Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор литературных источников по исследованиям вопроса взаимовлияния акустических полей в морской и воздушной средах 17
1.1 Прохождение акустических волн из воздуха в воду 17
1.2 Прохождение акустических волн из воды в воздух 47
1.3 Выводы 58
2 Теоретические исследования прохождения акустических волн через границу раздела вода-воздух ... 62
2.1 Прохождение плоских волн через границу раздела вода-воздух 62
2.2 Разложение сферической волны по плоским волнам 66
2.3 Разработка математической модели прохождения сферических волн через границу раздела вода-воздух 69
2.4 Вклад ближнего поля сферического источника в прохождение акустических волн через границу раздела вода-воздух 80
2.5 Выводы 86
3 Экспериментальные исследования прохождения акустических волн через границу раздела вода-воздух ... 89
3.1 Цели и задачи экспериментальных исследований 89
3.2 Разработка измерительного стенда и условия проведения экспериментов 90
3.3 Методики проведения измерений и экспериментальных исследований в условиях гидроакустического бассейна 98
3.4 Оценка погрешностей при проведении измерений и экспериментальных исследований 109
3.5 Обработка и анализ результатов экспериментальных исследований 118
3.6 Выводы 136
4 Подходы и принципы передачи информации из водной среды 139
4.1 Пути практического применения полученных результатов 139
4.2 Принципы передачи информации по акустическому каналу связи 154
Заключение 165
Список используемых источников
- Прохождение акустических волн из воды в воздух
- Разложение сферической волны по плоским волнам
- Разработка измерительного стенда и условия проведения экспериментов
- Принципы передачи информации по акустическому каналу связи
Прохождение акустических волн из воды в воздух
Началом активных исследований вопроса взаимовлияния акустических полей в морской и воздушной средах можно считать середину 20-го века. Именно в то время появились первые теоретические работы [1, 2], позволяющие качественно и количественно описать законы прохождения акустических волн из воздуха в воду.
В работе [1] теоретически исследуется прохождение звуковых волн от точечного источника через плоскую границу раздела двух сред. Точечный источник находится в первой среде, а созданное им акустическое поле, во второй среде. Скорость звука во второй среде больше скорости звука в первой среде. Поглощение не учитывается. Задача одновременно решается как при помощи лучевых методов, так и оценкой точного решения волновых уравнений при помощи итеративного метода наибыстрейшего спуска. Полученные с помощью разных методов результаты схожи друг с другом и позволяют описать процесс образования акустического поля во второй среде. Лучи падающие на границу под критическими углами полностью отражаются от поверхности. Часть энергии, прошедшей через границу, распространяется под всеми углами во второй среде. Акустическое поле во второй среде, лежащее в области критических углов около поверхности и удаленное от источника на большое расстояние создается в основном поверхностными волнами экспоненциально затухающими вглубь второй среды. Данный вывод подтверждается при экспериментальном измерении количества прохождения акустического поля из первой среды во вторую в случае полного отражения. Это легко представить на примере прохождения звуковых волн из воздуха в воду. В работе [2] проведено обширное теоретическое исследование прохождения и отражения сферических волн. Две среды разделены плоскостью, источник считается точечным. Для начала Бреховских Л.М. рассматривает прохождение и отражение плоских волн под всеми углами скольжения или падения. Изучение проведено как для однородных, так и для неоднородных плоских волн. В дальнейшем Бреховских Л.М. осуществляет разложение сферических волн на плоские волны, что существенно облегчает описания законов прохождения и отражения. Исследования проводятся в рамках лучевой теории, однако Бреховских Л.М. учитывает влияние неоднородных плоских волн, законы распространения которых, отличны от законов геометрической акустики. Полученные математические выражения анализируются модифицированным методом перевала. Показано, что для применения только лучевой теории для описания законов преломления акустических волн из воздуха в воду, приемник должен быть удален на достаточное расстояние от границы раздела сред. Так как в водной среде вблизи поверхности (порядка длины волны) существенный вклад в акустическое поле вносят именно неоднородные плоские волны, экспоненциально затухающие с глубиной. Полученные в ходе исследования выводы во многом схожи с результатами работы [1].
