (заглубление и ориентацию источника накачки) селективного возбуждения заданной группы мод волновода.

5. При горизонтальной ориентации излучателя, когда пучок накачки практически не испытывает отражения от границ волновода вклад нелинейного взаимодействия отраженных волн накачки в селективное возбуждение мод не учитывается.

6. При наклоне антенны на углы соизмеримые с шириной характеристики направленности переотражением пучка накачки от границ волновода можно пренебречь, и, считая, что волны накачки существенно затухнут, взаимодействие отраженных волн можно не учитывать.

7. При углах наклона излучателя больших, чем ширина характеристики направленности, необходимо учитывать влияние многократных переотражений сигнала разностной частоты и взаимодействующих волн накачки.

8. Вертикальное распределение звукового давления по глубине сохраняет структуру, присущую возбужденной моде при распространении на всей длине рассматриваемого акустического волновода.

9. Возможность селективного возбуждения низших мод при распространении в акустическом волноводе наблюдается для более узкого акустического пучка. Для возбуждения первой моды необходимо чтобы kh было порядка несколько десятков. Для значений сотен kh наблюдается возбуждение высших мод.

10. Для возбуждения отдельной моды необходимо учитывать заглубление антенны в акустическом волноводе, угол ориентации антенны, волновые размеры акустического волновода.

11. Проведены экспериментальные измерения вертикальных распределений звукового давления, в натурных условиях, при различных углах наклона преобразователя накачки параметрической излучающей антенны, различных значениях волны разностной частоты для различных точек по трассе распространения акустических волн.

12. Результаты экспериментальных исследований продемонстрировали возможность возбуждения в акустическом волноводе в условиях мелкого моря мод в широкой полосе частот при соответствующем наклоне акустической оси параметрической излучающей антенны.

13. Экспериментально установлено, что возбуждение низшей моды зависит от ориентации антенны накачки в сторону поверхности и дна, направленных свойств параметрического излучения, частотного диапазона параметрической гидроакустической системы.

14. Полученные результаты натурных испытаний подтверждают теоретические расчеты модовой структуры поля ПИ в волноводе, проведенные во второй главе.

15. По результатам рассмотрения путей технической реализации гидроакустической аппаратуры сформулированы основные принципы построения гидролокатора для обнаружения подводных объектов в мелком море с использованием параметрических антенн. На основе проведенных экспериментальных исследований закономерностей формирования акустического поля в мелком море, выработаны рекомендации по оптимизации конструкции параметрической излучающей антенны гидроакустической системы для обнаружения подводных объектов в мелком море.

16. Разработана структура параметрического гидролокатора для обнаружения подводных объектов в мелком море с учетом волноводного распространения волны разностной частоты в мелком море.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Кравчук, Денис Александрович, Таганрог

1. Наугольных К.А., Островский Л.А, Сутин A.M., Параметрическое излучение звука. — В кн. Нелинейная акустика. Горький: ИПФ АН СССР 1980-с 9-30.

2. Распространение волн и подводная акустика / Под ред. Дж. Келлера, Дж. Пападакиса. М.: Мир, 1980. - 232 с.

3. Новиков Руденко Тимошенко Нелинейная гидроакустика. — Л. Судостроение 1981, 263 стр.

4. Зарембо Л.К., Тимошенко В.И. Нелинейная акустика. М.: МГУ, 1984.- 104 с.

5. Виноградова М. Б., Руденко О. В., Сухоруков А. П. Теория волн. М.: Наука. 1979. 383 С.

6. Westervelt P.J. Parametric acoustic array // J.Acoust. Soc.Am. 1963. -Vol.35, no.4. - P.535-537.

7. Мюир Т.Дж., Томпсон Л.А., Кокс Л.Р., Фрей У.Г. Низкочастотная параметрическая система для ' исследований по акустике океана // Акустика дна океана/ Под ред.У.А.Купермана и Ф.Г.Енсена. М.: Мир, Т984. - С.287-299.

