CC BY
56
ся соответствующим выражением для критерия Прандтя: Pr = gD, где D - коэффициент молекулярной диффузии.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Физические основы ультразвуковой технологии /Под ред. Л.Д .Розенберга - М: Наука, 1970.
2. Вукалович М.П., Новиков И.И.. Термодинамика. - М.: Машиностроение, 1972.
3. Самарский А.А., Вабищевич П.Н. Вычислительная теплопередача. - М: УРСС, 2003.
С.А. Борисов, М.А. Раскита
ЧИСЛЕННОЕ ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПРОФИЛЯ СКОРОСТИ ЗВУКА МЕТОДОМ ЛУЧЕВОГО ПАРАМЕТРА
Одной из задач экологического мониторинга водной экосистемы является дистанционное исследование гидрофизических параметров морской среды. Важнейшей интегральной акустической характеристикой вод океана, позволяющей оценивать их состояние, является скорость распространения звуковых колебаний. Зависимость скорости звука от параметров морской среды принято представлять как вертикальное распределение скорости звука (ВРСЗ) по глубине. В связи с этим дистанционное измерение профиля скорости звука в водной среде является актуальной задачей экологического мониторинга.
В данной работе рассматривается численный эксперимент по неконтактному (дистанционному) восстановлению профиля скорости звука при помощи метода лучевого параметра [1] для случая “прямоугольной” схемы дистанционного зондирования водной среды. Геометрия задачи представлена на рис. 1.
Вертикально-ориентированный излучатель И акустических сигналов посылает в исследуемую среду звуковые импульсы, которые, рассеиваясь на неоднородностях морской среды в области пересечения излучающего и приёмных лепестков характеристик направленности, регистрируются приёмной системой, представляющей собой эквидистантную линейную антенную решётку, состоящую из приёмников П1, П2...П№ Приёмная система располагается так, что первый приёмник П1 совпадает с “точкой” излучения. Каждая пара приёмников, например П1 и П2, П2 и П3 и т.д., с последующей схемой обработки представляют собой корреляционные приёмники, обеспечивающие приём рассеянных сигналов с одного и того же направления, задаваемого углом приёма а0, выбираемого в зависимости от требуемой глубины измерения ВРСЗ. Таким образом, в пространстве формируется веер статических лучей приёмной характеристики направленности (ХН), характеризуемых фиксированным значением лучевого параметра р, численно равного
Рис.1. Геометрия задачи
где с0 - скорость звука в воде, в месте расположения приёмоизлучающей системы. Профиль скорости звука восстанавливается по известным расстояниям между приёмниками и измеренной зависимостью времён прихода рассеянных акустических импульсов по лучам приёмной ХН, начиная с первого.
Математическую модель метода лучевого параметра для случая прямоугольной схемы дистанционного зондирования можно проиллюстрировать следующим образом. Представим водную среду в виде нескольких слоёв с отличной скоростью звука, как это показано на рис. 2. Из рис. 2 видно, что траектории рассеянных лучей в верхнем слое параллельны, а расстояния, пройденные лучами, равны. Следовательно, задержка Д/ принимаемого сигнала, например на третьем приёмнике относительно второго, обусловлена прохождением сигнала некоторого расстояния в слое Дг1 со скоростью с1. По измеренной величине этой задержки и известному расстоянию между приёмниками Дг вычисляется скорость звука в рассматриваемом слое.
Время Д/ распространения сигнала в г-м слое складывается из двух составляющих: прохождение по вертикальной ^ и наклонной /2 дистанциям
1 +Дг,
1 +Аz,
(2)
Преобразуя это выражение с учётом геометрических соотношений, получим уравнение, из которого легко определить скорость звука в рассматриваемом слое, а также мощность этого слоя (выражения (3) и (4) соответственно):
РС
Ах
1 + ^11 - р2 с2 А/1
А/г с г V1-
Аг =
2 2 Р С
V1 - р 2с2 +1
(3)
(4)
Если построить приёмную систему из достаточно большого числа приёмников с малыми расстояниями между ними, то можно восстанавливать вертикальные профили скорости звука с высокой точностью (порядка 1 м/с).