Также необходимо отметить работу [3]. В ней осуществляется теоретическое исследование зависимости интенсивности звука в воде от точечного источника звука в воздухе. Изучение происходит в рамках лучевой теории. Выведено параметрическое уравнение, показывающее зависимость интенсивности звука от высоты расположения источника, глубины погружения приемника, угла падения звука на границу раздела сред. Приведены построенные с помощью полученного выражения графики зависимостей интенсивности для конкретных численных параметров. Автор работы [3] отмечает, что лучевой теории неприменима, когда источник или приемник, расположены вблизи границы раздела сред. В данных случаях необходимо использовать волновую теорию, что подтверждается в ранее полученных результатах [1,2].
Обобщением и дальнейшим развитием полученных на тот момент теоретических знаний в области преломления, прохождения и распространения акустических волн приведены в фундаментальных работах по акустике [4, 5]. Представленные в работах исследования и их результаты схожи и во многом повторяют друг с друга. Рассмотрены законы прохождения плоских акустических волн через плоскую границу раздела газа и жидкости. Выведены формулы для расчета коэффициента прохождения, как по давлению, так и по интенсивности для случая произвольного угла падения. Приведены зависимости коэффициентов прохождения от соотношения импедансов соприкасающихся сред. Рассмотрены особенности прохождения сферических волн через плоскую границу раздела газа и жидкости. Результаты и ход исследования для сферической волны взяты из работы [2].
Дальнейшее развитие работы [3] приведено в статье [6]. В ней описано лучевое решение задачи прохождения звука через неровную поверхность границы раздела воздух-вода. Данное нововведение позволило рассматривать границу раздела как приближенную к реальной поверхности океана. Волнение поверхности океана описывалось нормальным распределением и зависело от ветра. Численно рассчитаны среднеквадратические потери энергии при прохождении границы раздела. Приведены численные результаты потерь энергии для нескольких мест расположения точечных источника и приемника. Произведено сравнение результатов теоретических расчетов для ровной и неровной поверхностей океана. Доказано что, волнение моря, зависящее от скорости ветра, увеличивает прохождение звука из воздуха в воду. В случае плоской поверхности, количество прошедшей энергии падает в І/ раз, если же поверхность неровная, то в 1/г2 раз.
Разложение сферической волны по плоским волнам
Для более полного изучения процесса прохождения сферических волн через границу раздела представим их как сумму неоднородных и однородных плоских волн. Это позволит упростить решение, т.к. падающая волна и плоскость будут иметь одинаковые симметрии. Рассмотрим подробнее разложение сферической волны на плоские. Направление нормали п к фронту каждой из плоских волн можно представить при помощи углов а и р [см. рисунок 2.3]. Тогда любую плоскую волну можно охарактеризовать формулой:
Интегрирование по а необходимо разбить на два участка: от - до 0 интервал вещественных значений и от 0 до ioo - интервал мнимых значений [см. рисунок 2.4]. Первый участок интегрирования соответствует однородным плоским волнам, распространяющимся под всеми реальными углами. Второй участок интегрирования соответствует неоднородным плоским волнам, распространяющимся в диапазоне мнимых углов. Необходимость учитывать данные волны вызвана тем, что разложения сферической волны только на однородные волны недостаточно для получения поля, обладающего необходимой особенностью при R=0 и конечного во всех остальных точках.
Если а = ia", тогда учитывая формулы (2.14) и (2.10) для неоднородных плоских волн компоненты волнового вектора по осям координат: кх = kcha"cos(p, ку = kcha"sin(p, kz = iksha". (2.16) Если а" - оо из формулы (2.16) имеем кх - оо, ку - оо, kz - ioo. Можно сделать вывод, что данные волны затухают в вертикальном направлении с коэффициентом затухания, стремящимся к бесконечности, и в тоже время распространяются в горизонтальной плоскости с длиной волны, стремящейся к нулю.
