CC BY
53
4.Merklinger H.M. Improved efficiency in the paremetrie transmitting array. JASA. 1975. V.58. №4.
5. Muir, Melleubruch, Jockwood. JASA. Reflection of finifeamplitude waves in a parametrie array. 1975. V.2, №2. Р. 251-276,
6. ГитисМ.П., Химунин А. С. О дифракционных эффектах в
ультразвуковых измерениях // Акуст.ж.урнал. № 14, 4. 1965.С. 489.
7. Фирсов И.П., Внешние структуры ближнего поля и эффективность параметрического излучател // Гидроакустика. Таганрог, ТРТУ. 1979. С. 21-23.
8.Дюдин Б.В. Устройство для создания в жидкости низкочастотного акустического поля. Авт.свид. №698677. №43. 1979.
А. Г. Ишутко, Т. Н. Куценко, С.П. Тарасов
ВЛИЯНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВОЛН НАКАЧКИ В ГРУНТЕ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ АНТЕННЫ
Задача лоцирования объектов, находящихся под слоем грунта, решалась неоднократно [1, 2]. Авторы предполагали, что волны накачки отражаются от границы раздела двух сред, а прошедшая волна сразу затухает, т.е. взаимодействие в грунте отсутствует. Однако в мелком море могут возникнуть такие ситуации, когда расстояние до границы раздела будет мало (< 2• 1д, где 1 д- длина зоны дифракции). В
этом случае амплитуды волн накачки еще существуют, проходят в грунт, взаимодействуя в нем, образуют волну разностной частоты (ВРЧ), которая вносит определенный вклад в суммарную амплитуду звукового давления ВРЧ, распространяющуюся в грунте.
Задача настоящей работы состоит в том, чтобы учесть вклад, вносимый в амплитуду ВРЧ за счет взаимодействия волн накачки в грунте.
Геометрия задачи представлена на рис.1. Антенна излучает две волны накачки с частотами накачки ^, $2 и амплитудами звукового давления р1 и р В результате их взаимодействия образуется волна разностной частоты Б с амплитудой звукового давления р . Эти три волны, дойдя до границы раздела двух сред, проходят во
вторую среду с коэффициентом прохождения т который для продольной волны равен [3]
т _ р 281 ,
112 р1 81 +1 (1)
где
р1с1 • сО8(0)
81 Рс • С°(0 пр) (2)
Здесь р с1 - удельная плотность и скорость распространения волны во второй среде; р, с - удельная плотность и скорость распространения в первой среде; 0 -угол падения волны на границу раздела двух сред; 0 пр - угол преломления волн накачки и волны разностной частоты.
В результате прохождения волн, распространяющихся в первой среде и через границу раздела двух сред, во второй среде образуются четыре волны: прошедшая волна накачки с амплитудой р1 равна р| _ т • р с амплитудой р2 - р2 _ т12 • Р2 и
разностной с амплитудой р- _ т12 • р_. В результате взаимодействия волн р| и р2 в грунте образуется разностная волна с амплитудой р-.
И
Вода
Грунт
м
Рис. 1. Геометрия задачи
Таким образом, суммарный сигнал ВРЧ р£ (х,г) при одинаковых фазовых
соотношениях волн накачки будет складываться из ВРЧ, сформировавшейся в первой среде и ВРЧ, сформировавшейся во второй среде:
РЕ (х,г)_Р-(х,г)+Р-(х,г). (3)
Амплитуда звукового давления волны разностной частоты р_(х,г), как известно, описывается выражением [2]:
Р_ (х ,г) = а • 2п • Г • Ро1 • Ьд •
• 1(В,у),
(4)
где Б - разностная частота; _ д - длина зоны дифракции разностной частоты; х -расстояние до грунта; _ з - длина зоны затухания волны разностной частоты; а _ 4п8 ; г - поперечная координаты; 8 - коэффициент нелинейности среды, в
— 3
8с 0 р 0
которой распространяется волна;
І(В,у) = і {—— І d +1
Єхп(- у________1Ву) )
ехР( у а+і(у-хз)+ хзув)
+ 1(у - хз )+ хз уВ
4у>
где в _ 13 •_ д ; л д; 1 - длина зоны дифракции волн накачки; 1 з - длина
“ ,2 1 д з 1дз
взаимодействия волн накачки; хз _ х/1з.
