автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.06, диссертация на тему:Исследование влияния гидрофизических неоднородностей на характеристики параметрических антенн

^ #

ТАГАНРОГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

аа ярвлах рукописи

КИРИЧЕНКО Игорь Алексеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ АНТЕНН

Специальность 05.11.06. "Акустические приборы и системы "

АВТОРЕФЕРАТ диссертации т соискание ученой степени кандидата технических паук

Таганрог 1996

Работа выполнена в Таганрогском государственном радиотехническом университете

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор, акг демик А ЕЯ РФ В. И. ТИМОШЕНКО

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Л. К. ЗАРЕМБО, МГУ, г. Москва

доктор физико-математических наук, кандидат технических наук, профессор В. П. РЫЖОВ, ТРТУ, г. Таганрог

Ведущая организация -, НИИ "Бриз" г. Таганрог

Защита состоится ьоои-д. 1996 г. в Л О часов на

заседании диссертационного совета К 063.13.03 Таганрогского государственного радиотехнического университсга.

Адрес: 347928, ГСП 17 а, г. Таганрог Ростовской области, пер. Некрасовский, 44.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан " ^ 3 " о^ьХ»«^ 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. За последние десятилетия в гидроакустике произошли существенные изменения. Сейчас на основе накопленного опыта все больше усилий направляется на исследование и разработку моделей распространения звуковых волн в океане, которые учитывают реальную океанологическую обстановку. Это привело к повышению требований к гидроакустическим средствам, расширению круга решаемых с помощью гидроакустических средств задач, поиску новых методов разработки аппаратуры, математических и физических моделей акустических полей в океане. Одной из таких задач является зондирование морской среды с целью измерения обратного объемного рассеяния звука в океане, которое всегда содержит обширную информацию о гидрофизических неоднородностях. При экспериментальном исследовании акустических свойств объемного рассеяния наибольшее распространение получили дистанционные методы. При практической реализации систем дистанционного зондирования оптимальные условия для измерений создаются, если озвучиваемый объем остается постоянным при изменении частоты зондирующих сигналов. Такая задача решается в случае использования в качестве источника звука параметрической излучающей антенны. Известно, что в параметрическом излучателе часть морской среды (область нелинейного взаимодействия акустических волн) выполняет роль объемной антенны. Реальная морская среда всегда является неоднородной. Гидрофизические неоднородности обычно разделяют на регулярные неоднородности (изменение температуры, солености), которые приводят к рефракции звукового луча, и нерегулярные неоднородности (гидродинамические течения, изменения скорости звука, плотности, газовые пузырьки, планктон), которые приводят к изменениям звукового поля, обусловленным морской средой, например, ее вязкостью.

Распространение звуковых волн в неоднородной среде для традиционных линейных акустических систем рассмотрены достаточно подробно. В рамках решения общей задачи о распространении звуковых волн в неоднородной среде с временными флюктуациями ее параметров вызывает интерес решение задачи о влиянии гидрофизических неоднородностей на процесс нелинейного взаимодействия акустических волн.

Теоретическим и экспериментальным исследованиям вопроса о нелинейном взаимодействии в неоднородной среде посвящено значительное число работ, однако поведение характеристик параметрических излучающих антенн в неоднородной среде с произвольными законами изменения скорости звука, плотности.

затухания изучено недостаточно подробно. В связи с этим актуальным является исследование характеристик параметрических изучающих антенн в средах с изменяющимися распределениями указанных выше параметров. Изучение этого вопроса позволило определить ту часть области нелинейного взаимодействия, изменения параметров среды в которой оказывают ^ наибольшее влияние на характеристики параметрической антенны [1,5].

К мало изученным в настоящее время относится также зядача об исследовании влияния неоднородного гидродинамического потока на характеристики параметрического излучателя. Рассмотрены, в основном, вопросы влияния неоднородного потока жидкости на характеристику направленности парамегрической антенны при зондировании океанических вихрей. Поэтому исследования влияния неоднородного гидродинамического потока, находящегося в ближнем поле параметрической антенны, на процесс нелинейного взаимодействия акустических волн является актуальным. Решение указанных задач позволило создать математическую модель, которая учитывает влияние компонент вектора скорости гидродинамического потока на суммарный уровень звукового давления волны разностной частоты и экспериментально исследовать особенности нелинейного взаимодействия акустических волн в среде с неоднородным гидродинамическим потоком [2,9].

