Особенности применения параметрических акустических антенн для проведения экологического мониторинга водной экосистемы

торого пропорциональна только ускорению объекта, а все другие сигналы, принимаемые ДП (вибрации, электромагнитные наводки, сигналы, прошедшие по воздушному акустическому каналу) оказываются за пределами полосы пропускания фильтра ДП. Так как амплитуда напряжения на выходе ДП изменяет не только величину, но и полярность, относительно нулевого уровня, то выход фильтра соединен с инвертирующим входом второго разностного усилителя, на неинвертирующий вход которого подано постоянное опорное напряжение. В результате на выходе получаем напряжение положительной полярности, амплитуда которого в состоянии покоя ДП равна Uori , а при вертикальных перемещениях изменяется от 0 до 2 U0[7 Подавая этот сигнал на вход генератора, управляемого напряжением, можно получить сигнал, частота которого пропорциональна ускорению объекта установки ДП.

Лабораторные исследования ДП проводились с целью определения его чувствительности в условиях искусственной качки. Искусственная качка создавалась при следующих условиях: ДП закреплялся на конце рычага из металлического профиля на расстоянии 1 м от точки опоры рычага. Создавалось качание датчика с периодом порядка 2 с. Отклонение от положения покоя ДП составляло 0,5 м. На выходе ДП изменение амплитуды составило symbol 177 \f "Times New Roman" \s ! 2±0,02 В. Визуальное наблюдение изменение уровня напряжения на экране осциллографа показало, что у исследуемого датчика зависимость амплитуды выходного напряжения подвержена влиянию паразитных вибраций и толчков, которые присутствуют в условиях эксперимента. Применение фильтра нижних частот позволяет практически устранить влияние паразитных механических помех. Влияние помех после фильтра проявляется только при ударах непосредственно по-корпусу датчика.

ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ АКУСТИЧЕСКИХ АНТЕНН ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ВОДНОЙ ЭКОСИСТЕМЫ

В. А. Воронин, И. А. Кириченко (ТРТУ, г. Таганрог.j

Results of theoretical and experimental investigations of using the parametric arrays for solving a problem of inverse volume diffusing a sound and results of hydrophysic fields of water ecosystem modeling are considered.

Одной из задач экологических исследований является дистанционное зондирование водной среды с целью измерения обратного объемного рассеяния звука как от самой водной среды, так и от донных осадков, которое всегда содержит обширную информацию о неоднородностях среды распространения звука.

97

Для исследования обратного рассеяния звука широко применяются эхолоты [I]. Они позволяют производить измерения на ходу судна и наблюдать пространственную изменчивость рассеянного поля. Такие исследования относятся к методам непрерывного профилирования, базирующихся на решениях общей задачи метода отраженных волн [2]. Однако, использование обычных судовых эхолотов дает возможность представить только качественную картину рассеивающих слоев. Другими недостатками являются невозможность получения частотной зависимости акустических свойств рассеяния и то, что подобные исследования проводят на акваториях глубиной более 10 м и достаточно обширных, чтобы позволить свободное передвижение судов

[2,3].

Анализируя методы исследований водной экосистемы, можно заключить, что наиболее удобным для большинства задач экологического мониторинга, требующих не только общих количественных и качественных оценок, но и учета пространственной изменчивости водной структуры в широком диапазоне частот, является эхолотный метод наблюдения с использованием в качестве источника звука параметрической излучающей антенны. Преимуществами его являются возможность точного измерения координат неоднородностей водной экосистемы, вызывающих обратное рассеяние звука, непрерывная регистрация в процессе исследований на ходу судна при предельно малых (0,5-1м) глубинах, широкий частотный диапазон измеряемых параметров при постоянстве апертуры антенны, практическое отсутствие бокового излучения, которое при малых расстояниях до исследуемых неоднородностей способно вносить искажения в результаты измерений [3].

В рамках исследования особенностей работы параметрических антенн для целей экологического мониторинга было проведено моделирование поля скорости звука в воде [4] и измерение амплитудных характеристик поля звукового давления волны разностной частоты параметрической излучающей

Рис.]. Типовое распределение скорости звука, созданное в гидроакустическом бассейне

На рис. 1 представлены результаты экспериментальных исследований температурной зависимости скорости звука в измерительном гидроакустиче-

ском бассейне для различных условий работы установки. Результаты экспериментальных исследований наглядно показали возможность моделирования скорости звука в гидроакустическом бассейне для экспериментальных исследований характеристик параметрической антенны в среде с изменяющимся полем скорости звука [4].

