Исследование влияния неоднородного гидродинамического потока на спектр волны разностной частоты

Представленная методика и результаты расчетов демонстрируют возможность автоматизации процесса измерения коэффициента обратного объемного рассеяния в океане. Широкополосные параметрические антенны с одинаковой направленностью на всех используемых для измерений частотах обеспечат получение полной характеристики рассеивающего объема океана в реальном времени.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. СташкевичА.П. Акустика моря. Л.: Судостроение, 1966. С. 354.

2. Житковский Ю.Ю., Котляров В.В., Кузнецов В.П., Тарасов С.П., Тимошенко В.И.

Исследование объемного рассеяния звука в океане параметрическим гидролокатором // Доклады Академии наук СССР. 1989. Т.305. №4. С. 970-973.

И. А. Кириченко

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НЕОДНОРОДНОГО ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ПОТОКА НА СПЕКТР ВОЛНЫ РАЗНОСТНОЙ ЧАСТОТЫ

В процессе взаимодействия исходных волн накачки в среде, движущейся со скоростью и, образование вторичного поля акустических волн имеет более сложный характер, чем взаимодействие в неподвижной среде: происходит изменение длин волн накачки и волн, образуемых в результате нелинейного взаимодействия. Результаты решений задачи о взаимодействии монохроматических и шумовых волн показали, что их спектры претерпевают искажения и происходит перераспределение энергии как в область низких частот, так и в область высоких [1-4].

Теоретические и экспериментальные исследования влияния гидродинамического потока, находящегося в ближнем поле параметрической антенны, на процесс нелинейного взаимодействия акустических волн показали, что движение среды приводит к появлению комбинационных волн с отличающимися частотами [5], в характеристике направленности параметрической излучающей антенны появляются дополнительные максимумы [6,7], происходит изменение уровня звукового давления волны разностной частоты в области, связанной с гидродинамическим потоком [8].

В данной работе представлены результаты экспериментальных исследований влияния потока жидкости на спектр вторичного поля параметрической антенны. При измерении поля скорости гидродинамического потока использовался измеритель скорости течений, позволяющий определять среднюю скорость натекающего потока с точностью до 10%. Измерение поля скорости потока проводилось для различных режимов работы устройства формирования гидродинамического потока. Поскольку условия измерений в гидроакустическом бассейне отличаются от измерений в безграничном пространстве, то первоначально была проведена оценка временного интервала, в течение которого характеристики потока можно считать постоянными. Временной границей было выбрано время Т = 10мин. Оно определяет момент наступления циркуляции воды в гидроакустическом бассейне, что приводит к изменению границ потока. Была проведена оценка спектра шума, возбуждаемого гидродинамическим потоком в измерительном бассейне. Основные спектральные составляющие шума сосредоточены в низкочастотной области до 2 кГц. При этом наибольшая интенсивность наблюдалась на дискретных частотах ниже 1 кГц. На рис.1 показана геометрия эксперимента, где 1- преобразователь накачки параметрической излучающей антенны, 2 - низкочастотный приемный гидрофон, расположенный за пределами потока жидкости, 3 - низкочастотный гидрофон, расположенный в потоке жидкости, 4-гидродинамический поток.

На рис. 2 представлен спектр шума гидродинамического потока, создаваемого в измерительном гидроакустическом бассейне.

Экспериментально были определены пространственные характеристики неоднородного гидродинамического потока и, вытекающего из конца трубки диаметром 25 мм. Скорость натекающего потока и, измеренная на расстоянии 0,5 м от среза сопла, составляла для различных режимов работы установки 0,5; 1 и 3 м/с. Область, связанная с течением жидкости, представляет собой конус с углом раскрыва 2а=300, что согласуется с результатами экспериментов [9], где показано, что угол раскрыва конуса имеет значение около 250. Разницу в значении 2а можно объяснить погрешностью измерений из-за конечных размеров измерителя скорости потока и ограничениями, вызванными конечными размерами гидроакустического бассейна.

На рис.3 и 4 показаны спектры сигнала волны разностной частоты (ВРЧ) для однородной среды и среды с гидродинамическим потоком в области нелинейного взаимодействия.

Из рис.3 и 4 видно, что спектр ВРЧ вблизи спектральной компоненты 10 кГц в среде с гидродинамическим потоком расширен по сравнению со спектром в однородной среде. Это можно объяснить перераспределением энергии взаимодействующих волн.

С целью выяснения физики процесса влияния гидродинамического потока 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.

