Преломление и деформация пучка акустических волн на границе раздела двух сред Текст научной статьи по специальности «Физика»

S, дБ

60

20_

40_

0.

W

0

50

100

150

200

250

П

Рис. 41. Спектр мощности исследуемого сигнала. По оси абсцисс отложен номер

отсчета

1.Кузнецов С.П. Динамический хаос: курс лекций. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001. -

2.Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика. - Л.: Судостроение, 1981.

3. Старченко И.Б. Динамический хаос при распространении волн конечной амплитуды в воде // Электронный журнал «Техническая акустика» <http://www.ejta.org> 2006, 12.

ПРЕЛОМЛЕНИЕ И ДЕФОРМАЦИЯ ПУЧКА АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ДВУХ СРЕД

При рассмотрении условий формирования структуры поля акустической параметрической антенны (АПА), работающей вблизи границы раздела сред (ГРС), важными становятся факторы, определяющие изменение пучка ее первичного излучения, и, как следствие, влияние их на работу АПА в целом [1]. Излучение ограниченных акустических пучков через границу раздела "вода - осадки" рассматривались в [1] с использованием ограниченных пучков с частотой 20 кГц, получаемых как от линейного, так и параметрического источников. Экспериментальные результаты, полученные с использованием акустической параметрической антенны, показали значительные проникновения энергии в осадки на закритических углах наблюдения, а также и боковое смещение пучка, распространяющегося под углами до и после критического. Так как первичным излучателем АПА обычно является преобразователь типа поршня, формирующего излучение в виде акустического пучка, то рассмотрение поведения пучка, особенно его поперечных размеров, с распределением в нем амплитуды первичного поля является для АПА актуальной и в линейном случае лучевого описания. Характерным размером акустического пучка является его ширина в плоскости падения, так как другой его размер не изменяется при переходе через ГРС. В горизонтально-слоистой среде отношение d1 и d2 рассматривается как фактор фокусировки -F = d1/ d2 = cos 0^cos ©2 или фактор дефокусировки -

f = d2/d1 = cos © 2/cos ©1 , где dj - ширина в первой среде, d2 - во второй (рис. 1). Откуда следует выражение для фактора фокусировки:

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК

296 с.

Н.П. Заграй

1

(1)

Для величин m = 1/n = C2/C приведена совокупность зависимостей относительного изменения ширины акустического пучка N = d2/d1 (дефокусировка) при

преломлении его на импедансной границе раздела двух сред (рис.2). Во всем диа-

пазоне изменений акустического показателя преломления (n<1, n>1) представлена совокупность зависимостей N = f (©) при преломлении акустического пучка на границе раздела двух сред. Для n<1 имеет место повышение пространственной плотности акустической энергии в пучке (F увеличивается до 2-2,5 раз), в случае n>1 происходит ее уменьшение до величины 0,2-0,4 от первоначальной. При этом для конкретных величин m = 1/n от m = 0,5 (и m = 0,5 ) до m = 1,5 (и m = 1,5 ) при

различных величинах поперечного размера пучка dj в первой среде проведен рас-

чет и анализ изменения размера пучка d2 во второй среде в зависимости от угла падения Q и первичного размера di для случаев п<1 и п>1.

На рис.2 приведены использованные экспериментальные данные, полученные при визуализации теневым методом преломляющихся на ГРС акустических пучков. При численном анализе этих результатов по характерным геометрическим параметрам пучков данные экспериментов хорошо укладываются на кривые, построенные по представляемой геометрической модели описания.

Динамика изменения поперечных распределений акустической энергии в пучке, а также, соответственно, давлений или

колебательных скоростей и ускорений с учетом изменения фактора фокусировки при исходном гауссовом распределении поля излучения в первой среде

( A = A 0 • exp(- r2/di ) ) для второй среды будет определяться следующим выражением:

Рис.1. Преломление пучка акустических волн на границе раздела двух сред при Сі > С2 (п = Сі /С2 >1), йі, (^2 — ширина пучка в первой и второй средах соответственно

A = A0expi -

1

(2)

4/2 1 + [1 - (С2/С)2 tg2©! ]

которая приведена на рис.3 при различных углах падения пучка © для случаев Б<1 (п=0,67) и Б>1 (п=2) соответственно.

Возможно также рассмотрение вопроса и о коэффициентах преломления и отражения для различных характерных величин акустического поля. Общая зависимость коэффициентов отражения и прохождения акустического поля в линейном

приближении по интенсивности (Я,Т), давлению (гр, tр), колебательной скорости (Г&, t х) в зависимости от отношения удельных акустических сопротивлений соприкасающихся (контактирующихся) сред у = (рС)2/(рС)1 приведена на рис.4.

2

Г

Подобное представление одновременно всех коэффициентов по основным харак -терным параметрам акустического поля является удобным и необходимым в использовании как для расчета численных значений самих коэффициентов, так и для оценки их фазовых соотношений. При этом приведенные акустические сопротивления могут быть выражены через фактор фокусировки как

*

е© =

р2С2 008 ©о

й.

где р == — =

1 рС 008 ©1 1

р2С2

р2С2 1 _ 22 Т7 _ 22 1

"2 р = Г 2^2 ~ 2 р = ■______

Р1С1 Р1С1 ¡2, 2Х /

- фактор фокусировки.

(3)

й2 ,¡1 + (1 - С22/С.2у©

Таким образом, оказывается возможным с учетом данных соотношений представить в линейном приближении коэффициенты отражения и прохождения

для случая пучка, сохраняющие в общем виде известные формы, но имеющие изменения в своих выражениях через приведенные акустические сопротивления с учетом фактора фокусировки.

