Исследование характеристик параметрических антенн в движущейся среде с объектами различной формы

Проблема исследования свойств и характеристик Мирового океана известна и решается достаточно давно с использованием различного рода гидроакустических средств. Не потеряла она актуальности и в настоящее время, хотя теория распространения звуковых волн разработана достаточно хорошо [1, 5, 8−13] и применяется при разработках новой гидроакустической аппаратуры [69, 77, 79−81, 83]. В настоящее время расширился круг проблем вокруг Мирового океана, и на первый план выходят экологические исследования [53−55], в рамках которых осуществляется мониторинг основных гидрофизических, биохимических и др. параметров водных бассейнов. Актуальны также проблемы обеспечения судовождения, профилирования прибрежных районов, обеспечения работы гидроакустических средств в условиях мелкого моря, геологическая разведка. Все эти задачи могут быть успешно решены с использованием относительно нового класса гидроакустических приборов: параметрических антенн [8, 9]. Широкополосность, обеспечение высоконаправленного излучения в широком диапазоне частот при относительно малых габаритах исходного преобразователя накачки, отсутствие или малый уровень боковых лепестков — вот основные достоинства этого класса приборов. Кроме того, среда распространения первичных волн является антеннообразующей для поля основной рабочей частоты антенны — разностной. В силу этого еще одна особенность параметрических антенн может быть использована в задачах определения свойств среды — ее непосредственное влияние на пространственные характеристики параметрических антенн, такие как осевое распределение уровня звукового давления и диаграмма направленности. Если отвлечься от бассейновых лабораторных условий, то реальная морская среда является достаточно неоднородной: в ней присутствуют течения, различного рода объекты, который могут попадать в зону озвучения параметрической антенны и, соответственно, влиять на ее характеристики. Выяснив степень их влияния, можно будет решить обратную задачу: по виду характеристики или значениям амплитуды сделать вывод о параметрах самой среды — присутствии или отсутствии течения, его скорости, присутствии объекта и т. д. Такого рода задачи предполагается решить в данной диссертационной работе.

Исследование различных режимов и условий работы параметрических антенн ведутся на кафедре электрогидроакустической и медицинской техники Таганрогского государственного радиотехнического университета в рамках научного направления «Нелинейная гидроакустика», которое уже свыше 35 лет возглавляется заведующим кафедрой, доктором технических наук, профессором, академиком РАЕН Тимошенко В. И. За это время разработан ряд теоретических положений, созданы уникальные приборы, использующие принцип нелинейного взаимодействия волн в водной среде, вышли ряд монографий [8, 9, 45, 57]. «Гидроакустическая энциклопедия» [56]. Научная школа имеет признанный авторитет в России и в мире. Данная диссертационная работа является продолжением исследований параметрических антенн, с целью расширения круга теоретических представлений и создания новых гидроакустических комплексов для задач экологического мониторинга водных бассейнов.

Диссертация состоит из 5 глав, введения, заключения, библиографии, приложений.

В первой главе делается обзор литературы по всем основным разделам акустики, которые затрагиваются в диссертационной работе. Рассматриваются особенности распространения акустических волн в движущихся средах. Рассматриваются среды однородные и неоднородные по составу. При наличии движения в среде распространения акустические явления усложняются. В общем случае невозможно отделить акустические явления, в узком смысле слова, от сугубо нелинейных процессов, имеющих место в движущейся среде, например, пульсация потока по скорости. Также переменный нестационарный поток может сам явиться источником звука. Чтобы отделить распространяющийся в среде звук от акустических явлений, полагают что поток — медленный. Проведенные исследования показали, что поток оказывает влияние, как на амплитуду звука, так и на форму диаграммы направленности. Далее рассматриваются вопросы рассеяния звука на препятствиях различного вида, формы, происхождения и свойств. Обзор показал, что в основном исследования касаются объектов расположенных либо в неподвижной среде, либо изучается рассеяние обычных линейных сигналов на природных неоднородностях, например, океанических вихрях или течениях. Показано, что течения изменяют характер звукового поля, особенно при взаимно перпендикулярном расположении. Далее рассмотрены вопросы использования параметрических антенн для исследования процессов рассеяния. В соответствии с проведенным обзором литературы поставлена цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе проведено теоретическое исследование распространения сигналов параметрических антенн в движущейся среде при наличии плоских границ. Рассмотрены закономерности формирования антенн при различных геометриях расположения потока относительно акустической оси антенны, рассчитаны продольные и поперечные распределения уровня звукового давления для случаев безграничного и ограниченного потоков. На базе этого описана постановка задачи для различных вариантов расположения исходного преобразователя и отражающей плоскости. Далее построены теоретические модели и выполнены расчеты. Поведен их анализ, который показал, что поток оказывает влияние в узко локализованной приосевой области. Наличие потока влияет на форму осевых распределений разностного сигнала, в которых появляется дополнительные минимумы.

