CC BY
46
Литература
1. Glighborough N., Moulthown A. Stewart's platform for LBPSS-systems // Material handling. 1991. № 8.
2. Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами. Л., 1982.
3. Мирошник И.В. Согласованное управление многоканальными системами. Л., 1990.
4. Бойчук Л.М. Синтез координирующих систем автоматического управления. М., 1991.
5. Елсуков В.С., Сохадзе А.Г. Синтез сепаратных регуляторов многоканального подвеса груза подъемного крана // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2001. № 2. С. 14-17.
6. Елсуков В. С. Синтез нелинейных систем стабилизации со скользящими режимами в контурах локализации возмущений // Вестн. Самар. гос. техн. ун-та. Сер. Техн. науки. 2005. № 33. С. 308-312.
Южно-Российский государственный технический университет
(Новочеркасский политехнический институт) 1 июля 2005 г.
УДК 534.222
МЕТОД ДАЛЬНЕГО ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО ПРИЕМА АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН НИЗКОЧАСТОТНОГО И ИНФРАНИЗКОЧАСТОТНОГО ДИАПАЗОНОВ
© 2006 г. П.А. Стародубцев
«Многие надежды человечества связаны с океаном. Только, пожалуй те, кому посчастливилось наблюдать землю из космоса, по-настоящему увидели и почувствовали, что она почти сплошь покрыта водой. Океан является неиссякаемым источником самого широкого спектра энергетических, биологических, геологических и многих других богатств. Использование этих богатств неразрывно связано с возможностями и достижениями одной из самых наукоемких и захватывающих отраслей общей проблемы «океан -человек» гидроакустикой, которая на основе использования эффективного распространения звуковых волн в морской среде решает большое разнообразие задач, связанных с освоением моря человеком», - так, просто и точно охарактеризовал место и роль гидроакустики в общечеловеческой проблеме освоения Мирового океана основоположник теоретических основ этой науки академик Л.М. Бреховских.
Одним из перспективных направлений становления и развития гидроакустики являются разработки теоретических основ и прикладных аспектов параметрического излучения - приема акустических волн, принципов дальнего приема гидроакустических сигналов «малых амплитуд» параметрическими антеннами «малых волновых размеров». Принципы такого приема обоснованы теоретически и реализованы в параметрических приемниках [1, 2]. Параметрический прием акустических сигналов «малых амплитуд» в этих системах основан на нелинейном взаимодействии принимаемой низкочастотной волны с интенсивной высокочастотной волной накачки на пути их совместного распространения, ограниченного конструктивными параметрами антенны. Физическая сущность
нелинейного взаимодействия волн и формирования параметрических составляющих комбинационных волн суммарной и разностной частоты при их совместном распространении в нелинейной среде заключается во взаимной модуляции фронта одной волны другой, в результате чего фазовая скорость их распространения взаимно преобразуется. Это приводит к амплитудно-фазовой модуляции принимаемой волны накачки, которая может быть выражена через амплитуду или индекс фазовой модуляции. Комплексные амплитуды сформированных комбинационных волн суммарной и разностной частот приблизительно одинаковы и выражаются следующей зависимостью [3, 4]:
4 - —^
Р 0 С 0
где е - параметр нелинейности среды; p1, p2 - комплексные амплитуды волн накачки и принимаемого сигнала; р0, с0 - плотность, скорость звука в среде; юь а>2 - частоты волн принимаемой и накачки, соответственно; 9 - угол между фронтами взаимодействующих волн; L - протяженность акустической базы (путь совместного распространения и взаимодействия сигналов).
Как следует из выражения (1), определяющим параметром параметрического приемника является его эффективная акустическая база, которая, как правило, ограничивается его конструктивными размерами и составляет единицы - доли длин волн - принимаемых низкочастотных сигналов. Интенсивность волн комбинационных частот невелика и в зависимости от характеристик среды (солености, температуры, насы-
щенности микроорганизмами и газовыми пузырьками) изменяется в пределах от 4-10-7 до 19,3-10-5 относительно интенсивности высокочастотной волны накачки [3, 4].
Известны примеры усиления интенсивности волн комбинационных частот за счет изменения параметра нелинейности среды [5]. Существуют также технические решения параметрических приемников с длиной акустической базы, составляющей сотни метров [5]. В активно-пассивном гидролокаторе Тернера, например, область нелинейного взаимодействия ультразвуковой волны накачки составляет единицы километров [6].
Рассмотренные примеры классических решений параметрического приема низкочастотных сигналов ограничены по дальности необходимостью применения высокочастотных (вплоть до ультразвуковых) волн накачки, что не позволяет их применять при решении задач дальнего обнаружения акустических сигналов «малых амплитуд». Предметом настоящей работы является рассмотрение нетрадиционного про-светного метода [7] и реализующего его гидроакустической системы как широкомасштабного параметрического приемника с низкочастотной подсветкой (накачкой) контролируемой трассы (акустической базы) [8, 9]. Нелинейное взаимодействие сигналов в этом случае осуществляется на пути их совместного распространения по прозвучиваемой трассе. В более широком плане рассматриваемый метод предусматривает также параметрический прием волн различной физической природы (акустических, гидродинамических и электромагнитных), что подтверждено морскими экспериментами [9-12].
