Об эффективности работы цилиндрической антенны, возбуждающей придонную волну Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 534.23

Д.В. Злобин, Л.Г. Стаценко

ЗЛОБИН Дмитрий Владимирович - инженер кафедры электроники и средств связи Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: memrbomel@mail.ru, СТАЦЕНКО Любовь Григорьевна - доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой электроники и средств связи Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: lu-sta@mail.ru

© Злобин Д.В., Стаценко Л.Г, 2012

Об эффективности работы цилиндрической антенны, возбуждающей придонную волну

Рассмотрены особенности возбуждения придонной волны, существование которой предсказано обобщенной теорией нормальных волн. Проведен анализ энергетических характеристик донной направленной антенны цилиндрического типа. Выявлены оптимальные условия для возбуждения придонной волны такими антеннами.

Ключевые слова: волновод Пекериса, нормальные волны, придонная волна, цилиндрическая антенна, сопротивление излучения.

On the efficiency of operation of a cylindrical antenna exciting the subbottom wave. Dmitriy V. Zlobin -School of Engineering (Far Eastern Federal University, Vladivostok), Lyubov G. Statsenko - School of Engineering (Far Eastern Federal University, Vladivostok).

The article describes the features of excitation of the subbottom wave, whose existence was predicted by the generalized theory of normal modes. The analysis of the energy characteristics of the bottom-mounted directional antenna of cylindrical type was performed. Optimal conditions for excitation of the subbottom wave by such antennas were discovered.

Key words: Pekeris waveguide, normal modes, subbottom wave, cylindrical antenna, radiation resistance.

Придонная волна является особым физическим явлением, предсказанным обобщенной теорией нормальных волн в слоистых средах [2]. Эта волна локализована в верхнем слое морского дна и обладает некоторыми особыми свойствами, такими как ярко выраженный максимум на профиле вертикального распределения давления на определенном горизонте и отсутствие дисперсии в широком диапазоне частот. Данные свойства делают ее перспективной для использования в средствах гидроакустической связи, навигации и мониторинга морского дна. Целью данной работы является определение условий для наиболее эффективного возбуждения придонной волны.

Согласно обобщенной теории, наилучшими условиями для возбуждения придонной волны [1] являются придонное расположение излучателя и углы скольжения в пределах до 15°. Вертикальная цилиндрическая антенна, работающая вблизи дна и генерирующая придонную волну, была описана в работе [3]. Антенна была выполнена в виде двух модулей, рабочий диапазон частот антенны составлял 1,3 ^ 2,6 кГц, а последовательное и параллельное соединение модулей обеспечивало формирование характеристики направленности монопольного и дипольного типа с шириной главного максимума 15°. Анализируя энергетические характеристики данной антенны, например сопротивление излучения, можно оценить эффективность возбуждения придонной волны.

В соответствии с обобщенной теорией сопротивление излучения антенны выражается в виде суммы по нормальным волнам, регулярным, обобщенным и вытекающим. Эффективность возбуждения придонной волны определяется долей сопротивления излучения, приходящегося на обобщенную нормальную волну номер 1. Расчетная формула для сопротивления излучения монопольного излучателя имеет следующий вид:

2Х1 = г12 + /х12 = ^ V /п -ФН(2 (г а), (1)

12 12 12 и 4- (пкп н( ((а) п п 0 ,6пЛ

Ф9 ) = 81п(^ фп = 51Пккз1;1), кз1 А2 к1 = ю / ^

к31,п

где Фп - парциальная характеристика направленности для п-й нормальной волны, - вертикальная координата центра тяжести антенны, Ь = 21 - апертура антенны в вертикальной плоскости, г = а - радиус антенны, с - скорость звука в воде, ю - круговая частота, £,п - постоянная распространения, Еп - коэффициент энергоемкости п-й нормальной волны. Суммирование в формуле (1) ведется по регулярным и обобщенным нормальным волнам с весовыми коэффициентами еп.

Аналогичным образом записывается выражение для сопротивления излучения диполя:

_ gn (гч) ^

"12 '\2 ' 'х12

^ а + IX1 -

и0%>)' (2)

где g(zq) = со8(£31^), Фп1 = Фп sin(k31 п1) - характеристика направленности диполя в свободном пространстве.

Для оценки уровня возбуждения придонной волны цилиндрической антенной зададим гидрологические параметры, соответствующие прибрежной зоне моря. Допустим, что глубина водного слоя составляет к = 50 м, скорость звука в воде - с1 = 1500 м/с, скорость звука в осадочном слое морского дна -с2 = 1750 м/с, плотность воды - р1 = 1 г/см3, плотность осадочного слоя - р1 = 1,6 г/см3. Для расчетов необходимо задать длину антенны Ь = 3,7 м и радиус пьезоэлемента а = 0,075 м.

В таблице показан вклад первой обобщенной нормальной волны в общее сопротивление излучения антенны с монопольным и дипольным типом характеристики направленности, рассчитанный по формулам (1) и (2), в исследуемом диапазоне частотного параметра к к = 20 300, где к - глубина волновода.

Доля активной составляющей сопротивления излучения, определяемая первой обобщенной нормальной волной для различных типов излучающей антенны

Частотный параметр к1к 20 50 100 200 300

Монопольный излучатель, % 75 53 34 13 5,5

Дипольный излучатель, % 90 71 30 14 5,9

На основании результатов расчетов делаем следующие выводы. Можно говорить о достаточно эффективном возбуждении обобщенной волны в диапазоне рабочих частот антенны. Число распространяющихся мод на верхней частоте составляет 52 пары, тем не менее доля первой обобщенной нормальной волны в общем сопротивлении излучения равна 6%. С уменьшением частоты вклад первой обобщенной нормальной волны в общее сопротивления излучения растет и достигает 30% на нижней частоте. Сравнивая работу монопольного и дипольного излучателей, возбуждающих придонную волну, следует отметить, что диполь в этом отношении более эффективен, так как мощность, приходящаяся на обобщенную волну, для диполя в среднем на 20% выше, чем для монополя.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Злобина Н.В., Касаткин Б.А., Матвиенко Ю.В., Рылов Р.Н. Физические основы и метрологическое обеспечение гидроакустической дальнометрии в мелком море // Приборы. 2006. № 11. С. 55-60.

2. Касаткин Б.А., Злобина Н.В. Корректная постановка граничных задач в акустике слоистых сред. М.: Наука, 2009. 496 с.

3. Касаткин Б.А., Ларионов Ю.Г. Низкочастотный направленный излучатель для возбуждения придонной волны // Сб. тр. XX сес. Рос. акуст. об-ва. Т. 2. М.: ГЕОС, 2008. С. 442-445.

X