Особенности поведения характеристик параметрических гидроакустических антенн при экологическом мониторинге приповерхностного слоя моря

5,5 и 9 раз, а в едином поле в 3,8 и 6,6 раза. В течение последующей секунды частицы укрупнились соответственно в скрещенных полях в 1,5 и 1,7 раза, в едином - в 1,8 и 1,9 раза.

Оценивая влияние интенсивности звукового поля и времени озвучивания, отметим, что в скрещенных звуковых полях при амплитуде колебательной скорости 50 - 100 см/с необходимое время озвучивания не превышает 1 с, при этом относительная счетная концентрация частиц уменьшается в 5 - 10 раз. В едином звуковом поле для получения аналогичного эффекта время озвучивания нужно увеличивать до 1,5 с. Увеличение времени озвучивания в скрещенных полях свыше 1 с экономически не выгодно. Так, при той же затрате акустической энергии укрупнение частиц в течение последующей секунды в 4 - 5 раз меньшее, чем в течение первой секунды.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Т1шошенко В.И., Чернов НМ. Взаимодействие и диффузия частиц в звуковом поле.

- Ростов на Дону: Ростиздат, 2003. - 304 с.

ОСОБЕННОСТИ ПОВЕДЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ АНТЕНН ПРИ ЭКОЛОГИЧЕСКОМ МОНИТОРИНГЕ ПРИПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ МОРЯ

В.А. Воронин, С.С. Коновалова, Т.Н. Куценко, С.П. Тарасов

Экологический мониторинг водной среды одной из своих основных задач подразумевает оценку загрязненности приповерхностного слоя моря, в котором концентрируются фазовые включения различного происхождения, нефтяные продукты, , , приводят к рассеянию звука, дополнительному затуханию, дисперсии скорости зву, , ряда других акустических характеристик, важных для проведения исследований и . -ботка методов решения обратных задач с применением акустических методов, которые зачастую являются единственными дистанционными методами исследований свойств и структуры неоднородных сред. Объемное рассеяние, обусловленное флюк-, , , , -однородностями существует практически в любых районах Мирового океана. Акустические характеристики поля объемного рассеяния звука в океане обладают пространственной и временной изменчивостью. Наличие связи между слоистой структурой поля объемного рассеяния звука и тонкой гидрофизической структурой водной толщи свидетельствует о перспективности использования гидроакустических локационных методов для диагностики океана. Поскольку рассеиватели в океане имеют ,

.

необходимо создание диагностического инструментария, обладающего свойствами изменения параметров зондирующих сигналов в широком диапазоне и способностью адаптации к условиям измерений [1].

Одним из важных и наименее изученных является вопрос работы гидроакустических средств в приповерхностном слое. По своим характеристикам приповерхностный слой резко отличается от остальной морской среды. Он характеризуется аномально высокими концентрациями газовых пузырьков, которые приводят к повышенному рассеянию и поглощению звука, к снижению скорости распространения волн, к усилению нелинейных характеристик водного слоя. Так, значение нелинейного параметра увеличивается более чем на порядок, что подтверждено эксперимен-

тальными результатами [2]. С глубиной концентрация пузырьков уменьшается, соответственно уменьшается с глубиной и значение нелинейного параметра. В последнее время наметился новый подъем в развитии акустических методов диагностики. Традиционные линейные методы акустической диагностики микронеоднородных сред оказываются во многом противоречивыми, в связи с чем, возникает необходимость разработки других, новых, более современных методов. Таковыми оказались, прежде всего, нелинейные методы на основе использования параметрических антенн [3]. Эффективность применения параметрических антенн обусловлена особенностями, присущими только этому классу приборов. Это - широкополосность, высокая направленность, одинаковая во всем частотном диапазоне, малогабаритность при излучении низких частот, низкий уровень бокового поля. Большой научный и практический интерес представляет вопрос влияния особенностей приповерхностного слоя, в ,

нелинейного взаимодействия акустических волн

В настоящей работе обсуждается поведение характеристик параметрических антенн в приповерхностном слое моря в условиях изменяющегося нелинейного параметра с целью построения параметрических гидроакустических систем для экологического мониторинга и диагностики структуры морской среды.