Для решения прямой гидроакустической задачи (вычисление времён прихода рассеянных сигналов на приёмники) необходимо задаться вертикальным профилем скорости звука, количеством приёмников и расстоянием между ними, а также углом приёма (лучевым параметром) в соответствии с необходимой глубиной измерения ВРСЗ. Далее необходимо определить истинные точки пересечения приёмных статических лучей с излучающим в зависимости от заданного ВРСЗ и рассчитать времена прихода рассеянных сигналов при помощи выражения (2). Пример рассчитанной зависимости времён /(г) прихода от горизонтальной координаты и соответствующий профиль скорости звука показаны на рис. 3 и 4 соответственно.
При решении обратной задачи (восстановление профиля скорости звука) по полученной зависимости /(г) рассчитываются задержки Д/ и определяются скорости звука с, в слоях и вертикальные размеры слоёв Дг в соответствии с выражениями (3) и (4).
При численном моделировании в результаты расчёта прямой задачи вводился шум (с нормальным законом распределения), присутствующий обычно при экспериментальных исследованиях. Результаты решения обратной задачи для некоторых профилей скорости звука представлены ниже на рисунках, где рис. 5,а - 7,б, а рис. 5,б - 7,б - восстановленным, причём, точками показаны восстановленные зашумлённые профили, сплошными линиями - усреднённые восстановленные профили. При расчёте число приёмников полагалось равным N = 100, расстояние между ними ё = 1 м, угол приёма а0 = 19° от вертикали; отклонение времён прихода от истинного значения вследствие влияния шума находилось в интервале
0,01 - 0,1%.
При сравнении восстановленных и исходных профилей ошибка восстановления по зашумлённым данным составляет не более 5 м/с (0,5 м/с без шума). Разрежение приемной антенной решетки приводит к ухудшению детализации восстановленного ВРСЗ (при устойчивом сохранении генерального профиля).
Таким образом, численный эксперимент показал, что метод лучевого параметра устойчив к различным видам ВРСЗ и шумам, а системы дистанционного неконтактного измерения скорости звука, основанные на методе лучевого параметра, могут достигать точности порядка 1 м/с, т.е. достаточной для решения многих практических задач гидроакустики.
Рис.3. ВРСЗ Рис. 4. Функция Ц.г)
Рис. 5. ВРСЗ
Рис. 6. ВРСЗ
Рис. 7. ВРСЗ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Акустика морских осадков / Под ред. Л. Хэмптона; Пер. с англ. А.В. Бунчука и Е.А. Копыла / Под ред. Ю.Ю. Житковского. - М.: Мир, 1977. - 534 с.
А.С. Борисов, С.А. Борисов, Р.В. Царев
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБНАРУЖЕНИЯ
ПАРАМЕТРИЧЕСКИМ ГИДРОЛОКАТОРОМ МАЛОРАЗМЕРНЫХ ЗАИЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ ПРИ ЭКОЛОГИЧЕСКОМ МОНИТОРИНГЕ ДОННЫХ ОСАДКОВ
В связи с возрастающим количеством затонувших в море объектов, в том числе из-за техногенных катастроф на море и в воздухе, несанкционированным сбросом опасных предметов требуется проведение экологического мониторинга донных осадков. Особенно эти исследования актуальны для районов развитого судоходства и шельфовых зон, где производятся инженерно-строительные работы.
Обнаружение заиленных малоразмерных объектов представляет собой сложную научно-техническую задачу, которая может решаться в основном гидроакустическими методами. Однако для надежного обнаружения малоразмерных заиленных объектов в условиях сильной донной реверберации и отражений от тел-помех, таких, например, как валуны и камни, гидроакустические средства должны обладать таким, довольно уникальным, свойством, как высокая направленность в излучении в широкой полосе в области низких частот. Таким свойством обладают параметрические системы локации, позволяющие свести к минимуму уровни донной и объемной реверберации в грунте, так как обладают высокой направленно-
