автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.06, диссертация на тему:Моделирование и исследование модовой структуры звуковых полей направленных антенн в подводных волноводах

Злобин Дмитрий Владимирович

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ МОДОВОЙ СТРУКТУРЫ ЗВУКОВЫХ ПОЛЕЙ НАПРАВЛЕННЫХ АНТЕНН В ПОДВОДНЫХ ВОЛНОВОДАХ

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

-6 ОКТ 2011

Владивосток - 2011

4855657

Работа выполнена в Дальневосточном государственном техническом университете (ДВПИ им. В.В. Куйбышева)

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Стаценко Любовь Григорьевна.

доктор физико-математических наук, профессор Короченцев Владимир Иванович;

кандидат технических наук Тагильцев Александр Анатольевич.

Ведущая организация:

в/ч 90720 (г. Владивосток)

Защита состоится 28 октября 2011 г. в 10:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.055.01 при Дальневосточном государственном техническом университете по адресу: 690990, г. Владивосток, ГСП, ул. Пушкинская, 10, ДВГТУ, ауд. 302, тел. (4232) 26-08-03, факс (4232) 26-69-88.

С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале ДВГТУ.

Автореферат разослан 20 сентября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, доктор технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Для исследования Мирового океана широко применяются акустические приборы и устройства. Повышенные требования предъявляются к гидроакустическим средствам подводного наблюдения, связи и навигации, эффективность работы которых в большей степени определяется акустическими антеннами, знанием процессов распространения звука и структуры звукового поля. Несмотря на значительное количество работ, посвященных исследованию направленного излучения, остается много вопросов, связанных с анализом модовой структуры звукового поля.

В настоящее время строгий анализ энергетических характеристик антенн произведен для антенн, работающих в свободном пространстве. Выявлены более эффективные формы, размеры и взаимное расположение элементов. В то же время разработка новых математических моделей, учитывающих влияние поверхности, дна и реальных характеристик среды, необходима для создания излучающих комплексов, которыми совместно с приемными антеннами оснащаются стационарные трассы акустико-гидрофизических полигонов. Они должны 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 их пространственно-частотной интерференционной изменчивости. Такой анализ проводился для ненаправленных излучающих систем, а интерференционная изменчивость звукового поля и степень ее подавления при направленном излучении и приеме практически не рассматривались. Отсутствует в литературе и численный анализ энергетических характеристик излучателей типа вертикально-ориентированных цилиндрических, горизонтальных дискретных, фазированных антенн, а также исследование особенностей перераспределения излучаемой мощности между волноводом и полупространством в реальных средах.

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

В связи с этим исследование основных особенностей работы направленных акустических антенн, связанных с модовой структурой поля, анализ пространственно-частотной интерференционной структуры звукового поля и способы ее регуляризации при направленном излучении и приеме - актуальная задача современной гидроакустики.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Исследование модовой структуры звуковых полей в волноводах для совершенствования методов расчета звукового давления, соз-

даваемого различным видами направленных антенн и способствующих повышению эффективности гидроакустических комплексов.

ДЛЯ ДОСТИЖЕНИЯ ПОСТАВЛЕННОЙ ЦЕЛИ БЫЛИ РЕШЕНЫ СЛЕДУЮЩИЕ ЗАДАЧИ:

Произведен сравнительный анализ двух решений граничной задачи для однородного жидкого волновода с нижней импедансной границей. Разработаны алгоритмы и создано программное обеспечение для расчета поля в модельном волноводе в соответствии с двумя различными решениями граничной задачи. Разработаны трехмерные модели звуковых полей в волноводе и полупространстве, произведено моделирование импульсной характеристики волновода.

Аналитически и численно исследовано звуковое поле фазированного излучателя в волноводе, нагруженном, на жидкое и твердое упругое полупространство, что позволяет выполнить анализ звуковых процессов, происходящих на границе раздела вода - морское дно.

Исследованы особенности работы направленных антенн в однородном жидком волноводе, разработаны трехмерные модели звуковых полей в волноводе и полупространстве, создаваемых различными типами антенн. Проведено сравнение эффективности работы направленных излучателей различного типа.

Произведен анализ основных энергетических характеристик антенн, позволяющий прогнозировать их оптимальный режим работы.

