Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Особенности нелинейного акустического взаимодействия в микронеоднородной морской среде 12
1.1. Особенности рассеяния звука в жидкости с фазовыми включениями 12
1.2. Нестационарное рассеяние в присутствии резонансных включений 18
1.3. Физические принципы, лежащие в основе акустических параметрических излучателей 22
1.4. Нелинейный акустический параметр жидкости с пузырьками 32
1.5. Влияния газовых пузырьков на эффективность параметрических излучателей 36
1.6. Поле параметрического излучателя в условиях природного волновода 42
1 7. Критерии определения порогов акустической кавитации 45
Глава 2. Экспериментальные исследования функции распределения пузырьков в морской среде методами обратного рассеяния звука ...48
2.1. Экспериментальная установка, аппаратура, методы измерений...48
2.2. Исследование рассеяния звука и распределения пузырьков по размерам в морской воде на высоких частотах 54
2.3. Особенности распределения пузырьков в приповерхностном слое моря 61
Глава 3 Исследования нелинейного параметра в приповерхностном слое моря 68
3.1. Аппаратура и методика измерения нелинейного параметра с применением параметрических излучателей 68
3.2. Основные результаты измерения нелинейного параметра в приповерхностном слое моря 71
3.3. Обсуждение результатов 74
Глава 4. Исследование эффективности параметрических излучателей
4.1. Исследования характеристик параметрического излучения с частотой накачки 30 кГц 77
4.1.1. Методика исследований и аппаратура 77
4.1.2. Амплитудно-частотная характеристика и результаты работы акустического комплекса в параметрическом режиме 78
4.2. Экспериментальное исследование эффективности параметрического излучателя с частотой накачки 150 кГц 85
4.2.1. Методика исследований и аппаратура 85
4.2.2. Экспериментальные исследование эффективности параметрического излучателя на различных глубинах в Индийском океане 86
4.2.3. Исследование особенностей трехчастотного режима параметрического излучателя 90
4.3. Экспериментальные исследования структуры поля параметрического излучателя в условиях прибрежной зоны 93
4.3.1. Особенности проведения экспериментальных исследований .93
4.3.2 Основные результаты 97
4.4. Исследование порога акустической кавитации в зависимости от режимов излучения в натурных условиях 101
4.4.1. Схема эксперимента, характеристики измерительного комплекса и режимы излучения 102
4.4.2. Основные результаты экспериментальных исследований 105
4.4.3. Обсуждение результатов 108
Заключение 110
Список литературы 112
- Нестационарное рассеяние в присутствии резонансных включений
- Влияния газовых пузырьков на эффективность параметрических излучателей
- Особенности распределения пузырьков в приповерхностном слое моря
- Экспериментальное исследование эффективности параметрического излучателя с частотой накачки 150 кГц
Введение к работе
Большой практический интерес представляют дистанционные методы исследования океана, которые значительно повышают эффективность экспериментальных исследований и существенно расширяют круг решаемых задач. Существуют различные физические методы, которые могут быть положены в основу дистанционного зондирования океана. Хорошо известны варианты спутниковых методов, в основе которых лежит применение электромагнитных волн. В силу высокого поглощения электромагнитных волн в атмосфере и океане, проникновение их в толщу водной среды сильно ограничено. Из-за этого возможности дистанционного зондирования водной толщи с применением электромагнитных волн различного диапазона (инфракрасного, оптического, СВЧ и т. д.) резко ослаблены. В отличие от электромагнитных волн, акустические волны хорошо распространяются в океанической среде. Благодаря своим физическим свойствам и свойствам морской среды акустические волны способны возбуждаться при сравнительно малых затратах энергии, распространяться в среде лучше, чем другие виды волн, например, оптические или электромагнитные волны. Поэтому, наиболее приемлемой основой передачи и получения информации в океане является акустическое поле.
При использовании акустических методов исследования океана, существует два различных подхода к определению физических параметров среды по распространению в ней того или иного вида излучения. Первый основан на регистрации изменений и искажений акустических сигналов при распространении вдоль протяженных трасс и последующего "восстановления" параметров среды путем решения обратных задач. Особенность этого метода заключается в том, что при проведении экспериментов необходимо обеспечить разнесенный прием и излучение сигналов [4,5]. При проведении работ требуется набор излучателей и приемников звука, применение сложных технических методов и средств, которые позволяют проводить оценку интегральных крупномасштабных динамических процессов морской среды и их медленных вариаций [4,5]. Примером конкретной реализации такого подхода в акустике океана служит метод так называемой "акустической томографии" [1], являющийся аналогом применяемого в медицине метода рентгеновской томографии. Пространственное разрешение при использовании этого метода ограничено жестко фиксированной базой, на которой проводятся измерения.