Состояние вопроси и научная новизна. Теоретические, и экспериментальные исследования параметрического излучения звука в среде с гидрофизическими неодкородностями представлены в работах К.А. Наугольных, E.H. Пелиновского, В.Ю. Зайцева, И.Б. Есипова и ряда других авторов. Влияние флюктуации параметров морской среды приводит к нарушению структуры нелинейных источников. Анализ работы параметрического излучателя в среде ' с изменяющимся распределение скорости звука показывает, что но сравнению со свободным просгранством поле параметрической антенны претерпевает изменения. Экспериментальные исследования распространения звуковых волн в гидродинамической струе показали изменение формы и спектра импульса. Решение задачи о нелинейном взаимодействии звуковых волн в присутствии неоднородного Потока жидкости, изменяющегося на масштабах, значительно превосходящих длины акустических волн, позволило оценить влияние потока на характеристику направленности • параметрического излучателя. Теоретическое рассмотрение нелинейного взаимодействия звука, проведенное б этих работах, - позволило качественно описать особенности диаграммы направленности параметрического излучения звука на разностной частоте, сформированного в результате нелинейного взаимодействия в среде с гидродинамическим потоком. Влияние крупномасштабного (по сравнению с длинами акустических

волн) потока приводит к повышению уровня бокового излучения. Амплигуды дополнительных максимумов характеристики направленности параметрической антенны, при этом, могут быть сравнимы с основным, когда поток содержит достаточно мелкие пространственные структуры.

Для дальнейшего развития параметрических излучающих систем необходимо провести теоретические и экспериментальные исследования с целью выяснения влияния гидрофизических неоднородностей, находящихся в ближнем поле параметрической антенны, на процесс нелинейного взаимодействия и на характеристики поля параметрических излучателей.

Работа по исследованию влияния изменения скорости звука, плотности, затухания и гидродинамического потока, находящегося непосредственно в ближней зоне параметрической излучающей антенны, на процесс нелинейного взаимодействия акустических волн быр - выполнена автором диссертации [1-13].

При измерениях, обычно, скорость звука принимается известной и постоянной. В действительности она зависит от температуры, солености, гидростатического давления, плотности, а так же от времени суток и года. Автором . было проведено теоретическое рассмотрение и экспериментальные исследования работы параметрической антенны в среде с изменяющимся полем скорости звука с целью определения той части области не-тинейного взаимодействия звука, которая оказывает наибольшее влияние на изменение характеристик параметрической антенны [1,4-6, 13].

В реальных условиях работы параметрических антенн непосредственно у поверхности преобразователя накачки практически всегда существуег гидродинамический поток, который обусловлен движением носителя антенны или течением воды в океане. Возникает вопрос: как влияют на характеристики параметрической излучающей антенны подобные гидрофизические неоднородности. Выяснение этого вопроса особенно важно при создании гидроакустической аппаратуры дач дистанционного зондирования гидрофизических неоднородностей. Результаты теоретического рассмотрения и экспериментальные исследования . влияния гидродинамического потока, проведенные автором, позволили дать ответ на этот вопрос и рекомендации по учету свойств гидродинамического потока, в частности масштаба потока и вектора скорости потока [2,7-12]. Проведенные теоретические и экспериментальные - исследования позволили учесть в алгоритме обработки информации, полученной при акустическом зондировании океана, влияние гидрофизических неоднородностей на поле параметрической антенны.

Цель работы и задача исследования. Целью работы является исследование поля параметрической излучающей антенны в среде с

изменяющимся полем скорости звука и при наличии гидродинамического потока в ближней зоне параметричёской антенны на' характеристики параметрической антенны. Для достижения поставленной цели решаются следующие основные задачи:

> на основании решения нелинейного волнового уравнения проводится анализ работы параметрической антенны в среде с гидрофизическими неоднородностями;

- теоретически и . экспериментально проЬедена оценка влияния изменения скорости звука в области нелинейного взаимодействия на Характеристики поля параметрической излучающей антенны;

- теоретически и экспериментально исследовано влияние 'неоднородного гидродинамического потока на характеристики поля

параметрической излучающей антенны;

ч разработана установка и методика экспериментального исследования параметрической излучающей антенны в среде с й (меняющимся полем скорости звука;

: " - разработана установка и методика экспериментального исследования нелинейного взаимодействия акустических волн в среде с неоднородным гидродинамическим потоком в области нелинейного взаимодействия;

-' 1 обоснованы принципы и структура, построения параметрического гидроакустического комплекса для дистанционного зондирования морской среды.

Новые научные результаты.

1. Получено преобразованное уравнение Хохлова-Заболотской-К\ шеиова с правой частью, решение которого позволяет описать ччм мирное звуковое поле, генерируемое волнами накачки в среде с (и.чродинамическим потоком.

