Исследование флуктуаций амплитуды звукового давления волны разностной частоты в среде с неоднородным гидродинамическим потоком

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

4. Акустика океана / Под ред. Л.М. Бреховских. М.: Наука,1974. 695 с.

И. А. Кириченко

ИССЛЕДОВАНИЕ ФЛУКТУАЦИЙ АМПЛИТУДЫ ЗВУКОВОГО ДАВЛЕНИЯ ВОЛНЫ РАЗНОСТНОЙ ЧАСТОТЫ В СРЕДЕ С НЕОДНОРОДНЫМ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИМ ПОТОКОМ

В реальных условиях океана наблюдаются флуктуации амплитуды звукового давления акустических сигналов. По своей физической природе они могут быть условно разделены на флуктуации, вызванные отражением и рассеянием звуковых сигналов на дне океана, движением носителя акустической системы, применением час-тотно-модулированных сигналов. К основным факторам, приводящим к возникновению флуктуаций при движении носителя, относятся качание диаграммы направленности акустической системы, вызванное качкой судна, нестабильность амплитуды сигнала, излучаемого в водную среду, образование вблизи поверхности акустической системы воздушных пузырьков и гидродинамических течений [1].

Экспериментальные исследования влияния неоднородного гидродинамического потока на процесс нелинейного взаимодействия акустических волн показали, что, кроме повышения уровня звукового давления волны разностной частоты (ВРЧ), возникают периодические флуктуации уровня ВРЧ [2, 3].

С целью выяснения физики процесса влияния неоднородного гидродинамического потока и на нелинейное взаимодействие акустических волн был проведен эксперимент, в котором при сохранении пространственных характеристик области существования потока и скорости потока и изменялся минимальный масштаб структуры самого потока. Вначале минимальный масштаб потока оставался неизменным и был равен диаметру трубы, по которой струя воды поступала в гидроакустический бассейн. В рассматриваемом эксперименте перед срезом сопла, на расстоянии 20см от него, была установлена металлическая решетка с размером ячейки порядка 5мм и толщиной звена решетки (толщиной металлической проволоки) 1мм. Размер решетки 50х40 см был больше ширины гидродинамического потока в плоскости, в которой устанавливалась решетка. Это привело к тому, что в данном случае минимальный масштаб неоднородностей в потоке изменился и стал меньше длин волн накачки.

На рис.1 представлены экспериментально измеренные осевые распределения амплитуды звукового давления волны разностной частоты Е=30кГц, измеренные для различных значений минимального масштаба гидродинамического потока: 1=30мм (кривая1) и 1=5мм (кривая 2). Для сравнения представлена измеренная в отсутствие потока и зависимость осевого распределения амплитуды давления волны разностной частоты (кривая 3). Поток (и=3м/с) располагался на расстоянии 2,5м от поверхности преобразователя. Гидродинамический поток приводит к повышению уровня звукового давления волны разностной частоты. Видно, что изменение минимального масштаба при постоянных остальных характеристиках потока приводит к уменьшению эффективности процесса нелинейного взаимодействия. Наибольшее повышение (11-12дБ) наблюдается в точке пересечения геометрической оси потока и акустической оси антенны. Затем происходит спад уровня звукового давления и за пределами области, связанной с потоком, повышение уровня составляет 4-5дБ. Данное явление согласуется с результатами рассмотрения влияния случайных неоднородностей на поле параметрического излучателя [5], где показано, что на процесс нелинейного

взаимодействия существенное влияние оказывают неоднородности, масштаб которых больше длин волн, участвующих в нелинейном взаимодействии. Одной из статистических характеристик является осредненное значение скорости потока. Пульсации скорости относительно средней величины обычно не превышают 10 % от среднего значения скорости и на оси потока. Однако изменение давления вдоль потока может быть в 100 раз больше, чем при данном расходе при ламинарном течении [6].

На рис.2 приведена запись изменения во времени уровня звукового давления волны разностной часты на расстоянии 3м от поверхности антенны накачки. На рис.3 показана гистограмма распределения флуктуаций уровня звукового давления, для представленной на рис.2 выборки значений. Физическая природа такого явления подобна флуктуациям уровня звукового давления при горизонтальном движении носителя. Одной из причин изменения амплитуды звукового сигнала является перераспределение разности фаз. Однако этот фактор является доминирующим для случая рассеяния и отражения звуковых волн от дна и поверхности океана [1].

Теоретические исследования фазовых характеристик ВРЧ при нелинейном взаимодействии акустических волн в среде с компактным гидродинамическим потоком показали, что продольная и поперечная составляющие вектора скорости гидродинамического потока мало влияют на фазовые характеристики ВРЧ. Это вполне объяснимо малой величиной добавок к суммарному полю, получаемых в результате взаимодействия акустических волн за счет присутствия потока [2]. Влияние компонент скорости гидродинамического потока не приводит к разрушению структуры виртуальных источников в области нелинейного взаимодействия исходных волн накачки. Правильная интерпретация экспериментальных данных позволяет выявить особенности нелинейного взаимодействия акустических волн в среде с гидродинамическим потоком и оценить адекватность физической и математической моделей формирования характеристик поля параметрической излучающей антенны в реальных условиях. Такая постановка приводит к задаче определения корреляции флуктуаций уровня звукового давления ВРЧ.

