Исследование характеристик параметрической антенны при взаимодействии акустических волн в средах с дисперсией

На правах рукописи

ПИВНЕВ Петр Петрович

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ

АНТЕННЫ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ АКУСТИЧЕСКИХ

ВОЛН В СРЕДАХ С ДИСПЕРСИЕЙ

Специальность 01.04.06. – Акустика

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

диссертация на соискание ученой степени кандидата

технических наук

Таганрог 2008

Работа выполнена на кафедре электрогидроакустической и медицинской техники Технологического института Южного федерального университета в г. Таганроге (ТТИ ЮФУ).

Научный руководитель доктор технических наук,

профессор ВОРОНИН В.А.

(ТТИ ЮФУ, г. Таганрог)

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор ЗАГРАЙ Н.П.

(ТТИ ЮФУ, г. Таганрог)

кандидат технических наук,

КУДРЯВЦЕВ Н.Н.

(КБ морской электроники,

«ВЕКТОР», г. Таганрог)

Ведущая организация: ГНЦ ФГУГП «Южморгеология»,

(г. Геленджик)

Защита состоится « » августа 2008 г. в ____часов на заседании диссертационного совета Д 212.208.23 в Технологическом институте Южного федерального университета в г. Таганроге.

Адрес: 347928, Ростовская обл., г. Таганрог, ул. Шевченко, 2, кафедра ЭГА и МТ, ауд. Е-306.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Южного федерального университета.

Автореферат разослан «___» июля 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

д.т.н., профессор Чернов Н.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Гидроакустические системы с параметрическими излучающими антеннами в последнее время находят все большее применение. Разработанные методы расчета характеристик таких систем, либо не учитывают особенности распространения и взаимодействия волн в средах с дисперсией, либо останавливаются на особенностях процессов перекачки энергии волн накачки в энергию волны разностной частоты, не учитывая возможную многочастотность волн накачки и волн разностной частоты. Ранее было показано [Новиков Б.К, Тимошенко В.И.], что дисперсия ослабляет результат взаимодействия и перекачки энергии. Существуют методы увеличения энергии волн разностной частоты путем использования многокомпонентных сигналов. Применение параметрических антенн в мелком море позволяет решить задачу передачи энергии волн разностной частоты на большие расстояния. При этом дисперсия в мелком море – как волноводе – существенно влияет на характеристики параметрической системы. Акустические волны, распространяясь в волноводе, несут информацию о физических свойствах волновода. Акустические методы могут обеспечить дистанционный мониторинг гидрофизических характеристик (температуры, течений водных масс и т.д.) на обширных акваториях и по всей глубине океана. Эксперименты по трансарктическому акустическому распространению показали [Есипов И.Б. и др.], что время распространения звука существенно связано с потеплением из-за проникновения вод Атлантики в арктический бассейн. Для того, чтобы разрешить изменения во времени распространения сигнала в несколько десятков миллисекунд в условиях многомодового распространения в океаническом волноводе, применяются различные методы обработки сигналов. Известны исследования по возбуждению многомодового сигнала. Практика применения параметрических антенн показывает, что их диаграмма направленности может быть узконаправленной (порядка 1-3), и эта характеристика практически не зависит от частоты. Применение параметрической антенны может обеспечивать одномодовое возбуждение в океаническом волноводе широкополосного акустического сигнала. Результаты теоретических исследований показали возможность управлять числом возбуждаемых мод сигнала. Эксперименты с параметрической антенной по распространению сигнала на дистанции до 1000 км показали перспективность этого метода для океанологических исследований на протяженных трассах. Поэтому принципы применения параметрических антенн обещают новые возможности для многочастотных акустических экспериментов на протяженных трассах в сложных океанологических условиях, когда требуется согласованное с волноводом одномодовое распространение сигнала.

С этой точки зрения изучение генерации многокомпонентных сигналов параметрической антенны важно и актуально.

Кроме того, изучение взаимодействия многокомпонентных сигналов в волноводных системах связано с прикладной задачей по разработке систем обнаружения несанкционированного доступа к нефтегазопродуктопроводам. Результат генерации вторичных сигналов в этом случае обуславливается взаимодействием волн накачки, распространяющихся в волноводе, с волнами возникающими в волноводе за счет работ, производимых на нем. Эти взаимодействия происходят в волноводе, заполненном вязкой жидкостью. Решение этой задачи также актуально.