Первое слагаемое в выражении (3) с учетом коэффициента прохождения и затухания в грунте равно
Р' (х,г) =а^2пБ• Р(2і • Ьд • е /Ьз • і(В,у>Т^ • е
-Ь^Згр
(5)
х
Амплитуду волны разностной частоты р-(х,г) с учетом затухания волн
накачки в грунте и коэффициента прохождения волн накачки в грунт можно вычислить следующим образом:
р- (х,г)_ а' • 2п• Б• р02 • _д • е“?_ • 1'(Б,у>Т^ • е-2х Р. (6)
В выражении (6) штрих (') означает, что все параметры со штрихом необходимо пересчитать для новой среды с учетом дифракционной расходимости пучка (радиус ширины пучка а') и параметров среды, в которой он распространяется; р -коэффициент затухания волн накачки в воде.
Таким образом, суммарная амплитуда звукового давления ВРЧ в точке М будет равна
р2 (х, г) _ а' • 2п • Б • р'2 • _ • е-^_з • 1'(Б', у') +
" у " (7)
+ а • 2п • Б • р12 • _ • е • 1(в,у)*Т12 .
Полученное выражение позволяет рассчитать амплитуду давления ВРЧ, распространяющуюся в грунте с учетом нелинейного взаимодействия прошедших волн накачки. Используя последнее выражение, были проведены расчеты.
На рис. 2 представлены осевые распределения давлений ВРЧ при наличии границы раздела для различных разностных частот 2, 4, 6, 8, 10, 12 кГц. При этом средняя частота накачки бралась /0 _ 100 кГц, ширина диаграммы направленности
излучающей антенны - 20, удельная акустическая мощность - 2 Вт/см2. Граница раздела двух сред находилась на расстоянии длины зоны дифракции волн накачки 1д от
излучателя (10 м). При расчетах предполагалось, что среды обладают одинаковыми коэффициентами нелинейности (8 _ 3,5), но разными акустическими сопротивлениями. Кривая 1 описывает амплитудное распределение ВРЧ до границы раздела двух сред, кривая 2 - амплитудное распределение ВРЧ, прошедшей в грунт после преломления с учетом затухания, кривая 3 - амплитудное распределение ВРЧ, возникшей в результате взаимодействия волн накачки в грунте, кривая 4 - суммарное осевое распределение давления ВРЧ в грунте. Длина зоны взаимодействия в грунте составляла всего / = 24 см. Таким образом, можно предположить, что на расстоя-
ниях, близких к I суммарная волна разностной частоты (кривая 4) будет вносить
основной вклад подкачки энергии за счет взаимодействия волн накачки в грунте. Полученные результаты расчетов показывают, что за счет взаимодействия волн накачки в грунте подкачка энергии ВРЧ на глубинах до 5 метров составляет от 10 до 30 % от прошедшей в грунт ВРЧ (образовавшейся в воде). С увеличением разностной частоты увеличивается коэффициент затухания, а процент подкачки энергии ВРЧ соответственно уменьшается.
Из [4] известно, что грунты, представляющие собой некие суспензии, обладают коэффициентом нелинейности в несколько раз большим, чем коэффициент нелинейности воды. Это свойство грунтов как бы должно повысить эффективность преобразования энергии волны накачки в энергию ВРЧ. Однако такие грунты имеют большой коэффициент затухания, что приводит в конечном итоге к небольшому изменению коэффициента преобразования энергии волн накачки в энергию ВРЧ.
Р, Па
Р. Па
25 20
/ 1 '' 4
\\
ІГ
3
20 25 30
X, И
Б=2 кГц
Б = 4 кГц
1500 ■ 1350 1200 1050
—V4
2 \
Б = 6 кГц
Р, Па змо
2700 ■ 2400 ' 2100 ' 1800 1500 1200 900
Б = 10 кГц
2 V.
Б = 8 кГц
Р. Па ™°
3600
3200
2800
2400
2000
1600
1200
—
і 1
. А
/ <• і
2 ъ
і ■ь ■4
і ч.
1 3 ч
Б = 12 кГц
Рис. 2. Осевое распределение давления ВРЧ на различных разностных частотах при одинаковых коэффициентах нелинейности в воде и грунте
На рис. 3, 4 и 5 представлены результаты расчетов осевого распределения ВРЧ от расстояния при различных коэффициентах нелинейности грунтов и соответствующих им коэффициентов затухания. Расчеты проводились для антенны накачки шириной 20, удельная акустическая мощность 2 Вт/см2, расстояние до границы раздела двух сред 21 д (20 м), средняя частота накачки / = 100 кГц, разностная частота р = 2 кГц, коэффициент нелинейности в грунте Є = 6. При этом коэффициент затухания рассчитывался по формуле р = , где к - коэффициент, изменяющийся от
0,18 до 0,38 в зависимости от типа грунта, а р - частота в кГц [4]. Для расчетов, представленных на рис.3, к = 0,18, для расчетов, приведенных на рис.4, к = 0,38. Кривые 1, 2, 3, 4 на рис.2 - 4 означают то же самое, что и в предыдущем случае. На
рис. 5 представлены результаты расчетов для Б = 2 кГц, к= 0,38, коэффициент нелинейности для грунта 8 =10. Проведенные расчеты показывают, что при увеличении коэффициента нелинейности грунта в два раза подкачка энергии ВРЧ за счет взаимодействия волн накачки в грунте на глубинах до 5 м составляет до 30% от прошедшей ВРЧ, при увеличении же коэффициента затухания в два раза и соответственно коэффициента нелинейности в два раза (см. рис. 4) подкачка энергии уменьшается до 10 %. При увеличении коэффициента нелинейности грунта в 3 раза и увеличении коэффициента затухания в 2 раза уровень подкачки энергии увеличивается до 30%.