Выполнены расчеты сопротивления излучения цилиндрической антенны с характеристикой направленности монопольного или дипольного типа, работающей вблизи дна и генерирующей придонную волну.

Разработаны рекомендации по выбору типа характеристики направленности, рабочей частоты, размеров антенны, ее положения с учетом гидрологических условий в месте проведения эксперимента для оптимизации работы антенны.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ДОСТОВЕРНОСТЬ ПОЛУЧЕННЫХ РЕШЕНИЙ. Достижение поставленной в диссертации цели, обеспечивалось путем проведения теоретических исследований с привлечением фундаментальных положений теории волноводного распространения звука. Основные выводы, положения и рекомендации обоснованы теоретическими расчетами и сопоставлением результатов с известными теоретическими и экспериментальными результатами, полученными другими авторами в частных случаях.

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

Обоснованность результатов подтверждена соответствием экспериментальных и теоретических оценок.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА:

- На основе созданного программного обеспечения получены трехмерные картины звуковых полей, исследованы основные закономерности формирования звукового поля направленными и ненаправленными антеннами.

- Аналитически и численно исследованы энергетические характеристики мультипольных излучателей в модельных волноводах. Показана закономерность увеличения частоты насыщения активной составляющей сопротивления излучения с ростом номера мультиполя.

- Аналитически и численно исследованы звуковые поля, создаваемые фазированной антенной в волноводах. Показан эффект незеркального отражения звукового пучка от нижней границы раздела при закритических углах падения.

- Впервые выполнены расчеты энергетических характеристик придонной антенны цилиндрического типа и определены условия выбора характеристик антенны по рабочей частоте, диаграмме направленности, местоположению для наиболее эффективного возбуждения придонной волны.

ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

1. Результаты теоретических и численных исследований звукового поля в волноводе и полупространстве, позволяющие проанализировать модовую структуру, произвести оценку полевых характеристик, сделать вывод о формировании пограничного звукового канала.

2. Основные закономерности формирования поля мультипольными излучателями в модельных волноводах, заключающиеся в периодичности и инверсной структуре поля.

3. Результаты численных исследования звукового поля фазированной антенны в однородных жидких волноводах, нагруженных на жидкое и твердое упругое полупространство, которые указывают на возможность перетока энергии из волновода в полупространство при закритических углах падения.

4. Рекомендации по выбору параметров антенны и способа ее размещения для получения оптимальных условий возбуждения придонной волны, заключающиеся в следующем: рабочая частота ~ 1 кГц, дипольная характеристикой направленности, отстояние антенны от дна порядка нескольких длин волн.

НАУЧНАЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. Результаты, полученные в диссертационной работе, могут быть использованы при проектировании гидроакустических антенных решеток, при анализе основных параметров антенн и особенностей звукового поля, сформированного направленными источниками, с учетом реальных параметров морской среды, отражающих границ, модовой структуры поля, размеров антенн и волновода. Проведенные исследования необходимы при проектировании донных стационарных гидроакустических комплексов, предназначенных для освещения подводной обстановки. Анализ результатов моделирования донных излучающих антенн, предназначенных для возбуждения придонной волны, позволяет дать рекомендации по

созданию специальных технических средств для исследования процессов на границе раздела вода - морское дно.

Для учебного процесса при подготовке студентов-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.

АПРОБАЦИЯ. Основные научные и практические результаты работы докладывались на международных, всероссийских, региональных и расширенных вузовских конференциях и семинарах: на международной конференции «Forum Acusticum» в Будапеште; на XVI и XX сессиях Российского акустического общества в Москве; на IV Всероссийском симпозиуме «Сейсмоакустика переходных зон» во Владивостоке; на V и VI Всероссийской научной конференции «Экология — море и человек», на X Всероссийской научной конференции «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» в Таганроге; на научно-технической конференции «Вологдинские чтения» во Владивостоке.

Научные исследования по теме диссертации отмечены грантом RX0-1210(8)-ХХ-04 Американского акустического общества по программе «Student Stupend Program in Acoustics - American Acoustical Society Grants - 2008» и поддержаны грантом Российского фонда фундаментальных исследований №06-08-96003.

Работа выполнялась в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг., направление 1 (Стимулирование и закрепление молодежи в сфере науки, образования и высоких технологий)».

