автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.06, диссертация на тему:Энергетические характеристики и направленные свойства акустических антенн в волноводах

На правах рукописи

Стаценко Любовь Григорьевна

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И НАПРАВЛЕННЫЕ СВОЙСТВА АКУСТИЧЕСКИХ АНТЕНН В ВОЛНОВОДАХ

Специальность 05.08.06 «Физические поля корабля, океана и атмосферы и их взаимодействие»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Владивосток 2000

Работа выполнена в Дальневосточном государственном техническом университете

Научный консультант: доктор физико-математических наук,

Официальные оппоненты: член-корр. РАН, доктор физико-математических

наук, профессор Акуличев В.А.; лауреат государственной премии, засл. деятель науки и техники, доктор технических наук, профессор Тимошенко В.И.;

доктор физико-математических наук, Буланов В.А.

Ведущая организация: Институт океанологии им. П.П. Ширшова

Зашита состоится 29 июня 2000 г. в 10 часов на заседании диссертационного Совета Д064.01.01 при Дальневосточном государственном техническом университете по адресу: 690600, г. Владивосток, ГСП, ул. Пушкинская, 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Дальневосточного государственного технического университета. ' Автореферат разослан 20 мая 2000 г.

профессор Касаткин Б.А.

(г.Москва)

Ученый секретарь диссертационного Совета

Борисов Е.К.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Акустические методы и средства широко используются при решении актуальных задач исследования и освоения океана. Изучение основных закономерностей распространения звука в морской воде и использование динамических процессов, происходящих в океане - взаимосвязанные задачи акустики. В настоящее время особо актуальны задачи создания томографических схем исследования различных районов Мирового океана. Схемы включают методики количественной • оценки эффективных параметров дна, позволяют исследовать мезомас-штабный рельеф дна, поверхностные волны. Использование данных дальнего распространения звука позволяет получить информацию о состоянии морской среды, определить поле температуры по временам прихода акустических лучей, восстановить поле горизонтальной компоненты скорости течения, параллельной трассе распространения. Связь динамических процессов в океане и его акустических свойств позволяет восстановить структуру океанических неоднородностей, исследовать влияние внутренних волн на частотно-пространственно-временные характеристики и модовый состав сигналов.

Численное акустоокеанологическое моделирование позволяет анализировать синоптическую, сезонную, климатическую изменчивость температуры воды, толщину ледяного покрова, амплитуду внутренних волн, высоту приливов.

Кроме того, повышенные требования предъявляются к гидроакустическим средствам подводного наблюдения, связи, навигации, эффективность работы которых определяется акустическими антеннами.

В настоящее время строгий анализ энергетических характеристик антенн (в частности собственного и взаимного сопротивления излучения) с учетом дифракции волн на экранах произведен для антенн, работающих в свободном пространстве. Выявлены более эффективные формы, размеры, взаимное расположение элементов. Однако, несмотря на ведущиеся исследования, строгий анализ основных характеристик антенн, которые можно было бы использовать при проектировании конкретных систем, работающих в волноводе, нет. Разработка новых математических и физических моделей, учитывающих влияние поверхности моря, дна, реальных характеристик среды необходима для создания излучающих комплексов акустико-гидрофизических полигонов, которые совместно с приемными гидроакустическими антеннами образуют стационарные трассы. Одно из основных требований, предъявляемых к ним - способность формировать излучаемый сигнал в широкой полосе частот с заданными или варьируемыми частотными и фазовыми характеристиками.

Важный этап анализа звуковых полей в реальных волноводах связан с выявлением пространственно-частотной интерференционной изменчивости звуковых нолей. Причем, если для ненаправленных излучающих систем такой анализ проводился, то интерференционная изменчивость звукового поля и степень ее подавления при направленном излучении (приеме) практически не рассматривались. Отсутствует в литературе и численный анализ энергетических характеристик излучателей типа вертикально-ориентированных цилиндрических, плоских антенн, горизонтальных дискретных антенн, а также исследование особенностей перераспределения излучаемой мощности между волноводом и полупространством в реальных волноводах. Это особенно важно для создания автономных акустических излучающих комплексов сейсмического профилирования. Кроме того, интерференционную структуру поля, характеризующую параметры источника акустического излучения, волновода, поверхности, дна и влияющую на дальность обнаружения целей, необходимо учитывать при проектировании гидролокаторов. Пространственно-неоднородная структура и акустические параметры донных осадков усложняют выбор оптимальных параметров приемо-передающих систем для решения задач акустики океана.

Проблема моделирования волновых полей источника звука в слоистых средах актуальна в связи с развитием практических приложений акустики. Например, связанных с нефтеразведкой и исследованием дна в зоне шельфа, выявлением относительного вклада поверхностного и объемного обратного рассеяния в донную реверберацию.

В целом, океаническая среда - плоский стратифицированный волновод, лежащий на слое осадков, породе, поэтому исследование основных особенностей работы направленных акустических антенн, связанных с мо-довой структурой поля, анализ пространственно-частотной интерференционной структуры звукового поля и способы её регуляризации при направленном излучении, приеме — актуальная задача современной гидроакустики.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Теоретическое исследование и численный анализ направленных гидроакустических антенн в волноводах. Разработка практических рекомендаций для повышения эффективности их работы в волноводах.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ДОСТОВЕРНОСТЬ ПОЛУЧЕННЫХ РЕШЕНИЙ. Для достижения целей, поставленных в диссертации, применялись следующие методы: классические численные методы решения уравнения Гельмгольца для краевых задач математической физики; численные эксперименты с целью получения устойчивых математических алгоритмов для решения задач анализа антенн. Полные, собственные, взаимные сопротивления излучения определялись методами ближнего поля и методом дальнего поля для активных составляющих. Анализ основных со-

отношений проводился с использованием асимптотического метода: перевала, разложения в ряды, преобразования Фурье, математических методов исследования алгоритмов на сходимость.

Достоверность математических алгоритмов доказана сравнением полученных строгих формул с частными, которые совпадают с известными классическими решениями простых дифракционных задач; проверкой на всех этапах численных расчетов устойчивости алгоритмов и сравнении их с предыдущими.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

- Аналитически и численно исследованы основные энергетические характеристики многоэлементных антенн в свободном пространстве.

- Аналитически и численно исследовано взаимное влияние цилиндрических антенн в волноводе. Проведено сравнение с поведением аналогичных антенн в свободном пространстве.

- В работе впервые аналитически и численно исследованы направленные антенны в идеальном волноводе и волноводе Пекериса.

- Получены точные выражения для расчета основных энергетических характеристик плоских, линейных, цилиндрических антенн, работающих в свободном пространстве, идеальных и реальных волноводах.

-Выполнен численный анализ энергетических характеристик вертикальной цилиндрической антенны в волноводе с идеальными границами.

-Выполнен численный анализ энергетических характеристик плоской вертикальной антенны в волноводе с идеальными границами.

-Выполнен численный анализ энергетических характеристик вертикальных цилиндрических антенн в волноводе Пекериса. Выделены составляющие, ответственные за излучение в волновод и нижнее полупространство.

- Выполнен численный анализ пространственно-частотной интерференционной структуры звукового поля в волноводе Пекериса для направленных антенн с распределением, заданным системой функций Уолша. Исследованы особенности излучения в нижнее полупространство.

- Исследована возможность формирования направленного приема горизонтальной дискретной антенной, когда в качестве излучателя антенны используется один из мультиполей Уолша.

- Численно исследованы характеристики направленных антенн с горизонтальной и вертикальной ориентацией в волноводе Пекериса.

АПРОБАЦИЯ. Основные научные и практические результаты работы докладывались на международных, всесоюзных, российских и региональных конференциях и совещаниях: III Всесоюзной конференции по спектроскопии (Каунас, 1976 г.); I-VI Дальневосточных акустических конференциях (Владивосток, 1974, 1978, 1982, 1986, 1992, 1998 г.г.); 1 и IV Всесоюзных конференциях "Проблемы научных исследований в области изучения

и освоения Мирового океана" (Владивосток, 1976, 1983 г.); Всесоюзной конференции "Комплексное освоение нефтегазовых ресурсов континентального шельфа СССР (Москва, 1986 г.); IV Всесоюзной конференции "Проблемы создания новой техники для освоения шельфа (Горький, 1986 г.); IV Всесоюзной школе-семинаре молодых ученых и специалистов "Современные проблемы теплофизики" (Новосибирск, 1986 г.); Всесоюзных школах-семинарах "Технические средства и методы исследования Мирового океана" (Москва, 1987, 1989, 1991 г.г.); Всероссийской конференции по гидроакустике (Владивосток, 1994 г.); VI, X сессиях Российского акустического общества (РАО) 1997, 1999 г.г.; VI Всероссийской акустической конференции с международным участием (Владивосток, 1997 г.); VIII межрегиональной конференции (Москва - Пушкинские горы, 1998 г.); IV Всероссийской научно-практической конференции с международным участием (С.-Петербург, 1999 г.); V Международной конференции "Современные методы и средства океанологических исследований" (Москва, 1999 г.); 3 International Marine Engineering Conference, Shaughai, (China, 1996); 2-nd International Symposium (Tomsk, 1999); 2-nd International Student's Congress of Assia-Pacifíc Region Countries (Russia, Vladivostok, 1977); "Oceans-96" MTS/1EEE, Marine Technology Sosiety (Florida, USA, 1996); 2-nd International Workshop on Acoustical Engineering and Technology (Harbin, China, 1999); ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Дальневосточного политехнического института (1972-1995 г.г.) и Дальневосточного государственного технического университета (1996-1999 г.г.). Материалы диссертации докладывались на научных семинарах кафедр гидроакустики и ультразвуковой техники (ГА и УЗТ), радио, телевидения и связи (РТС) ДВГТУ, отделения акустики Тихоокеанского океанологического института (ТОЙ) ДВО РАН.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ. Полученные в настоящей работе результаты найдут применение в практике проектирования гидроакустических антенных решеток. Проведенные исследования позволяют провести анализ основных параметров антенн: характеристики направленности, коэффициента концентрации, помехоустойчивости приемных антенн с учетом реальных параметров морской среды, отражающих границ, модовой структуры поля, размеров антенн и волновода.

Использование вертикальных передающих (приемных) антенн типа мультиполей Уолша позволяет практически полностью подавить интерференционную изменчивость звукового поля в волноводе и улучшить направленность антенн.

Для учебного процесса при подготовке студентов и курсантов-акустиков практическое значение имеет преподавание новых аспектов теории излучения и теории направленного излучения в жидких волноводах,

б

исследование которых лежит в рамках генерального направления развития гидроакустики.

ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ.

Ь Обобщение понятия импеданса антенны в свободном пространстве на случай, когда она располагается в идеальном волноводе и волноводе Пекериса. Результаты аналитического и численного исследований основных энергетических характеристик цилиндрических, плоских, линейных антенн в идеальных и реальных волноводах, дискретный характер зависимости которых полностью соответствует дискретной структуре поля нор-, мальных волн.

2. Представление сопротивления излучения антенны, работающей в волноводе Пекериса, в виде суммы двух составляющих, одна из которых связана с нормальными волнами, захваченными волноводом,' другая — с вытекающими волнами; это необходимо учитывать при работе низкочастотных антенн в мелком море, когда существенная часть полной мощности излучается в дно.

3. Использование вертикальных приемо-передающих антенн и соответствующих им усредняющих процедур, существенно сглаживающих пространственно-частотную интерференционную изменчивость звукового поля в волноводе. Предпочтительность использования в качестве усредняющих функций мультиполей Уолша вместо собственных функций волновода.

4. Использование мультиполей Уолша в приемо-передающих системах фактически исключающее искажения, вносимые волноводом и межмо-довой интерференцией, в результате чего параметры направленности соответствуют аналогичным при работе антенн в свободном пространстве.

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликованы 1 монография, 2 учебных пособия (одно из них с грифом Министерства общего и профессионального образования), 82 научные работы. Результаты исследований приведены в 18 отчетах по хоздоговорным и госбюджетным научно-исследовательским работам.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы. Основное содержание работы изложено на 279 страницах машинописного текста и включает 176 рисунков, список литературы из 138 наименований отечественной и зарубежной литературы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВО ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность работы, сформулирована цель и основные направления исследований.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ рассматриваются современные тенденции, связанные с направленным излучением в жидких волноводах, применительно к задачам гидроакустики и океанологии и анализом звуковых полей в реальных волноводах. Произведен обзор литературы по состоянию вопроса. Показана актуальность задачи, связанной с выявлением пространственно-частотной интерференционной изменчивости звуковых полей в волноводах, её закономерностей, степени её подавления при направленном излучении (приеме). Ставится задача исследований, определяется цель работы, сформулированы выдвигаемые на защиту положения.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ представлен анализ основных энергетических характеристик направленных антенн в свободном пространстве. Исследуются плоские, цилиндрические, сферические многоэлсментныс антенные решетки.

Для таких решеток важным является определение полного сопротивления излучения, которое складывается из собственного сопротивления излучения элемента и взаимного сопротивления излучения, которое определяется как часть сопротивления излучения названного преобразователя, вызванная воздействующим на него полем соседнего преобразователя.

Полное комплексное сопротивление излучения плоских антенн определяется путем интегрирования квадрата модуля характеристики направленности в области действительных и мнимых углов

z = r + jx = sin

Л *„

где рс - характеристический импеданс срсды; S - эффективная площадь излучателя; /?(у) - нормированная характеристика направленности; V - усредненная по поверхности колебательная скорость; Í'„ - скорость точки приведения.

Получены выражения, обеспечивающие нахождение комплексных импсдансов излучения (собственных и вносимых) многокольцевой осс-симметричной антенны, каждый элемент которой может обладать собственной амплитудой и фазой возбуждения, обеспечивая требуемую характеристику направленности.

Сопротивление излучения многоэлсмснтных антенн в выпуклых экранах определяется исходя из соотношения

Г И *

где И7-мощность, излучаемая антенной; 1\ V - давленне и колебательная скорость на активной поверхности антенны Я; 1'\ - колебательная скорость точки приведения элемента антенны, имеющего первый номер; Р* - функция комплексно-сопряженная колебательной скорости на активной поверхности антенны.

Поле, создаваемое произвольной антенной, находящейся в бесконечном жестком цилиндрическом экране, представится в виде

Р(а,ср,2) = ^= Ё е**

] ; -г--"7 +

(2)

1^у2-к2К„(а^у2-к2)

Вид функции В „{у), входящей в формулу (2), зависит от конкретного амплитудно-фазового распределения колебательной скорости и границ излучающей антенны

I 1гЧ>1

в» (г) = тгЛтг I \ П<Р,¿<рс&, (3)

где Л, ¡7 - границы антенн по координате г; <р\, <р1- угловые функции, описывающие границы антенны; к - волновое число; Н^ (х) - функция Хан-

келя 1 рода; К„(х) - функция Макдональда; х = г л] у2 — к2 ; а - радиус цилиндра.

Получены выражения для активной, реактивной составляющих собственного и взаимного сопротивления излучения эллиптических, прямоугольных поршней, одномерной системы колец в жестком цилиндрическом экране. Произведен численный анализ взаимного сопротивления излучения элементов при разнесении их вдоль образующей, направляющей и вдоль прямой, составляющей угол 45° с образующей цилиндра.

