Модель параметрической антенны для среды с изменяющимся параметром нелинейности и затуханием звука

МОДЕЛЬ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ АНТЕННЫ ДЛЯ СРЕДЫ С ИЗМЕНЯЮЩИМСЯ ПАРАМЕТРОМ НЕЛИНЕЙНОСТИ И ЗАТУХАНИЕМ ЗВУКА

М. А. Раскита

Таганрогский государственный радиотехнический университет

В работе [1] исследовалось влияние изменяющегося параметра нелинейности морской воды на характеристики параметрических антенн (ПА). В результате работы была представлена модель расчёта характеристик ПА в условиях изменяющегося параметра нелинейности. Некоторая упрощённость модели заключалась в предположении о постоянстве таких характеристик среды, как плотность, скорость и затухание звука. В настоящей работе осуществляется учёт не только изменяющегося параметра нелинейности морской воды, но и коэффициента затухания звука. Предполагается, что изменения обоих параметров предопределены одним условием - существованием приповерхностного слоя пузырьков, влияние которого на характеристики ПА необходимо учитывать при зондировании морской среды.

Рассматриваемая модель получена непосредственно из уравнения ХЗК с переменными параметром нелинейности и коэффициентом затухания. Решение уравнения ХЗК находилось для круглого гауссова звукового пучка по той же технологии (с преобразованиями Фурье-Бесселя), что и для случая с постоянными рассматриваемыми параметрами [2].

В результате решения уравнения ХЗК с параметром нелинейности е(2) и коэффициентом затухания в(2) как функциями координаты г получим выражение для расчёта характеристик ПА при вертикальном зондировании морской среды:

є( у)ЄХр

Р-= А.{

-в( у) У--

2 г 2

і - +у

Ь

д

211

д

где А = і

о 1 - ‘

КЬ д

~Роі Ро2

йу’

2^о Р

В выражении (і) вг) - эффективный коэффициент затухания, равный [2]

в(г) = А (+ Рг(- Р- (,

где Д,2(г) - коэффициенты затухания на частотах накачки, р_(г) - коэффициент затухания на разностной частоте.

Известно [3], что, наряду с традиционным механизмом затухания звука в воде, в морской воде существует дополнительное затухание звука на пузырьках газа и других резонансных включениях за счёт резонансного рассеяния и поглощения звука. В этом случае можно считать [3], что коэффициент затухания звука равен

где АДг) с увеличением глубины г уменьшается по закону АДг)=700(1+0Дг) 1/2; g(R) -функция распределения пузырьков по размерам в зависимости от глубины.

г

2

а

іі8

Начиная с нижней границы пузырькового слоя, значения Д,2 будут определяться из известного выражения для нахождения коэффициента затухания звука в воде:

0,036 -I •%

в = ч '1000j

Д’2 8,686 -1000 ’

где частоты накачки/,2 задаются в Гц.

Зависимостью в-(2) пренебрежём, поскольку она не оказывает влияния на эффективный коэффициент затухания (2), и положим значение Д_, определяемое аналогично (4). Вследствие того, что Д~Д~Д), итоговое выражение для определения эффективного коэффициента затухания для приповерхностного пузырькового слоя запишется в виде

Д

Аналогично избыточному затуханию для жидкости с пузырьками газа вводится понятие эффективного нелинейного параметра ее:

8е =80 + 8 ,

где е соответствует вкладу в эффективный нелинейный параметр нелинейности, обусловленной колебаниями пузырьков в жидкости. Согласно [3], величину е можно определить с помощью функции распределения пузырьков по размерам g(R):

8* 4 -10 -2 Л40 g 0^0).

Для пузырьков, резонансных на частоте /0=150 кГц ^0=20 мкм), значение е = 25. Соответственно эффективный нелинейный параметр ее, определяемый из выражения (6), где е0 - значение параметра нелинейности в чистой воде (е0=3,5), принимает значение ее=28,5. Очевидно, что параметр нелинейности зависит от концентрации пузырьков в приповерхностном слое, величина которой, в свою очередь, зависит от глубины. В итоге предлагается следующая зависимость параметра нелиней-

ности от глубины [3]:

8

где к - глубина приповерхностного слоя пузырьков. Начиная с нижней границы пузырькового слоя, значение эффективного нелинейного параметра принимает значение ее=3,5.

На рис. 1, 2 представлены пространственные зависимости эффективного коэффициента затухания Дг) и эффективного нелинейного параметра е(г), рассчитанные в соответствии с выражениями (5) и (8).