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рецензируемых ВАК, 3 работы в зарубежных журналах и сборниках, а также одно учебное пособие.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Основное содержание работы изложено на 189 страницах, включает 89 рисунков и 9 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВО ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность работы, сформулирована цель задачи и основные направления исследований и выносимые на защиту результаты.

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 волново-

6

дах. Произведен обзор литературы по состоянию вопроса. Показана актуальность задачи в волноводах, связанной с выявлением пространственно-частотной интерференционной изменчивости, ее закономерностей, степени ее подавления при направленном излучении (приеме).

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ рассмотрены особенности звуковых полей в однородном волноводе и полупространстве, создаваемых точечным источником. Наряду с традиционным решением, рассматриваются модели звуковых полей, полученные при помощи обобщенного решения.

Рассматривается однородный жидкий волновод со свободной верхней и импедансной нижней границей. Граничная задача для такого волновода записывается в следующем виде:

Д ге(0;ао), ге(0;й);

2кг

Аф2+к$ф2 = 0, г б(0;оо), ге(А;оо);

7 = 0, 01=0;

2 = Л. ^ = (1)

дг дг

где = <и/С[; кг = со/с2; Д - оператор Лапласа; ф2 - потенциал скорости в жидком слое и полупространстве, соответственно; р,, с, — плотность и скорость звука в слое; р2, с2 - плотность и скорость звука в нижнем полупространстве; со - круговая частота.

Решение для потенциала имеет вид несобственного интеграла Фурье-Бесселя:

= (2)

О

= ге(Л;оо). (3)

о

где ф1 и ф2 - потенциал скорости в слое и в полупространстве, а Фурье-трансформанты (£,-), ф2 (£> определены выражениями:

<р, (£,г =-р,,-1---- ., . е л г > «,

где V = —— 12 32 - коэффициент отражения от границы раздела слой-

+ ptlkз2

полупространство, кп = yjkf - §2 - поперечное волновое число в слое,

1с22 = л/fc2 -¿;2 - поперечное волновое число в нижнем полупространстве, | -постоянная распространения вдоль оси г, р12 = p^pj.

Модели с нормальными волнами могут быть рассмотрены как результат применения теории вычетов к интегральному представлению решения волнового уравнения. В зависимости от условия, определяющего однозначную ветвь радикала кп, можно выделить классическое и обобщенное решения граничной задачи (1).

Потенциал звукового поля в соответствии с классическим решением определяется выражением:

фи>{г,2) = ф?>(г,г)+ (г, (4)

«си—1

где ф'б1' (г, z) - интеграл по берегам разреза, определенного условием Imкп <0, интегральный член принято называть боковой волной, фп (г, z, <;п) -регулярные нормальные волны, соответствующие вещественному, дискретному спектру собственных значений из подмножества п{ 1), Nx - число регулярных нормальных волн.

Звуковое поле, рассчитанное по формуле (4) показано на рисунке 1. Преобладающий вклад в формирование звукового поля в слое вносят нормальные волны, в то время как поле в полупространстве образовано в основном боковой волной.

Рисунок 1 — Звуковое поле в волноводе и полупространстве, соответствующее разрезу EJP, для частотного параметра = 100 при различных положениях источника: а) г01 =0,01; б) г01 =0,1; в) гм = 0,2; г) =0,9.

Другое решение граничной задачи (1) соответствует разрезу и верхнему листу римановой поверхности, определенному условием Ке/с32>0, и может быть представлено следующем виде:

где ф(/-1 (г, z) - интеграл по берегам разреза, п(2) - подмножество обобщенных нормальных волн с вещественными постоянными распространения, N2 — число таких волн. Подмножество п(2) обобщенных нормальных волн соответствует

l .. . .... _......

собственным функциям сопряженного оператора. Присутствие в суммарном решении нормальных волн сопряженных операторов позволяет описать процесс полного внутреннего отражения в области закритических углов падения, связанный с затеканием энергии на горизонт полного внутреннего отражения и последующим ее возвратом в волновод. Результаты расчетов звукового поля по формуле (5) представлены на рисунке 2.

123456789 10

Рисунок 2 — Структура звукового поля в волноводе и полупространстве, соответствующего обобщенному решению, для частотного параметра k¡h = 100 при различных положениях источника a) z01 =0,01; б) z0¡ =0,1; в) z01 =0,2; г) zm =0,9.