В третьей главе проведено теоретическое исследование рассеяния сигналов параметрических антенн на объекте сферической формы, помещенном в движущуюся жидкость. Рассмотрена постановка задачи о параметрической антенне со сферическим преобразователем накачки, находящимся в потоке жидкости. Задача решена теоретически с использованием уравнения Хохлова-Заболотской-Кузнецова, записанного в сферических координатах. Получена добавка к полю волны разностной частоты, формируемому сферическим излучателем в неподвижной среде. Построена теоретическая модель рассеяния, в которой сфера представляется источником вторичного параметрического излучения. Проведены расчеты, анализ которых показал, что наличие потока увеличивает уровень генерации параметрического сигнала сферическим источником, который обратно пропорционален размеру сферы. В случае рассеяния сигналов параметрических антенн на малых сферах решающий вклад вносит отраженная разностная волна, для больших сферразностная волна вновь образованная рассеянными волнами накачки. Общий уровень рассеянных от сферы сигналов мал и на порядок меньше уровня сигналов, отраженного от плоскости.

В четвертой главе описываются результаты лабораторных экспериментальных исследований характеристик параметрических антенн при наличии движения жидкости в области присутствия отражающей плоскости, либо рассеивающей сферы. Рассматривается структурная схема экспериментальной установки, на которой проводились исследования характеристик параметрической антенны и исследования рассеяния сигналов волны разностной частоты от плоской границы и от сферических объектов, помещенных в поток жидкости. При проведении исследований особое внимание уделялось учету особенностей измерений в ближней зоне параметрической антенны, в пределах которой амплитуда давления волны разностной частоты много меньше амплитуды звукового давления волн накачки. Была проведена оценка пространственных характеристик создаваемого потока жидкости и определены режимы работы устройства формирования потока жидкости. Сравнительный анализ теоретических и экспериментальных зависимостей показал, что результаты измерений качественно совпадают с результатами расчетов по принятой модели. По результатам исследований был проведен статистический анализ экспериментальных измерений с использованием программного пакета STATISTIC A (StatSoft) 5.0, вычислены статистические характеристики и проведен сравнительный корреляционный анализ амплитудных значений по прямому и отраженному сигналам для различных сочетаний корреляционных пар.

В пятой главе рассматриваются возможные приложения полученных в диссертационной работе результатов. В частности, рассматривается принципиальная возможность построения гидроакустического комплекса для экологического мониторинга мелкого моря на основе параметрического излучателя звука. Анализ технических характеристик существующих гидроакустических систем позволил определить основные технические характеристики и провести обоснование состава структурных блоков и устройств параметрического гидроакустического комплекса для экологического мониторинга водной экосистемы. Анализ результатов лабораторных исследований параметрических антенн для оценки характеристик водной экосистемы показал, что применение в составе гидроакустического комплекса параметрической излучающей антенны существенно расширяет возможности определения характеристик водной среды и позволяет получить достоверную информацию в широком частотном диапазоне.

В библиографии приводится список литературных источников, состоящий из 92 наименований.

Приложения представляют собой справки об использовании основных результатов диссертационной работы.

Т.о. в диссертации защищаются следующие научные положения:

1. Теоретические модели отражения сигналов параметрической антенны от плоской границы в движущейся жидкости, построенные для различных вариантов геометрии задачи.

2. Теоретическая модель рассеяния сигналов параметрической антенны от объекта сферической формы, помещенного в движущуюся жидкость.

3. Результаты экспериментальных лабораторных исследований характеристик параметрических антенн для случая отражения и рассеяния на препятствиях различной формы, помещенных в движущуюся жидкость.

4. Принципы построения гидроакустического комплекса для экологического мониторинга водной среды с использованием параметрических антенн.

5.4. Выводы по главе 5.