8. Воронин В.А., Житковский Ю.Ю., Кузнецов В.П., Тарасов С.П., Тимошенко В.И. Использование параметрического гидролокатора в океанологических исследованиях // Океанология. 1985. - Т.25, К 4. -С.692-696.

9. Гринберг Н.Э., Подлипанов М.Д., Соколов Р.А., Тимошенко В.И. Техническая реализация режима параметрического излучения в рыбопоисковом комплексе "Сарган'У/Прикладная акустика. Вып.Н. Таганрог: Изд-во ТРТИ, 1985. - С.68-73.

10. Ю.Мюир Т.Дж. Нелинейная акустика и ее роль в геофизикеморских осадков//Акустика морских осадков/Под ред. Л.Хэмптона. -М.: Мир, 1977. С.227-273.

11. Keller G.B. Geometrical acoustics. I. The theory of weak shock waves // J.Appl.Phys. 1954. - Vol.25, no.8. -P.938-950.

12. Seymour B.B., Mortell M.P. Nonlinear geometrical acoustics // Mechanics Today. 1975. - Vol.2. - P.251-312.

13. Толстой И., Клей К.С. Акустика океана. М.: Мир, 1979. - 300 с.

14. Акустика океана / Под ред. Л.М. Бреховских. М.: Наука, 1974. - 696 с.

15. Кравчук Д.А. Исследование модовой структуры акустического поля параметрического излучателя в мелком море. Первая ежегодная научная конференция студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН. Ростов-на-Дону 2005. с.255-256.

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

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

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

19. Буланов В. А. Введение в акустическую спектроскопию микронеоднородных жидкостей // Владивосток, Дальнаука, 2001. 279 с.

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

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

22. Вайнштейн Л.А., Вакман Д.Е. Разделение частот в теории колебаний иволн. М.: Наука, 1983. 288 с.

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

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

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

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

27. Акустика океана / Под ред. Дж. де Санто. М.: Мир, 1982. - 320 с.

28. Монин А.С., Озимидов Р.В. Океанская турбулентность. JL: Гидрометео- издат, 1981.-320 с.

29. Миропольский Ю.З. Динамика внутренних гравитационных волн в океане. -JL: Гидрометеоиздат, 1981.-301 с.

30. Коняев К.В., Сабинин К.Д. Волны внутри океана. СПб.: Гидрометеоиздат, - 1992.-271с.

31. Федоров К.П. Тонкая структура гидрофизических полей в океане //Физика океана. М.: Наука, 1978. - Т.1.: Гидрофизика. - С. 113-147.

32. Филлипс О.М. Динамика верхнего слоя океана. М.: Мир, 1969. - 267 с.

33. Абузяров З.К. Морское волнение и его прогнозирование. JL: Гидрометеоиздат, 1981.- 168с.

34. Акустика дна океана / Под ред. У. Купермана, Ф. Енсена. М.: Мир, 1984. -454с.

35. Акустика морских осадков /Под ред. JL Хэмптона. -М.: Мир, 1974.-498 с.

36. Барабаненков Ю.И., Кравцов Ю.А., Рытов С.М., Татарский В.И. Состояние теории распространения волн в случайно неоднородной среде//УФН. 1970.-Т.102.-С. 3-42.

37. Чернов JI.A. Волны в случайно-неоднородных средах. М.: Наука, 1975.-172 с.

38. И. Рытов С.М., Кравцов Ю.А., Татарский В.И. Введение в статистическую радиофизику. М.: Наука, 1978. - Т.2.: Случайные поля. - 464 с.

39. Исимару А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах. В 2 т. М.: Мир, 1981. - Т.1. - 318 с.

40. Исимару А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах. В 2 т. М.: Мир, 1981. - Т.2. - 281 с.

41. Басс Ф.Г., Фукс И.М. Рассеяние волн на статистически неровной поверхности. М.: Наука, 1972. - 424 с.

42. Акустика океана. Современное состояние / Под ред. JI.M. Бреховских, И.Б. Андреевой. М.: Наука, 1982. - 248 с.