На рисунке 3 представлены горизонтальные разрезы звуковых полей, полученных в соответствии с решениями (4) и (5).

Г^г.я)

Рисунок 3 - Горизонтальные разрезы звукового поля при /с,/1 = 50, г, = 0 - 50:

а) = 201 = 0,05; б) = г01 = 0,5; в) = г01 = 0,95.

Сравниваемые звуковые поля, соответствующие двум решениям, в основном совпадают в ближней зоне (в зоне докритических углов падения), но отличаются тонкой интерференционной структурой в диапазоне больших расстояний (рисунок 3). Решение (5) по мере приближения горизонтов излучения и приема к нижней границе приобретает аномальные особенности, связанные с возбуждением обобщенной придонной волны, что является его отличительной особенностью. Эта особенность проявляется в засветке придонной области волновода и резком увеличении амплитуды звукового поля (рисунок 3, в).

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ в качестве примера формирования поля направленным источником в соответствии с обобщенной теорией рассмотрена структура звукового поля, сформированного фазированным излучателем в жидких волноводах, нагруженных на жидкое и твердое упругое полупространство.

Фазированный излучатель помещен вблизи верхней границы волновода и сформирован из набора М пар колец с противофазным возбуждением. Амплитудные коэффициенты возбуждения в пределах каждой пары подобраны из условия отсутствия излучения в направлении нормали, а амплитудное распределение возбуждения отдельных пар из условия минимума уровня боковых лепестков.

Характеристика направленности такого излучателя в свободном пространстве определяется выражением:

2т -1

4(2т — 1) г, 4»з -3 2т т ,„ Л

-'-ЗА (2т-\)и----3.(2ти)\, (6

4т -1 ' -1 4ш-1 2т -1 и ']

и

где и = ¡^аэтв -втб, в„ - угол компенсации.

Максимум характеристики направленности соответствует условию фазирования к1а$'тв0 =п. Изменение значения М позволяет менять остроту максимума характеристики направленности. Вид характеристики направленности для двух значений угла компенсации 0О показан на рисунке 4.

а) б)

Рисунок 4 — Характеристика направленности фазированного излучателя поршневого типа; М = 16; а) /3=15°, б) £¡ = 5°.

На рисунке 5 представлены результаты моделирования звукового поля фазированного излучателя в волноводе, нагруженном на жидкое полупространство по формуле:

п~1 4 »=1 £ п=2

+~Фк2) [г> ) + Фп + Чг (г, г) + Фб (г, г), (7)

где ф„ [г, - нормальные волны, регулярные, обобщенные или вытекающие; «(1) - подмножество регулярных нормальных волн, соответствующих вещественному, дискретному спектру собственных значений, Л^ — число регулярных нормальных волн; п(2) — подмножество обобщенных нормальных волн с вещественными постоянными распространения, - число обобщенных нормальных волн; п(3) - число вытекающих нормальных волн с комплексными постоянными распространения, - число вытекающих нормальных волн, принятое в расчетах, фб (г, г) - интеграл по берегам разреза; г, г — горизонтальная и вертикальная координаты; Афп, Аф12 - дифракционные поправки.

2 4 6 В 10 12 14 16 18 20

Рисунок 5 - Структура звукового поля в волноводе, /с,/г = 400, М =32; а)/3=35°; б) /3=15°.

Расчеты выполнены при углах падения звукового пучка меньше и больше критического. При докритических углах падения (рисунок 5, а) прошедшая волна уносит звуковую энергию из волновода в полупространство, вследствие чего звуковое поле в волноводе быстро затухает с расстоянием и теряет упорядоченный характер. При закритических углах падения интерференция обобщенных и регулярных нормальных волн образует зональную структуру поля с глубокими локальными максимумами и минимумами. Картина звукового поля при угле скольжения падающего звукового пучка /3 = 15° показана на рисунке 5, б. В этом случае продольная интерференция приводит к максимальному гашению зеркально отраженного луча и соответственно максимальной подсветке донного полупространства, которая обеспечивается обобщенной придонной волной.

Если заменить эквивалентной жидкостью осадочный слой морского дна, то основное влияние на свойства нормальных волн в морских и океанических волноводах на низких частотах будет оказывать граница раздела жидкость -скальное основание морского дна. В основу численного эксперимента положена теория, основанная на решении граничной задачи для жидкого волновода, нагруженного на твердое упругое полупространство, с использованием обобщенных функций и обобщенных нормальных волн. Характерная особенность

этого решения заключается в парной структуре нормальных волн, которые возбуждаются в волноводе.