Другой подход основан на явлении рассеяния звука на различных неоднородностях [2,3] морской среды и применении методов акустической спектроскопии. В варианте, когда излучатель и приемник находятся в одной точке, а полезная информация заключена в сигналах, рассеянных от различных объектов в обратном направлении, реализуется довольно простыми техническими средствами и позволяет получить более высокое пространственное разрешение.
Реальные жидкости всегда являются микронеоднородными и содержат различные фазовые включения в виде газовых пузырьков и твердых взвесей. Морская вода содержит также фазовые включения биологического происхождения - зоо и фитопланктон, продукты распада биологических систем, рыбу и другие морские организмы различных размеров. Кроме указанных неоднородностей причиной объемного рассеяния звука в океане является тонкая структура (или микроструктура) гидрофизических полей (изменение скорости звука, плотности, температуры и т.д.) [1.2.3], а также различные турбулентные образования, внутренние волны и т.п. Такие неоднородности приводят к рассеянию звука, дополнительному затуханию, дисперсии скорости звука, появлению дополнительной нелинейности среды. Теория распространения звука в морской воде показывает возможность акустического мониторинга таких сложных сред. Разработке практических методов акустического мониторинга морской среды посвящено значительное количество отечественных и зарубежных работ. Предметом многих экспериментальных работ является получение информации не только о суммарной концентрации различных микронеоднородностей, но и о раздельном вкладе каждого из типов включений.
Метод, основанный на теории обратного рассеяния звука от газовых пузырьков, выделяется авторами [6-9] как один из мощных методов в изучении морской среды. Особый интерес представляет изучение рассеяния звука на газовых пузырьках, которые всегда присутствуют в окене и обладают сильными звукорассеивающими свойствами. Во многих случаях именно пузырьки становятся основными источниками акустической нелинейности морской среды [2,3,6]. Задача определения типа неоднородностей, их концентрации и функции распределения по размерам g(R) является актуальной и практически важной.
Основное направление исследований, проведенных при выполнении диссертационной работы, состояло в изучении нелинейного взаимодействия акустических волн в деятельном приповерхностном слое моря, которое может быть положено в основу разработки нелинейных акустических методов мониторинга микронеоднородностей в морской воде,
Цель работы
Целью работы является изучение нелинейного взаимодействия акустического излучения в приповерхностном слое моря и применение его для мониторинга микронеоднородностей морской воды.
Научная новизна
При выполнении диссертационной работы были проведены экспериментальные исследования, научная новизна которых состоит в следующем:
1. Впервые на различных глубинах и в различных районах океана получены данные о распределении пузырьков в приповерхностном слое морской воды. Показаны большие возможности применения широкополосных остронаправленных параметрических излучателей для исследования структуры океанической среды.
2. Предложен новый метод измерения нелинейного параметра морской воды, основанный на измерении эффективности генерации разностной частоты с применением параметрических акустических излучателей. Впервые получены данные о нелинейном параметре морской воды в широком диапазоне частот на различных глубинах. Показано, что нелинейный параметр жидкости с пузырьками зависит от вида функции распределения пузырьков по размерам, а также от характера нелинейного преобразования частоты.
3. Впервые проведены экспериментальные исследования поля высокочастотного параметрического излучателя в условиях мелководного прибрежного клина в зимнее время. Проведенные исследования показали, что структура поля параметрического излучателя в прибрежном клине качественно отличается от структуры поля в безграничном пространстве.
Показана возможность применения многочастотного режима судовых эхолотов для излучения в параметрическом режиме с целью дистанционного измерения звукорассеивающих свойств, как водной толщи океана, так и поддонных слоев в широком диапазоне частот.
Предложен новый способ определения порога кавитации, основанный на измерении разности фаз между основной частотой и ее второй гармоники.
Научная и практическая значимость
Научная и практическая значимость диссертационной работы состоит в том, что проведенные исследования расширяют представления и знания о нелинейном акустическом взаимодействии в микронеоднородном приповерхностном слое моря, показывают исключительные возможности использования параметрических излучателей при изучении важных параметров морской среды.
