Введение к работе
-3-
Актуальность темы диссертации
Одной из наиболее актуальных задач акустики океана является проблема изучения распространения и рассеяния звука в неоднородной морской среде. Морская вода, содержащая пузырьки, твердые взвеси, фазовые включения биологического происхождения, рыбу и другие морские организмы различного размера является особо сложной средой. Такие неоднородности морской среды приводят к рассеянию звука, дополнительному затуханию, дисперсии скорости звука, появлению дополнительной нелинейности среды, а также к изменению целого ряда других акустических характеристик, важных для проведения исследований и измерений в акустике океана. В обозначенных проблемах особый интерес представляет разработка методов решения обратных задач с применением акустических методов, которые зачастую являются единственными методами исследований структуры неоднородных сред.
Поскольку рассеиватели в океане имеют различную природу, они обладают и различными свойствами в отношении рассеяния акустических волн. В частности, сила объемного рассеяния зависит от частоты зондирующего сигнала. Таким образом, для данного рассеивающего объема существует частота, или диапазон частот, в котором можно получить наилучшие результаты с точки зрения отношения сигнал/помеха. С другой стороны, на данной частоте одни рассеивающие области могут выглядеть более контрастными по сравнению с другими. Поэтому, необходимо решать задачу выбора оптимальных параметров системы, причем - оперативно, что может быть достигнуто либо путем использования сверхширокополосных сигналов, либо созданием адаптивной гидролокационной системы.
Одним из важных и наименее изученных является вопрос работы гидроакустических средств в приповерхностном слое. По своим характеристикам приповерхностный слой резко отличается от остальной морской среды. Он характеризуется аномально высокими концентрациями газовых пузырьков, которые приводят к повышенному рассеянию и поглощению звука, к снижению скорости распространения волн, к усилению нелинейных характеристик водного слоя. Так, значение нелинейного параметра увеличивается более чем на порядок, что подтверждено эксперименгаль-ными результатами.
При решении задач подводного поиска, исследования и диагностики океана местом расположения гидроакустических антенн является приповерхностный слой. Поэтому, большой 1му»пШ1ЙГ1СШ^Щ^|^кий интерес
| БИБЛИОТЕКА ^ 1
1 03 Моумт'77 I
представляет вопрос влияния особенностей приповерхностного слоя, в частности, изменяющегося параметра нелинейности на процесс распространения и нелинейного взаимодействия акустических волн. В последнее время наметился новый подъем в развитии акустических методов диагностики. Традиционные линейные методы акустической диагностики микронеоднородных сред оказываются во многом противоречивыми, в связи с чем, возникает необходимость разработки других, новых, более современных методов. Таковыми оказались, прежде всего, нелинейные методы на основе использования параметрических антенн. Эффективность применения параметрических антенн обусловлена особенностями, присущими только этому классу приборов. Это - широкополосность, высокая направленность, одинаковая во всем частотном диапазоне, малогабаритность при излучении низких частот, низкий уровень бокового поля.
Для научного обоснования и разработки принципов построения гидроакустических средств диагностики морской среды на основе нелинейного взаимодействия волн требуется проведение исследований, направленных на создание методик расчета, разработку моделей параметрических антенн в неоднородной среде, проведение оптимизации их характеристик. Цель работы
Целью работы является разработка методов расчета характеристик гидролокационных параметрических средств изучения объемного рассеяния звука в океане, анализ работы параметрических антенн в приповерхностном слое моря в условиях изменяющегося нелинейного параметра, построение параметрических гидроакустических систем для диагностики структуры морской среды.
Методы исследования
Достижение поставленной цели обеспечивается путем проведения теоретических и экспериментальных исследований. Основные выводы, положения и рекомендации обоснованы теоретическими расчетами и сравнением с известными результатами. Физические и математические модели имеют наглядную физическую интерпретацию.
Научная новизна работы
I. Получены выражения для расчета энергетических характеристик параметрических гидролокационных систем при локации объемного рассеяния, позволяющие рассчитать характеристики обнаружения рассеивающего объема и определить параметры излучающего тракта необходимые для обеспечения требуемой дистанции зондирования морской среды.
Разработана методика расчета энергетических характеристик параметрических гидролокационных систем при локации объемного рассеяния.
Разработана модель параметрической антенны в среде с изменяющимся нелинейным параметром вдоль трассы распространения взаимодействующих волн.
Получено математическое выражение, позволяющее оценить на расстояниях, соизмеримых с длиной ближней зоны, пространственные характеристики параметрической антенны в среде с изменяющимся по любому закону нелинейным параметром.
Практическая значимость работы
Практическая значимость работы определяется расширением представлений о физических явлениях, наблюдаемых при распространении взаимодействующих волн в приповерхностном пузырьковом слое океана. Разработанные методики расчета легли в основу общей концепции, принципов построения и рекомендаций по созданию параметрических гидро-локационных систем мониторинга стратификации морской среды и измерения вертикального распределения скорости звука в море.
Научные положения, выносимые на защиту
1. Методика расчета характеристик гидроакустических параметрических
локационных систем, предназначенных для исследований обратного
объемного рассеяния звука в океане.
Результаты расчетной оценки характеристик параметрических гидролокационных систем, предназначенных для исследования объемного рассеяния по экспериментальным данным, полученным в различных районах Мирового океана.
Модель параметрической антенны в приповерхностном слое океана, характеризующемся высокими значениями и резкими градиентами нелинейного параметра.
Методика расчета поля параметрической антенны в приповерхностном пузырьковом слое океана с изменяющейся нелинейностью.
Принципы построения гидроакустических параметрических средств мониторинга стратификации морской среды и комплексов измерения вертикального распределения скорости звука в приповерхностном слое океана.
Внедрение результатов работы
Разработанные в диссертации методики, алгоритмы, полученные научные и
практические результаты внедрены в организации НИЦ РЭВ ВМФ в/ч 30895.
Апробация результатов работы
Основные результаты работы обсуждались на:
- 4-й Международной научно-технической конференции "Актуальные
проблемы электронного приборостроения", г. Новосибирск, 1998 г.;
- 4-й и 5-й Международных научно-технических конференциях
"Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики" (ГА-1998 и ГА-
2000), Санкт-Петербург, 1998 г. и 2000 г.;
3-й Международной конференции "Экология и развитие Северо-Запада Росии", Санкт-Петербург, 1998 г.;
молодежной научной конференции "26 Гагаринские чтения", МАТИ, Москва, 2000 г.;
- 5-й Международной конференции "Экология и развитие стран
Балтийского региона", Санкт-петербург-Кронштадт-Котка, 2000 г.;
1-й и 2-й Всероссийских научных конференциях с международным участием "Экология 2000 - море и человек" и "Экология 2002 - море и человек", г. Таганрог, 2000 г. и 2002 г.;
- конференции по проблемам движения в жидкости с большими скоростями
и проблемам гидроакустики. ФГУП "ГНПП "Регион", Москва, 2000 г.;
- конкурсе научно-исследовательских работ молодых ученых ТРТУ в 2000г. в области системных исследований, математического моделирования экосистем и геоэкологической безопасности. Таганрог, ТРТУ, 2001 г.;
- XLVIII научно-технической конференции ТРТУ, Таганрог, 2003 г.;
- научно-технической конференции "Нелинейные акустические системы
«НЕЛАКС - 2003»", г. Таганрог, 2003 г.;
- X научной школе семинаре акад. Л.М. Бреховских «Акустика океана», совмещен
ном с XTV сессией Российского Акустического общества, г. Москва, 2004 г.
