Гидроакустическая приемная протяженная параметрическая антенна Текст научной статьи по специальности «Физика»

ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ / PHYSICS AND MATHEMATICS

Воронин А.В.1, Воронин В.А.2

'Ассистент кафедры электрогидроакустической и медицинской техники. Южный федеральный университет, факультет электроники и приборостроения. 2Доктор технических наук, профессор кафедры электрогидроакустической и медицинской техники. Южный федеральный университет, факультет электроники и приборостроения.

ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ ПРИЕМНАЯ ПРОТЯЖЕННАЯ ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ АНТЕННА

Аннотация

В работе предлагается использование гибкой протяженной антенны на основе волновода в виде гибкого шланга с заполнением любой жидкостью, Рассматривается распространение акустических колебаний в круглом волноводе. Анализируется изменение фазовой скорости в волноводе при воздействии на него низкочастотного сигнала. Рассмотрены схемы обработки сигналов.

Ключевые слова: Параметрическая антенна, антенна накачки, гибкий волновод, схемы обработки.

Voronin A.V.1, Voronin V.A.2

'Assistant of Electrogydroacoustical & Medical Engineering department. Southern Federal University. 2Doctor of the technical sciences, professor of Electrogydroacoustical & Medical Engineering department. Southern Federal University.

THE HYDROACOUSTIC RECEPTION EXTENDED PARAMETRICAL ARRAY

Abstract

In work use of the flexible extended array on the basis of a wave guide in the form of a flexible wave guide with filling with any liquid is offered, distribution of acoustic fluctuations to a round wave guide is considered. Change of phase speed in a wave guide is analyzed at influence on it of a low-frequency signal. Schemes ofprocessing signals are considered.

Keywords: The parametric array, the rating array, flexible wave guide, processing schemes.

Исследования структуры дна сейсмоакустическими методами широко проводятся на шельфе морей. В качестве излучателей используют различные преобразователи - от взрывных до пьезоэлектрических. В качестве приемных систем используют антенные системы в виде гибких звукопрозрачных шлангов с пьезопреобразователями, помещенными в них. Шланги заполняют маслами и буксируют их за судном. Такая приемная антенна создает характеристику направленности в вертикальной плоскости с необходимой шириной луча и с высокой чувствительностью, однако, такая антенна дорогая из-за большого количества приемников в шланге, не технологична в применении и опасна с точки зрения экологии.

В настоящей работе предлагается использование гибкой протяженной антенны на основе волновода в виде гибкого шланга с заполнением любой жидкостью, в том числе и забортной водой.

Для этого рассмотрим распространение акустических колебаний в круглом волноводе радиусом a. Фазовая скорость акустических волн в таком волноводе определяется скоростью распространения волн в свободном пространстве c0, частотой сигнала т, и радиусом волновода a [1]:

c,

0 n

,,c0 Л ^ am J

1

(i)

где aon - корни решения дисперсионного уравнения в круглом волноводе. Для идеального газа уравнение состояния записывается в виде [2]

Р - Ро(Р/РоУ

(2)

где р - давление, р - плотность, а у - показатель степени в уравнении состояния для газов, равный отношению удельных теплоемкостей при постоянном давлении и постоянном объеме, р0 и р0 - равновесные давление и плотность.

Для жидкостей вместо уравнения (2) используют подобное ему модельное уравнение Тэта

р + р* - (ро + Р*)(р/ро) 1

(3)

В этом уравнении р0 и ро равновесные давление и плотность, как для газов, Г - эмпирическая постоянная не связанная с

Р

удельными теплоемкостями, а константа * является внутренним давлением жидкости. Найденные из измерений значения Г«7, а

Р

* « 3-Ю8 Па.

Считая, что возмущения равновесных значений давления и плотности, оказываемые акустической волной, малы можно

линеаризовать уравнение состояния (3) и получить волной, а с - есть скорость звука. При этом

П

2

др

др

Р-Ро

Р - c 2 Р

где

Р иР

возмущения плотности и давления акустической

(4)

Учитывая (4), скорость распространения акустических волн в среде в отсутствии дисперсии в адиабатическом приближении равна [2]:

П -

(5)

Для идеальной жидкости р=р0 , а р = р0 + Р, где Р - давление, создаваемое акустической волной в среде, в которой она распространяется.