Полученные в диссертационной работе результаты позволяют: решать практические задачи акустической спектроскопии морской среды, получать вид функции распределения фазовых включений по размерам, определять нелинейный акустический параметр морской воды; * применять параметрические излучатели для акустических исследований в океане.
Диссертационная работа выполнялась в рамках ряда государственных научных программ, в том числе ФЦП "Мировой океан" и "Интеграция", а также при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований -проекты №94-02-006092, №96-02-19795, №00-02-16913, №03-02-110710, проект РФФИ - Приморье 01-05-96907 (руководитель проектов Буланов В.А.)
Апробация работы
По материалам диссертации имеется 27 публикаций, из них в центральном научном журнале 1 работа, в трудах международных конференций опубликована 1 работа, в рецензируемых сборниках 14 работ, в материалах российских конференций 6 работ, материалы использовались в отчетах на законченные НИР, имеющие государственные регистрационные номера, получено одно авторское свидетельство на изобретение.
Результаты исследований докладывались на Втором Всесоюзном акустическом семинаре МАПР-2 (Москва, 1988 г.), на 7-м Всесоюзном совещании "Автоматизация процессов управления техническими средствами исследования мирового океана" (Калининград, 1989 г.), на Всесоюзном семинаре "Акустика неоднородных сред" (Новосибирск, 1992, 2004 г.г.), на VIII и X школе- семинаре акад. Л.Д. Бреховских, (Москва, 2000, 2004 г.г.), на XIII сессии РАО (Москва, 2003 г.), на 18-м Международном акустическом конгрессе (Киото, Япония, 2004).
Результаты исследований, представленных в диссертации, использовались в отчетах по НИР №2001/2, №2002/1 "Акустические и гидрофизические исследования крупномасштабных и мелкомасштабных неоднородностей в Японском и Охотском морях" подпрограммы "Исследование природы Мирового океана" ФЦП "Мировой океан", по НИР "Акустические исследования структуры океанической среды" государственный регистрационный №01.960.010859; "Методы и средства исследования океана, Разработка технических средств исследования океана акустическими методами" государственный регистрационный №01.960.010860, по проекту "Акустика" ОГП "Мировой океан" государственный регистрационный №01870025967.
Личный вклад
Автор принимал активное участие в проведении экспериментальных исследований и обработке полученных данных. Автор самостоятельно проводил экспериментальные исследования по изучению акустической нелинейности морской воды и эффективности параметрических излучателей в морских условиях, участвовал в написании всех научных работ и самостоятельно писал соответствующие его тематике разделы каждой из работ.
Содержание диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы Работа изложена на 126 страницах, включая 3 таблицы, 42 рисунка, 130 наименований цитируемой литературы.
Во введении показана актуальность темы, формулируются цели и положения, выносимые на защиту.
В первой главе приводится обзор литературы, в котором рассматриваются особенности рассеяния звука в морской воде с резонансными и не резонансными фазовыми включениями, влияние газовых пузырьков на нелинейный акустический параметр жидкости. В обзоре рассматриваются физические принципы, лежащие в основе акустических параметрических излучателей и вопрос о влиянии газовых пузырьков и кавитационных процессов на эффективность работы таких излучателей. Приводятся некоторые результаты экспериментальных исследований поля параметрического излучателя в условиях прибрежной зоны и мелкого моря.
Вторая глава посвящена экспериментальным исследованиям функции распределения пузырьков по размерам в морской среде методами обратного рассеяния звука на высоких и низких частотах. Показано, что применение широкополосных остронаправленных параметрических излучателей значительно расширяет возможности исследования структуры океанической среды.
Третья глава посвящена исследованию нелинейного параметра в приповерхностном слое моря. Показано, что применение параметрических акустических излучателей и метода, основанного на определении эффективности генерации разностной частоты, позволяет проводить измерение нелинейного параметра морской воды.
Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям эффективности параметрических излучателей с частотами накачки 30 кГц и
150 кГц. Приводятся результаты измерений поля параметрического излучателя в условиях мелководной прибрежной зоны в зимний период. Приводятся и обсуждаются некоторые результаты исследования порога акустической кавитации в зависимости от режимов излучения. Показано, что эффективность и структура поля параметрических излучателей зависит от состояния морской среды, в которой проводятся исследования.
В заключении обобщен изложенный материал, сформулированы выводы, показаны новизна результатов и перспективы их использования в дальнейших исследованиях.