Кроме того, в главе проведено аналитическое и численное исследование полного сопротивления излучения элементов в виде эллиптических, прямоугольных поршней, поясов в сферическом жестком экране. Представленные формулы для расчета взаимного сопротивления излучения элементов в сферическом экране приведены к удобным для инженерных расчетов выражениям, анализ которых не вызывает трудностей.

Поле, создаваемое прямоугольными поршнями в жестком сферическом экране, представится в виде

pi«* *> „уА.(*о)

Р-юр-—■ Z /¿2\=)

4 я*«-« /->„(-»)

S(-1 )У,е^'А^Р,Рт (cos +

(m— nil '' c^i^i ...

+ 2(2w + l)Z)-^-cos nvXW1 f 1^я)(соз0)со5я^5тО/а/^+

v fllOii

+ sinn<pY.Vfim J ¡P^'\cose^mn(psineded<p)P^\co%e)

где Ит~} - сферическая функция Ханкеля 2 рода; Pm{cos0) - полином Лежан-дра; Р* (cos в) - присоединенный полином Лежандра; ym{z), nm(z) - сферические функции Бссссля, Неймана соответственно; Dm(z), 3,n(z) -модуль и фаза сферической функции Бссссля; <ри, в\(, <рц, вц - границы излучающих элементов.

В главе представлены графики, иллюстрирующие зависимости активной и реактивной составляющих взаимного сопротивления излучения от волновых расстояний между элементами, их размеров для всех типов экранов. Анализируя графики, можно определить области с практически достаточной во многих случаях точностью, когда при определении полного сопротивления излучения можно ограничиться учетом только собственного сопротивления излучения, не учитывая вносимые.

Значения собственного сопротивления излучения отдельного элемента любой конфигурации дают возможность определить области относительных размеров, когда нормированный собственный импеданс становится независимым от относительных размеров элементов, проследить влияние волновых размеров экрана и излучателя на значение собственного импеданса излучения.

В главе аналитически и численно исследованы энергетические характеристики антенны, представляющие собой систему излучающих элементов в жестком сфероидальном экране. Система вытянутых сфероидальных координат позволяет описать большое число поверхностей тел вращения. Например, сфера, цилиндр - частные случаи тел сфероидальной формы, тонкий стержень конечной длины является вырожденным вытянутым сфероидом. Сфероидальные функции для предельных значений координат переходят в целый ряд выражений, описывающих простые излучатели: поршни, линейные источники, цилиндры, сферы.

Вытянутые сфероидальные координаты £ 77, <р связаны с декартовыми координатами jc, у\ z следующими преобразованиями

а *

где и -мсжфокуснос расстояние; 4 - радиальная сфероидальная координата; т), <р - угловые координаты; -1 < /7 < 1, 1 < £ 5 оо, 0 <, <р< 1л.

г'

ол

О.б

0,4

оа

4 5

1

\

0.4

о л

О 0.2 0.4 0.6 0.3

1 у

/ 4

у* 5

0,2 0.4 0,6 0,в

а) б)

Рис. 1. Зависимость активной (а) и реактивной (6) составляющих собственного сопротивления излучения пояса а сферическом жестком экране; 1 - ка= 1; 2 - &г=2; 3 - ка=3\ 4 - &г=4; 5 - ¿а=5

Давление, развиваемое антенной на поверхности жесткого сфероида в соответствии с решением задачи об излучении сложного сфероидального источника, имеет вид

т=0»=0 2лЛ/ "

Г р2 „2^2

(6)

х К(у7,ф,г])со5т<риТ]с1<р$тп(И,ц)соът<р

'С! (<>,$) ¡С'О^У

1

где Ыт(И) = ^ - I при /н - 0, ^ - 2 при т ф 0; Л'тп(//. п) -

-г

угловая функция; радиальная функция 4 рода и её производная

соответственно; У(г], <р) - колебательная скорость на поверхности сфероида.

Разработаны алгоритмы, позволяющие рассчитать собственное, взаимное сопротивление излучения элементов в виде поршней, поясов в жестком сфероидальном экране. В качестве примера приведена формула для расчета активной составляющей взаимного сопротивления излучения поясов в жестком сфероидальном экране г _ Ьггрс^ ^

па п)

[я Пу

+-п2)"2$,„(И,п)с1п](1-п2)"2я^И^ип

п 71

Представлены аналитические и численные зависимости взаимного сопротивления излучения от волнового расстояния между элементами антенной решетки для различных значений волновых размеров сфероидального экрана. Показано, что как и в случаях плоского, цилиндрического, сферического экранов, полное сопротивление излучения сфероидального элемента складывается из его собственного сопротивления и взаимного сопротивления излучения, учитывающего влияние всех остальных элементов антенной решетки.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ исследуется направленный излучатель в идеальном волноводе. Звуковое поле в волноводе, излучаемое антенной, представляется в виде суммы нормальных волн с теми же фазовыми и групповыми скоростями, что и в случае точечного источника. Исследована вертикальная цилиндрическая антенна в жестком экране (рис. 2).

О

У

р(Иа,2)

Рис. 2. Вертикальная цилиндрическая антенна в водном слое

Применяя формулы разложения поля точечного источника в ряд по нормальным волнам, получено выражение для акустического давления, создаваемое на поверхности антенны.

Методом ближнего поля определены активная и реактивная составляющие нормированного сопротивления излучения

■'ИК'. (8,

4 Lka "

2Lka

.. sin2 \Фг{а„)

(9)

sm'k^H«,,)

/ с

где я - толщина волновода; а>п = —-критические частоты волновода;

sin^/^sinor,,)

kl'/i. sin а„ /2 "

парциаль-

к\ =к2-¿;2;Ь = г2--1;20 =(г2+:,)/2; Фп(ап) ная диаграмма направленности п-ой нормальной волны;

Активную составляющую сопротивления излучения можно также определить методом дальнего поля через излучаемую акустическую мощность Рак. Она вычисляется путем интегрирования по цилиндрической замкнутой поверхности

Pal=¡JrЪark„ "(Ю)

о

где Jr = \ Р^г) - интенсивность звукового поля.

Активная составляющая нормированного сопротивления излучения, определенная как

2 Р

г =

pcsv;t

где S = 2mih,

(П)

идентична соотношению (8), что подтверждает правильность теоретических выводов.

В главе представлены результаты численного анализа активной и реактивной составляющих сопротивления излучения цилиндрической антенны (рис. 3, 4), иллюстрирующие влияние размеров антенны, местоположения в волноводе при изменении безразмерного параметра Иг. При малом шаге изменения кЬ хорошо видна модовая структура поля (рис.4,б).

Анализируя графический материал, можно сделать выводы. С ростом волновых размеров ка, кЬ, кИ нормированная активная составляющая сопротивления излучения растет, стремясь к единице. Нормированная реактивная составляющая, имея большее значение на низких частотах, чем активная, стремится к нулю. С увеличением апертуры антенны активная и реактивная составляющие сопротивления излучения быстрее достигают своих предельных значений. Чем ближе антенна располагается к жесткой нижней границе, тем больше её сопротивление излучения, однако чем больше апертура антенны, тем меньше различие в значениях сопротивления излучения при изменении её местоположения.

В главе исследовано поведение плоской вертикальной антенны в жестком экране, которая представляет собой излучатель в виде прямоугольника Ь, х£я, плотно заполненного точечными источниками (рис. 5).

Потенциал поля антенны, дополненной экраном, имеет вид

(12)

и

где п - номер нормальной волны; Н}2\%п,г) - функция Ханкеля второго ро-

Он

парциальная диаграмма на-

да нулевого порядка, и = гп/А - горизонтальная и вертикальная компоненты волнового вектора; ф _ у / 2И)

2Л

правленности.

Нормированные активная и реактивная составляющие сопротивления излучения антенны площадью X = /.„ определенные методом ближнего поля, примут вид

\-\2

кЧ т ( V

Ьтг и

Лг 2 «"(а) с-Л(а)У|"

4„ «-'/¡(а)

<1а

(1а

(13)

(14)

Рис. 3. Зависимость активной (У) и реактивной (X') составляющих сопротивления излучения,

а) -а = 0,5; = 0,5; 1 - 2о=0,25; 2 -15; 3 - 50; 4 - 85; 5 -99.75

б)-2о=50;а=0,5; 1 -¿ = 0,5; 2- 1; 3 -5; 4- 10; 5 - 15; 6-20

ёг:

4оо 8оо 1200

Рис. 4. Зависимость активной (Г") и реактивной (х составляющих сопротивления излучения, а)-г0=50;Л= I; I - а=0,5; 2 I; 3 -5 б}-/, = 1;а=0.5; I - £.=99.5; 2 50; 3 - Ю

О

И

х' ¿2 '" ^ ■[ 1у

.v

- - У

Л(х,у,2)

У

V

Рис. 5. Прямоугольная антенна в водном слое толщиной Л

В главе представлены результаты расчета сопротивления излучения антенны для различных волновых размеров излучателя, волновода и местоположения антенны в волноводе (рис. 6).

Для плоской антенны в идеальном волноводе, также как и для антенн других конфигураций, с увеличением волнового числа кЬ нормированная активная составляющая стремится к единице. На низких частотах реактивная составляющая больше активной, но с ростом волнового размера она стремится к нулю, что соответствует известным теоретическим представлениям. При этом, в отличие от свободного пространства, структура поля в волноводе имеет модовый характер. Местоположение антенны в волноводе существенно влияет на характер зависимости сопротивления излучения от волнового размера.

Соотношения для расчета сопротивления излучения плоской антенны можно использовать для анализа излучателей типа вертикальной полосы и горизонтальной полосы с вертикальной ориентацией.

Если предположить, что один из размеров много больше другого, то соотношения (13, 14) могут быть использованы для расчета сопротивления излучения горизонтальной и вертикальной полос. Формулы (13, 14), используемые для анализа сопротивления излучения горизонтальной и вертикальной полос, хорошо согласуются с полученным строгим решением. Линейные антенны апертуры Ь располагаются вертикально и горизонтально в идеальном волноводе.

Активная составляющая сопротивления излучения определяется через мощность в дальнем поле путем интегрирования по замкнутой области, ограниченной цилиндрической поверхностью.

Излучаемая горизонтальной линейной антенной мощность

Л л'

<,2У ^ . ■

fch

Рис.6. Активная (г') и реактивная С*") составляющие сопротивления излучения плоской вертикальной антенны;

а) LT, L, =10, Zo=S0, kh=0 -180;

б) Z„=50; 1 - U U =3; 2 - U L, =10; 3 - Lr, L, =50;

в) ¿г, I. =3, 1 - Z0=l,5; 2 - Zo=SO, 3 - £,=98,5;

г) U =10; 1 - Z0=5; 2 - Zu=50; 3 - Z^=95

где

=

sin('-í„ sinar)

__2 _ - парциальная диаграмма направленности.

Л, ■ ■£,sm а

У

/I

V

.т Z

б)

Рис. 7. Горизонтальное (а) и вертикальное (б) расположение антенн в волноводе

Нормированное сопротивление излучения горизонтальной линейной антенны, определенное в дальнем поле через излучаемую мощность, определится как

г'= r/pcS = — Z sin2 {Щ ? Ф i (a)da. (16)

Л Л=] Л о

Аналогично можно получить выражение для активной составляющей сопротивления излучения вертикальной линейной антенны.

Таким образом, соотношения (13-14) позволяют провести анализ поля вертикальных и горизонтальных протяженных антенн. Вопросы формирования такого поля и исследования его представляют интерес, когда необходимо учесть глубину моря, неоднородность параметров водной среды и грунта и могут быть распространены на случай направленного приема в волноводе. Известно, что "отклик" линейных антенн характеризуется рядом особенностей, которые заставляют более внимательно анализировать свойства полей, излучаемых и принимаемых в волноводных условиях.

Все энергетические характеристики антенн в идеальном волноводе, представленные в данной главе, имеют физический смысл при реальных условиях возбуждения и соответствуют как структуре нормальных волн, так и своим аналогам в более простом случас излучения в свободное пространство.

Произведен сравнительный анализ активной и реактивной составляющих сопротивления излучения для вертикальных линейной и цилиндрической антенн. Показано, что характер кривых и численные значения в рассматриваемом частотном диапазоне для антенн одинаковой длины практически не меняются.

Можно сделать важный вывод о том, что в определенном частотном диапазоне с достаточной для инженерных расчетов точностью можно использовать результаты численного исследования параметров линейных антенн при анализе цилиндрических излучателей (рис.8).

Как и в свободном пространстве, в волноводе (рис. 9) при объединении излучателей в антенну каждый из них влияет на соседние своим звуковым полем, изменяя при этом полное сопротивление излучения, излучаемую мощность. Как известно, в результате взаимодействия отдельные преобразователи в зависимости от их положения в антенне, возбуждения, размеров, добротности могут оказаться по разному нагруженными, их им-псдансы будут меняться с изменением возбуждения. Это приведет к рассогласованию с электронными трактами, снижению излучаемой мощности, искажению характеристики направленности.

Рис. 9. Расположение системы цилиндрических излучателей в волноводе

Вывод активной и реактивной составляющих взаимного сопротивления излучения произведен в предположении, что давление, создаваемое на поверхности одного излучателя при условии работы второго, можно представить в виде суммы давления, создаваемого первым излучателем на сво-

и

Рис. 8. Активная (а) и реактивная (б) составляющие сопротивления излучения; Ь,= I. =10, ¿7=0,25; й=100; 2о=50; 1 - линейная антенна; 2 - цилиндрическая антенна

ей поверхности и давления, создаваемого вторым излучателем на поверхности первого.

Полное сопротивление излучения системы преобразователей - = -II +~|2 + "22 гДе ¿21 - собственные сопротивления излуче-

ния, = =гВ1- взаимные сопротивления излучения г=2\г +Г21 =2г)2.

Нормированное взаимное сопротивление излучения цилиндрических антенн в волноводе

(17)

4/ . зтСг.^мп^^Ф^Я^.а)

_ ,1. —у_Ь._л_

Ай Л",™«.«)

' яп(^)

где (Ь . _ 2/1 - парциальная диаграмма направленности.

ки

2И

В главе представлены результаты расчета взаимного сопротивления излучения (активная и реактивная составляющие) для различных волновых размеров цилиндрических излучателей, расстояния между ними. Показано, что учет взаимного влияния существенно важен при малых значениях Ы (волнового расстояния между излучателями).

о_>

0.2

№ А.

№ г**

л"

Б' 0.2

0,1

Ы 0

0.1

1 /

к И/ к/V,

Г /у V ^

V

М

10 20 -»О 40 10 20 30 40

а) 6)

Рис. 10. Активная (/•„) и реактивная (х„) составляющие взаимного сопротивления излучения системы вертикальных цилиндрических излучателей, ¿=1 м; 1 -а=0,5 м; 2 -а=0,25 м

Практически с взаимным сопротивлением излучения можно не считаться, когда глубина погружения одного из источников близка к пА,,2. Определены области значений кс1, когда при оценке полного сопротивления излучения достаточно ограничиться собственным сопротивлением излучения.