Если х = у = z, то учитывая формулу (2.15), сумма бесконечного числа неоднородных плоских волн равна бесконечному значению звукового потенциала. Если рассматривать точку вне начала координат видно, что значения конечны. Это можно объяснить либо затуханием (при z Ф 0), либо расфазировкой волн (при х Ф О либо у Ф 0), так как фаза одинакова для всех волн только при х = у = 0.
Необходимо отметить, что уравнения падающей волны останется неизменным при любом вращении системы координат. Это происходит из-за того, что начало системы координат и излучатель совмещены. Но также необходимо учитывать, что для каждого положения осей координат в разложении рассматриваются свои неоднородные плоские волны. В каждом случае берутся именно те неоднородные плоские волны, которые затухают по оси z. Данные особенности позволяют сделать заключение: одно и то же акустическое поле можно представить суперпозицией неоднородных плоских волн, направляющие косинусы которых описываются различными законами. Наличие границы раздела сред приводит к появлению прошедших плоских волн. Звуковой потенциал в нижней среде можно представить уравнением (2.15), где под интегралом стоит прошедшая волна. Предположим, что начало декартовой системы координат (х, у, z) лежит на границе раздела сред, а источник помещен в точку с координатами (О, О, zo). Точка наблюдения находится в плоскости xz, а значит у=0.
С помощью выражения (2.8) учтем набег фазы для каждой прошедшей плоской волны. Тогда звуковой потенциал прошедшей сферической волны равен
Это условие необходимо, чтобы при z -» — оо амплитуда прошедшей во вторую среду волны стремилась к нулю. Подробный анализ интеграла (2.17) методом перевала можно найти в работах [2, 5, 39].
Разработка математической модели прохождения сферических волн через границу раздела вода-воздух Для начала рассмотрим прохождение сферических волн через границу раздела двух сред в рамках теории геометрической акустики [см. рисунок 2.5]. В точку S в нижней среде проходит луч, вышедший из источника О и прошедший через границу раздела сред по закону геометрической акустики. Он изображен на рисунке 2.5 как луч OTS (случай п 1, сг с). Углы скольжения аиа\ связаны выражениями: ncosai = cosa, п = —. (2.19) Амплитуду волны в точке S можно найти из условия сохранения энергии внутри лучевой трубки. Фазу можно получить из акустической длины луча. В итоге, фаза равна
Чтобы найти амплитуду волны в точке S проведем луч OT Q, расположенный в плоскости OTS и падающий на границу раздела сред под углом скольжения а — Да, близким к а. Подробней исследуем лучи, расположенные между косинусами, созданными вращением лучей OTS и OT Q вокруг оси z. Энергия данных лучей частично отражается границей раздела сред, а частично проходит в нижнюю среду и распространяется в ней между отрезками TS и T Q. Амплитуда волны в нижней среде в точке Т равна А(Т). Чтобы найти амплитуду волны A(S) в точке S, нужно определить связь между длиной отрезка SQ, нормального к T Q в точке S, и длиной отрезка T Q , нормального к той же линии в точке Q . Энергетический поток через оба кольца, созданные вращением отрезков Q T и QS, одинаков. Поэтому, отношение амплитуд волны для точек Т и S можно найти как корень квадратный из обратного отношения площадей. Площадь кольца, созданного вращением отрезка Q T , равна 2n(CT)(Q T ), а площадь кольца, созданного в результате вращения отрезка SQ, можно найти как 2nx(SQ). Зная это, найдем
Разработка измерительного стенда и условия проведения экспериментов
Расчет коэффициента прохождения по давлению границы раздела вода-воздух происходит по формуле где ивозд. - значение напряжения на входе ЭВМ, эквивалентное значению акустического давления в воздухе; U- значение напряжения на излучателе; /? - значение чувствительности излучателя; умик, - значение чувствительности микрофона; квозд. - значение коэффициента передачи приемного тракта при измерении значения акустического давления в воздухе; г\ - значение расстояния от поверхности излучателя до границы раздела вода-воздух.