Нестационарное рассеяние в присутствии резонансных включений
Как отмечено выше, морская вода - очень сложная по физическому и биологическому составу среда с резонансными и нерезонансными фазовыми включениями. На высоких частотах звука основное рассеяние связано с наличием пузырьков в приповерхностном слое, а в толще деятельного слоя моря значительная часть этого рассеяния связана со стратификацией и распределением планктона в морской воде [39-42]. На частотах выше 10 кГц рассеяние связано с зоопланктоном, а на частотах, приближающихся к 1 МГц, основную роль начинают играть фитопланктон и тонкие взвеси различного происхождения. Планктон обычно располагается в областях с максимальным градиентом температуры, т.е., как правило, в области сезонного термоклина. Это обстоятельство для рассеяния звука имеет большое значение, т.к. позволяет по аномальному рассеянию звука на планктоне и других микронеоднородностях, локализованных вблизи термоклина, получать информацию о различных крупномасштабных нестационарных гидрофизических процессах в море - внутренних волнах, течениях и крупномасштабной турбулентности. Применение методов нестационарной акустической спектроскопии [10,21,23-29] позволяет отделять рассеяние звука на резонансных микронеоднородностях от рассеяния на других нерезонансных фазовых включениях. Суть метода заключается в том, что резонансные газовые пузырьки имеют достаточно высокую добротность Q, которая определяется временем установления стационарных колебаний на резонансе. Применение акустических импульсов различной длительности г позволяет по величине рассеянного сигнала разделять резонансные и нерезонансные включения. Вблизи резонанса [6,8] амплитуда рассеяния звука при произвольных значениях длительности импульса т имеет вид: # где To = co0/27T - резонансная частота, coQ определяется формулой (1.11), r0 - характерное время установления колебаний, равное т = (jtSufo) Для таких включений интенсивность рассеянных импульсов звука Is связана с интенсивностью падающей волны /. соотношением: где 0(й)) - ширина характеристики направленности излучателя, тт - сечение рассеяния на нерезонансных включениях типа твердых частиц, сгДоо) сечение рассеяния импульсов большой длительности т » г0 на резонансных пузырьках, которое имеет вид [8,10,23,26]: Для длинных импульсов т»т0 величина /Д) определяется установившимися колебаниями пузырьков и твердых частиц. При коротких импульсах т«т0 величина /ДО) определяется неустановившимися колебаниями пузырьков и установившимися колебаниями твердых частиц. Вследствие значительной величины резонансного рассеяния звука на пузырьках по сравнению с нерезонансным рассеянием, величина /До) обычно существенно превышает /ДО).
Функция распределения пузырьков по размерам может быть отделена от влияния других фоновых рассеивателей и определена по формуле [10,18,31]: Обозначения / ( =о) и Ps(0) отвечают условиям т»т0 и т«т0 соответственно. Из формулы (1.19) видно, что функция распределения пузырьков по размерам может быть определена по данным обратного рассеяния акустических импульсов большой и малой длительности. Исследуя зависимость /Дг) (PS(T))2 при применении импульсов различной длительности, можно определить время нестационарности г0 и вычислить добротность пузырьков в соответствии с формулой [10,18,24,32]: Сечение рассеяния ат на других микронеоднородностях, наиболее эффективными из которых являются твердые частицы и нерезонансный зоо и фитопланктон, когда их радиус меньше длины волны звука Л, Я«Я (kR «1), с помощью формулы (1.17) можно записать в виде [8]: где р , с плотность и скорость звука для включений, к —со!с - волновое число. В формуле (1.21) учитываются только монопольные колебания, которые вносят наибольший вклад по сравнению с дипольными в случае, если р! — р, что для зоо и фитопланктона в море зачастую имеет место. Из формулы (1.21) видно, что величина сгт зависит от конкретного вида функции распределения по размерам g(R). Как отмечается в [1,33,34], зоо и фитопланктон обычно имеет узкое распределение по размерам. Это позволяет аппроксимировать их гауссовской функцией распределения по размерам в виде: где R = R — RQ - средний размер неоднородностей, Л - дисперсия распределения, V объемная концентрация включений (1.15). После интегрирования (1.21) с учетом (1.22) коэффициент А записывается как: Используя формулы (1.21) - (1.23), если известна объемная концентрация V и средний размер R включений, можно определять сечение рассеяния ст, а также решать обратную задачу - по экспериментальным данным обратного рассеяния звука и характерного размера R можно определять объемную концентрацию включений [18]:
Влияния газовых пузырьков на эффективность параметрических излучателей