Произведено сравнение результатов численного анализа полного сопротивления излучения цилиндрических антенн в волноводе и свободном

пространстве в зависимости от волновых размеров элементов, расстояния между ними, параметров волновода.

ЧЕТВЕРТАЯ ГЛАВА посвяшсна исследованию направленных антенн в волноводе Пексриса, в частности, формированию направленного излучения вертикальной цилиндрической антенной. Поле излучателя в волноводе представится дискретной суммой нормальных волн всех типов, разрешенных дисперсионным уравнением. Выделяются три семейства корней дисперсионного уравнения и три семейства нормальных волн: нормальные волны, квазинормальные - основные составляющие суммарного звукового поля в волноводе и вытекающие. В последнем случае постоянные распространения являются комплексными, а нормальные волны экспоненциально затухают в направлении распространения. Они описывают процесс передачи энергии источника из волновода в нижнее полупространство. Поле точечного источника в волноводе Пекериса представится в виде

А „ ¿„ 1,для нормальных волн и(1), «(2) типа

е. =

a' p,2jsin(¿3U„/?f - , (19)

1 + "хг----7-Ч.для волн н(3) типа

а„ Еи„ • Im {k31,„h)

к12 = V ¿з - , къг - поперечное волновое число в нижнем полупространстве; - горизонтальная постоянная распространения; волны /7(1), л(2), п{3) типа - нормальные, квазинормальные, вытекающие соответственно;

sin2A,,,,/j sin2£,,„/j Еп= i----ipl2-—; (2°)

2км ,nh k-si.nh

(pj Z J, q>J Z) - собственные функции, соответствующие всем трем типам волн;

ап ^ sin{к'1пг„)Е„ ■

°п sin (k^nz„)E'n Если в волноводе расположена вертикальная антенна, то поле представится в виде

Видно, что все коэффициенты возбуждения нормальных волн взвешены величинами Ф„ , учитывающими направленные свойства антенны s¡n< Л'./sin а)

Ф --!-; i .1С и - vui.i екчыь'жеиим o í дельных моя.

Kti sin«)

ЛГ.; i ,п - К { sina.

Следуя принятому ранее определению сопротивления излучения, имеем

Выделял вклад нормальных волн'с вещественной постоянной распространения п{ I), п{2) - типа и вклад вытекающих волн л(3) - типа, получим

"> . * v -

V -V. '"--;

. (í v +v ф21- ).ф2

h " (24)

* „(<;„ •«) • -Л (<?„ • с) + Л''„ {¿„-a)- N{ (с„ •«)]

= г, +/ • л, = — - к, - £ ¿ ' , --- -'-с,,- И„ ><£„

п. «i.i)s„ -л,,--«i (i,,-")

•ti).

Составляющая г.» полного сопротивления излучения характеризует передачу мощности в волновод, а составляющая г? - в нижнее полупространство.

В свою очередь сопротивление разделяется на составляющие,

связанные с нормальными волнами семейства п( П и квазинормальными волнами ссмсйства /7(2)

¿¡2 ~ ('12 + 'V; > + '' (ЛТ: + л'|_2<25)

где »наки (-). I'-) относятся к нормальным и квазинормальным волнам соответственно.

В более общем случае, когда антенна состоит из набора элементов высотой 21, произвольным образом разметенных в жестком экране, можно

кисет собственные и взаимные сопротивления излучения так же. как в случае идеального вол но иола.

В главе представлены результаты расчета но соотношению (24) сопротивления излучения цилиндрической антенны (мононоля), где параметры ¿»и = 1/1,6; С 12 -1.5/1,75 соответствуют импсдансной (ранние воды -морской песок.

Рис.II,а поясняет частотную зависимость для составляющих /и--тГ>' Рис- 11.6 - частотную зависимость .

С ростом частоты составляющие активных сопротивлений стремятся к пределу 0,5 , а составляющая .т,^ —» 0.

Частотная зависимость сопротивления излучения суммы нормальных и квазинормальных волн /*,,, Х12 представлена на рис. 12. Вид кривых хорошо соответствует известным представлениям о частотной зависимости сопротивления излучения. На всех рисунках представлена параметрическая зависимость от глубины погружения антенны: в центре волновода, у дна и у поверхности. Радиальный и линейный размеры цилиндрической антенны влияют на поведение сопротивления излучения (рис.11; 12).

В качестве следующего примера рассмотрена двухэлементная антенна с противофазным включением элементов, образующих вертикальный цилиндрический диполь

где ) = зт(К3]/)созК.. ), 7,% - координаты центра тяжести вер-

тикального диполя.

Если антенна чстырсхэлсмснтная. состоящая из диполей, образующих к-вадруполь, то /г (- ) - 51п(аг,1 • С) • $1'п(л:,, • 2■ О■ 51п(л%, • г).

В расчетах принято, что габаритный размер излучателя квадруполь-ного типа принимает те же значения, что и для излучателя монопольного или дипольного типа. Результаты расчета представлены на рис. 12.

Апертура антенны существенно влияет" на вид нормированных активной и реактивной составляющий сопротивления излучения. Например, для вертикального цилиндрического мононоля активная составляющая достигает своего максимума при меньших значениях волнового параметра, имея большую апертуру. Чем больше апертура, тем на более низких частотах нормированная реактивная составляющая достигнет своего максимума.

С ростом частоты увеличивается обшес число нормальных (квазинормальных) волн, нормированное суммарное реактивное сопротивление, достигнув максимума, убывает ассимптотичсеки до нуля.

Рис. 11. Активная (Г'и, г' п) и реактивная Л^з) составляющие сопротивления излучения вертикальной цилиндрической антенны (монополя), а=0.5; £=1; 1 - г0=0,5; 2 - г0=50; 3 - 2Ь=99,5

Рис. 12. Активная (1р) и реактивная (,) составляющие сопротивления излучения вертикальной цилиндрической антенны (монополя); а) - и=0,5; /,= 1; б) -а= 1; /,=0,5 1 - £¡>=0,5; 2 - Л =50; 3 - =99,5

Нормированное суммарное активное сопротивление стремится к некоторой постоянной величине, что соответствует теоретическим представлениям. При этом в отличие от свободного пространства структура поля в волноводе носит модовый характер.

а) 6)

Рис. 13. Активная (а) и реактивная (б) составляющие сопротивления излучения вертикальной цилиндрической антенны (диполя) в волноводе Пекериса; ¿=0.5; а = 1; А = 100; 1 - 2Ь= 0,5; 2 - 2)= 50; 3 -г0=99,5.

а) Г,)

Рис. 14. Активная (а) и реактивная (б) составляющие

сопротивления излучения вертикальной цилиндрической

антенны (квадруполя) в волноводе Пекериса;

А=1; а = 0.5; И = 100; 1 - 0,5; 2 - 2а= 50; 3 - 99,5

Местоположение антенны в волноводе также'влияет на характер зависимости сопротивления излучения от волнового размера. При работе антенны вблизи поверхности величины 1"п>х\г имеют меньшее значение, чем у такой же антенны, работающей в центре волновода.

Таким образом, сопротивление излучения имеет физический смысл при реальных условиях возбуждения и соответствует структуре всех типов нормальных волн, возбуждаемых в волноводе. Результаты анализа и численного расчета соответствуют аналогичным для антенн в более простом случае излучения в свободное пространство.

Исследованы особенности излучения в нижнее полупространство. В соответствии с физическим смыслом вытекающих нормальных волн часть мощности источника излучается в нижнее полупространство. На частотах, меньших первой критической, вся мощность излучается в нижнее полупространство, однако, с ростом частоты появляются нормальные и квазинормальные волны, которые изменяют баланс излучаемой мощности - доля мощности, излучаемой в нижнее полупространство убывает, а доля мощности, излученной в волновод, соответственно увеличивается.

В качестве первого примера рассмотрим излучение в нижнее полупространство монополя с вертикальным размером 2-€, выделяя в сопротивлении излучения в (24) соответствующую составляющую, рис.15. Следовательно, волновые размеры излучателя, его местоположение влияют на значение сопротивления излучения цилиндрической антенны.

Можно предположить, что интерференционная структура звукового поля в нижнем полупространстве, формируемая вертикальным излучением, определяется тремя различными причинами, связанными с тремя пространственными размерами: волновым размером волновода к\И, продольным волновым размером антенны куС и волновым расстоянием до ближайшей отражающей границы к[7.ч или (И-г*,). В более простых ситуациях влияние каждого фактора можно выделить отдельно.

Рис. 15,в,г поясняет частотную зависимость сопротивления излучения

— гз для короткого излучателя (/, = у/^ = 10 3), расположенного в

центре волновода (г,=0,5А). В этом случае короткопериодная интерференция определяется волновым размером куИ, т.е. модовой структурой вытекающих волн, а длиннопериодная - волновые размером антенны к\-2-?..

Максимум сопротивления Г3 хорошо соответствует условию ку2-{=тг(2-п+\), которое означает, что по длине излучателя укладывается нечетное число зон Френеля. При увеличении волнового размера излучателя интерференционный максимум смещается в область низких частот.

С ростом частотного параметра к\И уровень излучения в нижнее полупространство уменьшается за счет перераспределения излучаемой мощности и в пределе ^ • А -> оо ; г3 -> 0 ; л3 —> 0

При приближении излучателя к границам раздела картина интерференции и вид частотной зависимости сопротивления излучения усложняется совместным влиянием всех пространственных размеров.

Рассмотрены ситуации, когда излучатель расположен вблизи свободной границы и вблизи импсданской границы.

Таким образом, вытекающие нормальные волны, не играющие существенной роли при описании поля в волноводе, полностью описывают процесс излучения в полупространство.

Можно предположить, что при усложнении структуры излучателя, а также при соизмеримости всех размеров, влияющих на процесс интерференции, усложняется и частотная зависимость всех анализируемых составляющих сопротивления излучения.

Поскольку любая вертикальная антенна, излучающая в нижнее полупространство, становится антенной бегущей волны, для которой важную роль играет условие фазировки излучения, определенный интерес в этом плане приобретают именно мультиполи Уолша.

ПЯТАЯ ГЛАВА посвящена исследованию вертикальных ангенн с распределением, заданным системой функций Уолша.

Как было отмечено, наиболее интересны в суммарном поле нормальных волн энергетические характеристики излучателя и характеристики пространственно-частотной интерференционной структуры звукового поля.

Звуковое поле точечного излучателя в волноводе с идеальными границами и соответствующая передаточная функция целиком определяются самими волноводами (интерференцией нормальных волн), а не источником. Поле направленного излучателя в волноводах с идеальными границами и соответствующие усредненные передаточные функции определяются свойствами излучателя (приемника), т.е. направленностью и свойствами волновода.

Аппарат передаточных функций позволяет анализировать вертикальную структуру поля в волноводе и решать обратные задачи, связанные с реконструкцией излучающего объекта, которые в широком смысле относятся к классу томографических задач. Поясним принципиальную сторону этого вопроса.

В случае формирования направленного излучения вертикальной цилиндрической антенной передаточная функция вводится соотношением

А "С,

21-дг, ^ <р{гч)-(р{гр)

(27)

•Ф„-е„ 4-11^(4,,-г).

Усредненный на приемной стороне по апертуре 21 коэффициент передачи по давлению

ПЧр ]л<1р{:)-сЬ= (28)

- И Ьея.Ея.НГ&-а) Ф" " Я° Г)"

Функция распределения колебательной скорости представлена разложением по некоторой ортогональной системе функций. Она может быть конечной с конечным числом М, которое должно находиться в определенном соотношении с числом нормальных волн N. Рассмотрена система функций Уолша, которые находят применение при аппроксимации непрерывных функций

Г(-)-Уа • Е <29>

т

= 1,2... А/, М = У2^2",

где р - целое число; <2ШК- ортогональная матрица коэффициентов, принимающих значение ±1.

В общем случае произвольного распределения нормальной компоненты колебательной скорости по апертуре антенны

/ ч ^г А V" 2'г а ТГ <Рп(гч)-<Рч(2) л „(2ч

<р(г,г) — -У Г „<Д)*-: • Ф» ■ ' (6. ' О »

= ---(30)

„ А 0 Г£,-£'п-Я1(2)(6,-а)

Смысл использования функций Уолша вместо функций поперечного ссчения волновода <рп(2) заключается в том, что они образуют ортогональную систему на интервале (0,А), а обработка сигналов легко реализуется, т.к. предполагает либо синфазное, либо противофазное суммирование сигналов, принятых отдельными элементами антенны.

Передаточная функция направленного излучателя является полным аналогом передаточной функции цепочки точечных излучателей (приемников), определенной с помощью операции усреднения по некоторой апертуре, а показателем направленности в обоих случаях является функция Фп. Более того, вертикальная структура передаточной функции направленного излучателя в волноводе Пекериса не имеет принципиальных отличий от передаточной функции, полученной операцией усреднения по апертуре излучения (приема) для цепочки точечных излучателей (приемников), работающих в идеальном волноводе. Результаты численного анализа полностью

справедливы и для волновода Пекериса при условии, что в сравниваемых волноводах возбуждается одинаковое число нормальных волн с вещественной постоянной распространения.

С учетом принятого ранее определения сопротивления излучения методом ближнего поля, можно заключить, что нормированная передаточная функция совпадает с нормированным сопротивлением излучения.

В более общем случае, когда антенна состоит из набора элементов высотой 2-1, произвольным образом размещенных в жестком экране, можно ввести собственные и взаимные сопротивления излучения, определив их через усредненную передаточную функцию П^ формулами

2№=П„(аУ, г„ = Пп{а); 2'рр = (31)

В главе исследована вертикальная антенна с распределением, заданным системой функций Уолша. Как отмечалось ранее, произвольная функция возбуждения прсдставима своим рядом по системе функций Уолша, тогда антенна с функцией распределения, соответствующей одной из функций Уолша, становится элементарным излучателем в таком представлении.

Можно предположить, что порядок системы функций Уолша М определяет потенциальную разрешающую способность по координате X в волноводе при использовании любых локационных средств, а для ее реализации требуются определенные соответствия между параметром М и числом воз- ■ бужденных в волноводе нормальных волн.

В свою очередь степень возбуждения в волноводе т-ой гармоники Уолша определяется величиной активного сопротивления антенны, функция возбуждения которой описывается т-ой функцией Уолша.

Для расчета сопротивления излучения мультиполя Уолша т-ого порядка нужно воспользоваться формулой

„ -Е,, -Н} '(£„-а) = ■ (32)

где = {гй + Кг )„ + / • (*Г2 + I > = гЪ т +1-хХт.

Численный анализ сопротивления излучения мультиполей Уолша выполним для случая М= 16 (у^у = 16 = Л/ ) при тех же значениях акустических параметров волновода Пекериса.

Рис.16 поясняет частотную зависимость составляющих сопротивления излучения 7. |2 т для первого мультиполя Уолша (монополя). Все особые

точки частотной зависимости составляющей >"и.т связаны с возбуждением объемного резонанса на критических частотах, частотная зависимость со-

ставляющей /*12 т не имеет таких пиков, т.к. нормальные волны зарождаются на граничных частотах, которые являются аналогами частот антирезонанса.