5

Подставляя (5) в (1) получим

П0 n =

Со2 + AP

р

1 -

Ka0nJc02 + АР/

р

аа

(6)

Таким образом, фазовая скорость n - й моды акустической волны с частотой а в волноводе меняется с изменением акустического давления, т.е. оказывается промодулированной с функцией модуляции пропорциональной изменению акустической волны, что приводит к фазовой модуляции волны накачки.

Дополнительный набег фазы волны накачки на приемном преобразователе в волноводе будет зависеть от приращения фазы за счет изменения фазовой скорости. Это приращение изменяется во времени по закону изменения принимаемой волны.

При распространении в гибком волноводе гармонической волны с частотой а с изменяющейся фазовой скоростью под действием гармонической волны сигнала с амплитудой Pm и частотой П происходит фазовая модуляция волны в волноводе, по величине которой можно судить о принимаемом сигнале.

Пусть принимаемая волна описывается выражением

P = Pm COs(Qt + Ф0)

тогда принимаемая волна запишется в виде

p = A cos(at + *¥(P,a, L) + <p0)

где A - амплитуда высокочастотной волны, Y(P, a,L) - функция фазовой модуляции за счет изменения фазовой скорости высокочастотной волны в волноводе при воздействии принимаемой низкочастотной волны, q>0 - начальная фаза высокочастотной волны.

Рассмотрим схемы обработки сигнала путем использования фазового детектора [3]. Функциональная схема такого устройства обработки приведена на рис. 1.

Устройство представляет собой перемножитель и фильтр низких частот, включенные последовательно. Сигнал, принятый приемным преобразователем накачки, подается на один из выходов перемножителя, а на другой выход подается опорный сигнал частоты накачки. Сигнал на выходе такого устройства будет пропорционален:

Uauo ~ 2 UaU cos(m sin Qt - ф),

где т - индекс фазовой модуляции.

I

I

I

Рис. 1. Функциональная схема обработки сигналов. При ф=0 и малом t сигнал на выходе практически не зависит от t.

К

ф Uмя ~ sin (m ■ sinQt) Uмя ~ m • sinQt

При 2 auo \ ) и при m<<1 auo

Таким образом, применяя такое устройство обработки, необходимо вычислять фазу колебаний на выходе устройства, чтобы

К

опорный сигнал сдвинуть относительно входного на 2 . Кроме того, при больших амплитудах принимаемого сигнала, т.е. при больших m, напряжение на выходе устройства нелинейно зависит от амплитуды принятого сигнала. Эти недостатки можно устранить, применив квадратурное устройство обработки.

В итоге показано, что в волноводе изменяются параметры распространения волн накачки за счет принимаемых волн. В волноводе образуется параметрическая приемная антенна с управляемыми характеристиками за счет изменения частоты волны накачки.

Исследования выполнены при поддержке Минобрнауки РФ (ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 г.») ГК № 14.518.11.7068.

Литература

1. Лепендин Л.Ф. Акустика: Учеб. пособие для вузов. - М.:Высш.школа, 1978 - 448 с.,ил.

2. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: Т VI. Гидродинамика. - М.: Наука, 1986, 736 с.

3. Нелинейная акустика в океанологии. Монография / под ред. Кузнецова В.П. - M. ФИЗМАТЛИТ, - 2010. Тарасов С.П., Воронин В.А., Тимошенко В.И. Применение гидроакустических систем с параметрическими антеннами в океанологических исследованиях. - Дополнение, стр.183 - 254.

Еникеев Ю.А.

Кандидат физико-математических наук, Башкирский государственный педагогический университет им. М. Акмуллы, старший

преподаватель.

СТАТИЧЕСКОЕ ДЕФОРМАЦИИ ПОЛЯ ДИРЕКТОРА НЖК ВО ВНЕШНЕМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ

Аннотация

В работе исследуются малые одномерные искажения в планарно ориентированном нематическом ЖК во внешнем магнитном поле. Она может быть полезна для описания прохождения света через такой НЖК.

Ключевые слова: нематический ЖК, искажение, директор.

6