Отмечая достоинства и перспективность применения параметрических излучателей (разд. 1.3) при акустических исследованиях, необходимо сказать, что существенным недостатком этих излучателей является зависимость их параметров от состояния среды, в которой они работают [44-48,51,52,53]. Наиболее важные акустические характеристики морской среды, такие как нелинейный акустический параметр, коэффициент поглощения и дисперсии скорости звука, существенно изменяются в приповерхностном слое океана, в котором содержатся различные фазовые включения и газовые пузырьки. Изучение влияния газовых пузырьков в жидкости на работу параметрических излучателей с различной частотой накачки является предметом как теоретических, так и экспериментальных исследований примерно с начала 1970-х годов. Большое количество работ в нашей стране и за рубежом было посвящено проблеме повышения эффективности работы параметрических излучателей за счет введения в жидкость пузырьков газа [45,54,56]. В качестве критерия эффективности вводится параметр (коэффициент) эффективности среды Кеу. Этот параметр представляет собой отношение давления поля волн разностной частоты в среде с пузырьками к давлению поля в среде без пузырьков. Первоначальная идея ввода пузырьков в жидкость сводилась к искусственному изменению нелинейности среды, предполагая в дальнейшем увеличение эффективности параметрического излучения. В работах [45,67] рассматривалось влияние пузырьков одного радиуса на характеристики параметрических излучателей, отвечающих режиму Вестервельта. Согласно результатам работы [45] введение пузырьков практически не приводит к увеличению поля на оси излучателя ввиду сильного поглощения. В действительности создать пузырьки одного радиуса практически невозможно и пузырьки, существующие в море, всегда имеют широкое распределение по размерам [6,7]. Если пузырьки характеризуются широкой функцией распределения по радиусам g(R), численно равной колличеству пузырьков в единице объема dN, приходящихся на интервал радиусов пузырьков dR, т.е. g(R) = dN/dR, то при достаточно большой добротности пузырька Q основную роль играют резонансные пузырьки, для которых нелинейность и поглощение минимальны. Влияние резонансных пузырьков с широкой функцией распределения рассматривалось в работах [54,69,70,72,73]. В частности, было показано, что при плавной функции g(R) (например, g(i?) iT", где п 3-н4) относительная дисперсия скорости звука в среде оказывается меньше коэффициента затухания на длине волны. То есть (c-c0)/cQ Иа1 К, где с0 и с - скорости звука в чистой и пузырьковой средах соответственно, а -коэффициент затухания в пузырьковой среде, К - волновой вектор на разностной частоте.
При этом поле на оси излучателя для режима Вестервельта пропорционально отношению нелинейного параметра к затуханию є і ОС которое, как _ еле дует из [71], имеет значение, (без учета вклада чистой жидкости) є!а = 5,3 103Д?, где X - длина волны накачки в сантиметрах. Авторы отмечают, что величина є/а не зависит от концентрации пузырьков, что при больших значениях g(R) для режима Вестервельта является установленным фактом. Однако и в таком приближении в работах [54,69] оказалось возможным оценить эффективность пузырькового слоя для повышения уровня излучения параметрического излучателя. В частности, в случае, когда затухание в чистой жидкости а0 можно учесть с помощью формулы Шихи-Хале [75], согласно которой коэффициент затухания а0а/ определяется в виде: где со = 2л/, а0й) измеряется в см 1, выражение для коэффициента эффективности пузырьковой среды Kef можно записать в виде: Из формулы (1.57) видно, что введение пузырьков заметно усиливает поле на оси параметрического излучателя. Для оценки затухания звука с частотами со, Q, на пузырьках возможно использование известного выражения [76]: ) где К действительная часть сжимаемости газожидкостной смеси. Как и для эффективного нелинейного параметра єе (1.50), суммарный коэффициент затухания звука в жидкости с пузырьками газа можно записать в виде: Используя выражения для давления волн разностной частоты в режиме Вестервельта (1.33) и в режиме Берктея (1.34), выражение для коэффициента эффективности излучателя в этих режимах можно записать соответственно в В работе [71] делается вывод, что излучатель, работающий в режиме Берктея, при введении большого количества пузырьков может перейти в режим Вестервельта. Введение пузырьков в среду приведет к росту затухания. При достаточно большой концентрации пузырьков волна накачки будет затухать в ближней дифракционной зоне. В этом случае длина затухания 1а \1а станет меньше размеров зоны Фраунгофера RF, т.