Реактивная составляющая -Х^^,, связанная с возбуждением нормальных волн семейства л( 1), равная нулю на первой граничной частоте, достигает некоторого максимального значения с ростом частотного параметра к\И , а затем монотонно убывает не меняя знака. Реактивная составляющая х{2 т связанная с возбуждением квазинормальных волн я(2), равная нулю на первой критической частоте, достигает с ростом частоты некоторого экстремального значения, оставаясь отрицательной, меняет знак и далее изменяется каноническим образом в области положительных значений.

Можно отметить, что первый мультиполь Уолша нагружается на волновод фактически с первой критической частоты (рис. 16,а).

Рис. 16,6 поясняет частотную зависимость составляющих сопротивления излучения 7.хг г для второго мультиполя Уолша (диполя). Можно отметить характерный рост всех составляющих сопротивления излучения начиная со второй критической частоты. Остальные особенности частотной зависимости аналогичны ранее отмеченным.

Рис. 16,в поясняет частотную зависимость составляющих сопротивления излучения ^ для третьего мультиполя Уолша (квадруполя). Здесь характерный рост составляющих 7.хг 3 соответствует третьей критической частоте.

Анализ частотных зависимостей составляющих сопротивления излучения 2и т для мультиполей Уолша высшего порядка подтверждает вывод о

том, что существует достаточно хорошее соответствие между номером мультиполя и номером критической частоты, начиная с которой мультиполь Уолша хорошо нагружается на волновод, и эти номера численно равны.

Для всех мультиполей можно отметить и наличие высокочастотного приближения {к,А—»со)

Г12.п. ; Гй.т ;ХГз.т 0 ; ХГ2.Я 0 •

Для всех мультиполей наличие локальных пиков на частотной зависимости Г|2 т связано с объемными резонансами на критических частотах волновода.

Для всех мультиполей отрицательная реактивность сопротивления излучения (реактивность упругого характера) связана с возбуждением прямых и обратных квазинормальных волн семейства «(2). С ростом частоты реактивность меняет знак на положительную (реактивность инерциального характера) и в пределе кМ—исчезает.

о.ъъ

олбч -

Рнс. 15. Активная (г'3) и реактивная (х'з) составляющие сопротивления излучения вертикальной цилиндрической антенны в волноводе Пекериса: а) г0=50. о=0.25, А=100; 1 - ¿=3; 2 - ¿=10; 3 - ¿=50; б) ¿=3, сг=0.25, л=100; 1- г0=1о5; 2 - 20=50; 3 - 20=98р; в) г„=0,5А; /,=10"?;

"Г0~ .й ~'аЗ'~' 10 100 120 140 в)

Рис.. 16. Активная (п3) и реактивная (х,2) составляющие сопротивления излучения мультиполя Уолша;

а) - монополя; б) - диполя; в) - шестнадцатого

г) rq=0,5A: A=5*10"J

31

Можно отметить, что для получения пространственного разрешения . А^ « (М - порядок системы Уолша) в волноводе должны эффективно

возбуждаться нормальные волны с максимальными номерами Лг± » М при этом частотный параметр должен определяться приближенным условием

В соответствии с физическим смыслом вытекающих нормальных волн часть мощности источника излучается в нижнее полупространство. На частотах меньших первой критической, вся мощность излучается в нижнее полупространство, однако, с ростом частоты появляются нормальные и квазинормальные волны, которые изменяют баланс излучаемой мощности — доля мощности, излучаемой в нижнее полупространство, убывает, а доля мощности, излученной в волновод, соответственно увеличивается.

Произведена численная оценка излучения в нижнее полупространство вертикальной антенны, функция возбуждения которой описывается одной из функций Уолша. Показано, что максимум излучения монополя (?И=1) в нижнее полупространство соответствует условию к\1г=7с(2п+\), при выполнении которого на апертуре антенны укладывается нечетное число зон Френеля.

Поясняется формирование фазированного излучения антенной диполь-ного (ти=2), причем максимум излучения соответствует условию кф-2л(2и+\у, т-4 - максимум излучения соответствует условию фазировки ¿]/»=4я(2л+1); т=16 — условие фазировки имеет вид ¿1Й=16л(2и+1).

В предельном случае высоких частот составляющие сопротивления излучения г'з т, .х'з.т асимптотически стремится к нулю, а излучение переходит в волновод.

В главе исследована пространственно-частотная интерференционная изменчивость звукового поля при направленном излучении (приеме). Пространственная изменчивость передаточных функций Пр.ч(г,г), исследовалась ранее при анализе вертикальной структуры звукового поля в поперечном сечении волновода. Не меньший интерес представляет и пространственно-частотная изменчивость звукового поля в волноводе, понимаемая обычно как зависимость полевых величин от переменных (г, со) или от их безразмерных аналогов (ги кф). Передаточные функции Пт представляют и здесь особый интерес, т.к. процедура пространственного усреднения по вертикальной координате, заложенная в их определение, сглаживает и пространственно-частотную интерференционную изменчивость по параметрам

т.

Практическая реализация подобного алгоритма усреднения предполагает использование приемо-передающих антенн, апертура которых равна глубине волновода, что вполне реально в мелководных акваториях, где ин-

32

терференционные эффекты проявляются наиболее сильно и в наиболее разрушительной форме. Показано, что наименьшая пространственная изменчивость характерна для усредняющих функций Уолша периодического типа (/и= 1, 2, 4, 6, 8, 16), а уровень интерференционной составляющей не превышает 10 - 15 %. Наименьшая* частотная изменчивость также соответствует функциям Уолша периодического типа.

Слабая пространственно-частотная изменчивость усредненных передаточных функций | Пт(г,а>)\ означает линейность фазовых характеристик передаточных функций по переменным (г,со) или слабую интерференционную изменчивость фазовых и групповых скоростей, соответствующих набору усредненных по Уолшу передаточных функций Пт. По существу речь идет о переопределении системы собственных функций <рп{г), постоянных распространения Сп(ш) и соответствующих дисперсионных характеристик для фазовых с^у, и групповых сг „ скоростей в новую систему собственных функций

, т.е. систему ортогональных в области г е(0, И) функций Уолша и соответствующую им систему дисперсионных характеристик для обобщенных фазовый С^ и обобщенных групповых сг т скоростей.

Предложены соотношения, представляющие собой формулы преобразования одной системы дисперсных характеристик и определенных на них фазовых и групповых скоростей в другую систему характеристик, соответствующих выбору функций Уолша в качестве базовой системы функций поперечного сечения.

Можно отметить, что если исходная система дисперсионных соотношений и основные кинематические характеристики {с9,п\ сТ:П\ определялись акустическими параметрами волновода и в основном скачком скорости на границе раздела волновод-полупространство, то обобщенные кинематические характеристики {с^>т,сг т}в существенной мере зависят и от выбранного способа переопределения исходной системы функций поперечного сечения. Критерием оптимальности преобразования с практической точки зрения является пространственно-частотная интерференционная изменчивость обобщенных характеристик ,„, С,. т }.

Произведен расчет пространственной изменчивости фазовых и групповых скоростей в случае многомодового распространения. Уровень интерференционной составляющей изменяется в пределах (0,05 - 1) % при изменении порядка функции Уолша (т=\ - 16).

Показано, что, процедура вертикального усреднения звукового поля в волноводе Пекериса с весовыми коэффициентами, заданными системой функций Уолша, сглаживает интерференционную структуру тем эффективнее, чем выше значение частотного параметра кф и ниже порядок функции Уолша.

Среди протяженных антенн наибольшее распространение получили горизонтальные линейные антенны на основе гидрофонов малых размеров. Апертура такой антенны может быть увеличена до нужных размеров для формирования остронаправленного приема, а при использовании фазовой компенсации и для сканирования пространства с нужным угловым разрешением.

Модовая структура звукового поля в волноводе существенно ограничивает возможности формирования остро направленного излучения при ненулевых углах компенсации. Увеличение апертуры антенны в этом случае не приводит к нужному сужению характеристики направленности, а появляющиеся боковые лепестки, соответствующие модовой структуре поля, нарушают однозначность пеленгования.

Получено решение задачи для точечных излучателя и приемника, исследованы особенности формирования направленности. Соотношение для расчета поля антенны, состоящей из цепочки точечных приемников обобщено на случай, когда приемный элемент горизонтальной антенны выполнен в

виде короткого вертикально ориентированного цилиндра с размерами а, 2/у, а излучатель выполнен в виде вертикального ориентированного цилиндра с размерами а, 2/у. Передаточная функция выглядит

Для увеличения эффекта подавления интерференционной изменчивости фазовой скорости в суммарном поле нормальных волн излучающая антенна может иметь апертуру, равную глубине волновода, при этом закон распределения функции возбуждения может описываться одной из функций Уолша, а соответствующая передаточная функция для вертикального муль-типоля Уолша и горизонтальной приемной антенны имеет вид

(34)

(35)

хе~'0ЧетН?\Сягг),

где

м li 0 (z )> А -Ф *Ф"

„ „ £.1 у , ^ г п р ) тп vti и

/7-(г') = 5а-"/7-= А ~ (36)

Amn = 'iam4-sin M=h/2ll,

где М - максимальный порядок функций Уолша, определяющий пространственное разрешение по вертикальной координате (Ал = А/Л/ = 2l"v), amq - ортогональная матрица коэффициентов.

Численные оценки пространственной изменчивости фазовой скорости для различных законов усреднения, соответствующих мультиполям Уолша различного порядка, убедительно свидетельствуют о целесообразности их использования, причем эффект подавления интерференционной изменчивости растет с ростом частотного параметра k\h, но убывает с ростом номера т мультиполя Уолша.

На рисунке 17 представлена зависимость передаточной функции /7щ, от угла пеленгования /7 при фиксированных значениях угла компенсации Д) =0, 30, 60, 90°. Это позволяет сделать выводы:

в случае маломерной горизонтальной антенны (М =10) и ненаправленного излучения (Фл =1) фактически для всех углов компенсации Д^О максимум характеристики направленности смещен относительно угла компенсации, а для случая Д)=90 характеристика направленности не формируется вообще, тогда как при направленном излучении (Фп^1) эти недостатки отсутствуют;

при увеличении апертуры горизонтальной антенны направленность растет, однако при ненаправленном излучении на характеристике направленности появляются боковые лепестки, разрушающие однонаправленность, тогда как при направленном излучении имеет место только уширение главного лепестка при сохранении однозначности пеленгования.

Можно также отметить, что эти оценки и выводы в равной степени относятся и к вертикально ориентированной двумерной приемной антенне, составленной из М вертикальных антенн с апертурой ¿в=2/д, образующих

дискретную горизонтальную антенну с апертурой Ly=d(M-1), которая является достаточно близким аналогом дискретной двумерной решетки с размерами ¿ГХ ¿1).

Исследована возможность формирования направленного приема горизонтальной дискретной антенной, когда в качестве излучателя используется один из мультиполей Уолша с апертурой, равной глубине волновода.

( № , I

0+ 9

■ Лиг 15"

-

а)

в)

Рис. 17. Угловая зависимость передаточной функции, /■1=100, А:(/1=800, П^,] - направленное излучение: 2/1=1/16,Ф„*1; Пф[ - ненаправленное излучение (прием): Ф„=1 а)-Л?=10; 6) - Л7 = 100; в)-Л7=1000

1,., 1., !> ¿0 -Ч> М «О 40 '

е)

Рис. 18.Угловая зависимость передаточной функции при излучении мультиполем Уолша, А,/г=800, г, -1000, а) - /я=1; б) - т-3, в) - т=4; г) - /л=6, д) - /я=7; е) - /и=8;

Понятно, что результаты в равной степени будут относиться и к приемной двумерной антенне в виде дискретного набора вертикальных мультиполей при ненаправленном излучении.

Можно отметить, что для всех мультиполей Уолша характеристика направленности является однонаправленной во всем диапазоне изменения угла компенсации, т.е. уровень бокового поля остается достаточно малым. Искажения характеристики направленности типа ее уширения растут с ростом порядка т мультиполя и угла компенсации и максимальны для угла ро=90°. Исключением из правила являются мультиполи. с периодической структурой (/и= I; 2; 4; 8; 16), для которых искажения минимальны.

Таким образом, пространственное усреднение фазовой структуры звукового поля по вертикальной координате либо на излучающей, либо на приемной стороне существенно улучшает направленность антенны в горизонтальной плоскости практически для всех углов компенсации, т.е. в режиме пространственного сканирования (рис. 18).

Анализ частотных характеристик передаточных функций для мультиполей Уолша различного порядка подтверждает целесообразность их использования для подавления интерференционной изменчивости кинематических характеристик и в частотной области, а в конечном счете для улучшения направленных свойств акустических антенн, работающих в волноводе.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Аналитически исследованы основные характеристики излучающих антенн с учетом дифракции волн на цилиндрическом, сферическом, сфероидальном экранах, расположенных в свободном пространстве.

2. Получены точные выражения для расчета полного сопротивления излучения антенн в виде осесимметрично расположенных кольцевых поршней в плоском экране, элиптических, прямоугольных поршней, поясов в цилиндрическом, сферическом, сфероидальном экранах.

3. Проведен численный анализ зависимости собственного сопротивления излучения элементов в экранах; взаимного сопротивления излучения элементов. Выявлены частотные и параметрические зависимости от размера элементов, экранов, расстояния между излучателями. Установлено уменьшение взаимного импеданса излучения при определенных соотношениях в размерах излучателей экранов.

4. Впервые обобщено понятие импеданса антенны в свободном пространстве на случай ее расположения в волноводах. Показано, что в отличие от свободного пространства частотная зависимость сопротивления излучения имеет дискретный характер, полностью соответствующий дискретной структуре поля нормальных волн.

5. Получены точные выражения для расчета основных энергетических характеристик плоских, линейных, цилиндрических антенн, работающих в идеальном волноводе. -

6. Выполнен численный анализ полного сопротивления излучения (собственного и взаимного) цилиндрических антенн в идеальном волноводе. Показано, что как и в свободном пространстве в волноводе при объединении излучателей в антенну происходит акустическое взаимодействие между ними, численно выраженное через взаимное сопротивление излучения. Определены области значений волновых расстояний между элементами, когда при оценке полного сопротивления достаточно ограничиться собственным импедансом отдельного элемента.

7. Выполнен численный анализ сопротивления излучения плоских вертикальных антенн в идеальном волноводе. Показано, что основные соотношения для анализа плоских антенн можно использовать при расчете излучателей типа вертикальной полосы и горизонтальной полосы с вертикальной ориентацией. Местоположение антенны в волноводе, ее размеры существенно влияют на характер частотной зависимости сопротивления излучения. Полученные результаты позволяют провести анализ поля вертикальных и горизонтальных протяженных антенн, когда необходимо учесть глубину моря, размеры излучателей и могут быть распространены на случай направленного приема в волноводе.

8. Произведен сравнительный анализ активной и реактивной составляющих сопротивления излучения для вертикальных линейной и цилиндрической антенн. Показано, что характер кривых и численные значения в рассматриваемом частотном диапазоне для антенн одинаковой длины практически не меняются.