На рисунке б показана структура звукового поля при трех характерных углах падения направленного звукового пучка, один из которых меньше второго критического угла, но больше первого (0[ = 25°, /3, = 65°), второй равен второму критическому углу падения (0, =29°, /3, =61°), а третий соответствует возбуждению волны Рэлея (б, = 31°, Д = 59°).

Рисунок б - Структура звукового поля в волноводе с твердым дном;

М =32, к^г = 400: а) /3=65°; б) /3=61°; в) /3=59°.

При докритических углах падения амплитуда сигнала в пучке быстро спадает с расстоянием из-за потерь при отражении, но геометрия пучка не изменяется. При критическом угле падения отражение также не является полным (|Исф|<1), но становятся вполне заметными искажения геометрии пучка горизонтальным сдвигом при отражении.

Результаты моделирования излучения фазированной антенной могут служить основой для разработки методов и приборов для контроля морского дна для сейсмопрофилирования и вертикального зондирования (профилогра-фов, томографов и др.). При изменении угла фазирования осуществяется горизонтальное зондирование для исследования водного слоя и вертикальное зондирование для исследования структуры дна.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ рассмотрены особенности полевых и энергетических характеристик направленных источников в волноводе Пекериса. Результаты компьютерного моделирования звуковых полей получены для мульти-польных источников различного порядка: монополя, диполя, квадруполя, двойного диполя. В качестве примера приведены результаты моделирования звукового поля диполыюго источника.

Формула для расчета потенциала звукового поля, создаваемого диполь-ным источником имеет вид:

направленности (ненормированная) диполя в свободном пространстве.

На рисунке 7 показаны звуковые поля, формируемые дипольным источником, работающим на разных горизонтах излучения для частотного параметра = 500.

Звуковое поле направленного источника имеет хорошо выраженную квазипериодическую интерференционную структуру. При центральном расположении излучателя хорошо видны зоны самофокусировки поля на горизонте источника и зоны глобального минимума, соответствующие центру симметрии интерференционной структуры звукового поля. Двулучевая характеристика направленности дипольного источника формируется без искажений, когда источник является придонным или приповерхностным. По мере удаления источника от границы раздела характеристика направленности искажается: из-за отражения от поверхности формируются дополнительные лучи (максимумы характеристики направленности). Несмотря на различие в свойствах верхней и нижней границ волновода наблюдается приблизительная инверсия поля относительно верхнего и нижнего положений источника.

— характеристика

90 100

0.2 0.4 06 0.8 1

0.2 0.4 0.6 0.8 1

я* „. • V-. • - --г

-Г? - - ' .....Ш^ЬЩ^ 4 - »" ^ Л ■ '

" б)

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

В)

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

90

В

. .... . щ

щЩ^-:.;■■■л ■ 1 > : Г':": \...................................... ^ \ \ [... ..

Рисунок 7 — Пространственная структура звукового поля дипольного источника с параметрами а, =0,005; Ь[ =0,07; ¿,/г = 500 на горизонтах г, =0,1 (а), =0,2 ГФ, г, =0,5 г, =0,8 (гЛ г, =0,9 (д).

Сопротивление излучения характеризует работу антенны в режиме излу чения. Соотношение для расчета сопротивления излучения монопольного из лучателя представим в виде:

11к " +л"

3 3 3 /, г и<2)

Составляющая г12 полного сопротивления излучения 2п характеризует передачу мощности в волновод: активная и реактивная составляющие сопротивления излучения связаны с излучением в волновод нормальных волн п{ 1) и п(2) -типа. Составляющая сопротивления излучения = гг + /х,, связанная с вытекающими нормальными волнами, описывает излучение в полупространство и характеризует эффективность излучения антенны в нижнее полупространство совокупностью вытекающих нормальных волн. На низких частотах (&,/г<к 1), когда все нормальные волны являются вытекающими, вся мощность источника излучается в нижнее полупространство.