В настоящей работе ставится задача исследования взаимодействия акустических волн в средах с дисперсией в виде растворенных газовых включений в жидкости и в волноводах различного сечения.

Целью работы являются теоретические и экспериментальные исследования характеристик параметрической антенны при взаимодействии акустических волн в средах с дисперсией различного происхождения.

Методы исследования. Поставленная в работе цель автором достигается теоретическими и экспериментальными исследованиями. Экспериментальные исследования проводились в различных условиях. В основу методики использования многокомпонентных сигналов для увеличения дальности действия параметрических систем в дисперсионных средах легли результаты теоретических и экспериментальных исследований.

Научная новизна работы состоит:

- в разработке математических и физических моделей взаимодействия многокомпонентных сигналов в средах с физической и геометрической дисперсией;

- в результатах математического моделирования взаимодействия акустических многокомпонентных сигналов в средах с дисперсией;

- в результатах экспериментального исследования взаимодействия акустических сигналов в плоских волноводах в натурных условиях.

Положения выносимые на защиту:

1. Математическая модель взаимодействия многокомпонентных сигналов в средах с дисперсией.
2. Результаты моделирования взаимодействия многокомпонентных сигналов в средах с растворенными газовыми включениями.
3. Результаты моделирования взаимодействия многокомпонентных сигналов в вязких средах.
4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований взаимодействия многокомпонентных сигналов в волноводах.

Практическая значимость заключается:

– в разработке рекомендаций по формированию сигналов накачки для возможностей пространственной обработки сигналов с целью их сжатия в точке пространства;

– разработке методик расчета задержек парциальных компонент сигналов для их использования в увеличении дальности действия локационных систем в средах с дисперсией.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены:

- на VII Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления», Таганрог, 2004;

- на первой ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН. Ростов-на-Дону, 2005;

- на LI научно-технической конференции ППС ТРТУ, 2005;

- на XIII Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы математики и естествознания», Нижний Новгород, 2005;

- на Всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов «Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы» («БИОМЕДСИСТЕМЫ-2005»), Рязань, 2005;

- на международной конференции «Экология 2006 – море и человек.» Таганрог, 2006;

- на XVIII сессии Российского акустического общества. г. Таганрог, 2006;

- на VIII Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления», Таганрог, 2006;

- на научно-технической конференции «Строительная физика в XXI веке» НИИСФ РААСН, Москва, 2006;

- на третьей ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН. Ростов-на-Дону, 2007;

- на Всероссийской научно-техническая конференции студентов, молодых ученых и специалистов «Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы» («БИОМЕДСИСТЕМЫ-2007»), Рязань, 2007;

- на третьей международной научно-технической конференции молодых ученных и студентов «Информатика и компьютерные технологии», ДонНТУ, Донецк, 2007;

- на научно-технической конференции ППС ТТИ ЮФУ, Таганрог, 2008.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 15 научных работ. Автор принимал участие в выполнении ряда научно-исследовательских работ по теме диссертации. Часть исследований вошла составной частью в проект МНТЦ 3770 «Разработка экспериментальной параметрической акустической антенны – как нового инструмента для мониторинга океана на протяженных трассах» выполняемый совместно с федеральным государственным унитарным предприятием «Акустический институт им. Н.Н. Андреева» г. Москва и «Scripps Institution of Oceanography» США, г. Ла Йова.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации составляет 154 страниц и содержит 113 рисунков. Список литературы включает 132 наименования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальности темы исследований, сформулирована цель работы и основные положения выносимые на защиту, а также кратко изложено содержание диссертации.

В первой главе проведен краткий обзор исследований распространения и взаимодействия акустических волн в дисперсионных средах. Анализ результатов исследований показал, что наличие дисперсии в волноводе приводит к искажению формы сигналов и следовательно, возможна пространственная обработка сигналов, взаимодействие волн в таких системах может быть ослаблено дисперсией, либо же усилено в зависимости от вида дисперсии, проблемам взаимодействия волн в дисперсионных средах уделено недостаточное внимание. Особенно при применении сигналов со сложным спектральным составом. Определено направление исследований взаимодействия в дисперсионных средах сигналов со сложным спектральным составом для повышения дальности действия систем с параметрическими антеннами, работающими в средах с дисперсией.

