Исследование рассеяния акустических волн с движущейся поверхностью, расположенной под слоем неоднородных рассеивателей Текст научной статьи по специальности «Физика»

Как можно видеть, наименьшая ширина ХН (2©0,7 = 4,16°) была получена именно при сдвиге А/4. Необходимо отметить также то, что такой сдвиг линеек удобен из технологических соображений при изготовлении преобразователя накачки.

Из сказанного выше можно сделать следующий вывод: при изготовлении преобразователя накачки излучающей параметрической антенны разрабатываемой системы целесообразно использовать сдвиг линеек дискретных преобразователей по апертуре друг относительно друга на расстояние А/4, следствием чего является обужение ХН ( ), .

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Новиков Б.К.,Руденко О.В.,Т1шошенко В.И. Нелинейная гидроакустика - Л.: Судостроение, 1981. - 264 с.

2. Смарышев М.Д.,Добровольский Ю.Ю.Гидроакустические антенны: Справочник по расчёту направленных свойств гидроакустических антенн - Л.: Судостроение, 1984.-304 с.

ИССЛЕДОВАНИЕ РАССЕЯНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН ДВИЖУЩЕЙСЯ ПОВЕРХНОСТЬЮ, РАСПОЛОЖЕННОЙ ПОД СЛОЕМ НЕОДНОРОДНЫХ РАССЕИВАТЕЛЕЙ

Н. С. Картамышева, В. А. Воронин

В акустике часто возникает необходимость исследования перемещения объектов, находящихся под слоем неоднородных рассеивателей. В случае активной локации в качестве информативного параметра используются сигналы, отраженные от поверхности лоцируемого объекта.

Предварительно необходимо провести численное моделирование отражения акустической волны от поверхности объекта при отсутствии акустических помех. Для анализа отраженных сигналов были получены выражения с использованием интегральной формулы Кирхгофа [1] для расчета давления в любой точке, находящейся в плоскости или в пространстве:

1) для плоскости, объект отражения полуокружность, с координатами (х0, z = п + %(х)) определяется как (1):

* 2 . ^ Я е-**х) ^ ^(П+етХ-Х0? ,

Р(х0,10) ~--------5—-• I------------------------------, ёх ;

16 п -Я £(х)•> + £(х))2 + (х - Х0)2 (1)

2) для пространства, объект отражения полуцилиндр (2):

ш Ч £• Р'с• 0> Уг е-*(х) е-*(п+{(хх)2+х-х)2<у-у)

^ у>-г°}"—16Л2- •](2)

3) , (3):

Р( Хо = Уо 2о):

к2 -р-с-б0 е--к*х) • еЧ-Н(У)

£( х) •£( у)

16-П

!!

і-к-тіф2 + у2-г2 ^о)2 +(х- Хо )2 +( у- Уо )2

Су-уО7

dxdy.

(3)

4) фаза отраженного сигнала для всех случаев определяется в соответствии с выражением

1ш(р(г))

р = а^(р(г)) = атсщ

Яе(р(г))

(4)

где к - волновое число; р0 - производительность источника; с - скорость звука в воздухе; £(х) - приращение расстояния за счет кривизны отражающей поверхности; п - минимальное расстояние от отражающей поверхности до приемника.

Предварительно для анализа отраженных сигналов от движущегося объекта рассмотрим простой случай: отражение плоской акустической волны от отражателя в виде полуокружности (рис.1).

Был проведен расчет поперечной разности фаз между точками 1 и 2, 1 и 3, 1 и 4, 1 и 5 соответственно, расположенных перпендикулярно к нормали поверхности, то есть для случая перемещения второго датчика и фиксированном положении первого (рис.1). Все приемники находятся на расстоянии Х/2 друг от друга. Изменение разности фаз на расстоянии п = 8 X, при изменении радиуса кривизны поверхности в пределах от 0,1 до 0,5 м с течением времени по синусоидальному закону

Л(0 = Л0 + ДЛ • 8т(0 • ^,

где О - частота изменения радиуса кривизны поверхности во времени, О = 10 Гц; I - время, с;

Я0 - начальный радиус (Я = 0,3 м);

ДЯ - максимальное изменение радиуса кривизны, (ДЯ = 0.2 м), представлено на рис.3.

(5)

Рис. 1. Отражение плоской акустической волны от полуокружности

Рис. 2. Закон изменения радиуса кривизны отражателя

\

е

, 1 -

окружности и при перемещении второго приемника вдоль поверхности изменение разности фаз целиком зависит от приращения расстояния между любой точкой на отражателе и точкой приема. При перемещении приемника от точки 1 к точке 2 и т.д., расстояние между поверхностью и точкой приема все больше увеличивается, что влечет за собой увеличение разности фаз.

Л,а = А/2

1, с

Ц...... *1

0.8 1, С

. 3.

То есть изменение радиуса отражателя ведет за собой изменение разности фаз отраженных сигналов. Снимая картину распределения разности фаз, можно однозначно оценить изменение радиуса кривизны поверхности, изменяющейся с тече.