По полученным соотношениям проведены численные расчеты зависимостей всех коэффициентов отражения и прохождения от величины угла падения © со стороны первой среды (воды) для различных соотношений относительных акустических импедан-сов контактирующих сред (рис.4).

Из приведенных выше соотношений, например для коэффициента прохождения tp, может быть получено

а/

Рис.2. Относительное изменение ширины пучка акустических волн при преломлении на границе раздела двух сред 1/п = ¡Л = С2/С1 : 1 - “Вода - четыреххлористый углерод СС14 (¡Л =0,62); 2 -“Глицерин -

вода” (/Л =0,78); 3 - “Вода - глина” (/Л =1,013); 4 -“Вода - алевриты” (/Л =1,013); 5 - “Вода - песок”

(Л =1,067); 6 - “Керосин - вода” (/Л =1,16); 7 -“Спирт - вода” (/Л =1,27)

выражение для изменения ширины акустического пучка во второй среде й2 в зависимости от параметров контактирующих сред:

t„

'Г- й1 = -

t„

(4)

■р -р р1С1

Аналогичное соотношение может быть получено с использованием выражения коэффициента отражения от ГРС:

= Гр-1 -х- ^ = Г-р-1 •Ррс^ • й1.

гр +1

гр +1 Рісі

(5)

Рис.3. Динамика изменений поперечных распределений амплитуды давления в пучке при различных углах падения 0

Выражения (4), (5) могут быть использованы для характеристики изменения ширины акустического пучка как в линейном случае, так и в нелинейном, если величины коэффициентов рассматриваются в соответствующих приближениях (первом или втором).

Теоретическая работа [1] основывается на параметрической природе ограниченного пучка и, наряду с продолжающей ее экспериментальной работой [2], констатирует факт, что для послекритических (закритических) углов необходимо учитывать параметрическую природу пучка для детального описания структуры акустического поля в осадках. Результаты для акустической параметрической антенны включали в себя графики вторичного давления в осадках для углов наклона 40 и 200 (критический угол при этом примерно равен 300 ) и амплитуды давлений для трех положений в осадках как функции угла наклона первичного пучка. Показано, что для докритических углов поле давления в осадках такое же, как и следовало ожидать для линейного пучка, но для закритических углов наблюдаются интерференционные эффекты, которых бы не было для линейных пучков.

Рассматривая акустическую систему "акустическая параметрическая антенна -донный грунт", следует особо остановиться на влиянии именно донного грунта на характеристику данной системы и, в частности на характеристику направленности (ХН).

В соответствии с параметрами грунтов и осадков и выражением

@кр. = аге$іп(п) ,

где п = С2 /С, , С1, С2 - соответственно скорости распространения звука в первой и второй средах, определяются первый и второй критические углы, данные по которым приведены в табл.1, где скорость С1 =1500 м/с.

,ОШН.ед.

Рис.4. Зависимость коэффициентов отражения и прохождения: по интенсивности - Я , Т ; по давлению - Гр, tp; по колебательной скорости - Г&, t ^ от отношения удельных акустических сопротивлений соприкасающихся сред У = Р2С21Р,С,, 0 <У <¥

Таблица 1

Значения критических углов для различных морских сред

Среда вкр і = агсэт(С2/С) в к р .2 = Щ^ІП (С 2/ С )

Глинистые осадки 64 6,5

Песок - 14,5

Ил - 16,5

Алевриты - 14,5

Теперь согласно приведенному выше выражению для определения угла на -клона акустической параметрической антенны, через ее габариты и расстояние наклона можно определить углы, которые определяли условия работы АПА. Данные оценки сведены в табл.2.

Из табл.2 видно, что рассмотрение велось как на докритических, так и на за-критических углах. Это правомерно, так как из работы [2] следует, что для акустической параметрической антенны имеет место закритическое проникновение. Влияние других параметров можно учесть коэффициентами прохождения Т, Я. Рассчитанные значения коэффициентов прохождения Т и Я отражения для не-

скольких углов (падения -апад и прохождения - апр ) приведены в табл.3. В качестве первой среды взята вода, в качестве второй - ил.

Таблица 2

Соответствие расстояний наклона h и углов наклона АПА

h, м аКр , град.

0,5 49,3

1 66,7

5 88,1

25 89,1

Таблица 3

Величины коэффициентов прохождения W и отражения V для различных

углов падения

апад (гРад.) ап р (град.) R отр. T прох.

49,3 51,1 0,22 0,81

66,7 70,6 0,19 0,79

85,1 1 1,3

89,1 1 1,3

Таким образом, представлена методика учета влияния среды распространения и диагностируемой среды на основные характеристики системы "акустическая параметрическая антенна - донные осадки" при работе с акустическими параметрическими антеннами.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Muir T.G. The Potential of Sonar Survers in Marine Archeology, Applied Receach Laboratories Prospertus, June, 1971.

2. Muir T.G., Adair R.S. Potential Use of Parametric Sonar in Marine Archeology, J.Acoust.Soc.Amer., 1972.

Ю.В. Белоус, С.В. Козловский

ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ВОДНЫХ РАЙОНОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МОНОСТАТИЧЕСКОГО И ПОЛИСТАТИЧЕСКОГО МЕТОДОВ ЛОКАЦИИ

В современных условиях вопросы экологии все интенсивнее занимают главенствующие позиции среди актуальных проблем человечества. Сложившаяся ситуация с глобальным изменением климата на Земле, увеличением озоновых дыр, масштабными катастрофами с тяжелейшими экологическим последствиями заостряет все многообразие граней нерешенных проблем и вновь появляющихся вопросов, которые требуют оперативного решения.

Очень многообразен спектр проблем, решаемых наукой экология. Одна из та-