е. aRF 1. Однако, поскольку в большинстве реальных излучателей взаимодействие происходит не только в ближней, но и в дальней зоне, в работе анализируется ситуация, когда работа параметрического излучателя рассматривается в режиме Берктея. В этом случае эффективность излучателя диаметром d будет определяться соотношением: В работах [35,69-71] показано, что для жидкости, заполненной пузырьками, имеющими широкое распределение по размерам, увеличение амплитуды поля на оси излучателя сопровождается уширением диаграммы направленности. Значительно легче создать тонкий пузырьковый слой ("завесу"), который, согласно работам [7,35,52], позволяет получить заметный выигрыш в амплитуде поля без значительного расширения диаграммы направленности. В работе [52] представлены результаты расчета и сделаны оценки влияния на эффективность работы параметрического излучателя в пузырьковой среде при различных частотах накачки и функции распределения пузырьков по размерам, проведенные по экспериментально полученным зависимостям экспоненциального спада концентрации пузырьков с глубиной в приповерхностном слое океана. На рис. 1.2 и рис. 1.3 представлены зависимости коэффициента эффективности Kef от концентрации пузырьков для двух параметрических антенн с частотами накачки 30 кГц, 150 кГц, и параметрических частот 3 кГц, 15 кГц соответственно в режиме Вестервельта и Берктея. Различные кривые соответствуют различным расстояниям от излучателя. Из рисунков видно, что кривые имеют экстремальный характер: до некоторой концентрации g = gmax амплитуда волн разностной частоты растет, а затем сказывается влияние более сильного затухания на пузырьках, приводящее к ее экспонциальному уменьшению. Авторы [52] связывают это с тем, что одновременно с увеличением нелинейности среды и "усилением" сигнала происходит его ослабление из-за увеличения затухания звуковой волны на пузырьках. Анализируя отличия режима Берктея от режима Вестервельта, авторы [52] рассматривают отношение коэффициентов эффективности работы, равный КК = Ке/31 Kejy a ln(a) /(1 - exp(ar)). При больших значения g(R) отношение КК пропорционально —x-ln(x) и растет с увеличением х.
Особенности распределения пузырьков в приповерхностном слое моря
Изменчивость характеристик рассеяния звука вдоль трасс представляет интерес в связи с возможностью в процессе движения судна проводить оценку изменчивости структуры морской среды. Такая возможность особенно важна вблизи различных фронтальных зон и границ течений, когда характеристики среды изменяются на небольшом расстоянии и поэтому никакие контактные методы не позволяют осуществлять подробную пространственную съемку структуры среды вблизи таких границ [101-104]. В данном разделе представлены некоторые результаты исследований рассеяния звука в верхнем слое морской воды, полученные на трассах разрезов в заливе Петра Великого Японского моря, пересекающих различные неоднородности морской среды [107]. Экспериментальные исследования по изучению рассеяния звука в приповерхностном слое моря проводились в различные сезоны: весной, летом и поздней осенью. Измерения проходили вдоль выбранных трасс, расположение которых было примерно одним и тем же в различные сезоны. Главным образом это были трассы попутного промера коэффициента обратного рассеяния звука при движении НИС "Импульс" из Владивостока на гидрофизический полигон в районе мыса Шульц (бухта Витязь) и обратно [114-116]. Кроме того, выполнялись измерения mv и вдоль трассы, ориентированной от мыса Шульц в сторону открытого моря. Типичная протяженность указанной трассы составляла около 20 - 25 км. Для проведения исследований по рассеянию звука в море во время движения судна использовался гидролокатор, жестко установленный на носу судна НИС "Импульс". Исследования проводились как на частоте накачки, так и в параметрическом режиме - на различных разностных частотах. В режиме обратного рассеяния излучения в невозмущенную воду глубина акустического зондирования составляла 80 - 100 метров. Описание аппаратуры подробно представлено в [114,115]. Технические характеристики используемой аппаратуры приведены в таблице 1. Для отображения акустических экспериментальных данных, их первичной обработки и хранения полученных результатов в файлах различных форматов и на внешних носителях в лаборатории физической акустики ИПМТ ДВО РАН был разработан алгоритм и создана программа SCATTER (автор — Соседко С.Н.), которая подробно описана в работе [91]. Важным вопросом при исследовании распространения и рассеяния звука в мелком море является вопрос о влиянии приповерхностного пузырькового слоя на параметры акустических сигналов и, особенно - на параметры звука, излучаемого в параметрическом режиме. На рис. 2.12 показана типичная структура приповерхностного слоя пузырьков, имеющая анизотропный характер. Основной вклад вносят пузырьки размером 20 мкм. Сквозь нижнюю границу пузырькового слоя слабо просвечивает слой планктона, который участвует в волновом движении. Появление протяженных в глубину структур связано с модуляцией пузырькового слоя поверхностными гравитационными волнами и сложными механизмами вовлечения пузырьков в орбитальные движения в волне и их постепенное транспортирование в толщу воды, а также с их обрушением.