Нами разработана математическая и физическая модель параметрической антенны в среде с уменьшающимся параметром нелинейности вдоль трассы распространения взаимодействующих волн [4]. Модель параметрической антенны предполагается состоящей из множества парциальных параметрических антенн разной длины и имеющих разную эффективность излучения. Эффективность излучения первой антенны будет пропорциональна нелинейному параметру в обычной воде. Эффективность же излучения остальных парциальных антенн окажется пропорциональна превышению нелинейного параметра этого участка над нелинейным параметром .

началом параметрической антенны в среде с постоянным (наименьшим) нелинейным параметром (в данном случае £=3,5). А длина каждой из параметрических антенн

,

.

В настоящей работе обсуждается модель параметрической антенны в среде с произвольно изменяющимся нелинейным параметром. В ее основе лежит принцип суммирования отдельных парциальных параметрических антенн, параметры и размеры которых определяются в основном закономерностью изменения нелинейного параметра приповерхностного слоя океана. Координаты начала и конца каждой парциальной параметрической антенны определяются расстоянием, на котором происходит изменение нелинейного параметра водной среды. Эффективность излучения каждой парциальной антенны пропорциональна градиенту изменения нелинейного .

Получено математическое выражение, позволяющее оценить на расстояни-, , -метрической антенны в среде с изменяющимся по любому закону нелинейным пара.

ехр - у -

У 3 + (у - - 2т '))//3 + уБ1 (у - 2т )//3

К

рт (гт,)= АУ )'АеУт,) /

1 +

V. ^От у

1

к

к

где V - количество циклов изменения параметра нелинейности среды, при его немонотонном изменении, вдоль трассы распространения взаимодействующих волн; г -количество парциальных параметрических антенн в одном цикле изменения нелинейного параметра в среде; т - номер парциальной параметрической антенны; 2т , -

координата начала т - й парциальной параметрической антенны; хт - координата

кз

конца т - й парциальной параметрической антенны (фактически - координата границы ближней зоны парциальной антенны накачки); Ае - нелинейный параметр среды, в пределах которой действует парциальная параметрическая антенна.

(1) -стики парциальных параметрических антенн в пределах зоны активного взаимодей-,

.

Некоторая упрощенность такой модели состоит в предположении одинаковости в обеих частях антенны таких характеристик среды, как скорость звука, плотность и затухание звука.

На примере расчета характеристик параметрической антенны с использованием экспериментальных данных по акустической нелинейности в Тихом океане показано существенное влияние нелинейного параметра приповерхностного слоя на уровень звукового давления сигнала разностной частоты.

, -ционально глубине моря, в пределах от е=40 до е=3,5 (примерно соответствует результатам измерений в Тихом океане на частоте 50 кГц, выполненных В.А.Булановым [2]), то осевое распределение звукового давления параметрической антенны, направленной вертикально вниз, будет таким, как на рис. 2 (кривая для О0).

Интересно поведение характеристики параметрической антенны, направлен, ( . 1). длина области изменения нелинейного параметра увеличивается соответственно углу .

Рис. 1

Результаты расчетов показывают, что участок области нелинейного взаимодействия параметрической антенны, на котором амплитуда давления ВРЧ растет, определяется не только длиной ближней зоны антенны накачки (как в среде с посто-

), -метра. Более резкое уменьшение значения нелинейного параметра приводит к сокра-

щению участка, на котором наблюдается рост звукового давления. Соответственно и максимальное значение на оси антенны, которого достигает амплитуда ВРЧ, оказы-.

среде с монотонно уменьшающимся нелинейным параметром после резкого увеличения до максимального значения так же резко падает при снижении нелинейного параметра и стремится в дальней зоне к значению уровня звукового давления при постоянном наинизшем значении нелинейного параметра среды. То, что высокий уровень звукового давления разностной частоты не сохраняется, очевидно, объясняется расширением характеристик направленности антенн из-за ограничения зоны взаимодействия резким снижением нелинейного параметра среды.

,

, , на котором осевое распределение давления имеет максимальное значение, зависит от длины ближней зоны. Для параметрических антенн с одинаковым снижением по частоте и одинаковой длиной ближней зоны расстояние до максимума в осевом распределении давления одинаково.