2. Получены расчетные выражения, позволяющие учесть вклад пек юра скорости потока в уровень звухового давления волны разностном частоты.

5. На основе решения уравнения Хохлова-Заболотской-Кузнецова проведен анализ поля параметрической антенны в среде с пространственно-временными флюктуациями скорости звука, плотности и затухания,который позволил определить ту часть области нелинейного взаимодействия, изменения параметров среды в которой оказывают наименьшее влияние на характеристики параметрической ипччаннпей антенны. -

4. Исследовано влияние неоднородного гидродинамического пси ока. находящегося в ближней, зоне параметрической излучающей а:ис111и>1. на процесс нелинейного взаимодействия акустических волн и характеристики поля параметрической антенны.

5. Исследовано влияние изменения скорости пука » области нелинейного взаимодействия акустических воля па поле параметрической антенны.

6. Создан и испытан экспериментальный образец корабгльного комплекса дистанционного зондирования морской среды.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Теоретическое рассмотрение задачи о нелинейном взаимодействии акустических волн в среде с гидродинамическим потоком..

2. Методики расчета характеристик поля параметрической излучающей антенны в среде с изменяющимися распределениями скорости звука в воде, плотности и затухания.

. 3. Результаты исследования характеристик параметрической излучающей антенны в среде с гидродинамическим потоком в области нелинейного взаимодействия акустических волн.

4. Результаты исследования характеристик параметрической излучающей-антенны в среде ¿-изменяющимся полем скорости звука в области нелинейного взаимодействия акустических волн.

5. Метод практической реализации параметрического гидроакустического" комплекса для дистанционного акустического зондирования морской среды.

Внедрение результатов работы. Полученные в работе результаты исследований внедрены при разработке экспериментального образца корабельного комплекса дистанционного акустико-гидрофизического зондирования морской среды, создаваемого в рамках научно-исследовательской работы "Щарник-ГКНО".

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены и обсуждались на следующих конференциях:

Всероссийской молодежной научно-технической конференции "XX Гагаринские чтения", Москва, 1994;

Всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Радиотехнические цепи и сигналы", Таганрог, .1994;

Всероссийской научной конференции "Новые информационные технологии. Информационное, программное и аппаратное обеспечение", Таганрог; 1995; ■

Всероссийской молодежной научно-технической конференции "XXI Гагаринские чтения", Москва, 1995;

Всероссийской научно-технической конференции "Медицинские информационные системы", Таганрог, 1995;

Международной конференции "Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды-ПООС-95". Томск. 1995:

OCEANS-95, October 9-12, 1995, San Diego, California, USA;

Конференциях профессорско-преподавательского состава ГРТУ, Таганрог, 1992, 1993, 1994, 1995.

Содержание диссертационной работы докладывалось и обсуждалось на заседаниях кафедры электрогидроакустической и медицинской техники Таганрогского государственного радиотехнического университета, Таганрог, 1996.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 118 наименований, одного приложения. Работа содержит 135 страницы машинописного текста и 67 рисунков (всего 202 страницы).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обосновывается актуальность темы, научная и техническая новизна, кратко излагаются содержание работы и основные научные положения, которые защищаются в диссертации.

В первой глазе диссертационной работы .представлен обзор публикаций, посвященных исследованиям процесса нелинейного взаимодействия звуковых волн и влиянию гидрофизических неоднородностей на характеристики параметрических антенн. Проведен анализ основных работ, которые затрагивают задачи, решаемые в диссертационной работе. На основании выполненного обзора сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе проводится теоретическое исследование особенностей работы параметрической излучающей антенны в среде с изменяющимся распределением скорости звука, плотности и затухания в области нелинейного взаимодействия акустических волн на основе известного решения уравнения Хохлова-Заболотской-Кузнецова для случаев изменения указанных параметров среды.

Для наиболее часто используемых на практике излучающих антенн с круглым осесймметричным раскрывом антенны г накачки звуковое давление, на" разностной г. частоте, при аппроксимации распределения звукового давления на поверхности антенны накачки гауссовой кривой) может быть определено из выражения:

ехр

Р„РЛ£1г zл '

( у ■ ¿О + iB(c,p)y)

где У ж !р/ /3 ',-ßm '¡J / 4,7о; ; г' « 2г%1а% i, = Ita, а- радиус антенны,

«-эффективный коэффициент затухания, шаштушл таутшаого

давления волн накачки.