Следует обратить внимание на значительную глубину вовлечения приповерхностных пузырьков, которая, как правило, превышает характерный размер орбитального движения частиц в приповерхностной гравитационной волне. Очень часто на поверхности мелкого моря наблюдаются периодические полосы, так называемые слики, как правило, ориентированные в каком-либо направлении. Как известно [75], появление таких полос связано с наличием в толще морской среды внутренних волн, которые проявляются на поверхности моря в указанном виде, свидетельствующим о модуляции спектра поверхностных волн. Интересно рассмотреть картину взаимодействия такого рода изнутри, из толщи морской среды, когда хорошо заметна как внутренняя волна вблизи поверхности моря, так и приповерхностные структуры. На рис. 2.13. показана внутренняя волна, распространяющаяся непосредственно в приповерхностном слое моря. Виден мощный приповерхностный пузырьковый слой, на который воздействует внутренняя волна, приводя к периодическому разрушению структур столбчатого типа, характерных для невозмущенного слоя моря. Характерная длина внутренней волны составляет около 200 метров. Следует обратить внимание на периодическое образование сликов при выходе внутренней волны на поверхность: при расстояниях г « 350 м, г « 500 м и г « 750 метров. При этом характерная ширина сликов различна -от30-50мдо 200 метров. Именно такого масштаба наблюдались слики на поверхности моря визуально. Особо нужно отметить, что структура приповерхностного слоя пузырьков различна для разных размеров пузырьков. Как правило, с увеличением размера пузырьков глубина их вовлечения резко спадает [114].
Экспериментальное исследование эффективности параметрического излучателя с частотой накачки 150 кГц
Параметрический излучатель с частотой 150 кГц является достаточно высокочастотным по накачке и может использоваться в диапазоне разностных частот от 4 кГц до 40 кГц. Диапазон параметров такого излучателя существенно отличается от рассмотренного выше случая параметрического излучателя с частотой накачки 30 кГц. Поскольку данный тип параметрического излучателя, благодаря небольшим размерам, большой мощности при излучении, широким частотным диапазоном особенно часто встречается как в лабораторной практике, так и в океанологических исследованиях, исследование эффективности такого излучателя представляет самостоятельный интерес. Внешний вид макета для измерения характеристик параметрического излучателя представлен на рис. 4.8. Излучатель 3 устанавливается на акустическую базу 2, вдоль которой может передвигаться измерительный гидрофон 4. Длина базы на рис. 4.8 равна 6 метрам, однако её длину в экспериментах увеличивали путём фланцевого соединения до 12 метров. Измерения амплитудно-частотных характеристик проводились как на фиксированной базе длиной 6 или 12 метров в горизонтальном положении, так и при заглублении всего макета на различную глубину в вертикальном положении, используя зеркальное отражение от поверхности моря [95,97]. Измерения характеристик излучателя можно проводить только на станциях, когда судно лежит в дрейфе. Следует отметить, что длина акустической базы, на которой приходится измерять характеристики параметрического излучателя, достаточно велика и при некоторых условиях сравнима с толщиной приповерхностного слоя пузырьков в море. В этом случае для выяснения влияния характеристик слоя пузырьков на эффективность параметрического излучения выбиралось горизонтальное положение акустической базы, при этом база выполнялась из 3-х труб длиной 6 метров, соединенных в жесткую конструкцию. Измерения эффективности высокочастотного параметрического излучателя выполнялись в 24 рейсе НИС "Профессор Богоров". Управление излучением и приемом акустических сигналов осуществлялся с помощью автоматизированной системы СИПАС, подробно, описанной в разделе 2.2 (см. рис.2.4). Экспериментальные исследования эффективности параметрического излучателя с частотой накачки 150 кГц проводились в период 24 рейса НИС "Профессор Богоров" на станциях в дрейфе судна по схеме, представленной на рис. 4.8. На рис. 4.9 приведена амплитудно-частотная характеристика излучателя для различных частот накачки и значение акустического давления вблизи резонанса Р, при различных напряжениях сигнала на входе усилителя мощности.