На рис. 2 представлены экспериментально измеренные осевые распределения амплитуды звукового давления волны разностной частоты для параметрической антенны с диаметром преобразователя накачки <і = 18 мм, средней частотой накачки/=1,1 МГц для значения разностной частоты 60 кГц.

С целью проверки результатов измерений были проведены расчеты характеристик параметрической антенны по известным методикам [3]. На рис. 3 приведены рассчитанные осевые распределения амплитуды звукового давления волны разностной частоты для параметрической антенны с такими же значениями параметров, что и в эксперименте.

Видно, что изменение скорости звука на 4 % приводит к изменению амплитуды звукового давления волны разностной частоты на 18 % [1].

На рис. 4 приведены частотные зависимости амплитуды звукового давления отраженного сигнала волны разностной частоты в диапазоне частот 5-30 кГц. Кривая 1 соответствует зависимости, измеренной при отражении от плоского стального листа размером 1,0x1,5 м и толщиной 2 мм, расположенного на расстоянии 3 м от поверхности преобразователя накачки, и имеет характерный для частотной характеристике при отражении от акустически жесткой границы вид [3].

р/р,

1 . . _________________59 ______________________1РО

і 1 ' '

Рис. 2. Экспериментальная зависимость амплитуды звукового давления на оси высокочастотной параметрической антенны Р~60 кГц (а) и распределение скорости звука вдоль трассы распространения (б).1 - с=1500 м/с, 2 -с=с(х).

99

Рис. 3. Зависимость амплитуды звукового давления на оси параметрической антенны Р=60 кГц (а) от распределения скорости звука вдоль трассы распространения (б). 1 - с=1500 м/с, 2 - с=с(х).

Р,11а

Рис. 4. Частотная зависимость амплитуды звукового давления отраженного сигнала.

Анализ частотной зависимости при отражении от гидродинамического потока (кривая 2) позволяет сделать вывод о том, что, очевидно, минимальный масштаб неоднородностей создаваемого потока соизмерим с длиной волны разностной частоты в диапазоне 20-30 кГц.

На рис. 5 приведена экспериментально измеренная индикатриса рассеяния волны разностной частоты Р=30кГц на гидродинамическом потоке (и=3м/с) [5]. Анализ угловой зависимости рассеяния волны разностной частоты позволяет сделать вывод о хорошем совпадении результатов измерений с рассчитанными теоретически в [6] индикатрисами рассеяния волны на поле пульсаций скорости потока. При этом можно отметить, что уровень рассея-

100

ния вперед (0 =0?) превышает уровень рассеяния назад (&=18СР) примерно

на 8 дБ. Индикатриса рассеяния при угле &=9(Р имеет минимум, что совпадает с выводами, сделанными в [6].

Дистанционное зондирование водной экосистемы представляется важным направлением решения задачи экологического мониторинга и параметрические антенны в этой области являются незаменимым и уникальным инструментом для исследовательских целей.

Р/Р,

1,0 0°

т5 щ —-Ж ш' \ / & ь .]

90°

Я Я ш ж

у 180°

Рис. 5. Экспериментальная индикатриса рассеяния от неоднородного потока.

ЛИТЕРАТУРА

1. Воронин В.А., Кириченко И.А. Использование параметрического гидролокатора для экологических исследований донных осадков // Сб. тез. докл. МНТК " XX Гагаринские чтения", М., МГАТУ. 1994. стр.12-13.

2. Шерифф Р., Гепдарт Л. Сейсморазведка: В 2-х т. Т. 1./ Пер. с англ. М.: Мир, 1987.

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

4. Воронин В. А., Кириченко И. А. Моделирование поля скорости звука в стратифицированной среде // Электромеханика, 1995, №4.стр. 96-98.

5. Воронин В. А., Кириченко И. А., Тарасов С. П., Тимошенко В. И. Исследование характеристик параметрических антенн в неоднородной стратифицированной среде / В кн. Технические средства исследования Мирового океана / Под ред. Г. П. Турмова, Ю. Н. Кульчина.-Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 1996. стр. 78-84.

6. Красильников В.А., Крылов В.В. Введение в физическую акустику . М.: Наука, 1984.