Согласно [127], определение абсолютной погрешности данного коэффициента прохождения осуществляется по формуле для косвенных измерений где див0зд. - относительная погрешность измерения значения напряжения, эквивалентного значению акустического давления в воздухе; 8U -относительная погрешность измерения значения напряжения на излучателе; 8(3 - относительная погрешность значения чувствительности излучателя; думик. - относительная погрешность значения чувствительности микрофона; дг\ - относительная погрешность измерения значения расстояния от поверхности излучателя до границы раздела вода-воздух; 8квозд. -относительная погрешность измерения значения коэффициента передачи приемного тракта при измерении значения акустического давления в воздухе. Погрешности, возникающие при измерении значений напряжения на ЭВМ, подробно рассмотрены выше (формулы 3.4, 3.5, 3.7-3.9, 3.11). Расчет относительных и абсолютных погрешностей при определении коэффициента прохождения осуществляется по приведенным ниже формулам квантований АЦП; 8Ueo3d.P., SUeo3d.m.P., SU\eo3d.P., SU\eo3d.m.P., SU2eo3d.P., SU2eo3d.m.P., SUP., диш.р. - относительные погрешности разброса измерений значений
Напряжений ивозд., ивозд.ш., U\eo3d., U\eo3d.iu., Uleosd.-, Uleosd.m.-, U, Um. , SUeo3d.iu. относительные погрешности измерений значений напряжений Ueo3d., возникающие в результате воздействия шумов ивозд.ш. , SU2eo3d.K.m.+4.d., Зи2возд.ш.к.т.+цЛ, dUKm.+4.d., 5Um.K.m.+4.d. - относительные приборные погрешности осциллографа при измерениях значений напряжений Uieo3d., Uieo3d.m., U, Um.\ 8г\к.т. - относительная погрешность класса точности линейки; дг\ц,д. -относительная погрешность отсчета линейки; дг\р. - относительная погрешность разброса измерения значения расстояния г\.
Расчет относительной погрешности значения чувствительности излучателя 5/? осуществляется по формуле 3.4. Погрешность значений частотной характеристики чувствительности микрофона в рабочем диапазоне частот не более 0,2 дБ [111]. Это позволяет принять относительную погрешность чувствительности микрофона думик=2,3%.
Обработка и анализ результатов экспериментальных исследований Согласно теоретическим расчетам, изложенным в [2, 30, 39, 83, 130, 131], степень влияния неоднородных плоских волн на коэффициент прохождения по давлению сферических акустических волн через границу раздела вода-воздух (далее по тексту просто коэффициент прохождения) зависит от - частоты излучения источника/, кГц; - глубины его расположения относительно рассматриваемой границы Я, м; - расстояния между акустической осью излучателя и микрофоном L, м. Геометрия проведения эксперимента приведена на рис. 3.12. В качестве излучателя использовалась сфера диаметром 30 мм. Обработка и представление экспериментальных данных выполнялись в математическом редакторе MathCAD. Статистическое сглаживание экспериментальных данных осуществлялось с помощью встроенной функции «supsmooth» [120].
На рис. 3.13 представлена экспериментальная зависимость коэффициента прохождения от частоты излучения источника. Излучатель расположен на глубине 0,01 м, расстояние между акустической осью излучателя и микрофоном равно 0,5 м, излучаемые источником частоты, лежат в диапазоне от 1 до 20 кГц. Экспериментально полученные значения обозначены точками. Сплошная линия - результат усреднения экспериментальных данных. Расчетная погрешность измерений составляет 3,9-5,5 %.