В результате рассмотрения, проведенного в главе 5, можно сделать следующие основные выводы:

• разработка гидроакустического комплекса для проведения гидрофизических исследований водной среды показала преимущества параметрических излучателей звука перед другими источниками звука и продемонстрировала новые возможности для определения тонкой структуры звукового поляналичие широкополосной излучающей параметрической антенны с постоянной, во всем диапазоне рабочих частот, шириной характеристики направленности позволяет озвучивать постоянный объем водной среды, что повышает точность измерений коэффициента рассеяния на неоднородностях среды при использовании ЛЧМ-сигналов, ступенчатом изменении значений разностных частотвключение в состав комплекса дополнительного приемного канала позволяет расширить круг решаемых исследовательских задач и обеспечить прием рассеянного сигнала двумя, разнесенными в пространстве приемными антеннамиодновременный прием высокочастотных волн накачки и волн разностной частоты позволяет повысить точность измерений при решении задачи исследования характеристик дна и донных отложенийвключение в состав измерительной аппаратуры измерителя скорости звука, измерителя солености и температуры воды, измерителя скорости течения, расположенных непосредственно у излучающей поверхности преобразователя накачки, позволит по результатам измерения коэффициента отражения эхосигналов определять количественно гидрофизические характеристики водной среды.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Подробные выводы по результатам диссертационной работы приведены в конце каждой главы. Подводя общий итог диссертационной работы можно сделать следующие основные выводы и заключения:

1. Разработаны и численно исследованы теоретические модели, описывающие продольные и поперечные характеристики параметрических антенн, в присутствии потока жидкости, направленного как перпендикулярно, так и продольно распространению звуковых волн, безграничного и имеющего ограничения по ширине. Проанализированы полученные графики и показано, что поток оказывает влияние в узко локализованной области либо близкой к его оси, либо в области его существования (для потока, ограниченного по ширине).

2. Разработаны и численно исследованы теоретические модели отражения сигналов параметрических антенн от плоских границ, помещенных в ближнюю зону источника, при условии наличия потока жидкости либо в области преобразователя накачки, либо на границе, либо во всей области. При отражении от плоских препятствий влияние потока различно для различных геометрий задачи и исходных вариаций параметров. В общем, наличие движения жидкости в области нахождения границы приводит к появления дополнительных пиков на характеристиках.

3. Разработаны и численно исследованы теоретические модели параметрический антенны со сферическим преобразователем накачки, помещенном в поток жидкости, и рассеяния сигналов параметрической антенны на объекте сферической формы, помещенном в поток жидкости. Сферический рассеиватель рассматривается как источник вторичного параметрического излучения. Присутствие потока приводит к некоторому увеличению уровня звукового давления. В целом уровень отраженных от сферы в радиальном направлении сигналов мал по сравнению с плоским случаем.

4. Проведены бассейновые экспериментальные исследования отражения сигналов параметрической антенны от плоской границы и сферического объекта, помещенных в поток жидкости. Оценена степень их корреляции с расчетными результатами, которая в среднем составила 0,7 — 0,8, что является удовлетворительным совпадением.

5. Полученные результаты использованы для построения структурной схемы гидроакустического комплекса для гидрофизических исследований водной среды.

По результатам диссертационной работы опубликовано 12 статей и тезисов докладов в различных научных сборниках, апробация результатов проводилась на внутривузовских научных конференциях, на школе-семинаре акад. Л. М. Бреховских «Акустика Океана», 2002 г.- на X сессии Российского акустического общества, 2000 г., на Всесоюзной научной молодежной конференции «XXIV Гагаринские чтения», г. Москва, 1998 г., на НТК студентов и аспирантов России в МЭИ, г. Москва, 1998 г., на втором международном форуме «Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке», Харьков, ХГТУРЭ, 1998 г. и др.

Справки и акт о внедрении результатов диссертационной работы на Таганрогском заводе «Прибой», в исследования в рамках проекта «Научно-образовательный эколого-аналитический центр системных исследований, математического моделирования и геоэкологической безопасности Юга России» и в учебный процесс кафедры ЭГА и МТ ТРТУ прилагаются.

В завершении автор выражает глубокую благодарность научному руководителю диссертационной работы профессору Тимошенко Владимиру Ивановичу за помощь и постоянный интерес к работе, научному консультанту доценту Старченко Ирине Борисовне за ценные замечания и указания в процессе работы, а также особую благодарность доценту Кириченко Игорю Алексеевичу за помощь в постановке и проведении экспериментальных исследований.