Р/Р»,ДБ 201

10

о

-10

-20____________________________

0 12 3 4

г,м

Рис.1. Осевое распределение амплитуды звукового давления волны разностной частоты (¥=30 кГц) при различном минимальном масштабе потока: 1—и=1 м/с, 1=30 мм, 2 —и=1 м/с, 1=5мм, 3 —и=0

/ /1' ч

( I t I . • і t I I I I I I— I— I— Г

tentiometer Range:___________________dB. Rectifier_________________ LowerLir

Рис.2. Флуктуации уровня звукового давления волны разностной частоты

При теоретическом рассмотрении этой задачи важнейшим параметром является определение аналитического выражения для временного интервала корреляции То, который определяется по спаду функции корреляции Ь(т) в е раз. Для случая, когда точка наблюдения находится в ближней зоне, приближенное аналитическое выражение для т0 имеет вид [1]

To=1/1,41©o

где щ - круговая частота; v - скорость движения среды относительно поверхности акустической системы; с - скорость звука в среде; tgS- тангенс угла раскрыва характеристики направленности акустической системы.

Пространственный радиус корреляции рг в этом случае определяется [1] как

Рг=т oV=c/1,41 ©otg8.

Histogram

VAR4

Рис.3. Гистограмма распределения флуктуаций уровня звукового давления волны

разностной частоты

При сравнении результатов теоретического рассмотрения с экспериментальными данными обычно оперируют параметром "эффективная частота" 1"эфф, обратным по величине т0 [1]. В результате обработки данных исследования флуктуаций уровня звукового давления ВРЧ для случая нелинейного взаимодействия акустических волн

в присутствии в ближней зоне параметрической излучающей антенны гидродинамического потока, были определены значения временного интервала корреляции т0 и пространственного радиуса корреляции рг. При создании в области нелинейного взаимодействия компактного неоднородного гидродинамического потока (и=1м/с, Ь=0,4 1С, 1=0,03 м) [2] значение рг составило 5,1 м. Это позволяет сделать вывод о том, что пространственный радиус корреляции рг много больше длины волн, участвующих в процессе нелинейного взаимодействия, и соизмерим с размером ближней зоны параметрической излучающей антенны, а, следовательно, добавка к суммарному полю ВРЧ за счет присутствия потока когерентна.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Акустика океана/Под ред. Л. М. Бреховских. М.: Наука, 1974. 694 с.

2. Воронин В.А., Кириченко И.А. Исследование параметрических акустических антенн для проведения экологического мониторинга водной экосистемы // Известия ТРТУ. 2001. №2. С.100-104.

3. Кириченко И. А. Параметрическая антенна в задачах экологического мониторинга водной экосистемы мелкого моря. // Х1 Сессия РАО. Школа-семинар «Акустика океана». М., 2002. С.217-220.

4. Кириченко И.А., Старченко И. Б., Тимошенко В. И. Модель параметрической антенны с учетом нелинейного взаимодействия первичных волн в гидродинамическом потоке/ VI сессия Российского акустического общества. М., 1997. С.67-70.

5. Зайцев В.Ю., Раевский М.А. Параметрическое излучение звука в среде со случайными неоднородностями // Акуст. журнал. Т. 36. № 2. 1974. С. 288-295.

6. Брэдшоу П. Введение в турбулентность и ее измерение. М.: Мир,1974. 278 с.

В.В. Салов

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ АНТЕННЫ

Имитационное моделирование предполагает исследование поведения сложной системы "антенна - водная среда" на ее модели. Модельные исследования имеют ряд преимуществ перед натурными: возможность вариации параметрами систем, внешними условиями и выбором модели. Преимущество имитационного подхода состоит в том, что возможно моделирование ситуаций, которые трудно воспроизводимы в натурных и лабораторных условиях со сложными начальными условиями.

Параметрические антенны (ПА) нашли свою сферу применения в изучении Мирового океана. В большинстве случаев выбор в пользу ПА основан на ее уникальных свойствах, таких как узкая частотно независимая диаграмма направленности, широкий диапазон рабочих частот и других.

Рассмотрение работы ПА в реальных условиях необходимо проводить с учетом вероятностных характеристик акустических сигналов. Как известно, существует ряд моделей, уравнения которых описывают распространение сигналов ПА. При этом разные модели учитывают разные явления, влияющие на распространение сигналов, или учитывают существование этих явлений по-разному. Так, например, известные модели ПА, построенные на решении уравнения Хохлова-Заболотской-Кузнецова, используют в качестве первичных сигналов гармонические - идеализированные.

В процессе создания имитационной системы для всестороннего анализа различных явлений и процессов проведена систематизация известных моделей распространения сигналов ПА и моделей акустических сигналов.