В рассмотренных выше экспериментах, результаты которых показаны на рис. 3 и рис. 4, минимальный масштаб потока оставался неизменным и был равен диаметру гибкой трубы, по которой струя воды поступала в гидроакустический бассейн. В рассматриваемом эксперименте перед срезом сопла, на расстоянии 20 см от него, была установлена металлическая решетка с размером ячейки порядка 5 мм и толщиной звена решетки (толщиной металлической проволоки) 1 мм. 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, однако, характер влияния гидродинамического потока на процесс нелинейного взаимодействия практически не изменился. В этом случае также происходило расширение спектральной компоненты в среде с гидродинамическим потоком, что, по всей видимости, обусловлено особенностями гидродинамических процессов в потоке.

Рис. 1. Геометрия экспериментального исследования

Вго«1 А К|шг

0 20 кГц

Рис. 2. Спектр шума гидродинамического потока

Нг«М* Л

0 10кГц 20 кГц

Рис. 3. Спектр сигнала ВРЧ 10 кГц в однородной сре

Рис. 4. Спектр сигнала ВРЧ 10 кГц в среде с потоком

Основной особенностью неоднородного гидродинамического потока, который, как показано в [9], при достаточно сильной струе (Яе>30), что характерно для рассматриваемых условий эксперимента, является беспорядочный характер движения в потоке. В результате этого возникают усиливающиеся пульсации скорости потока относительно средней величины и. По мере усиления пульсаций их форма постепенно изменяется от простых синусоидальных колебаний до беспорядочного завихренного движения. Скорость потока является непрерывной функцией пространства и времени. Распределение вероятностей скоростей в данной точке близко к распределению Гаусса. Поэтому неоднородный гидродинамический поток на практике описывается статистическими характеристиками, так как невозможно ни математи-

0

чески ни экспериментально охватить всю информацию, которая необходима для

полного описания процессов, происходящих в таком потоке.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Руденко О.В., Чиркин А.С. Теория нелинейного взаимодействия монохроматических и шумовых волн в слабодиспергирующих средах // ЖЭТФ. 1974. Т. 67. Вып. 5(11). С.1903-1911.

2. Руденко О.В., Солуян С.И., Хохлов Р.В. Проблемы теории нелинейной акустики. // Акуст. журнал. 1974. Т. ХХ. Вып. 3. С.449-457.

3. Гурбатов С.Н. Параметрическое взаимодействие и усиление случайных волн в недиспергирующей среде // Акуст. журнал. 1980. Т. XXVI. Вып. 4. С.551-559.

4. Гурбатов С.Н., Саичев А.И., Якушкин И.Г. Нелинейные волны и одномерная турбулентность в средах без дисперсии. // УФН. 1983. Т. 141. Вып.2. С. 221-255.

5. Колмаков И.А. Изменение частот акустических комбинационных волн в движущихся средах // Акуст. журнал. 1995. Т. 41. №2. С.341-343.

6. Есипов И.Б., Зименков С.В., Калачев А.И., Назаров В.Е. Зондирование океанического вихря направленным параметрическим излучением // Акуст. журнал. 1993. Т. 39. №1. С.173-176.

7. Наугольных К.А., Рыбак С.А., Скрынников Ю.И. О нелинейном взаимодействии акустических волн в неоднородном потоке жидкости // Акуст. журнал. 1993. Т. 39. №2. С.321-325.

8. 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: Акустика на пороге 21 века. М., 1997. С.67-70.

9. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. М.: Наука, 1986.

А.Н. Долгов

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ И ПОМЕХ ДЛЯ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ ТРЕНАЖЕРОВ

Мировой опыт показывает, что наиболее эффективным средством профессиональной подготовки операторов-гидроакустиков является тренажерная подготовка. Реализация моделей рыбопоисковых приборов в гидроакустических и рыбопромысловых тренажерах осуществляется с помощью имитатора сигналов и помех, обеспечивающих формирование в устройствах отображения пультов управления соответствующей графической информации и звуковых сигналов [1,2]. Основным условием пригодности математических моделей для использования в имитаторах тренажеров является требование недопустимости формирования ложных навыков управления рыбопоисковой аппаратурой при распознавании гидроакустических сигналов. Это достигается путем разработки и применения математических моделей, обеспечивающих реалистичность имитируемых сигналов, адекватных условиям промысла [3].

Известные из научной литературы математические модели компонент гидроакустических сигналов чаще всего или сильно упрощены, или, наоборот, настолько сложны, что их реализация в реальном масштабе времени проблематична. Кроме этого, довольно большое количество компонент сигналов, поступающих на вход гидроакустических рыбопоисковых приборов, до настоящего времени не рассматривалось.