На рисунке 8 показаны частотные зависимости сопротивления излучения г12, ,тп для монопольного, дипольного и квадрупольного источников. Монополь имеет самое высокое сопротивление излучения на низких частотах, с ростом частоты сопротивление излучения растет до некоторого предельного значения активной составляющей г12. На рисунке 9 представлены частотные зависимости сопротивления излучения в полупространство 2Ъ = гг + ¡х3 для тех же мультиполей.

Рисунок 8 - Сравнительные характеристики активной и реактивной составляющих сопротивления излучения в волновод монополя (1), диполя (2) и квадруполя (3), =0,5 (гп - сплошная линия, хп - пунктирная).

Рисунок 9 - Сравнительные характеристики активной и реактивной составляющих сопротивления излучения в полупространство монополя (I), диполя (2) и квадруполя (3), =0,5 (>*3 — стошная линия, хг - пунктирная).

В ПЯТОЙ ГЛАВЕ выполнены расчеты сопротивления излучения цилиндрической антенны с характеристикой направленности монопольного или ди-польного типа, работающей вблизи дна и генерирующей придонную волну, с целью выработки рекомендаций для оптимальных условий работы антенны.

Обобщенная теория нормальных волн в слоистых средах прогнозирует существование придонной волны на границе раздела вода - морское дно осадочного типа, скорость распространения которой близка к скорости звука в воде вблизи дна. Выводы теории были подтверждены результатами экспериментальных исследований, выполненных в 2005-2007 гг. в заливе Петра Великого (Японское море) ИПМТ и ТОЙ ДВО РАН. Во время этих экспериментов были организованы метрологически обеспеченные измерения скорости распространения акустического сигнала на стационарных трассах, включающих донный излучатель и донную приемную станцию, которые хорошо подтвердили факт существования придонной волны, скорость распространения которой соответствует минимальной скорости звука на профиле вертикального распределения, а пространственная расходимость соответствует сферической. Особенностью придонной волны является отсутствие частотной зависимости скорости ее распространения в исследованном диапазоне частот.

В работе впервые методом математического моделирования получены и детально исследованы характеристики придонной волны, структура звукового поля придонного излучателя в водном слое и донном полупространстве, энергетические характеристики излучателя Оптимальными для возбуждения придонной волны являются углы скольжения, лежащие в диапазоне 0 -ь 15°, поэтому для генерации придонной волны наиболее целесообразными являются донные направленные излучатели.

Расчет сопротивления излучения направленной антенны, работающей вблизи дна, был произведен с учетом параметров реальной антенны и характеристик среды в районе проведения эксперимента. Предполагалось, что антенны работает вблизи дна и имеет монопольный или дипольный тип характеристики направленности. Частотные зависимости сопротивления излучения модельного излучателя с параметрами, соответствующими реальной антенне, показаны на рисунке 10 для излучателя монопольного типа и на рисунке 11 для излучателя дипольного типа. Рабочая частота антенны, равная 1,5 кГц, в пересчете на нормированный частотный параметр составляет кхИ ~ 160.

о.2 -

Рисунок 10- Сопротивление излучения антенны с монопольным типом характеристики направленности на горизонте г01 = г0 / 1г = 0,93; Ц = 0,12; а, = 0,0025.

к,И

Рисунок 11 — Сопротивление излучения антенны с дипольньш типом характеристики направленности на горизонте = г0 / А = 0,93; ¿[=0,12; ^=0,0025.

Для выявления оптимальных условий работы цилиндрической антенны были проведены расчеты мощности, приходящейся на возбуждение первой

19

обобщенной нормальной волны, в зависимости от рабочей частоты антенны, размеров антенны, горизонта излучения и типа характеристики направленности. В диссертации приведены расчеты сопротивления излучения в зависимости от размера антенны, глубины погружения антенны, частотного параметра. В таблицах 1 и 2 приведены данные расчета сопротивления излучения монополя и диполя и доли мощности, приходящейся на придонную волну.

Таблица 1 — Сопротивление излучения антенны с монопольным типом

характеристики направленности; г1п =0,96; =0,07; а1 =0,0015.