Рис. 3. Осевое распределение ВРЧ при наличии границы раздела вода - грунт
Рис. 4. Осевое распределение давления ВРЧ при наличии границы раздела двух сред (вода - грунт)
X, м
Рис. 5. Осевое распределение давления ВРЧ при наличии границы раздела двух сред
(вода - грунт)
Полученные результаты показывают, что в средах, имеющих больший коэффициент нелинейности по сравнению с коэффициентом нелинейности воды, уровень звукового давления ВРЧ может оказаться выше (до 30 %) на расстояниях от границы раздела до 5 м. Очевидно, этот факт должен учитываться при обнаружении объектов в морском донном грунте.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Воронин В.А., Новиков Б.К., Тарасов С.П., Тимошенко В.И. Исследование пространственных характеристик параметрических антенн при наличии отражающей
границы в зоне взаимодействия / Прикладная акустика. Таганрог: ТРТИ, 1981. Вып.УШ.
2. Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика. Л.: Судо-
строение, 1981. 264 с.
3. Лепендин Л.Ф. Акустика: Уч. пос. для втузов. М.: Высш. школа, 1978. 448с.: ил.
4. Мюир Т.Дж. Нелинейная акустика и ее роль в геофизике морских осадков // Аку-
стика морских осадков / Под ред. Л. Хэмптона. М.: Мир, 1977. С.227-273.
В.А. Воронин, А.Г. Ишутко, В.Л. Чулков
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВЕЕРА СТАТИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ В ПРИЕМНОЙ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ АНТЕННЕ ДЛЯ ЛОЦИРОВАНИЯ ПРИДОННЫХ СЛОЕВ
В настоящее время широкое применение для поиска заиленных объектов получили гидроакустические приборы с излучающими параметрическими антеннами, обладающих рядом достоинств:
- высокой направленностью излучения при малых габаритах преобразователя накачки;
- низким уровнем боковых лепестков в характеристике направленности;
- широким диапазоном излучаемых частот;
- постоянством характеристики направленности во всем частотном диапазоне.
Использование гидроакустических приборов с такими характеристиками позволяет более эффективно решать задачи обеспечения подводного поиска. В частности, узкая характеристика направленности параметрических антенн увеличивает точность обнаружения. При работе в условиях мелкого моря в прибрежной зоне и во внутренних водоемах появляются дополнительные преимущества, вызванные отсутствием боковых лепестков в характеристике направленности. Малые размеры преобразователя при направленном излучении на низких частотах делают возможным установку параметрических приборов на судах любого, даже самого малого, водоизмещения. При использовании свойств нелинейной акустики эффективно решается вопрос создания широкополосных гидроакустических систем. Последние могут применяться при обнаружении для увеличения дальности действия и разрешающей способности по дистанции за счет излучения сложных сигналов и коротких импульсов.
Одной из важных тактических характеристик систем гидроакустической локации является скорость обзора подводного пространства, которая, в первую очередь, определяется способом обзора.
Обзор пространства, используемый в параметрических гидролокаторах, имеет ряд особенностей, обусловленных соотношением параметров направленности приемной и излучающей антенн. Если в классической гидролокации характеристика направленности в режиме приема, как правило, равна или уже характеристики направленности в режиме излучения, то для параметрических гидролокационных систем характерно обратное соотношение, т.е. в приеме направленность оказывается такой же или шире, чем в излучении. Последнее особенно характерно для параметрических гидролокационных систем, работающих на низких частотах, для которых использование широко направленного приема является мерой вынужденно: чтобы не повышать массогабаритные характеристики всей антенной системы.
При работе параметрических антенн в составе эхолота или локатора вертикального действия можно выделить две типичные ситуации. Первая характерна для высокочастотного параметрического высоконаправленного эхолота с разностной частотой сотни килогерц. В этом случае можно сформировать высокую направлен-
