Реализация средств нелинейной гидроакустики с учетом влияния неоднородностей среды

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

Теоретически рассчитанная характеристика направленности преобразователя накачки, используемого при проведении экспериментальных исследований, приведена на рис. 2. По полученной зависимости может быть определена ширина характеристики направленности по давлению на уровне 0,7 и уровень боковых лепестков. Амплитуду остальных добавочных максимумов можно не определять, так как её уровень значительно ниже 13%.

0.1

0

и

К

и

-72 0 -5 4 0

-3 6 0 -18

0 п 0

5 4 0 72 0

9 0 0  , град

Рис. 2. Характеристика направленности преобразователя накачки

0.9

0.8

0 . 7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

На рис. 3 показано экспериментально полученное поперечное распределение звукового давления исходных волн накачки.

В качестве приемника звуковых колебаний волны разностной частоты при проведении экспериментальных исследований применяются линейные антенны. Ширина характеристики направленности приемной антенны должна быть не уже, чем ширина характеристики направленности преобразователя накачки в режиме излучения во всем диапазоне частот. Это необходимо для того, чтобы приемная антенна принимала эхосигнал от всего озвученного излучающей антенной объема водной среды.

На рис. 4 показана обобщенная структурная схема измерительного гидроакустического комплекса с параметрической излучающей антенной [2]. В состав гидроакустического комплекса входят следующие модули: система управления 1; формирователь сигналов накачки 2; двухканальный усилитель мощности 3; излучающий преобразователь накачки 4;

приемный тракт, состоящий из входных фильтров с предварительными усилителями 6 и приемника 5;

приемная антенна сигналов разностной частоты 7;

дополнительный приемный тракт, который по своей структуре аналогичен рассмотренному выше и включает в свой состав приемную антенну 7', блок входных фильтров и предварительных усилителей 6' и приемник 5, предназначенный для расширения круга исследовательских задач, в том случае, когда необходим прием рассеянного сигнала двумя разнесенными в пространстве приемными антеннами; источник питания 8; компьютер 9;

блок датчиков 10, включающий в себя измеритель скорости звука в воде и датчики температуры и солености.

Экспериментальные исследования влияния неоднородного гидродинамического потока на процесс нелинейного взаимодействия акустических волн показали, что, помимо повышения уровня звукового давления волны разностной частоты (ВРЧ), возникают периодические флуктуации уровня ВРЧ [4].

Одной из причин изменения амплитуды звукового сигнала является перераспределение разности фаз [5]. Однако этот фактор является доминирующим для случая рассеяния и отражения звуковых волн от дна и поверхности океана. Влияние компонент структуры газовых пузырьков не приводит к разрушению структуры виртуальных источников в области нелинейного взаимодействия исходных волн накачки. Правильная интерпретация экспериментальных данных позволяет выявить особенности нелинейного взаимодействия акустических волн и оценить адекватность физической модели формирования характеристик поля параметрической излучающей антенны в реальных условиях.

Такая постановка приводит к задаче определения корреляции флуктуаций уровня звукового давления ВРЧ. При теоретическом рассмотрении этой задачи важнейшим параметром является определение аналитического выражения для временного интервала корреляции т0, который определяется по спаду функции корреляции Ь(т) в е раз. Для случая, когда точка наблюдения находится в ближней зоне, приближенное аналитическое выражение для т0 имеет вид [1]

Рис. 4. Обобщенная структурная схема измерительного гидроакустического комплекса с излучающей параметриче-Рис. 3. Поперечное распределе- скоп антенной

ние звукового давления волн накачки

То=1/1,41юо

где ю0 - круговая частота; V - скорость движения среды относительно поверхности акустической системы; с - скорость звука в среде; tg5 - тангенс угла раскрыва характеристики направленности акустической системы.

Пространственный радиус корреляции рг в этом случае определяется как [1]

рг=х^=с/1,41 ю ^5.

В результате обработки экспериментальных данных были определены значения временного интервала корреляции т0 и пространственного радиуса корреляции рг. Значение рг составило 5,1 м, что позволяет сделать вывод о том, что пространственный радиус корреляции рг много больше длин волн, участвующих в процессе нелинейного взаимодействия, и добавка к суммарному полю ВРЧ за счет неоднородности среды когерентна.

На рис.5 показана временная зависимость амплитуды звукового давления ВРЧ с частотой 32 кГц, измеренная в среде с нестационарной структурой газовых пузырьков в области нелинейного взаимодействия. Измерительный гидрофон в процессе исследований располагался непосредственно в области существования газовых пузырьков. Структура газовых пузырьков формировалась путем нагнетания воздуха в трубчатые элементы, расположенные на глубине 2м на дне измерительного гидроакустического бассейна. В процессе исследований измерение размеров газовых пузырьков и оценка концентрации пузырьков по их резонансным размерам не проводилась. Однако результаты акустического зондирования газовых пузырьков в морской среде показали, что при таком способе формирования области газовых пузырьков происходит постоянное изменение размеров пузырька при всплытии. Перемешивание образовавшихся пузырьков в непосредственной близости от трубчатых элементов приводит к тому, что закон распределения пузырьков в пределах образованной структуры близок к нормальному закону распределения. Результаты исследований показывают, что в зависимости от условий, создаваемых в измерительном бассейне, возникают периодические эффекты как уменьшения амплитуды по сравнению с однородной средой, так и повышения амплитуды ВРЧ.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Акустика океана / Под ред. Бреховских Л. М - М.: Наука, 1974. - 694 с.

2. Воронин В.А., Кириченко И.А. Исследование параметрических акустических антенн для проведения экологического мониторинга водной экосистемы // Известия ТРТУ. - Таганрог: ТРТУ, №2, 2001. - С.100-104.

3. Кириченко И.А. Параметрическая антенна в задачах экологического мониторинга водной экосистемы мелкого моря // Х1 Сессия РАО, Школа-семинар «Акустика океана». - М. 2002. - С.217-220.

4. Кириченко И.А. Исследование флуктуаций амплитуды звукового давления волны разностной частоты в среде с неоднородным гидродинамическим потоком // Известия ТРТУ. Таганрог: ТРТУ, №6, 2003. - С. 42-45.

5. Акуличев В.А., Буланов В.А., Клепин С.А. Акустическое зондирование газовых пузырьков в морской среде // Акуст. журн., 1986. Т. 32. №3. - С.289-295.

К ВОПРОСУ О ПРИМЕНИМОСТИ СТАТИСТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ АНАЛИЗА К ОЦЕНКЕ ХАРАКТЕРИСТИК СЛОЖНЫХ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПРИ МАЛОМ ОБЪЁМЕ НАТУРНЫХ ИСПЫТАНИЙ

А. А. Киселев

ОАО «Таганрогский завод "Прибой"»

На основе анализа методов проверки соответствия требованиям ТТЗ основных характеристик сложных гидроакустических систем (ГАС) при проведении предварительных (ПИ), государственных (ГИ) и межведомственных (МВИ) испы-