Частота сок / с, Сопротивление излучения антенны ^¡2 = Г12 + 'Х12 Сопротивление излучения, определяемое первой обобщенной нормальной волной Доля активной составляющей сопротивления излучения, определяемая первой обобщенной нормальной волной

300 0,256 + 10,19 0,014 + 10,01 5,5 %

200 0,192 + 10,181 0,024 +1 0,022 12,5 %

100 0,108 + 10,143 0,037 + ¡0,047 34,3 %

50 0,058 +1 0,101 0,031 + 10,053 53,4 %

20 0,016+ ¡0,037 0,012 + 1 0,027 75 %

Таблица 2 — Сопротивление излучения антенны с дипольным типом характеристики направленности; =0,96; Ц =0,07; а, =0,0015.

Частота со/|/с, Сопротивление излучения антенны [2 = г\2 + '-Х12 Сопротивление излучения, определяемое первой обобщенной нормальной волной Доля активной составляющей сопротивления излучения, определяемая первой обобщенной нормальной волной

300 0,238 +г 0,179 0,014 + ; 9,564-10"3 5,9 %

200 0,148 + г 0,142 0,02 + /0,018 13,5 %

100 0,046 + г 0,062 0,014 +; 0,018 30,4 %

50 5,226-10"3 + / 8,989-10~3 3,728-10^3 + ; 6,306-10~3 71,3%

20 2,677- Ю-4 + / 6,072-10"4 2,427-10"4 + ; 5,488- Ю^1 90,1 %

На основании полученных расчетных данных можно сделать следующие выводы:

- Чем меньше расстояние от излучающей антенны до дна, тем большая доля излучаемой мощности приходится на придонную волну.

- С уменьшением частоты вклад первой обобщенной нормальной волны в общее сопротивления излучения растет и в области четвертой критической частоты составляет 80-90%.

- Уменьшение размеров антенны в два раза позволяет повысить влияние первой обобщенной нормальной волны на сопротивление излучения почти в четыре раза в высокочастотной области а!г/с1~ 300. С понижением частоты

выигрыш падает и практически исчезает на частотах порядка четвертой критической,

- С точки зрения эффективности селективного возбуждения придонной волны антенна с дипольной характеристикой направленности более предпочтительна, т.к. при одинаковых параметрах антенны и физической среды доля мощности, приходящаяся на первую обобщенную нормальную волну для диполя значительно выше, чем для монополя.

Эффективность возбуждения придонной волны направленной антенной, работающей вблизи дна максимальна при соблюдении двух условий: возможно меньшее число возбуждаемых мод и минимальное расстояние от антенны до дна. Первое условие может быть достигнуто уменьшением рабочей частоты антенны или уменьшением глубины моря при выборе места установки антенны. Второе условие проще выполнить при малых размерах антенны, т.к. чем меньше длина антенны, тем ближе располагается ее центр тяжести ко дну.

Антенна, описанная в эксперименте, имеющая длину 3,5 м, дипольный тип характеристики направленности и работающая на частоте 1,3 кГц в море глубиной /г = 30м, должна быть помещена на расстоянии порядка двух длин волн от дна. В этом случае доля мощности, приходящейся на генерацию придонной волны, будет максимальной и равной 19% от общей мощности, излучаемой антенной.

В ПРИЛОЖЕНИИ приведено описание пакета прикладных программ, разработанных для расчета и визуализации звуковых полей и энергетических характеристик направленных антенн и представлены листинги этих программ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Разработаны алгоритмы и создано программное обеспечение, позволяющее получить трехмерную картину звукового поля в волноводе и полупространстве, которая дает возможность анализа модовой структуры поля, интерференционной изменчивости, сравнительной оценки полевых характеристик.

2. Определено звуковое поле, создаваемое фазированной антенной, отмечены различия в структуре поля для различных типов нижней границы волновода. Получены результаты аналитического и численного исследования характеристики направленности фазированной антенны, влияния числа элементов антенны на ширину главного максимума.

3. Получены результаты численного исследования работы направленных антенн в волноводах. На основе компьютерного моделирования показаны характерные особенности пространственной структуры звукового поля, позволяющие рекомендовать донное размещение антенны, как наилучшее для возбуждения придонной волны.

4. Рассчитаны основные энергетические характеристики донной антенны с монопольным и дипольньгм типом характеристики направленности и получе-

ны условия оптимизации параметров антенны для наиболее эффективного возбуждения придонной волны. Рассчитана доля мощности, приходящаяся на генерацию придонной волны, в общей мощности антенны для реальных условий натурного эксперимента и параметров антенны.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ

В ИЗДАНИЯХ, РЕКОМЕНДОВАННЫХ ВАК:

1. Придонная волна и перспективы ее применения для экологического мониторинга верхнего слоя морского дна / Б.А. Касаткин, Н.В. Злобина, Л.Г. Стаценко, Д.В. Злобин // Известия Южного федерального университета. - 2009. - № 6. - С. 109-114.-ISSN 1999-9429.

