Содержание к диссертации
Введение
1. Операторная модель параметрической антенны для статистически неоднородной среды 13
1.1. Принципы построения гидроакустических имитационных моделей 13
1.2. Операторные модели параметрической гидролокации в статистически неоднородной среде 26
1.3. Применение метода декомпозиции для построения имитационной модели параметрической гидролокации 32
1.4. Выводы по главе 58
2. Теоретическое и экспериментальное исследование детерминистских статистических характеристик параметрической антенны в неоднородных средах 60
2.1. Нелинейное распространение и взаимодействие акустических волн в неоднородных средах 60
2.2. Теоретическая модель стохастического поведения параметрической антенны на основе уравнения ХЗК 88
2.3. Экспериментальное исследование нелинейного взаимодействия в случайно-неоднородных средах 111
2.4. Выводы по главе 125
3. Численное моделирование нелинейного взаимодействия в неоднородных средах во временной области 130
3.1. Метод коллокации лифтинговых вейвлетов для численного решения нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных 130
3.2. Численное решение уравнения бюргерса во временной области методом сеток с использованием лифтинговых вейвлетов 149
3.3. Численное решение уравнения хзк во временной области для неоднородных сред 152
3.4. Выводы по главе 155
4. Нелинейная динамика распространения взаимодействия волн конечной амплитуды 157
4.1. Методы нелинейной динамики в гидроакустике 157
4.2. Аппаратура экспериментальных исследований распространения и взаимодействия акустических волн методы обработки данных 161
4.3. Обработка результатов эксперимента методами нелинейной динамики и их анализ 188
4.4. Сопоставление экспериментальных результатов с теоретическими моделями 231
4.5. Выводы по главе 253
5. Программно-аппаратный комплекс для исследований стохастических динамических процессов в гидроакустике 257
5.1. Концептуальная имитационная модель процессов нелинейного распространения звука в неоднородных средах 257
5.2. Синтез структуры и разработка алгоритмов работы аппаратно-программного гидроакустического параметрического комплекса261
5.3. Выводы по главе 269
Заключение 271
Литература 273
- Операторные модели параметрической гидролокации в статистически неоднородной среде
- Теоретическая модель стохастического поведения параметрической антенны на основе уравнения ХЗК
- Численное решение уравнения бюргерса во временной области методом сеток с использованием лифтинговых вейвлетов
- Аппаратура экспериментальных исследований распространения и взаимодействия акустических волн методы обработки данных
Введение к работе
Актуальность темы диссертации
Рассмотрение работы параметрических антенн в составе гидроакустического комплекса для целей дистанционного зондирования водной среды необходимо проводить с учетом вероятностных характеристик гидроакустических сигналов. В этом случае особую важность приобретает моделирование процессов распространения звука, т.к. проведение экспериментов в натурных условиях не всегда возможно и имеет определенные ограничения. В то же время кафедра электрогидроакустической и медицинской техники Технологического института Южного федерального университета в г. Таганроге неоднократно являлась участником различных океанских экспедиций, что дало возможность накопления огромного количества экспериментального материала, который может быть использован для проверки адекватности моделей.
Одним из методов, позволяющих внести уточнение в модель нелинейного взаимодействия акустических волн, является рассмотрение низкочастотного поля параметрической антенны, основанное на аддитивности процессов, оказывающих влияние на формирование акустического поля. Детальное рассмотрение «тонких» особенностей формирования поля параметрической антенны проводилось для наиболее распространенных задач, встречающихся в исследовательской практике:
влияние гидродинамического потока, располагающегося в области нелинейного взаимодействия, на формирование акустического поля параметрической антенны (Блохинцев Д.И., Чернов Л.А., Хохлова В.А., Наугольных К. А., Назаров В.Е., Воронин В. А., Кириченко И.А. и др.);
формирование акустического поля при рассеянии первичных сигналов на детерминированных неоднородностях сферической формы (Нигул У.К., Шендеров Е.Л., Заграй Н.П. и др.);
исследование влияния вероятностного характера акустических сигналов и неоднородностей среды распространения на статистические характеристики акустического поля (Чернов Л.А., Татарский В.И., Рытов СМ., Ольшевский В.В., Зайцев В.Ю., Раевский М.А., Руденко О.В., Солуян СИ. и др.) Повышение требований к гидроакустическим средствам приводит к
проблеме поиска новых методов разработки аппаратуры, математических и физических моделей акустических полей в океане.