Во второй главе на основе математической модели взаимодействия многокомпонентных сигналов параметрической антенны (ПА) в бездисперсионных средах, получена математическая модель взаимодействия многокомпонентных сигналов ПА в средах с дисперсией. Сигнал волны разностной частоты (ВРЧ) ПА:

; ; (1)

где – амплитуда m-той компоненты волны разностной частоты n – количество компонент; m – номер компоненты сигнала разностной частоты (mmax=n-1); pk, pk+m – амплитуды взаимодействующих волн; ; ; ; ; ; ;, , – фазовые скорости звука k-той и k+1-вой компонент сигнала накачки и m-той компоненты ВРЧ, соответственно; Dm=(kk-kk+1-Km)lz – изменение фазового сдвига между взаимодействующими волнами на расстоянии пропорциональном lz для компонент сигнала, Dm – характеризует дисперсионные свойства среды и определяет период осцилляций и амплитуду ВРЧ; lz – длина зоны затухания волн накачки; kk,kk+1,Km – волновые числа k-той, k+1-вой компонент сигнала накачки и m-той компоненты сигнала ВРЧ, соответственно; k – коэффициент затухания k-той компоненты волны накачки.

Рассмотрены три случая взаимодействия компонент многокомпонентного сигнала ПА в среде с растворенными газовыми включениями: а) частоты накачки лежат в области малой дисперсии, а частоты ВРЧ в области сильной дисперсии; б) частоты накачки лежат в области сильной дисперсии, а частоты ВРЧ в области малой дисперсии; в) частоты всех взаимодействующих волн лежат в области сильной дисперсии. Представлена зависимость фазовой скорости от частоты при нахождении в воде пузырьков радиусом от 210-5 до 210-3 см и концентрации n=5102 1/м3 (рисунок 1).

Рисунок 1 – Зависимость фазовой скорости от частоты при нахождении в воде пузырьков радиусом от 210-5 до 210-3 см и концентрации n=5102 1/м3

Представлены результаты математического моделирования взаимодействия волн ПА для случая сильной дисперсии ВРЧ. На рисунке 2 представлен пример осевого распределения 1-ой парциальной компоненты ВРЧ с частотой 3 кГц и осевого распределения 1-ой суммарной парциальной компоненты ВРЧ с частотой 3 кГц.

а) б)

Рисунок 2 – Осевые распределение 1-й парциальной компоненты ВРЧ а) и 1-й суммарной компоненты ВРЧ

На рисунке 3 представлены задержки парциальных компонент ВРЧ и сигнала накачки.

а) б)

Рисунок 3 – Задержки парциальных компонент ВРЧ а) и волны накачки б)

Амплитуды звуковых давлений ВРЧ на расстоянии ld и 20ld для дисперсионной и бездисперсионной сред изображены на рисунке 4.

а) б) в) г)

Рисунок 4 – Амплитуды звуковых давлений ВРЧ: а) на расстоянии ld от излучателя для бездисперсионной среды; б) на расстоянии 20ld от излучателя для бездисперсионной среды; в) на расстоянии ld от излучателя для дисперсионной среды; г) на расстоянии 20ld от излучателя для дисперсионной среды.

Представлены результаты математического моделирования взаимодействия волн ПА для случая сильной дисперсии волн накачки. Расположение компонент взаимодействующих волн на дисперсионной кривой изображено на рисунке 5.

а) б)
Рисунок 5 – Расположение компонент взаимодействующих волн на дисперсионной кривой	Рисунок 6 – Осевые распределение 1-ой парциальной компоненты ВРЧ а) и 1-ой суммарной парциальной компоненты ВРЧ б)

На рисунке 6 изображен пример осевого распределения 5-ой парциальной компоненты ВРЧ с частотой 5 кГц и осевого распределения 5-ой суммарной парциальной компоненты ВРЧ с частотой 5 кГц. На рисунке 7 приведены задержки компонент ВРЧ и сигнала накачки для данного случая.

а) б)

Рисунок 7 – Задержки парциальных компонент ВРЧ а) и волны накачки б)

Представлены амплитуды звуковых давлений ВРЧ на расстоянии ld и 20ld для дисперсионной и бездисперсионной сред (рисунок 8) для случая сильной дисперсии волн накачки.

а) б) в) г)

Рисунок 8 – Амплитуды звуковых давлений ВРЧ: а) на расстоянии ld от излучателя для бездисперсионной среды; б) на расстоянии 20ld от излучателя для бездисперсионной среды; в) на расстоянии ld от излучателя для дисперсионной среды; г) на расстоянии 20ld от излучателя для дисперсионной среды при сильной дисперсии волн накачки