Это аналитическое соотношение, описывающее распределение акустического поля волны разностной частоты, с достаточной точностью позволяет рассчитывать амплитудные и фазовые характеристики вторичного поля излучения на любых расстояниях от исходного излучателя, с учетом нелинейности среды, дифракции и затухания первичных и вторичных волн взаимодействия и проводить анализ влияния неоднородностей указанных параметров среды на процесс нелинейного взаимодействия акустических волн и характеристики параметрической излучающей антенны.

Расчеты осевого распределения амплитуды звукового давления волны разностной частоты при различных значениях скорости звука, плотности и затухания показали:

- из рассмотренных в данной главе гидрофизических неоднородно.сгей наибольшее влияние на характеристики поля параметрической антенны оказывает изменение скорости звука в области нелинейного взаимодействия;

- увеличение скорости звука на 4% приводит к уменьшению амплитуды звукового давления волны разностной частоты на 18%;

- изменение плотности и затухания в широких пределах слабо влияют на амплитуду звукового давления волны разностной частоты на оси параметрической излучающей антенны, так как изменение плотности на 3% и длины зоны затухания в 3 раза приводят к изменению уровня звукового давления на 5% и 3%, соответственно.

Анализ влияния изменения скорости звука и плотности на амплитудно-частотную характеристику параметрической излучающей антенны показал, что изменение скорости звука оказывает большее влияние на ее изменение, чем изменение плотности, так как изменение скорости звука на 3% приводит к изменению уровня звукового давления волны разностной частоты в диапазоне частот 5-50 кГц примерно на 15%, а такое же изменение плотности- на-5%. Поэтому влияние изменений плотности можно не учитывать при обработке полученной информации.

Расчеты углового распределения амплитуды звукового давления волны разностной частоты позволили сделать вывод о том, что увеличение скорости звука приводит к незначительному расширению характеристики направленности. При этом, с увеличением скорости звука от 1500 м/с до 1540 м/с характеристика направленности параметрической антенны (Г= 1,1 МГц, 2@„ =4°) расширяется ка 0,5°.

При работе параметрической излучающей антенны в реальных океанологических условиях возникает задача определения той части области нелинейного взаимодействия, изменения параметров распределения рассматриваемых гидрофизических неоднородностей

оказывают наибольшее влияние на изменение характеристик параметрической антенны. С этой целью был проведен ряд расчетов характеристик поля параметрической антенны характеристик параметрической антенны для различных распределений скорости звука в области Нелинейного взаимодействия. Анализ расчетов показал, что только изменение скорости звука до расстояний равных 1 -2 длинам зоны дифракции волн накачки влияют на характеристики параметрической излучающей антенны.

В практических задачах гидрофизических исследований Мирового океана для оценки влияния неоднородностей таких параметров морской среды, как скорость звука, плотность и затухание, на характеристики параметрической излучающей антенны и учета отличий реальных характеристик параметрической антенны от расчетных необходимо знать значение скорости звука в момент измерений у преобразователя накачки, в силу того, что масштабы этих неоднородностей в океане превышают размеры области нелинейного взаимодействия акустических волн, и учитывать это в алгоритме обработки акустических сигналов при дистанционном зондировании океана.

В третьей главе проводится теоретическое исследование влияния гидродинамического потока, находящегося в ближнем поле параметрической антенны, на процесс нелинейного взаимодействия акустических волн. Полагалось, что рассматриваемый поток ортогонален направлению распространения акустических волн. Максимальный масштаб потока определялся областью среды, связанной с течением жидкости. Под пространственным распределением гидродинамического потока в среде полагалось распределение (равномерное и гаусово) продольной и поперечной составляющих (средних по времени) вектора скорости потока и (г,г).

В описании процессов нелинейного взаимодействия хорошо зарекомендовало себя уравнение Хохлова-Заболотской-Кузнецова, которое представляет собсй преобразованное волновое уравнение с рядом допущений. С учетом конвективной (полной) производной

Д = + и, пренебрегая эффектами рассеяния поля накачки на

потоке, можно записать следующее преобразованное уравнение Хохлова-Заболотской-Кузнецова с правой частью:

1 , ь <?А с Пр;) г£ (г, „

А —,-+-;——А,Р = -

с20 а2 с2вРо а ' с>0 а1 с4оРо

Это уравнение описывает суммарное звуковое поле, генерируемое волнами накачки в однородной среде и в среде с гидродинамическим потоком. Так как скорость гидродинамического потока много меньше скорости звука в воде, то такое уравнение решается для случая малых

чисел Маха. Физический смысл такого подхода означает, что суммарное поле представимо как поле, сформированное в. однородной среде, на которое наложено поле, генерируемое в среде с гидродинамическим потоком. Данные механизмы являются эффектами одного порядка малости по числу Маха и, следовательно, общее решение представимо в виде суммы: Р = Р,+Р2,