Экспериментальные исследования по реализации такой параметрической системы были проведены в Татарском проливе Японского моря. Протяженность акустической трассы составляла около двухсот километров (рис. 1а). В качестве приемной базы использовался радиогидроакустический буй (РГБ), связанный по радиоканалу с приемной лабораторией опытового судна. В качестве излучающей базы использовался забортный излучатель, который буксировался другим опытовым судном и прозвучивал среду акустическими сигналами с частотой 400 Гц.
В этом эксперименте были выполнены измерения спектральных характеристик анизотропии инфраниз-кочастотных шумов в шельфовой зоне о. Монерон, формируемых техническими объектами, расположенными на береговой части о. Сахалин. Сонограмма спектра шумов и их усредненная амплитудная характеристика по трассе измерения приведены на рис 16. Также в качестве примера (рис. 2) представлена соно-грамма шумоизлучения судна (сухогруза), пересекающего посередине прозвучиваемую глубоководную стационарную трассу протяженностью около 340 километров. Эффективная реализация дальнего параметрического приема низкочастотных сигналов в рассмотренных экспериментах объясняется использованием больших областей среды с усиленным нелинейным взаимодействием сигналов, сформированных объектами [11, 12].
Татарский пролив
м. Сосунова 150
мо(
г Ч—Г-50 fi О 50 100
U.A. 5 fc
---< 200 Км
а
t, мин 140 120 100 80 60 40 20 0
■HR-wr
Шъ
"f м ■■ ' ч i-' А
Трасса излучающего судна
Иг/Я-г
0,25
0,50
0,75
1,00
F, Гц
б
Рис. 1. Схема эксперимента по измерению шумов моря на шельфе о. Монерон (а); сонограмма спектра шумов и их усредненная амплитудная характеристика по трассе измерения (6)
Принимающая база
Излучающая база
<ц\
V
40 F, Гц
Рис. 2. Сонограмма шумоизлучения морского судна (параметрические измерения с подсветкой среды)
В заключение отметим следующее. Разрабатываемый в настоящее время в гидроакустике просвет-ный низкочастотный метод может быть эффективно реализован как параметрический с низкочастотной подсветкой (накачкой) среды, а активно-пассивная система в этом случае представляет собой широкомасштабный параметрический приемник дальнего приема инфранизкочастотных сигналов «малых амплитуд».
Литература
1. Новиков В.К., Руденко О.В., Тимошенко И.И. Нелинейная гидроакустика. Л., 1981. С. 6-12, 203-292.
2. Зверев В.А., Калачев А.И. Устройство для приема инфранизкочастотных колебаний: Авт. свид. СССР № 422197 // БИ 1982. № 8. С. 277.
3. Зверев В.А., Калачев А.И. Модуляция звука звуком при пересечении акустических волн // Акуст. журн. 1970. Т. 16. №2. С. 245-251.
4. Донской Д.М., Сутин А.М. Параметрический прием аку-
стических сигналов в неоднородных средах // Акуст. журн. 1981. Т. 27. № 6. С. 876-887.
5. Полякова А.Л., Сильверстова О.Ю. О параметрическом излучателе, работающем в среде с пузырьками газа // Акуст. журн. 1980. Т. 26. № 5. С. 783-787.
6. Тернер Д. Универсальный ультразвуковой гидролокатор с сигналом накачки: Пат. США. № 3, 870.988. 1975.
7. Бородин В.В. Разработка макетов и алгоритмов обработки сигналов в просветном режиме на вертикальных антеннах: Отчет о НИР «Самолов-В». Этап 1/ МНЦ волновых исследований ИОФ РАН. 2000. С. 3-8.
8. Мироненко М.В., Моргунов ЮН. Физико-математические
основы нетрадиционного метода «гидролокации на просвет» // НТС «Проблемы и методы разработки и эксплуатации В ВТ ВМФ» / ТОВМИ, Владивосток. Т. 3, 1996. С. 88-91.
9. Мироненко М.В., Минаев Д.Д. Закономерности параметрического взаимодействия акустических и электромагнитных волн в морской среде и их реализация в системах дальней звукоподводной связи» // НТС «Проблемы и методы разработки и эксплуатации В ВТ ВМФ» / ТОВМИ. Владивосток, 1996. Т. 3, С. 82-87.
10. Мироненко М.В., Кароченцев В.И., Турмов Г.П. Взаимодействие упругих и электромагнитных волн в морской вод: доклад на международном симпозиуме // Подводные технологии - 2000, Токио, Япония, май, 2000.
11. Кароченцев В.И., Мироненко М.В. Способ передачи упругой волны в морской воде (варианты): Пат. РФ № 2167454 от 5.12.1998г. Владивосток, ДВТГУ.
12. Кароченцев В.И., Мироненко М.В. Способ приема упругой волны в морской воде (варианты): Пат. РФ № 2158029 от 05.12.1998 г. Владивосток, ДВТГУ.
Морской государственный университет им. адмирала Г.И. Невельского, г. Владивосток 1 июля 2005 г.