Проводились расчеты осевого распределения звукового давления разностной частоты параметрической антенны, работающей в среде с увеличивающимся нели. -сы распространения взаимодействующих волн предполагались линейными, глубина погружения антенн Н = 10 м, что соответствует изменению £ОТ 20 до 40, положения антенн показаны на рис.3.

На рис. 4 показаны графики осевого распределения звукового давления разностной частоты 6 кГц параметрической антенны, погруженной на глубину 10 м с частотами накачки в районе 30 кГ ц, размером антенны накачки 1 м, обеспечивающим ширину характеристики направленности 3°. Интенсивность волн накачки составляла 2Вт/см2. Графики демонстрируют изменение уровня давления вдоль параметриче-, ,

10 , 60° .

, 20 . поверхностью показано пунктирной линией. Верхняя и нижняя кривые соответствуют распределению уровня звукового давления в среде с постоянным нелинейным параметром равным 40 и 20.

12

Рис. 4

Результаты расчетов показали степень влияния на осевое распределение амплитуды звукового давления разностной частоты характера и градиента изменения нелинейного параметра среды. Разработанные модели и методики позволяют рассчитать пространственное распределение уровня звукового давления параметрической антенны в среде с изменяющимся вдоль трассы распространения волн нелинейным

параметром, характерным для приповерхностного слоя моря. Полученные результаты могут лежать в основе разработки более совершенных адаптивных гидроакустических средств дистанционного экологического мониторинга морской среды.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Коновалова С.С. Измерение распределений коэффициента обратного объемного рассеяния в океане с помощью параметрических гидролокационных систем. Известия ТРТУ. Тематический выпуск «Нелинейные акустические системы НЕЛАКС -2003». Материалы научно-технической конференции. Таганрог. 2003. №6(35). 65 с.

2. . . -костей. Дальнаука. 2001. - 280с.

3. Воронин В.А., Тарасов С.П., Тимошенко В.И. Гидроакустические параметрические системы. - Ростов на Дону: Ростиздат. 2004. - 400с.

4. . ., . ., . ., . . -

//

ТРТУ. Тематический выпуск «Нелинейные акустические системы НЕЛАКС -2003». Материалы научно-технической конференции. Таганрог. 2003. №6(35). - С. 111.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ ПАНОРАМНОГО ЭХОЛОТА-ВИДЕОПЛОТТЕРА В ТАГАНРОГСКОМ ПОДХОДНОМ КАНАЛЕ ПО РЫБНЫМ ОБЪЕКТАМ И ИСКУССТВЕННЫМ ЦЕЛЯМ НА МЕЛКОВОДЬЕ

АЛ. Долгов, А.В. Ходотов

Поиск и комплексная оценка рыбных скоплений на мелководье является одной из важнейших задач промысловой гидроакустики. Если обнаружение рыбных скоплений при средних и больших глубинах не встречает особых затруднений, то поиск в мелком море вблизи поверхности и дна является сложной научно. ,

напора воды и шумов судна рыбы пугаются и делают броски в сторону от курса судна. Естественно, они не попадают в зону обзора эхолота. Поэтому гидроакустические съемки на малых глубинах традиционно не производились.

В качестве средства, позволяющего производить на мелководье поиск рыбных скоплений под судном и в стороне от судна, регистрацию на электронной карте их местоположений и количественную оценку, предлагается панорамный эхолот-видеоплоттер (ПЭВ-К). В состав комплекса входят: эхолот, имеющий две характеристики направленности (узкую и широкую), два гидролокатора бокового обзора (ГБО) с переключаемой шириной характеристики направленности, электронная картографическая система, приемник спутниковой навигации GPS, цифровой блок обработки сигналов и пульт управления и индикации на базе цветного дисплея.

Количественная оценка рыбных скоплений, осуществляемая в эхолотном тракте ПЭВ-К, производится по известным алгоритмам эхо-счета и эхо-интегрирования. Для реализации алгоритмов количественной оценки и решения ресурсных задач в промысловых районах эхолот-видеоплоттер ПЭВ-К обладает необходимыми техническими характеристиками и навигационными возможностями.

, -дения гидроакустических съемок и программное обеспечение постпроцессинговой обработки записанных эхо-сигналов, которое позволяет производить оценку биоресурсов как под килем судна, так и в стороне от него.