где Р,- низкочастотное поле, генерируемое волнами накачки в отсутствие потока, Р1 - поправка к полю Р,, обусловленная, наличием потока. Тогда получим два уравнения:

А • 1 а"-рх ъ д . п ¿г <?2(р/)

с0 Л с0р„ дг с0р„ д1

А „ 1 дгРг Ъ д . _ 2е ( А Р,--:--г- + -;--А , Р, = -

2 с2, ае- с]ра я х г с>0

Ч Я ,

(2)

Уравнение (1) представляет собой известное уравнение Хохлова-Заболотской-Кузнецова, решение которого получено в виде интеграла.

Уравнение (2) решаем методом последовательных приближений и получим решение в виде тройного интеграла.

Рг(г, г) = ехр(-аг')[ А{г', ^

где А(г',г')- комплексная амплитуда, удовлетворяющая параболическому уравнению теории дифракции, г-поперечная составляющая вектора скорости потока, г- продольная составляющая вектора скорости потока.

Искомое решение дам Р2 удобно представить в виде суммы двух компонент:

Р = Р + Р

' ! •* гг * гя >

где Рг2, Р1Р- вклад продольной и поперечной составляющих вектора скорости гидродинамического потока, соответственно.

В результате при равномерном распределении составляющих вектора скорости потока по координатам гиг получим следующие решения:

АвкР*.} е~а:' 1 ( .к 4г2>

„ . чькгъ тт Г е I

='^ЧГ^^Г'ттг1"2 • (3>

4А_с"' - 1

22 <$А" Ч!(г-г')'/2(1 Чг'Ц^^В^

.ехрГ^^^^Т^ Г^о-^'(^У (4)

Л 4£((г-2') А \ ) I Ч-А Ь

где Д = 4(-- 7') + ¿¿¿Г (1 -241^).

Суммируя выражения (3) и (4), можно получить вклад в уровень звукового давления волны разностной частоты, создаваемый гидродинамическим потоком в области нелинейного взаимодействия.

Анализ результатов расчетов модели показан, что влияние вектора скорости гидродинамического потока в области нелинейного взаимодействия приводит к повышению уровня звукового давления волны разностной частоты на оси параметрической антенны в области, связанной с потоком, на 20-25%.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований характеристик параметрической излучающей антенны в среде с указанными выше неоднородностями (изменение распределения скорости звука в области нелинейного взаимодействия и наличие неоднородного гидродинамического потока в ближней зоне параметрической излучающей антенны). Рассмотрены структурные схемы экспериментальных установок, вопросы метрологического обеспечения процесса измерений. Результаты исследований анализируются и сравниваются с расчетными. Экспериментальные исследования характеристик параметрической антенны проводились в заглушённых гидроакустических бассейнах. Размеры преобразователей накачки изменялись от 18 мм до 30 см при частотах накачки от 120 кГц до 1,1 МГц. Диапазон разностных частот составлял 5-100 кГц.

При исследовании влияния изменения скорости звука на поле параметрической антенны были измерены амплитудные характеристики поля звукового давления волны разностной частоты, при этом в воде создавались локальные изменения поля температуры. Фактором, определяющим флюктуации скорости звука, является температура. Чувствительность скорости звука к изменению температуры составляет примерно 4,6 м/с град, и более чем в 3 раза превосходит чувствительность к изменению плотности, солености и гидростатического давления. Создаваемые в.. гидроакустическом бассейне распределения скорости звука позволяли изменять ее величину на 3-10% на масштабе, соизмеримом с половиной длины зоны дифракции волн накачки. Анализ экспериментальных кривых показывает, что осевое распределение звукового давления волны разностной частоты имеет характерный для этой зависимости вид.

Амплитуда звукового давления монотонно возрастает при удалении от поверхности преобразователя накачки, и на расстоянии порядка длины зоны дифракции волн накачки наблюдается пологий максимум. В области, ограничиваемой длиной зоны дифракции, интенсивность перекачки энергии исходных волн накачки в энергию волны разностной частоты наибольшая. Очевидно, что изменения параметров среды именно в этой области оказывает наибольшее влияние на амплитуду звукового давления волны разностной частоты, так как за пределами этой области наблюдается спад уровня звукового давления. Причиной этого спада является поглощение и дифракция, которые ослабляют процесс нелинейного взаимодействия. Изменение скорости звука на 3% на расстоянии меньшем длины зоны дифракции, как показывают экспериментальные зависимости, приводит к изменению амплитуды эвукового давления на оси параметрической антенны на 16%, 24% и 30% для разностных частот 30; 60 и 100 кГц, соответственно. При изменении скорости звука на 3% в области, находящейся на расстоянии большем дайны зоны дифракции, уровень звукового давления на оси параметрической антенны изменяется незначительно. Для полноты картины поля параметрической антенны были проведены измерения углового распределения амплитуды звукового давления, анализ которых показал, что на угловое распределение так же наибольшее значение оказывает изменение скорости звука на расстоянии порядка длины зоны дифракции. Увеличение скорости звука на 3% приводит к изменению ширины углового распределения, измеренного по уровню 0,7, на 10-15%.