9. В работе аналитически и численно исследованы направленные антенны в волноводе Пекериса. Получены точные выражения для расчета сопротивления излучения вертикальных цилиндрических антенн, которое допускает представление в виде суммы двух составляющих, одна из которых связана с нормальными волнами, захваченными волноводом, другая — с вытекающими волнами. Это обстоятельство необходимо учитывать при работе низкочастотных антенн в мелком море, когда значительная часть мощности излучается в дно. Исследованы особенности излучения в нижнее полупространство.

10. Проведенные численные исследования по полученным алгоритмам позволяют заключить, что использование вертикальных приемо-передающих антенн и соответствующих им усредняющих процедур существенно сглаживают пространственную-частотную интерференционную изменчивость звукового поля в волноводе. Показано преимущество использования в качестве усредняющих функций мультиполей Уолша вместо собственных функций волновода.

11. Исследована возможность формирования направленного приема горизонтальной дискретной антенной, когда в качестве излучателя используется один из мультиполей Уолша. Результаты в равной степени будут относиться и к приемной антенне в виде дискретного набора вертикальных мультиполей при ненаправленном излучении. Показано, что для всех мультипо-

38

лей Уолша характеристика направленности является однонаправленной во всем диапазоне изменения угла компенсации, т.е. уровень бокового поля остается достаточно малым. Таким образом, пространственное усреднение фазовой структуры звукового поля по вертикальной координате либо на излучающей, либо на приемной стороне существенно улучшает направленность антенны в горизонтальной плоскости практически для всех углов компенсации, т.е. в режиме пространственного сканирования.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах.

1. Касаткин Б.А., Стаценко Л.Г.. Энергетические и полевые характеристики акустических антенн в волноводах: Монография.- Владивосток: Дальнаука, 2000. - 265 с.

2. Касаткин Б.А., Стаценко Л.Г. Волноводное распространение звука: Учеб. пособие,- Владивосток: ДВГТУ, 1990. -91 с.

3. Стаценко Л.Г., Васильцов Е.А., Короченцев В.И. Полный импеданс излучения кольцевой антенной решетки/ Тез. докл. I Всесоюзной конф. Проблемы научных исследований в области изучения и освоения Мирового океана - Владивосток: ДВПИ, 1976. -С.36-42.

4. Васильцов Е.А., Короченцев В.И., Стаценко Л.Г. Энергетические характеристики кольцевых антенных систем/ Матер. III Всесоюзн. конф. по спектроскопии.- Каунас: КПИ, 1976. -С.71-73.

5. Стаценко Л.Г. Энергетические характеристики кольцевой антенны в цилиндрическом экране/ Акустические средства и методы освоения океана (межведомственный сборник).-Владивосток: ДВПИ, 1981. -С.36-39.

6. Стаценко Л.Г. Полный импеданс излучения двух поршневых элементов на сфере/ Тр. III Дальневост. акустической конф. Человек и океан.-Владивосток: ДВПИ, 1982. -С.22-24.

7. Стаценко Л.Г. Импеданс излучения двух поршневых элементов в цилиндрическом экране/ Тр. III Дальневост. акустической конф. Человек и океан,- Владивосток: ДВПИ, 1982. -С.24-28.

8. Стаценко Л.Г. Полный импеданс излучения кольцевой ситемы в сферическом экране/ Тр. IV Всесоюзн. конф. Проблемы научных исследований в области изучения и освоения Мирового океана.- Владивосток: ДВПИ , 1983.-С. 22-25.

9. Стаценко Л.Г. Оптимизация возбуждения элементов антенной решетки с учетом взаимодействия/ Тр. IV Дальневост. акустической конф. Акустические методы и средства исследования океана.- Владивосток: ДВПИ, 1986. -С.72-73.

10. Стаценко Л.Г. О влиянии взаимодействия на параметры преобразователей в различных экранах/ Тр. VI Дальневост. акустической конф. Акустические методы и исследования океана.- Владивосток: ДВПИ, 1986. -С.73-74.

11. Стаценко Л.Г. Адаптивная антенная решетка для подводных исследований/ Тр. I Всесоюзн. конф. Комплексное освоение нефтегазовых ресурсов континентального шельфа СССР,- Москва, 1986. -С.187-189.

12. Стаценко Л.Г. Импеданс излучения кольцевого поршня на сфероиде//Дальневост. акустический сб. Вып. I.- Владивосток: ДВПИ, 1986. -С 128131.

13. Стаценко Л.Г. Адаптивная антенная решетка для подводных геологических исследований/ Тр. IV Всесоюз. конф. Проблемы создания новой техники для освоения шельфа.- Горький, 1986.

14. Стаценко Л.Г. Полный импеданс излучения двух колец на сфероиде/ Тез. докл. IV Всесоюзн. школы-семинара молодых ученых и специалистов Современные проблемы теплофизики.- Новосибирск: ИТФ СО АН СССР, 1986. -С.203-205.

15. Короченцев В.И., Стаценко Л.Г. Импеданс излучения поясов на сфероиде/ Антенно-фидерные устройства: Сб. научн. тр.- Куйбышев: КУАИ,

1986.-С.155-156.

16. Стаценко Л.Г. Адаптивная сканирующая система для подводных аппаратов/ Тр. школы-семинара Технические средства и методы исследования Мирового океана,- Москва: Институт океанологии им. П.П. Ширшова,

1987.

17. Короченцев В.И., Стаценко Л.Г. Вычисление импеданса излучения пояса на сфероиде// Радиотехника,- №10. -1987. -С. 89-91.

18. Стаценко Л.Г., Сальникова E.H., Гриценко Е.Ю. Приемный тракт многофункциональной акустической системы подводного аппарата/ Докл. Всесоюзн. школы по техническим средствам и методам исследования океана,- Москва: Институт океанологии им. П.П. Ширшова, 1989.

19. Стаценко Л.Г. Антенная решетка для подводного аппарата с оптимальным возбуждением элементов/ Докл. Всесоюзн. школы по техническим средствам и методам исследования океана.- Москва: Институт океанологии им. П.П. Ширшова, 1989.

20. Быковский Ю.А., Жереги В.Г., Кульчин Ю.Н., Стаценко Л.Г. Возможности обработки сигналов и коррекции диаграммы направленности гидроакустической антенны с использованием интегрально-оптического процесса/ Тр. V-й Дальневост. акустической конф. Акустические методы и средства исследования океана.-Владивосток: ДВПИ, 1989.

21. Быковский Ю.А., Кульчин Ю.Н. Стаценко Л.Г. Применение многоканальных волноводных модуляторов для управления характеристиками направленности// Квантовая электроника. -№ 10. -1990.

22. Стаценко Л.Г. Формирование акустических полей цилиндрическими адаптивными антеннами/ Докл. Всесоюзн. школы по техническим средствам и методам исследования Мирового океана. Т.1.- Москва." АН СССР, 1991. -С. 235-239.

23. Стаценко Л.Г., Балашова Н.И. Линейная антенна с оптимальным возбуждением элементов для работы на шельфе/ Докл. Всесоюзн. школы по

техническим средствам и методам исследования Мирового океана. Т.1.- Москва: АН СССР, 1991. -С. 239-240.

24. Стаценко Л.Г., Сальникова E.H. Перспективы использования гидроакустических средств при промышленном освоении шельфовой зоны/ Тр. ДВГТУ.- Владивосток: ДВГТУ, 1993.

25. Стаценко Л.Г., Бочарова A.A., Вековшинин Г.Л. Пакет прикладных программ для исследования интерференционной структуры звукового поля в слоистом океане/ Матер. Всеросс. конф. по гидроакустике.- Владивосток: ДВО РАН, ТОВВМУ им С.О Макарова, 1994.

26. Короченцев В.И., Стаценко Л.Г. О работе непрерывных вертикальных антенн в волноводах/ Матер. Всеросс. конф. по гидроакустике,-Владивосток: ДВО РАН, ТОВВМУ им С.О Макарова, 1994.

27. Стаценко Л.Г., Стаценко В.Н. Акустический метод экспресс-анализа концентрации нефтепродукта в морской воде/ Межведомствен, сб. тр. ТОВВМУ,- Владивосток, 1996.

28. Короченцев В.И., Стаценко Л.Г. Энергетические характеристики горизонтальных антенных решеток в волноводе/ Межведомствен, сб. тр. ТОВВМУ.-Владивосток, 1996.

29. Стаценко Л.Г., Варлатая С.К., Дружков В.И, Помехоустойчивость разнесенного приема сигналов при зондировании над поверхностью океана/ Проблемы и методы повышения надежности каналов связи ВМФ. Выпуск №1,- Владивосток: ТОВВМУ, 1996.

30. Стаценко Л.Г., Брыкова C.B. Полное сопротивление излучения вертикальных гидроакустических антенн в волноводе/ Тр. Международн. науч.-метод. конф. Развитие системы высшего образования на Дальнем Востоке на основе интеграции высшей школы и академии наук,- Владивосток, 1997.

31. Стаценко Л.Г., Брыкова C.B. Импеданс цилиндрической антенной системы излучающей в волноводе. / Тр. VI сессии Российск. акустического об-ва Акустика на пороге XXI века,- Москва, 1997.

32. Стаценко Л.Г., Брыкова C.B. Сопротивление излучения горизонтальной и вертикальной цилиндрических антенн в волноводе/ Тр. VI Всеросс. акустической конф. (с международным участием) Исследование и освоение Мирового океана,- Владивосток: Дальнаука, 1997. -С. 157-162.

33. Стаценко Л.Г. Взаимное сопротивление вертикальных цилиндрических антенн в волноводе. / Тр. VI Всеросс. акустической конф. (с международным участием) Исследование и освоение Мирового океана,- Владивосток: Дальнаука, 1997. -С. 150-153..

34. Стаценко Л.Г., Ростовцев A.B. Плоская антенна в волноводе/ Тр. ДВГТУ Вологдинские чтения,- Владивосток: ДВГТУ, 1998.

35. Стаценко Л.Г., Ростовцев A.B. Плоская гидроакустическая антенна для подводной системы/ Тр. IV Всеросс. науч.-практич. конф. (международным участием).-СПб, 1999. -С. 26-27.

36. Стаценко Jl.Г., Ростовцев А.В. О работе плоской прямоугольной антенны в водном слое/ Тр. X сессии Российск. акустического об-ва.- Москва, 1999.

37. Стаценко Л.Г. Энергетические характеристики вертикальных цилиндрических антенн в волноводе/ Тр. X сессии Российск. акустического об-ва,- Москва, 1999.

38. Стаценко Л.Г., Ростовцев А.В. Сопротивление излучения плоской прямоугольной вертикальной антенны в волноводе/ Тр. ДВГТУ. Вып. 121; Сер. 9: Акустика.- Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 1999. -С. 150-157.

39. L.Statsenko, V.Korochentsev. Calculation of Circular Zone Impedance on the Spheroid// Telecommunications and Radio Engineering. -№ 1. -1989.

40. L.Statsenko, A.Bykovsky, S. Bondarenko, Yu.N.Kulchhin. Speckle-photography Method for Object Microstains Remote Measurement by Means of Fiber Optics/ International conference on hologram interferometry and spekleme-trology.- USA, Baltimore, 1990.

41. L.Statsenko, V.Statsenko. Acoustic Method Oil Concentration Control in Sewage/ 3rd International Marine Engineering Conference. -China, Shanghai, 1996.

42. L.Statsenko, V.Statsenko, V.Korochentsev. Synthesis of Acoustic Arrays in a Shallow Sea/ Oceans — 96 MTS/IEEE, Marine Technology Society.- USA, Lauderdale: Florida, 1996.

43. L.Statsenko, S.Brycova. Synthesis of Acoustic Arrays in a Shallow Sea/ 2nd International Students Congress of the Asia - Pacific Regions Countries.-Vladivostok: FFSTU, 1997.

44. L.Statsenko, A. Sennicov. Analysis of sound propagation in the cylindrical wavequide filled with water/ 2nd International Students Congress of the Asia - Pacific Regions Countries.- Vladivostok: FFSTU, 1997.

45. L.Statsenko, S. Kasatkin. The general method piezoceramics transducers calculation with the arbitrary sizes/ 2" International Students Congress of the Asia - Pacific Regions Countries.- Vladivostok: FFSTU, 1997.

46. V.V. Petrosyants, A.V. Todorenko, E.V.Yuroshuk, L. G. Stacenko. Designing of the optimum structures of measuring-computing systems/ 3rd International symposium proceedings. Application of the conversion research results for international cooperation.- Tomsk, 1999.

47. Zlobina N.V., Kasatkin B.A., Statsenko L.G. Spatial and energy characteristics of the directional projector in the Pekeris waveguide/ 2lld International Workshop on Acoustical Engineering and Technology.- China, Harbin, 1999.

48. Vladimir N. Statsenko, Boris Ya. Karastelev and Lubov G. Statsenko. The Modeling and Calculation of Mass Transfer between Gas and Liquid/ Pacific Science Revue. Vol.1.- Korea: Kangham University, 1999. -P. 107-110.

Стаценко Любовь Григорьевна

->-_^^|ергетические характеристики кЩРРавленные свойства акустических антенн в волноводах

Автореферат

Лицензия №020466 от 04.03.97г. Подписано в печать 16.05.2000. Формат 60x84/16. Печать офсетная. Усл.печ.л. 2,56. Уч.изд.л. 1,86. Тираж 100 экз. Заказ 027.

Отпечатано в типографии издательства ДВГТУ Владивосток, ул. Пушкинская, 10

ВВЕДЕНИЕ.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗЛУЧАЮЩИХ АНТЕНН С УЧЕТОМ ДИФРАКЦИИ ВОЛН НА ЭКРАНАХ В СВОБОДНОМ ПРОСТРАНСТВЕ.

2.1. Полное сопротивление излучения элементов многокольцевой антенной решетки в бесконечном плоском жестком экране.

2.2. Полное сопротивление излучения элементов антенных решеток в бесконечном жестком цилиндрическом экране.

2.3. Полное сопротивление излучения элементов антенной решетки в жестком сферическом экране.

2.4. Полное сопротивление излучения элементов антенной решетки в сфероидальном жестком экране.

2.4.1. Сложный сфероидальный элемент.

2.4.2. Собственное и взаимное сопротивление излучения элементов в сфероидальном жестком экране.

2.4.3. Собственное и взаимное сопротивление излучения элементов в виде поясов в сфероидальном жестком экране.

2.5. Выводы.

3. НАПРАВЛЕННЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ В ИДЕАЛЬНОМ ВОЛНОВОДЕ.

3.1. Вертикальная цилиндрическая антенна в жестком экране.

3.1.1. Постановка задачи и общее решение.

3.1.2. Энергетические характеристики излучателя.

3.2. Плоская вертикальная антенна в жестком экране.

3.2.1. Постановка задачи и общее решение.

3.2.2. Энергетические характеристики излучателя.

3.2.3.Энергетические характеристики излучателя типа вертикальной полосы и горизонтальной полосы с вертикальной ориентацией.

3.3. Сопротивление излучения системы цилиндрических излучателей, расположенных в волноводе соосно.

3.4. Выводы.