Как видно из рисунка 3.13, коэффициент прохождения обладает зависимостью от частоты излучения источника. Чем ниже частота излучения, тем большее значение акустического давления передается из воды в воздух. К примеру, на частоте 1 кГц коэффициент прохождения равен -43 дБ, что на 29 дБ превышает значение, прогнозируемое с помощью лучевой теории (-72 дБ). Данное явление обусловлено тем, что со снижением частоты, происходит усиление воздействия неоднородных плоских волн на акустическое поле в воздухе. На частоте 5 кГц и ниже, вклад неоднородных плоских волн начинает доминировать. Данное утверждение легко подтвердить, подробно изучив сигнал, измеряемый микрофоном в рассматриваемой точке поля. Путь распространения неоднородной плоской волны от источника к приемнику отличается от пути, проходимого однородной плоской волной, распространяющейся по законам геометрической акустики (рис. 2.6). Также скорость распространения неоднородной плоской волны всегда меньше скорости распространения однородной плоской волны в воде [2, 39, 130, 131]. Два данных фактора позволяют разделить во времени однородную и неоднородную плоские волны.
На рисунках 3.14-3.21 представлены осциллограммы, отражающие амплитудно-временную зависимость уровня сигнала в диапазоне частот 2-9 кГц. На оси ординат отложена амплитуда сигнала Ueo3d., В. На оси абсцисс отложено время распространения сигнала t, с. На рисунках 3.14-3.21 в области 1 находится сигнал прошедший путь OTS, в области 2 расположен сигнал прошедший путь OMS, а также возможный результат взаимодействия сигналов прошедших обоими путями (рис. 2.6). Из рисунков 3.14-3.21 видно, что вклад акустической волны, прошедшей расстояние OMS, в создаваемое в воздухе акустическое поле, возрастает при снижении частоты излучения источника. К примеру, на частоте 2 кГц, уровень звукового давления неоднородной плоской волны более чем в 17 раз выше уровня звукового давления однородной плоской волны (рис. 3.14).
Принципы передачи информации по акустическому каналу связи
В большинстве случаев передача информации из воды в воздух осуществляется про помощи радиогидроакустического буя или систем со схожим принципом действия [155, 156]. Радиогидроакустический буй представляет собой инженерно-техническое устройство (прибор), реализующее передачу первичной информации о гидроакустической обстановке в данной части акватории моря от гидроакустических приемников посредством радиоканала на авиационные носители [95]. По принципу действия радиогидроакустические буи подразделяются на пассивные и активные. Пассивные радиогидроакустические буи делятся на ненаправленные и направленные. Последние определяют пеленг на объект, и при обнаружении несколькими радиогидроакустическими буями возможно определение его местоположения. Активные радиогидроакустические буи используются для обнаружения малошумящих объектов. Включение радиогидроакустического буя в работу после установки опускного устройства может осуществляться или по специальной команде с носителя или автоматически после заполнения источника питания морской водой. Выбор продолжительности работы, глубины установки опускного устройства и канала излучения радиопередатчика осуществляется оператором на носителе перед сбросом радиогидроакустического буя. Разновидностью радиогидроакустического буя является аварийный буй, указывающий координаты аварии и подающий сигнал тревоги.
В статьях [157, 159] приводится описание методики и результатов многосуточных измерений акустических шумов на северо-восточном шельфе о. Сахалин, генерируемых во время выполнения работ по установке нефтегазодобывающей платформы "ПА-Б" и строительством подводного трубопровода. Акустические измерения проводились синхронно с помощью пяти автономных радиогидроакустических станций, установленных вдоль берега на линии протяженностью 43 км. Станции обеспечивали непрерывную запись акустических сигналов в диапазоне частот 1-15000 Гц с потенциальным динамическим диапазоном, равным 96 дБ и периодическую или непрерывную передачу сигналов в полосе частот 10-5000 Гц по радиоканалу. Целью измерений являлся контроль уровня антропогенных шумов в реальном масштабе времени на границе прибрежного района кормления уникальной популяции серых китов.