Анализ экспериментальных зависимостей амплитудных характеристик поля параметрической антенны в среде с изменяющимся полем скорости звука позволяет сделать вывод о том, что, как и показало теоретическое рассмотрение, проведенное в главе 2, скорость звука имеет определяющее значение в реальных условиях работы параметрической антенны и ее необходимо учитывать в алгоритме обработки акустических сигналов.' '

Целью исследований амплитудных характеристик поля параметрической антенны в среде с гидродинамическим потоком явилось выявление особенностей поведения осевого распределения звукового давления волны разностной частоты и характеристики направленности от значения скорости потока, от размеров области, связанной с потоком и от масштабов неоднородное! ей потока. В полученных экспериментально зависимостях наблюдается рост амплитуды звукового давления'волны разностной частоты в среде с гидродинамическим потоком по 'сравнению с аналогичными зависимостями: измеренный!?5 в- Отсутствие потока. Наибольшее повышение (до ¡1 дБ при и=3 м/с, Р=30 кГц) наблюдается в области геометрической оси потока при ее пересечении с акустической осью

антенны на расстоянии порядка длины зоны дифракции от поверхности антенны накачки. Затем, происходит спад уровня звукового давления, примерно пропорционально квадрату расстояния, до границы области, связанной с потоком, и за ее пределами монотонное убывание по квазисфсрическому закону. Повышение уровня звукового давления за пределами гидродинамического потока на расстоянии порядка двух длин зоны дифракции составило 2-4 дБ в диапазоне разностных частот 5-30 кГц. Разностный сигнал может возникать в среде с гидродинамическим потоком и за счет давления, создаваемого потоком около поверхности гидрофона. Для того, чтобы выделить принимаемый низкочастотным гидрофоном сигнал волны разностной частоты, образовавшийся за счет нелинейного взаимодействия, при измерениях за пределами области, связанной с потоком, перед гидрофоном устанавливался акустический фильтр.

С целью вьиснения процесса влияния гидродинамического потока на нелинейное взаимодействие звуковых волн проведен эксперимент, в котором при сохранении максимального масштаба потока, определяемого размерами области его существования, изменялся минимальный масштаб неоднороднэстей. Для этого перед срезом сопла устройства формирования потока была установлена металлическая решетка с размером ячейки меньше длин волн, участвующих в процессе нелинейного взаимодействия. В рассмотренных ранее экспериментах минимальный масштаб потока принимался равным диаметру сопла и был соизмерим с длинами волн разностных частот. Повышение уровня звукового давления на оси параметрической антенны на расстоянии порядка двух длин зоны дифракции составило 2 дБ для разностных частот 10-30 кГц. В этом случае, очевидно, основной вклад в изменение уровня звукового давления вносят компоненты вектора скорости потока, что совпадает с теоретическими расчетами, проведенными в рамках решаемой задачи.

Экспериментальное исследование осевого распределения амплитуды звукового давления с частотами, равными частотам волн накачки, показало, что для линейных антет происходит снижение уровня звукового давления примерно на 1-2 дБ, вызванное рассеянием на потоке. В случае нелинейного взаимодействия акустических волн снижение уровня звукового давления волн накачки за пределами области! связанной с потоком составляет 3-5 дБ и вызвано не только рассеянием звуковых волн на потоке, но и повышением эффективности образования вторичных волн. Это приводит, как бы, к ограничению области нелинейного взаимодействия.

Исследование осевого распределения амплитуды звукового давления акустических волн при линейном излучении с частотами, равными по значению частотам накачки, разностным частотам и второй гармоники показало, что и в этом случае в диапазоне частот 5-

240 кГц происходит снижение уровня звукового давления на 1-3 дБ. вызванное рассеянием волн на потоке.