4. НАПРАВЛЕННЫЕ АНТЕННЫ В ВОЛНОВОДЕ ПЕКЕРИСА.

4.1. Волновод Пекериса.

4.1.1. Постановка задачи и общее решение.

4.1.2. Дисперсионные соотношения.

4.1.3. Точечный излучатель. Формула разложения.

4.2. Вертикальная цилиндрическая антенна в жестком экране.

4.2.1. Постановка задачи и общее решение.

4.2.2. Вертикальный монополь.

4.2.3. Вертикальный диполь.

4.2.4. Вертикальный квадруполь.

4.2.5. Особенности излучения в нижнее полупространство.

4.3. Выводы.

5. ПРИКЛАДНЫЕ ЗАДАЧИ НАПРАВЛЕННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ПРИЕМА.

5.1. Вертикальная антенна с распределением, заданным системой функций

Уолша.

5.2. Пространственно-частотная интерференционная изменчивость звукового поля при направленном излучении (приеме).

5.3. Импульсный отклик волновода при направленном излучении (приеме).

5.4. Комбинированные антенны с горизонтальной и вертикальной ориентацией.

5.4.1. Горизонтальная цепочка точечных приемников.

5.4.2. Приемно-передающая антенна с горизонтальной и вертикальной ориентацией.

5.4. Выводы.

Акустические методы и средства широко используются при решении актуальных задач исследования и освоения океана. Изучение основных закономерностей распроаранения звука в морской воде и использование динамических процессов, происходящих в океане - взаимосвязанные задачи акустики. В настоящее время особо актуальны задачи создания томографических схем исследования различных районов Мирового океана. Схемы включают методики количественной оценки эффективных параметров дна, позволяют исследовать мезомасштабныи рельеф дна, поверхностные волны. Использование данных дальнего распространения звука позволяет получить информацию о состоянии морской среды, определить поле температуры по временам прихода акустических лучей, восстановить поле горизонтальной компоненты скорости течения, параллельной трассе распространения. Связь динамических процессов в океане и его акустических свойств позволяет восстановить структуру океанических неоднородностей, исследовать влияние внутренних волн на частотно-пространственно-временные характеристики и модовый состав сигналов.

Численное акустоокеанологическое моделирование позволяет анализировать синоптическую, сезонную, климатическую изменчивость температуры воды, толщину ледяного покрова, амплитуду внутренних волн, высоту приливов.

Важный этап анализа звуковых полей в реальных волноводах связан с выявлением пространственно-частотной интерференционной изменчивости звуковых полей. Причем, если для ненаправленных излучающих систем такой анализ проводился, то интерференционная изменчивость звукового поля и степень ее подавления при направленном излучении (приеме) практически не рассматривались. Отсутствует в литературе и численный анализ энергетических характеристик излучателей типа вертикально-ориентированных цилиндрических, плоских антенн, горизонтальных дискретиых антенн, а также исследование особенностей перераспределения излучаемой мощности между волноводом и полупространством в реальных волноводах. Это особенно важно для создания автономных акустических излучающих комплексов сейсмического профилирования. Кроме того, интерференционную структуру ноля, характеризующую параметры источника акустического излучения, волновода, поверхности, дна и влияющую на дальность обнаружения целей, необходимо учитывать при проектировании гидролокаторов. Пространственно-неоднородная структура и акустические параметры донных осадков усложняют выбор оптимальных параметров приемо-передающих систем для решения задач акустики океана.

Кроме того, повышенные требования предъявляются к гидроакустическим средствам подводного наблюдения, связи, навигации, эффективность работы которых определяется акустическими антенными решетками (АР), которые состоят из большого числа излучающих элементов.

Режим работы антенн в большой степени определяется взаимным расположением элементов АР, акустическими характеристиками экранов.

Несмотря на ведущиеся исследования, строгий анализ основных характеристик антенн, которые можно было бы использовать при проектировании конкретных систем, работающих в волноводе, нет. Эффекты взаимодействия, если их компенсация не предусмотрена при конструировании, снижают выходную мощность излучающей антенны, искажают характеристику направленности. Взаимодействие может быть главным фактором, определяющим работу некоторых преобразователей, которые начинают управляться не приложенными к ним электрическими сигналами, а сигналами, приложенными к другим преобразователям. С другой стороны, взаимодействие по полю может рассматриваться как полезное явление, когда возникает возможность увеличить излучаемую акустическую мощность за счет увеличения сопротивления излучения элементов АР, включающего сопротивление взаимодействия преобразователей в конструкции.

Разработка новых математических и физических моделей, учитывающих влияние поверхности моря, дна, реальных характеристик среды необходима для создания излучающих комплексов акустико-гидрофизических полигонов, которые совместно с приемными гидроакустическими антеннами образуют стационарные трассы. Одно из основных требований, предъявляемых к ним - способность формировать излучаемый сигнал в широкой полосе частот с заданными или варьируемыми частотными и фазовыми характеристиками.

Проблема моделирования волновых полей источника звука в слоистых средах актуальна в связи с развитием практических приложений акустики. Например, связанных с нефтеразведкой и исследованием дна в зоне шельфа, выявлением относительного вклада поверхностного и объемного обратного рассеяния в донную реверберацию.

В целом, океаническая среда - плоский стратифицированный волновод, лежащий на слое осадков, породе, поэтому исследование основных особенностей работы направленных акустических антенн, связанных с модовой структурой поля, анализ пространственно-частотной интерференционной структуры звукового поля и способы её регуляризации при направленном излучении, приеме - актуальная задача современной гидроакустики.

В связи с этим целью диссертации является теоретическое исследование и численный анализ направленных гидроакустических антенн в волноводах, энергетических характеристик антенн и разработка практических рекомендаций для повышения эффеетивности их работы в волноводах.

Для достижения поставленной цели необходимо:

- Аналитически и численно исследовать основные энергетические характеристики многоэлементных антенн в свободном пространстве.

- Аналитически и численно исследовать взаимное влияние цилиндрических антенн в волноводе. Произвести сравнение с поведением аналогичных антенн в свободном пространстве.

- Аналитически и численно исследовать направленные антенны в идеальном волноводе и волноводе Пекериса.

- Получить точные выражения для расчета основных энергетических характеристик плоских, линейных, цилиндрических антенн, работающих в свободном пространстве, идеальных и реальных волноводах.

-Выполнить численный анализ энергетических характеристик вертикальной плоской и цилиндрической антенн в волноводе с идеальными границами.

-Выполнить численный анализ энергетических характеристик вертикальных цилиндрических антенн в волноводе Пекериса. Выделить составляющие, ответственные за излучение в волновод и нижнее полупространство.

-Выполнить численный анализ пространственно-частотной интерференционной структуры звукового поля в волноводе Пекериса для направленных антенн с распределением, заданным системой функцией Уолша. Исследовать особенности излучения в нижнее полупространство.

- Исследовать возможность формирования направленного приема горизонтальной дискретной антенной, когда в качестве излучателя антенны используется один из мультиполей Уолша.

-Исследовать численно характеристики направленных антенн с горизонтальной и вертикальной ориентацией в волноводе Пекериса.

Диссертационная работа прошла апробацию на:

Международных, Всесоюзных, Российских и региональных конференциях и совещаниях: 111 Всесоюзной конференции по спектроскопии (Каунас, 1976 г.); 1-VI Дальневосточных акустических конференциях (Владивосток, 1974, 1978, 1982, 1986, 1992, 1998 г.г.); 1 и IV Всесоюзных конференциях

Проблемы научных исследований в области изучения и освоения Мирового океана" (Владивосток, 1976, 1983 г.); Всесоюзной конференции "Комплексное освоение нефтегазовых ресурсов континентального шельфа СССР (Москва, 1986 г.); IV Всесоюзной конференции "Проблемы создания новой техники для освоения шельфа (Горький, 1986 г.); IV Всесоюзной школе-семинаре молодых ученых и специалистов "Современные проблемы теплофизики" (Новосибирск, 1986 г.); Всесоюзных школах-семинарах "Технические средства и методы исследования Мирового океана" (Москва, 1987,1989,1991 г.г.); Всероссийской конференции по гидроакустике (Владивосток, 1994 г.); VI, X сессиях Российского акустического общества (РАО) 1997, 1999 г.г.; VI Всероссийской акустической конференции с международным участием (Владивосток, 1997 г.); VIII межрегиональной конференции (Москва - Пушкинские горы, 1998 г.); IV Всероссийской научно-практической конференции с международным участием (С.-Петербург, 1999 г.); V Международной конференции "Современные методы и средства океанологических исследований" (Москва, 1999 г.); 3 International Marine Engineering Conference, Shaughai, (China, 1996); 2-nd International Symposium (Tomsk, 1999); 2-nd International Student's Congress of Assia-Pacific Region Countries (Russia, Vladivostok, 1977); "Oceans-96" MTS/IEEE, Marine Technology Sosiety (Florida, USA, 1996); 2-nd International Workshop on Acoustical Engineering and Technology (Harbin, China, 1999); ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Дальневосточного политехнического института (1972-1995 г.г.) и Дальневосточного государственного технического университета (1996-1999 г.г.).

Материалы диссертации докладывались на научных семинарах кафедр гидроакустики и ультразвуковой техники (ГА и УЗТ), радио, телевидения и связи (РТС) ДВГТУ, отделения акустики Тихоокеанского океанологического института (ТОРТ) ДВО РАН.

По теме диссертации опубликованы 1 монография, 2 учебных пособия (одно из них с грифом Министерства общего и профессионального образования), 82 научные работы. Результаты исследований приведены в 18 отчетах по хоздоговорным и госбюджетным научно-исследовательским работам.

На защиту выносятся основные научные положения:

1. Обобщение понятия импеданса антенны в свободном пространстве на случай, когда она располагается в идеальном волноводе и волноводе Пе-кериса. Результаты аналитического и численного исследований основных энергетических характеристик цилиндрических, плоских, линейных антенн в идеальных и реальных волноводах, дискретный характер зависимости которых полностью соответствует дискретной структуре поля нормальных воли.

2. Представление сопротивления излучения антенны, работающей в волноводе Пекериса, в виде суммы двух составляющих, одна из которых связана с нормальными волнами, захваченными волноводом, другая - с вытекающими волнами; это необходимо учитывать при работе низкочастотных антенн в мелком море, когда существенная часть полной мощности излучается в дно.

3. Использование вертикальных приемо-передающих антенн и соответствующих им усредняющих процедур, существенно сглаживающих пространственно-частотную интерференционную изменчивость звукового поля в волноводе. Предпочтительность использования в качестве усредняющих функций мультиполей Уолша вместо собственных функций волновода.

4. Использование мультиполей Уолша в приемо-передающих системах фактически исключающее искажения, вносимые волноводом и межмодовой интерференцией, в результате чего параметры направленности соответствуют аналогичным при работе антенн в свободном пространстве.

Практическая ценность работы:

Полученные в настоящей работе результаты найдут применение в практике проектирования гидроакустических антенных решеток. Проведенные исследования позволяют провести анализ основных параметров антенн: характеристики направленности, коэффициента концентрации, помехоустойчивости приемных антенн с учетом реальных параметров морской среды, отражающих границ, модовой структуры поля, размеров антенн и волновода.

Использование вертикальных передающих (приемных) антенн типа мультиполей Уолша позволяет практически полностью подавить интерференционную изменчивость звукового поля в волноводе и улучшить направленность антенн.

Для учебного процесса при подготовке студентов и курсантов-акустиков практическое значение имеет преподавание новых аспектов теории излучения и теории направленного излучения в жидких волноводах, исследование которых лежит в рамках генерального направления развития гидроакустики.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы. Основное содержание работы изложено на 291 страницах машинописного текста и включает 176 рисунков, список литературы из 158 наименований отечественной и зарубежной литературы.

Основные выводы и результаты.

1. Аналитически исследованы основные характеристики излучающих антенн с учетом дифракции волн на цилиндрическом, сферическом, сфероидальном экранах, расположенных в свободном пространстве.

2. Получены точные выражения для расчета полного сопротивления излучения антенн в виде осесимметрично расположенных кольцевых поршней в плоском экране, элиптических, прямоугольных поршней, поясов в цилиндрическом, сферическом, сфероидальном экранах.

3. Проведен численный анализ зависимости собственного сопротивления излучения элементов в экранах; взаимного сопротивления излучения элементов. Выявлены частотные и параметрические зависимости от размера элементов, экранов, расстояния между излучателями. Установлено уменьшение взаимного импеданса излучения при определенных соотношениях в размерах излучателей экранов.

4. Впервые обобщено понятие импеданса антенны в свободном пространстве на случай ее расположения в волноводах. Показано, что в отличие от свободного пространства частотная зависимость сопротивления излучения имеет дискретный характер, полностью соответствующий дискретной структуре поля нормальных волн.

5. Получены точные выражения для расчета основных энергетических характеристик плоских, линейных, цилиндрических антенн, работающих в идеальном волноводе.

6. Выполнен численный анализ полного сопротивления излучения (собственного и взаимного) цилиндрических антенн в идеальном волноводе. Показано, что как и в свободном пространстве в волноводе при объединении излучателей в антенну происходит акустическое взаимодействие между ними, численно выраженное через взаимное сопротивление излучения. Определены области значений волновых расстояний между элементами, когда при оценке полного сопротивления достаточно ограничиться собственным импедансом отдельного элемента.

7. Выполнен численный анализ сопротивления излучения плоских вертикальных антенн в идеальном волноводе. Показано, что основные соотношения для анализа плоских антенн можно использовать при расчете излучателей типа вертикальной полосы и горизонтальной полосы с вертикальной ориентацией. Местоположение антенны в волноводе, ее размеры существенно влияют на характер частотной зависимости сопротивления излучения. Полученные результаты позволяют провести анализ поля вертикальных и горизонтальных протяженных антенн, когда необходимо учесть глубину моря, размеры излучателей и могут быть распространены на случай направленного приема в волноводе.

8. Произведен сравнительный анализ активной и реактивной составляющих сопротивления излучения для вертикальных линейной и цилиндрической антенн. Показано, что характер кривых и численные значения в рассматриваемом частотном диапазоне для антенн одинаковой длины практически не меняются.

9. В работе аналитически и численно исследованы направленные антенны в волноводе Пекериса. Получены точные выражения для расчета сопротивления излучения вертикальных цилиндрических антенн, которое допускает представление в виде суммы двух составляющих, одна из которых связана с нормальными волнами, захваченными волноводом, другая - с вытекающими волнами. Это обстоятельство необходимо учитывать при работе низкочастотных антенн в мелком море, когда значительная часть мощности излучается в дно. Исследованы особенности излучения в нижнее полупространство.

10. Проведенные численные исследования по полученным алгоритмам позволяют заключить, что использование вертикальных приемо-передающих антенн и соответствующих им усредняющих процедур существенно сглаживают пространственную-частотную интерференционную изменчивость звукового поля в волноводе. Показано преимущество использования в качестве усредняющих функций мулыииолей Уолша вместо собственных функций волновода.