На рис. 3 представлены осевые распределения амплитуд звукового давления волны разностной частоты ^1=20 кГц для центральной частоты накачки /0=150 кГц, амплитуд её давления р01,02=105 Па и ширины характеристики направленности преобразователя накачки 200>7=2О. Кривая 1 построена без учёта затухания и учитывает только пространственные изменения е(г). При построении кривой 2 во внимание берётся также и изменение эффективного коэффициента затухания.

Рис. 1. Распределение эфф^кТиВнОго коэффициента затухания

Рис. 2. Распределение эффективного параметра нелинейности

Из полученных зависимостей видно, что, как и в случае изменяющегося в пространстве параметра нелинейности по сравнению с его постоянным значением [1], участок области взаимодействия параметрической антенны, на котором амплитуда давления ВРЧ возрастает/ определяется не только длиной ближней зоны антенны накачки и градиентом изменения параметра нелинейности, но и градиентом изменения эффективного коэффициента затухания звука. Причём, несмотря на повышенное

затухание волн накачки в приповерхностном слое моря, амплитуда давления волн разностной частоты имеет достаточно высокий уровень, близкий к уровню звукового давления параметрической антенны, работающей в среде без затухания.

В результате анализа полученных характеристик ПА можно сделать вывод, что рассматриваемая модель расчёта позволяет проследить динамику изменения! Омплитуды 5 осевого20 распределения давления ВРЧ в условиях изменяющихся в пространстве нелинейного параметра и коэффициента затухания звука в воде вдоль трассы распространения акустических волн.

Рис. 3. Осевые распределения амплитудзвукового давления ВРЧ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИИ СПИСОК

1. Борисов С.А.,. Раскита М.А. Модель параметрической антенны для морской среды с изменяющимся параметром нелинейности // Известия ТРТУ. Тематический вы-

25 z,м

пуск «Проблемы прикладной гидроакустики». Материалы научно-технической конференции. - Таганрог, 2004.

2. Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика. - Л.: Судостроение, 1981.- 264 с.

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

РЕАЛИЗАЦИЯ СРЕДСТВ НЕЛИНЕИНОИ ГИДРОАКУСТИКИ С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ среды

И. А. Кириченко

Таганрогский государственный радиотехнический университет

Акустические волны в водах океана рассеиваются на дискретных препятствиях. Это разнообразные подводные неоднородности, объем каждой из которых четко очерчен, а на границах препятствия акустические свойства среды изменяются скачком. Как пузырьки воздуха, так и живые организмы неоднородно распределены по глубине океана. Пузырьки воздуха находятся непосредственно под поверхностью воды и образуют слой толщиной 20 - 30 м. Поле, рассеянное слоем этих пузырьков, практически неотделимо от поля, рассеянного неровностями поверхности [1].

В процессе работы с параметрическими антеннами [2, 3] было выявлено, что в зависимости от назначения параметрического прибора в электронной схеме формирования могут быть использованы: амплитудно-модулированные колебания (АМК), двухполосные сигналы (Б8Б), двухканальная система независимых генераторов, час-тотно-модулированные сигналы (ЧМ), линейно-частотно-модулированные колебания (ЛЧМ).

Двухканальная схема формирования сигналов накачки представлена на рис. 1. ВЧ-колебания с генераторов 1 и 2 поступают на импульсные модуляторы 3 и 5, где они модулируются импульсами с выхода генератора импульсов 4. Сформированные импульсы колебаний волн накачки усиливаются усилителями 6 и 7 и подаются на преобразователь накачки 8.

Использование двухканального метода полностью исключает взаимодействие исходных частот в электронном тракте. Появляется возможность независимой регулировки амплитуды и частоты в каждом канале в отдельности. На практике для научных исследований целесообразно выбирать излучающую антенну с круглым раскрывом. Такая антенна волн накачки обеспечивает равномерное распределение акустического давления в пространстве на главной акустической оси антенны и формирует заданную ширину характеристики направленности в любой из плоскостей.

При использовании двухканальной схемы формирования параметрической антенны каждый из сигналов должен излучаться отдельной системой преобразователей (или отдельным преобразователем) накачки. Активные элементы преобразователя накачки должны располагаться в определённом порядке по поверхности преобразователя так, чтобы обеспечить эффективное взаимодействие акустических волн.

Рис. 1. Двухканальная схема формирования сигналов