Измерение углового распределения амплитуды звукового давления волны разностной частоты показало, что при расположении потока в ближней зоне на расстоянии меньше длины зоны дифракции происходит его расширение, которое составляет Г-2° при значении 2&л 4" в однородной среде. Результаты расчета углового распределения при ограничении области нелинейного взаимодействия затуханием показали хорошее совпадение результатов эксперимента с теоретическими зависимостями. При расположении потока на расстоянии равном и большем длины зоны дифракции волн накачки происходит обужение углового распределения на 20-25% по уровню 0,7. Это связано с тем, что характеристик? направленности параметрической антенны формируется, в основном, участком среды в потоке, заполненном источниками с большей эффективностью. При расположении потока в этой зоне условный размер объемной области, определяющей ширину характеристики направленности, увеличивается за счет дифракции волн накачки на потоке, и это увеличение приводит к обужению характеристики направленности параметрической антенны в целом.

Исследование параметрической антенны в среде с изменяющимся полем скорости звука и в среде с гидродинамическим потоком в ближней зоне позволяют сделать вывод о необходимости учета влияния гидрофизических неоднородностей на характеристики поля параметрической - антенны в алгоритме обработки информации, полученной при дистанционном зондировании океана.

В пятой главе подробно описана структура построения параметрического гидроакустического комплекса для дистанционного зондирования морской среды. Основное внимание уделено вопросу применения параметрической антенны при определении коэффициента обратного объемного рассеяния звука, являющегося количественной мерой обратного объемного рассеяния звука от гидрофизических неоднородностей. Показаны основные преимущества применения параметрических излучающих антенн при измерении обратного объемного рассеяния звука в океане. Подробно рассмотрена структурная схема параметрического гидроакустического комплекса и функциональные схемы его структурных единиц. Описана их работа. Приводятся основные технические характеристики параметрического комплекса, разработанного на основе анализа существующих локационных систем, и результаты экспериментальных исследований параметрической излучающей антенны, входящей в состав комплекса. Анализ результатов экспериментальных исследований характеристик параметрической излучающей антенны показал, что параметрическая антенна имеет определенные преимущества перед традиционными

.пшенными антеннами при зондировании гидрофизических нсолнородносгей. Учет особенностей работы параметрической антенны в среде с гидрофизическими неоднородностями в области нелинейного взаимодействия позволил выработать рекомендации по основам проектирования корабельного комплекса для дистанционного зондирования океана. В частности, все основные результаты исследований были использованы при разработке алгоритма обработки информации, получаемой при дистанционном акустическом зондировании морской среды. Достоверность исследований подтверждена рез>. ьтатами натурных испытаний экспериментального образца комплекса.

В шсиочспии сформулированы основные результаты, полученные в диссертационной работе.

Основные результаты работы.

1. В работе получены аналитические выражения, позволяющие учесть вклад в суммарный уровень звукового давления волны разностной частоты компонент скорости гидродинамического потока, и установлено, что наличие гидродинамического потока в облает'■ нелинейного взаимодействия приводит к изменению амплитуд, звукового давления волны разностной частоты.

2. Проведено теоретическое рассмотрение влияния изменения распределения скорости звука, плотности и затухания на характеристики параметрической излучающей антенны и установлено, что:

- наибольшее влияние на изменение уровня звукового давления волны разностной частоты оказывает изменение скорости звука, при этом градиент скорости звука, созданный на расстоянии большем длины зоны дифракции волн накачки практически не влияет на распределение амплитуды звукового давления:

- для учета отличий реальных характеристик параметрической излучающей антенны от характеристик, рассчитанных по принятой модели, необходимо знать величину скорости звука непосредственно у преобразователя накачки в момент измерений.

3. Проведены экспериментальные исследования влияния рассматриваемых в , диссертационной работе гидрофизических неоднородностей на характеристики поля параметрической излучающей антенны и установлено, что:

- на процесс нелинейного взаимодействия звука в среде - с рассматриваемыми гидрофизическими неоднородностями наибольшее влияние оказывают неоднородности, масштаб которых соизмерим либо больше длин волн, участвующих в процессе нелинейного взаимодействия;

- влияние неоднородного гидродинамического потока приводит как бы к ограничению области нелинейного взаимодействия, и при

расположении гидродинамического потока непосредственно у поверхности преобразователя накачки происходит расширение характеристи!- направленности параметрической излучающей антенны . '

- экспериментальное исследование изменения распределения скорости звука в,области нелинейного взаимодействия подтверждает полученные теоретические закономерности

- экспериментальное исследование влияния неоднородного гидродинамического потока хорошо согласуется с теоретическими закономерностями для малых значений чисел Рейнольцса. -

4, Создан и испытан экспериментальный образец параметрического гидроакустического комплекса для дистанционного зондирования морской среды. •

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Воронин В.А., Кириченко И.А. Влияние изменения скорости звука на погрешность измерения обратного объемного рассеяния параметрическим измерительным комдлексом // Материалы XXXIX научно-технической конференции. Таганрог, ТРТУ. 1993. С. 123-124.

