Введение к работе
Актуальность темы. Освоение океана, внутренних акваторий и особенно шельфовых зон с целью поиска, разведки и добычи нефти и газа, рудных и строительных материалов, конкреций и других полезных ископаемых, поиск рыбных скоплений, проведение экологического мониторинга прибрежных и морских акваторий, классификациях и изучение свойств морского дна - вот далеко не полный перечень задач, который решается на основе излучающих и приемных параметрических антенн. Такое широкое распространение параметрических антенн обусловлено их уникальными свойствами, такими как: небольшие габариты антенн накачки, отсутствие боковых лепестков характеристики направленности при сохранении ее ширины на уровне 3 дБ и т.д. Ввиду того, что по своей физической сути параметрическая антенна является вторичным полем преобразователей накачки, задача изучения их характеристик является крайне актуальной в этом аспекте.
Реальные эхосигналы всегда являются случайными вследствие присутствия большого количества источников шумов в природе. Поэтому они описываются вероятностными характеристиками, которые необходимо всегда учитывать при построении физических моделей.
В задачах адаптивного оптимального приема и обнаружения сигналов одним из важнейших вопросов является получение закона распределения принимаемого сигнала. Кроме того, в гидролокации широко применяются флуктуирующие сигналы со случайно модулированными квазипериодическими импульсными посылками, то есть сигналы с искусственно заданными вероятностными характеристиками.
Проблема решения всех этих задач делает исследование законов распределения акустического давления преобразователей накачки параметрических антенн актуальным вопросом, решение которого повысит эффективность использования аппаратуры данного класса.
Настоящая работа является продолжением исследований в области изучения вероятностных характеристик параметрических антенн, проводимых на кафедре электрогидроакустической и медицинской техники (ЭГА и МТ) Технологического института Южного федерального университета в г. Таганроге (ТТИ ЮФУ), и отличается от предыдущих работ целью, постановкой задач, методами их решения и полученными результатами.
Целями настоящей работы являются:
Теоретическое и экспериментальное исследование закона распределения мгновенных значений акустического давления в ближнем поле преобразователей накачки параметрических антенн.
Исследование нелинейных свойств среды на основе измерения статистических характеристик нелинейных волн.
Разработка принципов построения и структуры устройства, предназначенного для определения нелинейных свойств среды.
Для достижения целей исследования решались следующие задачи:
Теоретическое исследование плотности вероятности акустического давления нелинейных волн в ближней зоне преобразователей накачки.
Теоретическое исследование плотности вероятности акустического давления в нелинейных звуковых пучках.
Экспериментальное исследование закона распределения мгновенных значений акустического давления нелинейных волн в средах без дисперсии.
Теоретическое и экспериментальное исследование плотности вероятности акустического давления в параметрической антенне с двухчастотным и многокомпонентным сигналами накачки.
Разработка структуры устройства и методики исследования нелинейных свойств среды, основанной на решении обратной задачи преобразования статистических характеристик нелинейных акустических волн.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
Математическая модель плотности вероятности акустического давления нелинейных волн в ближнем поле преобразователей накачки в средах без дисперсии.
Показана возможность формирования нормального закона распределения акустического давления в параметрической антенне с многокомпонентным сигналом накачки.
Результаты экспериментальных исследований плотности вероятности акустического давления интенсивных волн в нелинейных средах и плотности вероятности акустического давления в параметрической антенне с двухчастотным сигналом накачки.
4. Методика определения нелинейных свойств среды, которая основана на измерении законов распределения акустического давления.
Методы исследования. Теоретические исследования основывались на методах математической статистики и теории вероятности, которые применялись в задачах распространения акустических волн в нелинейных средах.
Экспериментальные исследования основывались на методиках, описанных в ОСТ 5-8361-86. Измерения проводились в заглушённом гидроакустическом бассейне кафедры ЭГА и МТ ТТИ ЮФУ. Размеры бассейна составляют: 2,5 м - ширина, 2,5 м - глубина, 4м- длина. В качестве излучателя использовалась гидроакустическая антенна с резонансной частотой 135 кГц (полоса 30 кГц) и с площадью излучающей поверхности 200 см2. Таким образом, данное оборудование позволяет провести измерения до расстояния ///,3=3 (ld^S/[2X)).
Обработка данных производилась в среде MATLAB.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Получены результаты теоретических и экспериментальных
исследований, показывающие связь между асимметрией фаз сжатия и
разрежения нелинейных волн с изменением плотности вероятности
акустического давления в ближнем поле преобразователей накачки.
2. Впервые показана нормализация закона распределения
мгновенных значений акустического давления в параметрической
антенне на основе теоретических и экспериментальных исследований.
3. Получено выражение, связывающее изменение плотности
вероятности акустического давления с параметром нелинейности.
4. Разработана структура устройства и методика исследования
нелинейных свойств среды, основанная на решении обратной задачи
преобразования статистических характеристик нелинейных
акустических волн.
Практическое значение работы заключается в следующем:
- в возможности обнаружения неоднородностей и нарушений
сплошности среды на основе определения изменения плотности
вероятности акустического давления;
- в методике измерения коэффициента нелинейности, которая дает
возможность определения нелинейных свойств жидких сред;
- в использовании разработанной методики при решении задач адаптивного обнаружения и классификации гидроакустических сигналов.
Реализация результатов работы. Научные и практические результаты, полученные в диссертации, внедрены в КБ морской электроники «ВЕКТОР», а также используются в учебном процессе при подготовке студентов в Технологическом институте Южного федерального университета в г. Таганроге.
Апробация работы. Результаты работы представлялись на III Международной конференции в г. Донецке, Украина, на XX конференции Российского Акустического общества (г. Москва), на конференции Экология 2009 (г. Таганрог).
Публикации. За время работы над диссертацией опубликовано 5 работ, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов кандидатских и докторских диссертаций.
Объем и структура диссертации. Работа изложена на 133 страницах, иллюстрирована 42 рисунками и содержит 3 таблицы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложения. Список цитированной литературы содержит 85 наименований.