На рис. 4.9 видно, что излучатель имеет резонанс на частоте 145 кГц. При уровне сигнала /да 0.4 В на входе усилителя мощности наблюдается процесс насыщения уровня излучаемого акустического сигнала и амплитуда акустическое давление, приведенное к одному метру, составляет Pf 4.5-105 Па-м. Таким образом, определяется область возможных изменений уровня входного сигнала, когда уровень акустического сигнала приближается к насыщению. На рис. 4.10 приводится амплитудно-частотная характеристика излучателя в параметрическом режиме, измеренная в диапазоне от 4 до 40 кГц на глубинах 1, 5 и 11 метров по схеме рис. 4.8 при напряжении на усилителе 0.4 В и акустическом давлении /1.-4.5-105 Пам. Измерительный гидрофон располагался на расстоянии 4.5 метров от излучателя. На рис. 4.10 видно, что вблизи поверхности эффективность параметрического излучателя в среднем меньше, чем на глубинах- 5- и 11 метров. Особенно это заметно на разностных частотах в интервале от 8 до 20 кГц. На глубине 5 и 11 метров характеристики излучателя примерно одинаковы. Из представленных на рис. 4.10 результатов можно сделать вывод о том, что вблизи поверхности пузырьки газа в меньшей степени влияют на возможное увеличение амплитуды разностной частоты, чем на большей глубине. Этот вывод связан с тем обстоятельством, что в однородном слое, когда параметрическое излучение не уходит из слоя с повышенным значением нелинейного параметра, коэффициента поглощения и дисперсии звука, на величину амплитуды волн разностной частоты влияет линейное поглощение на разностных частотах, приводящее к уменьшению амплитуды давления параметрического сигнала. Другой причиной подобного явления может стать экстремальная зависимость параметра эффективности Кэ. от концентрации пузырьков g(R). В частности, при меньших значениях g{R) близких к значениям gm (7?), соответствующих максимуму функции K3tp(g), амплитуда давления на разностной частоте при прочих равных условиях может быть больше амплитуды давления на разностной частоте, полученной для слоя с концентрацией g(R) gm(R) (см. рис. 1.2 а, б и рис. 1.3 а, б). На рис. 4.10 и рис. 4.11 приведено сравнение амплитуды сигналов на разностных частотах для гидрофонов, удаленных на расстояние 2.5 м (гидрофон Г1) и 4.5 м (гидрофон Г2) от излучателя для глубин погружения макета рис. 4.6 от 1 до 11 метров. Из рис. 4.10 и рис. 4.11 видно, что приведенные к метру значения давления параметрического излучения для близко расположенного к излучателю гидрофона Г1 превышают значения давления для гидрофона Г2. Это связано с тем, что на расстоянии 2,5 м, на котором располагается гидрофон Г1, происходит нарастание амплитуды волн разностной частоты. Таким образом, из результатов, представленных на рис. 4.10 и рис. 4.11 видно, что пузырьки газа вблизи поверхности моря влияют на эффективность работы параметрического излучателя. Поэтому для прогнозирования характеристик параметрического излучателя необходимо учитывать функцию распределения пузырьков газа в приповерхностном слое океана, её влияние на нелинейный параметр и коэффициент поглощения звука. Наряду с экспериментальными исследованиями параметрического излучателя в традиционном 2-х частотном режиме, большой интерес представляло исследование нелинейного взаимодействия в морской среде 3-х и более волн накачки. Подобное явление мы рассматривали выше в разделе 4.1 для случая параметрического излучателя с резонансной частотой 30 кГц на базе судового эхолота "ELAC-SHELFRAND". Экспериментальные исследования проводились по схеме рис. 4.8 в заливе Петра Великого. Измерения амплитуды комбинационных частот, которые формируются в результате нелинейного взаимодействия волн накачки в среде, проводились на различных расстояниях в зависимости от глубины погружения излучателя по отраженному от поверхности (или дна) сигналу.