2. Ворбнин В.А., Кириченко И.А. О влиянии потока жидкости с пульсациями давления на .поле параметрического излучателя // Материалы Всероссийской- НТК "Медицинские информационные системы", Таганрог, ТРТУ. 1995. Вып.5 (XII). С. 29-34.

3. Кириченко И>Аг ; Михайлов Г.А., Старченко И.Б. Пакет программ по расчету --xai актеристик параметрической антенны при условии ограничения области нелинейного взаимодействия // Материалы Всероссийской конференции студентов и аспирантов "Новые информационные технологии. Информационное, программное и аппаратное обеспечение", Таганрог, ТРТУ. 1995. С. 171-172.

4. Аббасов И.Б., Кириченко И.А., Тимошенко В.И. Параметрические антенны в исследовании обратного рассеяния звука // Известия ТРТУ , "Материалы ХХХХ НТК", Таганрог, ТРТУ. 1995. № 1.С. 124-127.

5. Аббасов И.Б., Кириченко И.А., Старченко И.Б. Влияние реальных условий работы в мировом, океане на характеристики параметрических антенн // Труды ТРТУ, "Сборник трудов молодых ученых"* Таганрог, ТРТУ. 1995. С. 5-8.

6. Воронин В.А., Кириченко И.А; Использование параметрического гидролокатора для экологических исследований донных осадков II Сб. тез. докл. МНТК " XX Гагаринские чтения", М., МГАТУ. 1994. €.12-13.

7. Воронин В.А., Воронин Е.В., Кириченко И.А. Особенности применения параметрической антенны для экологических

• исследований водной среды // Сб.тез.докл. МНТК "XXI Гагаринские чтения", М„ МГАТУ. 1995. С. 27.

8. Кириченко И. А., Старченко И.Б. Особенности применения параметрических излучателей в эхоскопии внутренних органов человека // Материалы Всероссийской НТК " Медицинские информационные системы 1 аганрог, ТРТУ. 1995. Вып.'5(ХН). С. 3-7.

9. Кириченко И.А. К вопросу о влиянии неоднородностей водной среды на характериеггику направленности параметрической излучающей антенны // Материалы Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов "Новые информационные технологии. Информационное, программное и аппаратное обеспечение", Таганрог, ТРТУ. 1995. С. 169-170.

10. Кириченко И.А., Михайлов Г.М., Старченко И.Б. Расчетная модель работы параметрической антенны в режиме второй гармоники // Материалы Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов "Новые информационные технологии. Информационное, программное и аппаратное обеспечение", Таганрог, ТРТУ. 1995. С. 165-166.

11. Voronin V.A., Kirichenko I.A. Parametric array for ecological investigations of water medium // International Conference POOS-95, September 12-16,1995. Tomsk. P. 62-63.

12. Kirichenko I.A., Starchenko I.B. Application of higher harmonics of parametric array for precision ecological control of water medium II International Conference POOS-95, September 12-16, 1995. Tomsk. P. 39.

13. Воронин B.A., Кириченко И.А. Моделирование поля скорости звука в стратифицированной среде// Известия ВУЗов, Электромеханика, 1995, №4. С. 96-98. >

В работах, написанных в соавторстве, личный вклад автора состоит в следующем: в работе [1] автором проведен теоретический анализ влияния изменения скорости звука на характеристики параметрической " антенны; в работе, [2J - разработана экспериментальная установка и методика проведения исследовании по влиянию гидродинамического потока на. характеристики параметрической антенны; в работах [3,10] - разработана экспериментальная установка и методика проведения исследований, написан ряд программ по расчету характеристик параметрической антенны; в работе [4] - проведено экспериментальное исследование и сравнение результатов с теоретическим рассмотрением;, в работе [5] .разработана математическая модель по учету . влияния гидрофизических неоднородносгей . на характеристики "поля параметрической антенны; в работах [6, 7, Л1, 12] - разработана физическая модель по учету влияния гидрофизических неоднородносгей на характеристики параметрической антенны при проведении экологического мониторинга, проведено экспериментальное исследование по возможности применения параметрической антенны для экологического мониторинга; в работа

[8] - проведены расчеты по теоретической модели; в работе [13] -разработана экспериментальная установка и методика ' проведения ' исследований.