11. Исследована возможность формирования направленною приема горизонтальной дискретной антенной, когда в качестве излучателя используется один из мультинолей Уолша. Результаты в равной степени будут относиться и к приемной антенне в виде дискретного набора вертикальных муль-типолей при ненаправленном излучении. Показано, что для всех мультипо-лей Уолша характеристика направленности является однонаправленной во всем диапазоне изменения угла компенсации, т.е. уровень бокового поля остается достаточно малым. Таким образом, пространственное усреднение фазовой структуры звукового поля по вертикальной координате либо на излучающей, либо на приемной стороне существенно улучшает направленность антенны в горизонтальной плоскости практически для всех углов компенсации, т.е. в режиме пространственного сканирования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рассмотренные в диссертации вопросы связаны с особенностями формирования поля направленных акустических антенн, обусловленных модо-вой структурой звукового поля волновода. Условия распространения звука и задачи, возлагаемые на антенны в волноводе, разнообразны и сложны. Характеристика направленности антенн, работающих в волноводе, существенно отличается от характеристики в свободном пространстве.

В условиях волноводного распространения нарушается синфазность нормальных волн в пределах апертуры. При этом «отклик антенны», осуществляющей сканирование по углу, будет состоять из ряда максимумов, отвечающих модам различных порядков. Это может привести к ошибкам при определении углового положения источника.

Анализ звуковых полей в реальных волноводах связан с выявлением пространственно-частотной интерференционной изменчивости звуковых полей и возможностью ее подавления при направленном излучении и приеме.

В работе в качестве излучающих систем проанализированы вертикальные антенны, формирующие направленное излучение или в волновод, или в полупространство. Исследованы плоские антенны, которые в предельных случаях вырождаются в вертикально ориентированные горизонтальные или вертикальные полосы.

При анализе звуковых полей в волноводе Пекериса исследована вертикальная структура поля в сечении волновода, ее формирование направленной антенной и ее разрушению межмодовой интерференцией.

В работе произведен анализ полного сопротивления излучения, характеризующего способность антенны передавать в среду энергию, и его составляющие, активная и реактивная. Определено, что каждая из них имеет в свою очередь компоненту, связанную с излучением в волновод, и компоненту, связанную с излучением в полупространство.

Понятие импеданса антенны в свободном пространстве обобщено на случай, когда она располагается в волноводе. При объединении излучателей в антенну каждый из них влияет па соседние своим звуковым полем, изменяя при этом полное сопротивление излучения, излучаемую мощность, искажая диаграмму направленности. В работе произведен расчет взаимного сопротивления излучения для различных волновых размеров цилиндрических излучателей, расстояния между ними. В адаптивных антеннах приемный или излучающий тракт которых в условиях изменяющейся помехосигиалыюй ситуации производит автоматическое введение амплитудно-фазовых распределений с учетом акустического взаимодействия, обеспечивающих заданную диаграмму направленности, точность пеленгования, помехоустойчивость.

Среди вертикально ориентированных антенн особое место в анализе занимают цилиндрические антенны, апертура которых равна глубине волновода, а функция распределения соответствует одной из функций Уолша, образующих в области определения полную ортогональную систему функций. Вертикальные антенны типа мультиполей Уолша легко реализуются в условиях мелкого моря, а система функций Уолша полностью эквивалентна системе собственных функций волновода Пекериса, но значительно проще в реализации и эффективнее ири решении практических задач.

Выполнен численный анализ пространственно-частотной интерференционной структуры звукового поля при использовании направленных прие-мо-иередающих систем типа мультиполей Уолша, свидетельствующий о существенном подавлении интерференционной изменчивости и линеаризации фазовой структуры звукового поля.

Подробный численный анализ подтверждает целесообразность использования системы функций Уолша вместо системы собственных функций волновода Пекериса, т.к. дисперсионные характеристики так же как фазовые и групповые скорости, определенные для мультиполя Уолша, обладают существенно малой пространственно-частотной интерференционной изменчивостью в сравнении с дисперсионными характеристиками нормальных волн.

Произведен численный анализ импульсного отклика волновода при ненаправленном излучении-приеме, при направленном излучении-приеме и при использовании в качестве приемо-передающей системы мультиполей Уолша, подтверждающий малые дисперсионные искажения импульсного отклика.

1. Елисеевнин В.А. О работе горизонтальной линейной антенны в водном слое //Акуст. журн. -Т.25, -№2, -1979. -С. 227-233.

2. Елисеевнин В.А. Коэффициент концентрации горизонтальной линейной антенны в волноводе.// Акуст. журн. -Т.40, -№1, -1994.

3. Елисеевнин В,А. Граница между ближним и дальним нолем в волноводе. //Акуст. журн. -Т.39, -№1,-1993.

4. Елисеевнин В.А. Направленность пространственно-некогерентного линейного источника в водном слое.// Акуст. журн. -Т.38, -№6, -1992.

5. Елисеевнин В.А., Виноградов М.С. Вертикальное распределение интенсивности звукового поля излучающей линейной антенны в однородном водном слое //Акуст. журн. -Т.38, -№5,-1992.

6. Елисеевнин В.А. Направленность нространственно-некогерентного вертикального линейного источника в водном слое. //Акуст. журн. -Т.37, -№5,-1991.

7. Елисеевнин В.А. Коэффициент концентрации горизонтальной дискретной линейной антенны в волноводе //Акуст. журн. Т.42, -№2, -1996.

8. Елисеевнин В.А. Коэффициент концентрации плоской прямоугольной вертикальной антенны в волноводе. //Акуст. журн. -Т.41, -№3, -1995.

9. Лебедев О.В., Прончатов-Рубцов Н.В., Симидякин С.И. К расчету поля в акустическом волноводе с многослойным поглощающим дном. //Акуст. журн. -Т.42, -№1,1996.

10. Елисеевнин В.А. О работе вертикальной линейной антенны в водном слое. // Акуст. журн. -Т. 27, -№ 2,1981. -С. 228 233.

11. Елисеевнин В.А. О работе горизонтальной линейной антенны в мелком море. // Акуст. журн. -Т.29, -№ 1,1983. -С. 44 49.

12. Елисеевнин В.А. Диаграмма направленности компенсированной излучающей горизонтальной линейной антенны в волноводе. // Акуст. журн. -Т. 35, -№3, 1989. -С. 468-472.

13. Елисеевнин В.А. Определение направления на источник в волноводе с помощью горизонтальной линейной ангенны. // Акуст. журн. -Т. 42, -№ 2,1996.-С. 208-211.

14. Голубева В.Н., Елисеевнин В.А. Отклик горизонтальной линейной антенны в области дислокации фазового фронта звукового ноля в волноводе. // Акуст. журн. -Т. 44, -№ 5,1998. -С. 697 699.

15. Степанов А.Н. Модовое представление поля направленного излучателя в волноводе. // Акуст. журн. -Т. 42, -№ 2,1996. -С.291-292.

16. Степанов А.Н. Поле направленного гидроакустического излучателя в волноводе Пекериса// Акуст. журн. Т. 45, -№ 2,1999. -С. 278 280.

17. Быковцев Г.И., Кузнецов Г.Н., Степанов А.Н. Акустическое ноле направленного источника в океанических волноводах // Докл. АН СССР. -Т. 280, -№ 1, 1985. -С. 57 59.

18. Кравцов Ю.А., Кузькин В.М. О работе линейной вертикальной антенны в многомодовом рефракционном волноводе // Акуст. журн. -Т. 33, -№1, 1987.-С. 49-54.

19. Кравцов Ю.А., Кузькин В.М., Петников В.Г. О структуре звукового поля протяжённой антенны в условиях волноводного распространения // Акустика океанской среды. М.: Наука, 1989.

20. Кравцов Ю.А., Кузькин В.М. Об излучении антенны в многомодовом волноводе с плавно меняющимися параметрами // Акуст. журн. -Т.31, -№2,1985.-С. 207-210.

21. Кузькин В.М., Фролова Т.А. Усредненный закон спадания интенсивности звукового поля протяженной вертикальной антенны в мелком море // Акуст. журн. -Т. 34, -№ 5, 1988. -С. 891 897.

22. Щекин И.Е. Об отклике горизонтальной антенны в ближней зоне // Акуст.журн.-Т. 31,-№4,1985.-С. 507-510.

23. Бородина Е.П., Петухов Ю.В. Горизонтальная кольцевая антенна в океаническом волноводе // Акуст. журн. -Т. 36, -№ 4,1990. -С. 769 771.

24. Комиссарова H.H. Об отклике приемной антенны в неоднородной среде // Акуст. журн. -Т. 27, -№ 2,1981. -С. 254 260

25. Кузькин В.М., Раввин A.B. Экспериментальное исследование пространственно угловой структуры коэффициента концентрации линейной вертикальной антенны в мелком море // Акуст. журн. -Т. 37, -№ 1, 1991. -С. 134-137.

26. Агафонова З.М., Шарфарец Б.П. Поле вертикальной линейной антенны в идеальном волноводе // Тез. док. IV Всесоюзн. конф. "Проблемы научных исследований в области изучения и освоения Мирового океана". -Владивосток, ДВПИ, 1983. -С. 99-101.

27. Шарфарец Б.П. Поле направленного излучателя в слоисто неоднородном волноводе//Акуст. журн. -Т. 31, -№ 1, 1985. -С. 119 - 125.

28. Долгих В.Н., Шарфарец Б.П. Совместное направленное излучение и прием в регулярных волноводах // Акуст. журн. -Т. 36, -№4, 1990. -С. 654 -658.

29. Шарфарец Б.П. Уточнение понятия "диаграмма направленности" // Акустические исследования жидкости с фазовыми включениями. Владивосток: Сб. науч. трудов ТОН ДВО АН СССР, 1984. -С. 64 - 72.

30. Шарфарец Б.П. О поле направленных излучателей в однородном полупространстве //Акуст. журн. -Т. 35, -№ 5,1989. -С. 954 956.

31. Блажкун А.Д., Шарфарец Б.П. Совместное направленное излучение и прием в регулярных волноводах // Акуст. журн. -Т. 36, -№4, 1990. -С. 654 -658.

32. Блажкун А.Д. Шарфарец Б.П. Поля направленных источников и отклики направленных приемников в регулярных и нерегулярных океанических волноводах: Препринт. Владивосток: ТОЙ ДВО АН СССР, 1990. - 22 с.

33. Шарфарец Б.П. Поле протяженного источника в регулярном океаническом волноводе // Акуст. журн. -Т. 37, -№ 4,1991. -С. 794 799.

34. Шарфарец Б.П. Применение квазиклассического приближения для представления поля направленного излучателя в неоднородных средах // Акуст. журн. -Т. 38, -№ 1,1992. -С. 162 169.

35. Шарфарец Б.П. Поле протяженного излучателя в нерегулярном океаническом волноводе // Акуст. журн. -Т. 38, -№ 2,1992. -С. 345 349.

36. Шарфарец Б.П. Поле протяженного направленного излучателя в регулярном океаническом волноводе // Акуст. журн. -Т. 35, -№ 15 1989. -С. 132 -137.

37. Шарфарец Б.П. Работа излучающей и приемной направленных антенн в слабонерегулярном океаническом волноводе // Акуст. журн. -Т. 35, -№2,1989.-С. 343 -348.

38. Чупров С.Д. Интерференционная структура звукового поля в слоистом океане // Акустика океана. 1982. -С. 71 91.

39. Баранов В.А., Григорьев B.C. Водный слой как измерительный инструмент // Акуст. журн. -Т. 28, -№ 5,1982. -С. 588 596.

40. Кулаков В.Н., Мальцев Н.Е., Чупров С.Д. О возбуждении групп мод в слоистом океане // Акуст. журн. -Т. 29, 1, 1983. -С. 74 79.

41. Интерференция широкополосного звука в океане / Под ред. В.А.Зверева., Е.Ф.Орлова. Горький: ИПФ АН СССР, 1984. -186 с.

42. Касаткин Б.А., Купцов Е.А. Численный анализ фазовой структуры звуковых полей в двухслойном жидком волноводе // Акуст. журн. -Т. 31, -№ 1, 1985.-С. 130- 132.

43. Касаткин Б.А. Инвариантные характеристики звукового ноля в слоистом океане // Док. АН СССР. -Т. 291, -№ 6,1986. -С. 1483 1487.

44. Орлов Е.Ф., Шаронов Г.А. Интерференция звуковых волн в океане/ -Владивосток: Дальнаука, 1998. -195 с.

45. Бреховских JI.M. Волны в слоистых средах.// М.: Наука, 1973. -343с.

46. Войтович H.H., Шатров А.Д. Разложение ноля в подводном звуковом канале в ряд по нормальным волнам. // Акуст. жури. -Т.18, -№4, 1982. -С.516 523.

47. Микер Т., Мейтцлер И.А. Волноводное распространение в протяженных цилиндрах и пластинах.// Физическая акустика. Под ред. У. Мэзона. -Т.1, ч.А, М.: Мир. -С. 140-203.

48. Бурлий П.В., Кучеров И.Я. Обратные упругие волны в пластинах.// Письма в ЖЭТФ. -Т.26, вып. 9,1977. -С.644-647.

49. Смарышев М.Д. Направленность гидроакустических антенн.// Л.: Судостроение, 1973.-304 с.

50. Абакумова Н.К., Галкин О.П. Влияние изменяющихся характеристик волновода на законы спада звуковых полей в океане.// Акуст. журн. -Т. 43,-№3,1997.

51. Карповский М.Г., Москалев Э.С. Спектральные методы анализа и синтеза дискретных устройств. М.: Энергия, 1973. -142 с.

52. Лебедев О.В., Прончатов-Рубцов Н.В., Симдянкин С.И. К расчету поля в акустическом волноводе с многослойным поглощающим дном.// Акуст. журн. -Т. 42, 1,1996. -С. 76 82.

53. Стаценко Л.Г., Брыкова С.В. Сопротивление излучения горизонтальной и вертикальной антенны в волноводе.// Труды VI Всероссийской акустической конференции с международным участием "Исследование и освоение Мирового океана". -Владивосток: ДВПИ, 1997.

54. Стаценко Л.Г., Ростовцев А.В. Плоская гидроакустическая антенна для подводной системы.// Труды IV Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. С-Петербург, 1999.

55. Касаткин Б.А., Стаценко Л.Г. Волноводное распространение звука. Учеб. пособие. Владивосток: ДВПИ, 1990. -91 с.

56. Zlobina N.V., Kasatkin В.А., Statsenko L.G. Spatial and energy characteristics of the directional projector in the Pekeris waveguide/ 2nd International Workshop on Acoustical Engineering and Teclmology.- China, Harbin, 1999.

57. Gazanhes C., Sessarego J.P., Caniier J.L. Identification of modes in some condition of sound propagation in shallow water.// Sound and Vibration. -V. 56, -№ 2,1978. -P. 251 -259.

58. Gazanhes C., Sessarego J.P., Caniier J.L. Beam forming and frequency dependence of mode identification in shallow water propagation.// Sound and Vibration. -V. 65, -№ 2,1979. -P. 165 176.

59. Bucringham M.J. Array gain of a broadside vertical line array in shallow water. // JASA.-V. 65, -№ 1,1979. -P. 148 161.