43. Толстой И., Клей К.С. Акустика океана. М.: Мир, 1969. - 300 с.

44. Кравцов Ю.А., Орлов Ю.И. Лучевая теория: границы применимости и оценки полей в области применимости // Акустика океана. Современное состояние / Под ред. JI.M. Бреховских, И.Б. Андреевой. -М.: Наука, 1982. С. 25-36.

45. Кравцов Ю.А., Орлов Ю.И. Геометрическая оптика неоднородных сред. М.: Наука, 1980. - 304 с.

46. Швачко Р.Ф. Флуктуации звука в верхнем слое океана и их связь со случайными неоднородностями среды // Акуст. журн. 1963. - Т.9. - № 2. -С. 347-350.

47. Швачко Р.Ф. Флуктуации звука и случайные неоднородности в океане //Акуст. журн. 1967. - Т. 13. - № 1. - С. 119-125.

48. Швачко Р.Ф. Рассеяние на случайных неоднородностях и звуковые поля в океане // Акустика океана / Под ред. JI.M. Бреховских. М.: Наука, 1974.-С. 562-581.

49. Белоусов А.В., Лысанов Ю.П. Закон спадания интенсивности когерентного акустического поля в прибрежной зоне океана // Акуст. журн. 1993. - Т.39. -№ 3. - С. 428-432.

50. Распространение звука во флуктуирующем океане /Под ред. С. М.Флатте. М.: Мир, 1982. - 160 с.

51. Леонтович М.А., Фок В.А. Решение задачи о распространении электромагнитных волн вдоль поверхности земли по методу параболического уравнения// ЖЭТФ -1946. -Т.16. -№7. -С. 557-573.

52. Тапперт Ф. Метод параболического уравнения // Распространение волн и подводная акустика / Под ред. Дж. Келлера, Дж. Пападакиса. М.: Мир,1980.-232с.

53. Мальцев Н.Е. К вычислению звуковых полей в океане методом параболического уравнения // Акуст. журн. 1981. - Т.27. - № 3. -С. 335-340.

54. Колер В., Папаниколау Дж.К. Распространение волн в случайно-неоднородном океане // Распространение волн и подводная акустика / Под ред. Дж. Келлера, Дж. Пападакиса. М.: Мир, 1980. - 232 с.

55. Dozier L., Tappert F. Statistics of normal mode Amplitudes in a Random

56. Ocean. I. Theory // J. Acoust. Soc. Amer. 1978. - V.63. - № 2. - P. 353365.

57. Dozier L., Tappert F. Statistics of normal mode Amplitudes in a Random Ocean. II. Calculations // J. Acoust. Soc. Amer. -1978. V.64. - № 2. - P. 533-547.

58. Beilis A., Tappert F. Coupled mode analysis of multiple rough surface scattering // J. Acoust. Soc. Amer. -1979. V.66. - № 3, - P. 311-326.

59. Penland C. Acoustic normal mode propagation through a three dimensional internal wave field // J. Acoust. Soc. Amer. -1985. V.78. - № 4. - P. 311326.

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

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

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

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

64. Горская H.C. Островский JI.A. Параметрическое излучение звука в мелком море. Акустический журнал 1983 т.31.№4.

65. Гаврилов A.M., Новиков Б.К. Особенности работы параметрического излучателя в однородной среде. Акустический журнал 1989 т.33.№4 с.420.

66. Гурбатов С.Н., Костерин А.Г., К теории ПИ в рефракционных акустических волноводах. Акустический журнал 1989 т.35.№5 с809

67. Карабутова Н.Е. Работа параметрических излучателей звука в плоском волноводе. Акуст. Журн. 1986. т.32 №1. С. 65-70.

68. Кравчук Д. А., Тарасов С.П. Исследование характеристик параметрической антенны при волноводном распространении сигнала в мелком море. Известия ТРТУ. Тематический выпуск. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2005. с.114-115.

69. Кравчук Д. А. Исследование низкочастотных приемных антенн. Пятидесятая студенческая научная конференция. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2003. с.250-251.

