Особенности характеристик параметрических антенн локаторов, предназначенных для поиска притопленных объектов в приповерхностном слое воды

В.В. Кобзев

ОСОБЕННОСТИ ХАРАКТЕРИСТИК ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ АНТЕНН ЛОКАТОРОВ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ ПОИСКА ПРИТОПЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ В ПРИПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ ВОДЫ

Поиск притопленных объектов в приповерхностном слое моря - довольно сложная задача. Использование параметрических антенн в гидроакустических системах поиска в этом случае несколько упрощает задачу, поскольку параметрические антенны обладают таким свойством, как отсутствие боковых лепестков, что снижает поверхностную реверберацию. Малые размеры антенны накачки позволяют использовать низкие частоты с высокой направленностью для поиска, что по сравнению с традиционными антеннами - большими по размерам на тех же частотах и теми же направленностями - является несомненным преимуществом. Однако взаимодействие волн накачки в параметрической антенне в приповерхностном слое происходит в условиях большого затухания волн из-за наличия газовых пузырьков и высокого коэффициента нелинейности по той же причине. С одной стороны, высокая нелинейность позволяет генерировать волны разностной частоты с большой амплитудой, а с другой - затухание укорачивает параметрическую антенну и изменяет ее характеристики. Так, укорочение антенны уменьшает дальность действия системы с параметрической антенной.

Коэффициент нелинейности в приповерхностном слое существенно изменяется, и наличие растворенного газа приводит к большому коэффициенту нелинейности. В [1] приведены зависимости коэффициента нелинейности от частоты и глубины водного слоя, которые приведены на рис. 1.

Рис. 1. Нелинейный параметр приповерхностного слоя субарктических

Анализ приведенных зависимостей показывает, что в слое глубиной до десяти метров коэффициент нелинейности увеличивается по сравнению с обезгаженной водой в десятки раз. В дальнейшем для расчетов будем принимать значения е от 10 до 30 для высоких частот накачки.

Рассмотрим, как изменяется затухание акустических волн в среде, содержащей равномерно распределенные пузырьки воздуха различных размеров. Для дальней-

-6

а

б

шего анализа характеристик параметрических антенн в такой среде будем проводить анализ затухания на пузырьках, резонансные размеры которых лежат как в области частот волн накачки, так и в области частот, генерируемых в результате нелинейного взаимодействия волн разностной частоты. При этом обратим внимание, что преобладающие резонансные размеры пузырьков могут находиться в одном случае в области частот волн накачки, в другом - в области волн разностной частоты и в третьем - случае в области промежуточных частот.

Для анализа воспользуемся известным выражением для определения затуха -ния акустических волн в среде с газовыми пузырьками [2,3]:

. х,2а2  п-(51ка)-йа а= 4-р !------------------,

X В2 +52

где Х1 и Х2 - минимальный и максимальный радиусы пузырьков находящихся в среде; п

- концентрация пузырьков газа в среде; § = ка + 4 •

2ра2

- постоянная затухания;

в =

—1; к - волновое число; а - резонансный радиус пузырька.

Для конкретности будем рассматривать среду с пузырьками, резонансные размеры которых лежат в диапазоне от 20 до 200 кГц. Нижняя граница определяется в области частот волн разностной частоты, а верхняя - в области частот волн накачки.

На рис. 2 приведены графики, показывающие изменения затухания акустических волн в среде с пузырьками для значений п = 1000 для резонансных частот пузырьков 20 кГц (кривая 1), 80 кГц (кривая 2) и 150 кГц (кривая 3).

Ї, кГц

Рис. 2. Зависимость коэффициента затухания от частоты при разных

размерах пузырьков

Используя в качестве частоты волны накачки частоту в районе 150 кГц, а частоту разностной волны - в диапазоне 20 кГц, необходимо в расчетах использовать затухание волн разностной частоты из кривой 1, а для волн накачки - из кри-

вой 3, при этом необходимо предположить что размеры пузырьков распределены по резонансным размерам равномерно.

Построим осевое распределение волны разностной частоты для параметрической антенны, работающей в воде с воздушными пузырьками, для трех приведенных резонансных размеров пузырьков. Расчеты будем проводить для следующих параметров антенны накачки и сигналов: средняя частота волны накачки -150 кГц; частота волны разностной частоты - 20 кГц, ширина характеристики направленности в излучении - 3 градуса, удельная мощность на преобразователе накачки - 3 Вт/см2.

Для проведения расчетов воспользуемся решением уравнения Хохлова - Заболотской - Кузнецова (ХЗК), в котором амплитуда волны разностной частоты описывается уравнением, приведенным в [4 - 6]:

На рис. 3 приведены осевые распределения волны разностной частоты для параметрической антенны в среде с аномальным затуханием и повышенной нелинейностью. Кривая 1 иллюстрирует осевое распределение в среде без пузырьков, кривая 2 - в среде с затуханием, обусловленным наличием газовых пузырьков, а кривая 3 - при совместном действии повышенной нелинейности за счет пузырьков и повышенного затухания по той же причине.

Анализ зависимостей показывает, что амплитуда волны разностной частоты существенно зависит от затухания, вносимого пузырьками, однако увеличение нелинейности в этом случае несколько компенсирует аномальное уменьшение амплитуды. При расчете энергетических параметров локационных систем с параметрическими антеннами необходимо учитывать эти явления.

На рис. 4 представлены осевые распределения волны разностной частоты в параметрической антенне, работающей в среде с пузырьками с учетом затухания и пузырьковой нелинейности, для случаев работы антенны в без пузырьковой среде (кривая 1), когда резонансный размер пузырьков совпадает с разностной частотой (кривая 2), а также когда резонансный размер пузырьков больше разностной частоты (кривая 3), т. е. пузырьки по резонансным размерам распределены в диапазоне частот 40 - 200 кГц, а разностная частота параметрической антенны равна 20 кГц.

Рис. 3. Осевые распределения волны разностной частоты при различном затухании и нелинейности в среде

Анализ распределений показывает, что при выборе разностной (рабочей) частоты параметрической антенны, меньшей резонансной частоты растворенных пузырьков, эффективность генерации волны разностной частоты повышается за счет пузырьковой нелинейности, и это явление может улучшить энергетические показатели гидроакустической системы с излучающей параметрической антенной.

Z, м

Рис. 4. Осевые распределения волны разностной частоты при различном затухании и нелинейности в среде

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

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

2. Колобаев П.А. Исследование концентрации и статистического распределения размеров пузырьков, создаваемых ветром в приповерхностном слое океана // Океанология. 1975. Т. 15. №6. С. 1013 - 1017.

3. Medvin H. 1т situ acoustic measurements of microbubles at sea. - J. Geoph. Res.

1977. V. 82. № 6. P. 971 - 976.

4. Воронин В.А., Тарасов С.П., Тимошенко В.И. Гидроакустические параметриче-

ские системы. - Ростов-на-Дону: Росиздат, 2004. - 368 с.

5. Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика. - Л.: Судостроение, 1981. - 265 с.

6. Новиков Б.К., Тимошенко В.И. Параметрические антенны в гидролокации. - Л.:

Судостроение, 1990. - 252 с.