В патенте на полезную модель [158] описана автономная донная радиогидроакустическая станция предназначенная для продолжительных измерений на шельфе вариаций акустического давления как в реальном времени, так и в стационарном режиме. Система состоит из донной станции, содержащей последовательно соединенные кабельными линиями преобразователь акустического давления, аппаратный контейнер, радиобуй и якорь, а также приемного пункта, содержащего приемник радиосигнала, фильтр низких частот, аналого-цифровой преобразователь и регистрирующую ЭВМ. Дополнительно донная станция оборудована цифровым радиотелеметрическим каналом передачи данных, реализованным на базе кодирующего модуля, расположенного в аппаратном контейнере донной станции, декодирующего модуля, установленного на приемном пункте между приемником радиосигнала и фильтром низких частот, а также трактом передачи цифрового сигнала. Технический результат расширение динамического диапазона радиотелеметрического измерительно-регистрационного тракта системы не ниже 75 дБ в частотном диапазоне 2-2000 Гц вне зависимости от внешних условий.
В статье [160] представлены результаты и условия экспериментального исследования характеристик приемной компенсированной антенной решетки, составленной из четырех дрейфующих в море радиогидроакустических буев-ретрансляторов. Частота сигнала равнялась 21 Гц. Коэффициент усиления решетки составлял 11,4 дБ, помехоустойчивость 3,8 дБ.
Используемые в работах [157-160] частоты лежат звуком и инфразвуковом диапазонах. В данных случаях это позволяет осуществлять передачу данных через границу раздела вода-воздух не только по кабелю, а далее по радиоканалу, но и акустическим путем, используя только подводную часть буя в качестве ретранслятора для усиления измеряемого сигнала. Возрастание коэффициента прохождения по давлению для данной границы раздела сред дает возможность осуществлять связь между подводными и воздушными объектами только по акустическому каналу без использования кабеля и радиомаяка.
Методика измерения параметров соприкасающихся сред В главе 2 описана математическая модель (формулы 2.104 и 2.107), описывающая взаимосвязь акустических полей в воздухе и в воде в рамках волной теории. Представлены результаты моделирования зависимости коэффициента прохождения по давлению через плоскую границу раздела вода-воздух. Значения показателя преломления п и отношения m плотностей двух сред были приняты равными п = 4,5, m = 1,3-10-3. Однако возможно решение обратной задачи, т.е. определения значений показателя преломления п и отношения т плотностей двух сред при известном значении акустического давления или значении акустической энергии прошедших через границу раздела двух сред.
Раньше измерить значение акустического давления с необходимой степенью точности было довольно сложной технической задачей в силу крайне малых уровней акустических сигналов прошедших в воздух, зачастую практически не различимых на фоне помех. Увеличения коэффициента прохождения по давлению сферических волн в области низких звуковых и инфразвуковых частот существенно упрощает данную задачу, т.к. происходит значительный рост уровней акустических сигналов в воздухе. Причем эффект проявляется не только в случае границы раздела вода-воздух но и для границ раздела других сред [79, 80]. Таким образом, измеряя коэффициент прохождения по давлению можно определять параметры (плотность и скорость звука) и контролировать их изменения в одной из соприкасающихся сред с высокой степенью точности.
Загрязнение Мирового океана нефтью и нефтепродуктами - наиболее яркий пример глобального антропогенного воздействия [161-165]. В настоящее время в Мировом океане практически нет такой области, где не ощущалось бы нефтяное загрязнение. Фоновые уровни содержания нефтяных углеводородов в морской среде изменяются в очень широких пределах: 10 5 - 10 мг/л в воде и 10"1 - 104 мг/кг в донных осадках, в зависимости от многих природных и техногенных факторов. Максимальные концентрации тяготеют к прибрежным и внутренним морским водам, зонам интенсивного судоходства и иной хозяйственной деятельности, а также к районам выхода (просачивания) углеводородов из месторождений на шельфе.