Нелинейные процессы, происходящие в воде при распространении волн конечной амплитуды, хорошо исследованы. Разработаны приборы, использующие нелинейные свойства воды - параметрические антенны. Для формирования параметрических антенн - разновидности гидроакустических средств, использующих для функционирования нелинейные свойства среды распространения, используется нелинейность водной среды. Такие антенны можно рассматривать, как нелинейную систему с числом степеней свободы больше 2. Для их описания используются нелинейные дифференциальные уравнения второго порядка в частных производных, например, уравнение Хохлова-Заболотской-Кузнецова (ХЗК). Процессы распространения и взаимодействия в воде волн
конечной амплитуды достаточно хорошо изучены и освещены в литературе (P.J. Westervelt, N. & S. Tjotta, L. Bjorno, M.F. Hamilton, Остроумов Г.А., Зарембо Л.К., Хохлов P.B., Новиков Б.И., Руденко О.В>, Солуян СИ., Кузнецов В.П., Тимошенко В.И. и др.). Процессы формирования в воде направленного излучения с узкой диаграммой направленности в широкой полосе частот по ряду причин могут рассматриваться как нелинейная система, на которую оказывают влияние нелинейные свойства среды распространения акустических волн, а также диссипация, дифракция и искажения сигналов, как в электрическом, так и в акустическом трактах. Чтобы расширить представления о собственных свойствах системы следует перейти от линейной динамики к нелинейной. Нелинейная динамика или динамический хаос - это быстро развивающаяся область науки. Методы нелинейной динамики специально разработаны для анализа нелинейных систем, они дополняют классические методы (например, Фурье-анализ) и являются мощным инструментом исследования. Акустическое поле, создаваемое при распространении в нелинейной среде волн конечной амплитуды, можно считать комплексной нелинейной системой с широким частотным спектром и, следовательно, применить для его анализа методы нелинейной динамики. Такой новый подход предложен и реализован автором в данной работе.
Таким образом, можно выделить два основных направления исследований нелинейного взаимодействия акустических волн в неоднородных средах. С одной стороны - это представление в виде стохастического процесса, который можно характеризовать статистическими, вероятностными показателями. С другой стороны можно представить нелинейное взаимодействие акустических волн и, соответственно, параметрическую антенну, как динамическую систему, эволюционирующую во времени и пространстве, и предложить для ее описания методы нелинейной динамики.
Цели и задачи работы
Целью данной диссертационной работы является исследование детерминистских и статистических свойств поля параметрической антенны, формируемого в неоднородной среде.
Для реализации поставленной цели ставятся следующие задачи
диссертационной работы: -
Разработать обобщенную информационную модель параметрической гидролокации для ближнего и дальнего поля с учетом процессов нелинейного взаимодействия звуковых волн в статистически неоднородных средах.
Выполнить декомпозицию различных уровней обобщенной информационной модели параметрической гидролокации: семантическую, морфологическую, алгоритмическую, модульную.
Рассмотреть особенности детерминистского и вероятностного подхода к описанию поля параметрической антенны, выявить границы применимости и достоверности.
Разработать математическую модель поля параметрической антенны на основе уравнения ХЗК в среде, содержащей детерминированные неоднородности и выполнить расчеты.
Разработать математическую модель поля параметрической антенны на основе уравнения ХЗК в среде, содержащей статистические неоднородности и выполнить расчеты.
Провести экспериментальные исследования поля параметрической антенны в среде с моделями детерминированных и статистических неоднородностей, сравнить их с полученными теоретическими зависимостями.
Разработать алгоритм численного анализа уравнений Бюргерса и ХЗК для неоднородных сред на основе метода коллокации лифтинговых вейвлетов.
Исследовать распространение и нелинейное взаимодействие акустических волн методами нелинейной динамики. Оценить степень хаотичности сигналов.
Разработать принципы построения и алгоритмы аппаратно-программного комплекса для исследований стохастических и динамических процессов в гидроакустике.
Методика исследования
В работе использованы методы анализа характеристик параметрических антенн, основанные на решении уравнения Хохлова-Заболотской-Кузнецова для однородных и неоднородных сред; методы математического анализа. Основные выводы, положения и рекомендации сравниваются с известными результатами и теоретически обосновываются. Физические эксперименты проводились в лабораторных условиях. Математические модели сопоставлялись с физическими представлениями и моделями. Достоверность измерений обеспечивалась метрологической базой, соответствующей обработкой результатов и сравнением с результатами, полученными другими методами и средствами.
Научная новизна диссертационной работы
Научная новизна.проведенных исследований заключается в рассмотрении как теоретически, так и экспериментально, пространственных и вероятностных характеристик параметрической антенны в присутствии статистических и детерминированных неоднородностей, построении имитационных моделей гидролокации с использованием параметрических антенн, учитывающих статистические свойства неоднородной среды распространения акустических волн, а также анализе нелинейного распространения и взаимодействия акустических волн методами нелинейной динамики.
Основные научные результаты работы:
1. Разработана операторная модель параметрической гидролокации для ближнего и дальнего поля с учетом процессов нелинейного взаимодействия звуковых волн в статистически неоднородных средах.
Проведена декомпозиция операторной модели параметрической гидролокации. Рассмотрены семантический, морфологический, алгоритмический и модульный уровни декомпозиции.