60. Reachel M.H. The theoretical gain limitations of a passiv vertical line array in shallow water. //JASA. -V. 68, -№ 1,1980. -P. 156 164.

61. Artlim B. Baggeroer and e.t.c. Vertical array receptions of the Heard Island transmission.// JASA, 96 (4), October, 1994. -P.2395-2413.

62. Garry J.Heard and N.R.Chapman. Heard Island Feasibility Test: Analysis of Pacific path data obtained with a horizontal line array. // JASA, 96(4), October, 1994. -P.2389-2394.

63. Фламмер К. Таблицы волновых сфероидальных функций. М.: ВЦ АН СССР, 1962.-138 с.

64. Скучик Е. Основы акустики. М.: Мир. -Т.2,1976. -542 с.

65. Дзязын В.К. Введение в теорию равномерного приближения функций полиномами. -М.: Наука, 1977. -219 с.

66. Bowkamp C.J. A Contribution to the Theory of Acoustic Radiation./ Philips Res. Rep.,-V.l,-№4,1964.-P.251-277.

67. Ржевкин C.H. Курс лекций по теории звука./ М.: МГУ,1960.

68. Усов В.П. Импеданс излучения и коэффициент осевой концентрации кольцевого поршня на бесконечном плоском жестком экране./ Акуст. журнал. -Т.21, вын.5, 1975. -С.663-708.

69. Laird D.T., Cohen Н. Directionality Patterns for Acoustic Radiation from a Couse on a Rigid Cilinder./ SASA. -V. 24, -№1,1952. -P.46-49.

70. Беляков И.И., Смарышев М.Д. Импеданс излучения и коэффициент концентрации одномерной системы колец на бесконечном жестком цилиндре./Акуст. журнал. -Т.28, вып.2,1972. -С.183-191.

71. Greenspon J.E., Sherman C.H. Mutual Radiation Impedance and Nearfield Pressure for Pistons on a Cylinder./ JASA, -V.34, -№1,1964. -P.152-155.

72. Sherman C.H. Mutual Radiation Impedance of Sources on a Sphere./ JASA.-V.31,-№7, 1959.-P.947-952.

73. Кошляков H.C., Глинер Э.Б., Смирнов M.M. Дифференциальные уравнения математической физики./ M-JI: Физматгиз, 1962. -767 с.

74. Бланк Ф.Г. Об импедансе излучения поршней, работающих в однородном слое//Акуст. журн. -Т. 26, вып. 1,1980. С. 20-28.

75. Гринченко В.Г., Лунева С.А. Звуковое иоле двух совместно работающих экранированных цилиндрических излучателей // Акусг. журн. Т. 28, вып. 1,1982.-С. 19-24.

76. Бланк Ф.К. К оценке взаимного импеданса плоских излучателей в нежестком экране //Акуст. журн. Т. 26, вып. 5,1980. - С. 801-804.

77. Четаев Д.Н. О сопротивлении прямоугольной пластины, колеблющейся в вырезе плоской антенны //ПММ. -Т. 15, вып. 4,1951. С. 439-444.

78. Скучик Е. Основы акустики. М.- Т. 1,1958. -617 с.

79. Pritchard R.L. Mutual acoustic impedance between radiation in an infinite rigid plane. JASA, -V. 32, -№ 6,1960. -P. 730-737.

80. Arase E.M. Mutual radiation impedance of square and rectangular pistous in rigid infinit baille. JASA, 1964, vol. 36, -№ 8, p. 1521-1525.

81. Ватсон Г.Н. Теория бесселевых функций. М.: ИЛ, 1949. - Ч. 1. - С.800.

82. Гутин Л.Я. Избранные труды. Л.: Судостроение, 1977. - 599 с.

83. Добровольский Ю.Ю. Акустическое ноле бесконечной решетки пульсирующих колец на импедансном цилиндре //Акуст. журн., 1974. Т. 20, вып. 6. С. 839-846.

84. Андебура В.А., Лейко А.Г., Силецкий С.М. Акустическое поле системы бесконечных цилиндрических эллиптических излучателей при смешанных граничных условиях //Акуст. журн., 1977. Т. 23, вып. 1. С. 18-23.

85. Силепкин С.М. Импеданс излучения бесконечного эллиптического цилиндра в системе таких излучателей //Акуст. журн., 1980. Т. 26, вып. 2. С. 257-265.

86. Мор С.Ф., Фешбах Г. Методы теоретической физики. М., 1960. Т. 12.

87. Ржевкин С.М. Ближнее ноле и импеданс сферы, колеблющейся вблизи жесткой или мягкой перегородки //Акуст. журн., 1978. Т. 24, выи. 1. -С. 143-146. '

88. Гнистецкий В.А. Взаимный импеданс сложных сферических излучателей //Акуст. журн., 1981. Т. 27, вып. 1. 83-88.

89. Добровольский Ю.Ю. К определнию параметров протяженных акустических антенн, состоящих из резонансных поршневых излучателей //Акуст. журн., 1975. Т. 21, вып. 4. С. 611-618

90. Добровольский Ю.Ю., Кудашев O.A., Рубанов И.Л. О влиянии взаимодействия резонансных ЭАП на параметры излучающей линейной антенной решетки //Акуст. жури., 1983. Т. 20, вып. 3. С. 341-346.

91. Рубанов И.Л. О влиянии взаимодействия ЭАП на характеристику направленности антенной решетки с произвольным амплитудно-фазовым распределением //Акуст. журн., 1982. Т. 28, вып. 1. С. 681-684.

92. Орлов JI.B., Шабров A.A. Гидроакустическая аппаратура рыбопромыслового флота. -Л.: Судостроение, 1987. -222 с.

93. Касаткин Б.А., Стаценко Л.Г. Энергетические и полевые характеристики акустических антенн в волноводах: Монография.- Владивосток: Дальнаука, 2000. 265 с.

94. Стаценко Л.Г., Васильцов Е.А., Короченцев В.И. Полный импеданс излучения кольцевой антенной решетки/ Тез. докл. I Всесоюзной конф. Проблемы научных исследований в области изучения и освоения Мирового океана.- Владивосток: ДВПИ, 1976. -С.36-42.

95. Васильцов Е.А., Короченцев В.И., Стаценко Л.Г. Энергетические характеристики кольцевых антенных систем/ Матер. III Всесоюзн. конф. по спектроскопии.- Каунас: КПИ, 1976. -С.71-73.

96. Стаценко Л.Г. Энергетические характеристики кольцевой антенны в цилиндрическом экране/ Акустические средства и методы освоения океана (межведомственный сборник).- Владивосток: ДВПИ, 1981. -С.36-39.

97. Стаценко Л.Г. Полный импеданс излучения двух поршневых элементов на сфере/ Тр. III Дальневост. акустической конф. Человек и океан.-Владивосток: ДВПИ, 1982. -С.22-24.

98. Стаценко Л.Г. Импеданс излучения двух поршневых элементов в цилиндрическом экране/ Тр. III Дальневост. акустической конф. Человек и океан.- Владивосток: ДВПИ, 1982. -С.24-28.

99. Стаценко Л.Г. Полный импеданс излучения кольцевой ситемы в сферическом экране/ Тр. IV Всесоюзн. конф. Проблемы научных исследований в области изучения и освоения Мирового океана.- Владивосток: ДВПИ , 1983.-С. 22-25.

100. Стаценко Л.Г. Оптимизация возбуждения элементов антенной решетки с учетом взаимодействия/ Тр. IV Дальневост. акустической конф. Акустические методы и средства исследования океана.- Владивосток: ДВПИ, 1986. -С.72-73.

101. Стаценко Л.Г. О влиянии взаимодействия на параметры преобразователей в различных экранах/ Тр. VI Дальневост. акустической конф. Акустические методы и исследования океана.- Владивосток: ДВПИ, 1986. -С.73-74.

102. Стаценко Л.Г. Адантивная антенная решетка для подводных исследований/ Тр. I Всесоюзн. конф. Комплексное освоение нефтегазовых ресурсов континентального шельфа СССР.- Москва, 1986. -С. 187-189.

103. Стаценко Л.Г. Импеданс излучения кольцевого поршня на сфероиде// Дальневост. акустический сб. Выи. I.- Владивосток: ДВПИ, 1986. -С. 128131.

104. Стаценко Л.Г. Адаптивная антенная решетка для подводных геологических исследований/ Тр. IV Всесоюз. конф. Проблемы создания новой техники для освоения шельфа.- Горький, 1986.

105. Стаценко Л.Г. Полный импеданс излучения двух колец на сфероиде/ Тез. докл. IV Всесоюзн. школы-семинара молодых ученых и специалистов Современные проблемы теплофизики.- Новосибирск: ИТФ СО АН СССР, 1986. -С.203-205.

106. Короченцев В.И., Стаценко Л.Г. Импеданс излучения поясов на сфероиде/ Ангенно-фидерные устройства: Сб. научн. тр.- Куйбышев: КУАИ, 1986.-С.155-156.

107. Стаценко JI.Г. Адаптивная сканирующая система для подводных аппаратов/ Тр. школы-семинара Технические средства и методы исследования Мирового океана.- Москва: Институт океанологии им. П.П. Ширшова, 1987.

108. Короченцев В.И., Стаценко Л.Г. Вычисление импеданса излучения пояса на сфероиде// Радиотехника.- №10. -1987. -С. 89-91.

109. Стаценко Л.Г., Сальникова E.H., Гриценко ЕЛО. Приемный тракг многофункциональной акустической системы подводного аппарата/ Докл.

110. Всесоюзн. школы по техническим средствам и методам исследования океана.- Москва: Институт океанологии им. П.П. Ширшова, 1989.

111. Стаценко Л.Г. Антенная решетка для подводного аппарата с оптимальным возбуждением элементов/ Докл. Всесоюзн. школы по техническим средствам и методам исследования океана.- Москва: Институт океанологии им. П.П. Ширшова, 1989.

112. Быковский Ю.А., Кульчин Ю.Н. Стаценко Л.Г. Применение многоканальных волноводных модуляторов для управления характеристиками направленности// Квантовая электроника. -№ 10. -1990.

113. Стаценко Л.Г. Формирование акустических нолей цилиндрическими адаптивными антеннами/ Докл. Всесоюзн. школы но техническим средствам и методам исследования Мирового океана. Т.1.- Москва: АН СССР, 1991. -С. 235-239.

114. Стаценко Л.Г., Балашова Н.И. Линейная антенна с оптимальным возбуждением элементов для работы на шельфе/ Докл. Всесоюзн. школы нотехническим средствам и методам исследования Мирового океана. Т.1.- Москва: АН СССР, 1991. -С. 239-240.

115. Стаценко Л.Г., Сальникова E.H. Перспективы использования гидроакустических средств при промышленном освоении шельфовой зоны/ Тр. ДВГТУ.- Владивосток: ДВГТУ, 1993.

116. Стаценко Л.Г., Бочарова A.A., Вековшинин Г.Л. Пакет прикладных программ для исследования интерференционной структуры звукового поля в слоистом океане/ Матер. Всеросс. конф. по гидроакустике.- Владивосток: ДВО РАН, ТОВВМУ им С.О Макарова, 1994.

117. Короченцев В.И., Стаценко Л.Г. О работе непрерывных вертикальных антенн в волноводах/ Матер. Всеросс. конф. по гидроакусгике.-Владивосток: ДВО РАН, ТОВВМУ им С.О Макарова, 1994.

118. Стаценко Л.Г., Стаценко В.Н. Акустический метод экспресс-анализа концентрации нефтепродукта в морской воде/ Межведомствен, сб. тр. ТОВВМУ.- Владивосток, 1996.

119. Короченцев В.И., Стаценко Л.Г. Энергетические характеристики горизонтальных антенных решеток в волноводе/ Межведомствен, сб. тр. ТОВВМУ.- Владивосток, 1996.

120. Стаценко Л.Г., Варлатая С.К., Дружков В.И. Помехоустойчивость разнесенного приема сигналов при зондировании над поверхностью океана/ Проблемы и методы повышения надежности каналов связи ВМФ. Выпуск №1.- Владивосток: ТОВВМУ, 1996.

121. Стаценко Jl.Г., Брыкова С.В. Импеданс цилиндрической антенной системы излучающей в волноводе. / Тр. VI сессии Российск. акустического об-ва Акустика на пороге XXI века.- Москва, 1997.

122. Стаценко Л.Г. Взаимное сопротивление вертикальных цилиндрических антенн в волноводе. / Тр. VI Всеросс. акустической конф. (с международным участием) Исследование и освоение Мирового океана.- Владивосток: Дальнаука, 1997. -С. 150-153.

123. Стаценко Л.Г., Ростовцев А.В. Плоская антенна в волноводе/ Тр. ДВГТУ Вологдинские чтения.- Владивосток: ДВГТУ, 1998.

124. Стаценко Л.Г., Ростовцев А.В. О работе плоской прямоугольной антенны в водном слое/ Тр. X сессии Российск. акустического об-ва.- Москва, 1999.

125. Стаценко Л.Г. Энергетические характеристики вертикальных цилиндрических антенн в волноводе/ Тр. X сессии Российск. акустического об-ва.-Москва, 1999.

126. Стаценко Л.Г., Ростовцев А.В. Сопротивление излучения плоской прямоугольной вертикальной антенны в волноводе/ Тр. ДВГТУ. Вып. 121; Сер. 9: Акустика.- Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 1999. -С.150-157.

127. L.Statsenko, V.Korochentsev. Calculation of Circular Zone Impedance on the Spheroid// Telecommunications and Radio Engineering. -№ 1. -1989.

128. L.Statsenko, A.Bykovsky, S. Bondarenko, Yu.N.Kulchhin. Speckle-photography Method for Object Microstains Remote Measurement by Means of Fiber Optics/ International conference on hologram interferometry and spekleme-trology.-USA, Baltimore, 1990.

129. L.Statsenko, S.Brycova. Synthesis of Acoustic Arrays in a Shallow Sea/ 2nd International Students Congress of the Asia Pacific Regions Countries.- Vladivostok: FFSTU, 1997.

130. L.Statsenko, A. Sennicov. Analysis of sound propagation in the cylindrical wavequide filled with water/ 2nd International Students Congress of the Asia -Pacific Regions Countries.- Vladivostok: FFSTU, 1997.

131. L.Statsenko, S. Kasalkin. The general method piezoceramics transducers calculation with the arbitrary sizes/ 2nd International Students Congress of the Asia-Pacific Regions Countries.- Vladivostok: FFSTU, 1997.

132. Vladimir N. Statsenko, Boris Ya. Karastelev and Lubov G. Statsenko. The Modeling and Calculation of Mass Transfer between Gas and Liquid/ Pacific Science Revue. Vol.1.- Korea: Kangham University, 1999. -P. 107-110.

133. J. Bixing, D.Qingde, W.Kexie. Nonaxisymmetric acoustic field excite by a cylindrical tool placed off a bore hole axis and extraction of shear wave// J. Acoust. Soc. Ainer. V.99, №2,1996. P682-690.

134. Hang Anton, Graves Roland D., Uberall H. Normal mode theory of underwater sound propagation from directional multipole source// J. Acoust. Soc. Amer. V.56, №2, 1974. P387-391.