2. Отражение сферической волны на импедансной границе раздела двух сред [Электронный ресурс] / Б.А. Касаткин, Н.В. Злобина, Л.Г. Стаценко, Д.В. Злобин // Наука и образование: электронное научно-техническое издание. -2011.-№3,-ISSN 1994-0408.

3. Пространственная структура поля вертикальной антенны в однородном волноводе / Л.Г. Стаценко, Д.В. Злобин // Известия Южного федерального университета. - 2011. - № 9. - С. 81-85. - ISSN 1999-9429.

ПРОЧИЕ ПУБЛИКАЦИИ:

1. Распространение звука в волноводах : учебное пособие / Л.Г. Стаценко, Д.В. Злобин. - Владивосток : изд-во ДВГТУ, 2011. - 82 с. - ISBN 978-57596-1219-3.

2. То the Theory of Reflection of the Directed Sound Beams in Classical Schoch Experiments [Electronic resource] / Nadezhda Zlobina, Boris Kasatkin, Dmitry Zlobin // Proceeding of the Forum Acusticum. - Budapest, Hungary. - 2005, 29 Aug. - 2 Sept. - ISBN 963-8241-68-3.

3. To the Theory of Reflection of the Directed Sound Beams in Classical Schoch Experiments / Nadezhda V. Zlobina, Dmitry Zlobin, Boris Kasatkin // Acta Acústica united with Acústica — 2005, September/October. - Supplement 1. - P. S30. -ISSN 1610-1928.

4. Регулярные и обобщенные волны в сейсмоакустике переходных зон / Б.А. Касаткин, Н.В. Злобина, Д.В. Злобин // Четвертый Всероссийский симпозиум «Сейсмоакустика переходных зон». Материалы докладов. - Владивосток : Издательство Дальневосточного университета, 2005. — С. 175-180. - ISBN 57444-1750-8.

5. К теории сдвига Гооса-Генхена в классических экспериментах Шоха / Н.В. Злобина, Д.В. Злобин, Б.А. Касаткин // Сборник трудов XVI сессии Российского акустического общества. - М.: ГЕОС, 2005. - Т. 2. - С. 210-215. -ISBN 5-89118-384-6.

6. Comparative Analysis of Two Solutions of the Pekeris Boundary Problem / B.A. Kasatkin, N.V. Zlobina, L.G. Statsenko, D.V. Zlobin // Pacific Science Review. -2007.-Vol. 9, No. l.-P. 45-50.-ISSN 1229-5450.

7. Звуковое поле донного направленного излучателя в волноводе Пекери-са / Б.А. Касаткин, Н.В. Злобина, Д.В. Злобин // Сборник трудов XX сессии Российского акустического общества. - М. : ГЕОС, 2008. - Т. 2. - С. 263-266. -ISBN 978-5-89118-429-9.

8. Сравнительный анализ двух решений граничной задачи Пекериса / Л.Г. Стаценко, Д.В. Злобин // Сборник трудов XX сессии Российского акустического общества. - М. : ГЕОС, 2008. - Т. 2. - С. 267-270. - ISBN 978-5-89118-429-9.

9. Математическое моделирование звуковых полей в волноводах / Л.Г. Стаценко, Д.В. Злобин // Вологдинские чтения. - 2009. - С. 148-149.

10. Математические модели звуковых полей в однородных волноводах / Д.В. Злобин // Труды X всероссийской конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления». - Таганрог, 2010. - Т. 1 - С. 206-207. - ISBN 978-5-8327-0359-6.

Злобин Дмитрий Владимирович

ование и исследование модовой структуры звуковых полей направленных антенн в подводных волноводах

Автореферат

Подписано в печать 8.09.2011. Формат 60x84/16 Усл. печ. л. 1,39. Уч.-изд. л. 1,58 Тираж 100 экз. Заказ 570 Отпечатано в Типографии ИПК ДВФУ 690990, г. Владивосток, ул. Пушкинская, 10