70. Bjorno L., Golsberg J., Parametric array in shallow water//J. de phys. Coll c8, 1979, sup an №11 v. 40, p.68-74.

71. Гаврилов A.M., Тарасов С.П, Работа параметрических антенн в условиях мелкого моря. В книге Прикладная акустика. Таганрог 1985 вып. 11 cl 10-116.

72. Кравчук Д.А. Куценко А.Н. Экспериментальное исследование модового распространения сигнала в мелком море. Нелинейная гидроакустика. Труды научной конференции. Ростов-на-Дону 2006. с. 46-49.

73. McDaniel S.T. Mode conversion in shallow-watter sound propagation.// JASA. 1977 v62 №2 pp 320-325.

74. McDaniel S.T. Calculation of mode conversion rates. // JASA 1978 v63 №5рр 1372-1374.

75. Горская Н.С. Раевский М.А. Эффекты многократного рассеяния низкочастотных акустических волн на ветровом волнении.// Акуст. Журн. 1986 т.32 №4 с 533-535.

76. Артельный В.В., Горская Н.С., Раевский М.А. Статистический характеристики нормальных волн в случайно неоднородных океанических волноводах. Препринт ИПФ АН СССР № 148 Горький 1986.

77. Артельный В.В., Горская Н.С., Раевский М.А. Низкочастотное акустическое поле в океаническом волноводе с нерегулярным дном // Акуст. Журн. 1990. Т.36 №3 с. 416-422.

78. Раевский М.А. О многократном рассеянии низкочастотных акустических волн на поверхностном волнении.// Акуст. Журн. 1986. Т 32. № 2 с. 165-171.

79. Кравцов Ю. А. , Рытов С. М., Татарский В. И. Введение в статистическую радиофизику. ч2. М.: Наука, 1978.

80. Зайцев В. Ю., Раевский М. А. О трансформации пространственно — временного спектра волнового поля в волноводе со случайными границей. // Изв. ВУЗов Радиофизика. 1985 т. 28 №1 с. 65-74.

81. Раевский М.А. О рассеянии и трансформации в средах с пространственно временными случайными характеристиками. Препринт ИП АН СССР №81 Горький 1983 25 стр.

82. Горская Н.С., Раевский М.А. О влиянии случайного поля внутренних волн на распространении звука в океане.// Акуст. Журн. 1984. №2 с 183-191.

83. Агеева Н.С. Андреева И. Б., Воловов В. И., Житковский Ю. Ю. Океанологические характеристики, важные для акустики океана. В книге Акустика океана / Под редакцией JI. М. Бреховских М.Наука 1974.-С. 5-79 .

84. Эйкол Т. Акустические характеристики морского дна / Методика экспериментов и некоторые результаты, полученные в Средиземном море/. В книге Акустика морских осадков / Под ред. J1 Хэлптома. М. Мир,1977. - С 407 - 438.

85. Ingenito F., Ingram G.D. Viscous attenuation of sound in saturated sand//JASA 1979 v.66 №6 p. 1807-1812.

86. Mitchell S.K., New measurement of compression wave attenuation in deep ocean sediments.//JASA 1980 v.67 №5 p. 1582-1589.

87. Кравчук Д.А. Влияние импедансных свойств дна на поведение когерентной компоненты звукового сигнала. Нелинейная гидроакустика. Труды научной конференции. Ростов-на-Дону 2006. с. 85-87.

88. Кравчук Д.А. Куценко А.Н. Экспериментальное исследование модового распространения сигнала в мелком море. XVIII сессия Российского акустического общества.2006г. -т.2. с. 124-126.

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

90. Рабинович С.Г. Погрешности измерений. Л.: Энергия, 1978. - 261 с.

91. Абезгаус Г.Г. и др. Справочник по вероятностным расчетам. М.: Воениздат, 1966.

92. Бродский А.Д., Канн В.Л. Краткий справочник по математической обработке результатов измерений. М.: Стандартгиз, 1960.