Для подтверждения целесообразности использования в качестве информативного параметра фазы отраженной волны был проведен расчет изменения амплитуды и фазы отраженной волны при разных формах поверхности (полуцилиндр, по-

лусфера) на основе разработанной математической модели отражателя. В табл. 1 приводятся результаты расчета амплитуды и фазы волны разностной частоты (ВР Ч) на оси симметрии поверхности с координатами (0,0,7) при изменении радиуса кривизны отражателя на 1 мм (при г1=0,15 м, Дг=1 мм, с=330 м/с, Б=10 кГц).

Анализ полученных расчетных данных подтвердил, что информативным признаком изменения радиуса кривизны поверхности отражателя является изменение фазы отраженной волны, в то время как изменение амплитуды волны незначительно.

, -вует слой рассеивателей, вносящий искажения в отраженный от поверхности объекта .

1

Результаты расчета амплитуды и фазы ВРЧ при изменении радиуса кривизны отражателя

Поверхность Ф Аш Дер ДАш

г1 г1+Дг г1 г1+Дг

Полуцилиндр -2,2 -0,2 3,610-3 3,610-3 110-3 410-6

Полусфера -1,3 -1,6 3,410-3 3,410-3 0,32 210-5

Для устранения искажений, вносимых рассеивателями, будем использовать метод спекл-интерферометрии, предложенный в [2, 3]. Исходный метод был модифицирован с использованием метода мнимых источников при условии, что каждая

( . 4).

Было проведено численное моделирование определения глубины залегания объекта для источника звука, расположенного в дальней волновой зоне приемной антенны при неизменном положении объекта и рассеивателей. При этом необходимым условием является неизменность положения объекта и рассеивателей в течение

,

.

Построим след движения точечного объекта под слоем неоднородных рассеивателей при двух положениях источника акустических волн: а! = 0 и а2 = 0,5 °, при этом Да должна быть не меньше чем 2/Ы (К - число приемников в антенне (200 шт.)) при расположении приемников с интервалом А/2. Для полученных (при двух положениях источника акустических волн) фазовых фронтов на антенне ^(х) и у2(х) вычисляются функционалы (6), определяются сдвиги максимумов функций Дус и Ду0 в отчетах единицы длины антенны и по известным соотношения рассчитывается глубина залегания слоя рассеивателей (9) и объекта (10):

Б( у) = Б1у( у) = ОП Ф( В(п)),

где В(п)=

Л2(П) (6)

Л1(п) = ЛЛФ[г1( х)],

Л 2(п) = ЛЛФ[Г2( х)],

где у/1(х) - фазовый фронт на приемной антенне при а! (7);

V (х) = 9с (а1 ) + ^„, (7)

- (4);

у/2(х) - фазовый фронт на приемной антенне при а2 (8);

V (х) = Фс (а) + ¥п, (8)

Фс2 - определяется аналогично по (4);

\|/n - фазовый фронт на приемной антенне, создаваемый слоем рассеивателей.

ППФ и ОПФ - прямое и обратное преобразование Фурье соответственно.

АУс =Дс2 -Дс1 = Аа- Г , (9)

АУо =Аа-г0. (10)

Используя описанную выше методику, было проведено численное моделирование для случая, когда точечный объект движется по синусоидальному закону:

r0 = rc - sin(0.25-т-j) + rc. (11)

Полученные результаты обработки рассеянных сигналов представлены на

. 5.

Анализируя полученные результаты, можно сказать, что метод спекл-интерферометрии позволяет получать изображение движущегося объекта при наличии неоднородных слоев. То есть акустическая локация с оценкой поля отраженной волны фазовым методом и последующей обработкой методом спекл-интерферометрии позволяет исследовать движение объектов, находящихся под слоем

.

антенна

Рис. 4. Модель искажения акустическо- Рис. 5. Результаты обработки рассеян-го сигнала слоем рассеивателей ных сигналов слоем рассеивателей

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Смарышев М. Д. , Добровольский Ю. Ю. Гидроакустические антенны. Справочник. - Л.: Судостроение, - 1984.

2. Зуйкова Н. В., Кондратьева Т. В., Свет В. Д. Акустическое изображение объектов, движущихся под неоднородным слоем // Акустический журнал. 2003.Т. 49. №2.

3. Зуйк ова Н. В., Кондратьева Т. В., Свет В. Д. Определение расс тояния до объекта, находящегося под слоем рассеивателей звука // Акустический журнал. 1997. Т.43.

2.

ПРОХОЖДЕНИЕ ВОЛНЫ РАЗНОСТНОЙ ЧАСТОТЫ ЧЕРЕЗ НЕСТАЦИОНАРНУЮ СТРУКТУРУ ГАЗОВЫХ ПУЗЫРЬКОВ В ВОДЕ

И. А. Кириченко, С. С. Коновалова

Экспериментальные исследования поперечных распределений поля параметрической антенны при прохождении волны разностной частоты через нестационарную структуру газовых пузырьков в воде проводились в заглушенном измери-