Разработана математическая модель поля параметрической антенны на основе уравнения ХЗК в сферических координатах в среде, содержащей детерминированные неоднородности.
Разработана математическая модель статистических характеристик параметрической антенны на основе уравнения ХЗК в среде, содержащей статистические неоднородности.
Проведены экспериментальные исследования поля параметрической антенны в среде с моделями детерминированных и статистических неоднородностей, сравнение с полученными теоретическими зависимостями показало удовлетворительный уровень совпадения.
Разработан алгоритм численного анализа уравнений Бюргерса и ХЗК для неоднородных сред на основе метода коллокации лифтинговых вейвлетов, позволяющий снизить вычислительные затраты
Методы нелинейной динамики применены к исследованию распространения и нелинейного взаимодействия акустических волн. Показано, что эти процессы можно характеризовать как квазихаотические и в некоторых случаях - хаотические.
8." Разработаны алгоритм и структура аппаратно-программного комплекса для исследований стохастических и динамических процессов в гидроакустике.
Научная и практическая значимость работы
Разработаны имитационные операторные модели параметрической гидролокации, нелинейного взаимодействия, математическая модель поля параметрической антенны на основе уравнения ХЗК в сферических координатах в среде, содержащей детерминированные неоднородности, математическая модель статистических характеристик параметрической антенны на основе уравнения ХЗК в среде, содержащей статистические неоднородности, разработаны теоретические и численные методы их решения и выработаны рекомендации по разработке программно-аппаратного комплекса для исследований стохастических и динамических процессов в гидроакустике.
Разработанные математические модели позволяют получить новые решения задач описания и расчета полей акустических параметрических антенн и их характеристик в присутствии детерминированных и статистических неоднородностей.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований и их сопоставления использованы при разработке структуры программно-аппаратного комплекса с параметрическим излучающим трактом для лабораторных исследований водной среды.
Внедрение результатов работы
Разработанные в диссертации математические модели, методы их решения, алгоритмы, полученные результаты и выводы использованы при проведении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по модернизации и унификации гидроакустической аппаратуры, проводимых в НИИ «Бриз» (г. Таганрог) и ОКБ «Ритм» (г. Таганрог), в проекте «Научно-образовательный эколого-аналитический центр системных исследований, математического моделирования и геоэкологической безопасности Юга России» (г. Таганрог) при построении и исследовании пространственно-трехмерных математических моделей мелководных протяженных водоемов, в НИПИ «Океангеофизика» (г. Геленджик), в Высокогорном институте РАН, г. Нальчик и используются в учебном процессе в Технологическом институте Южного федерального университета в г. Таганроге.
Апробация работы
Основные результаты работы обсуждались на следующих научно-технических конференциях:
VI-XVIII сессиях Российского акустического общества. Москва, 1997-2006 гг.
VII-X Школах-семинарах акад. Л.М. Бреховских «Акустика океана». Москва, 1998-2005 гг.
НТК «Экология - Море и человек». Таганрог, ТРТУ. 2000-2006 гг.
НТК «Медицинские информационные системы», Таганрог, ТРТУ. 1998-2004 гг.
НТК профессорско-преподавательского состава ТРТУ, Таганрог, 1997 - 2006 г.
49 сессии Американского акустического общества (ASA), апрель, 2005.
1-ой Международной конференции «Гидроакустические измерения: методики и результаты» (Underwater Acoustic Measurements: Technologies and Results), Ираклион, Греция, июнь 2005.
Международной конференции «Новые концепции защиты морских портов, прибрежная безопасность и подводная связь» (New Concepts for Harbour Protection, Littoral Security and Underwater Acoustic Communications), Стамбул, Турция, июль, 2005.
Форуме акустиков (Forum Acusticum 2005), Будапешт, Румыния, сентябрь 2005.
10.8-ой Европейской конференции по гидроакустике (Eight European Conference
on Underwater Acoustics), Португалия, июнь 2006. 11.9-ой Западно-тихоокеанской акустической конференции (9th Western Pacific
Acoustics Conference), Сеул, Корея, июнь 2006. 12.Международном конгрессе по ультразвуку (International Congress on
Ultrasonics), Вена, Австрия, апрель, 2007.
Операторные модели параметрической гидролокации в статистически неоднородной среде
Одним из важнейших этапов всего цикла имитационного моделирования является построение имитационной модели исследуемой сложной системы [1,2]. В основе процесса создания имитационной модели лежат эвристические принципы исследования явлений и систем. В области имитационного моделирования применительно к акустико-океанологическим исследованиям накоплен опыт в построении и использовании ряда конкретных акустико-океанологических моделей [3-8], и разработаны методологические основы моделирования [9, 10].
При создании акустических моделей необходимо обеспечить выполнение некоторых требований [11], которые представляют собой первый этап в формализации процедуры построения имитационных моделей. 1. Целенаправленность. Каждая акустическая модель должна разрабатываться с определенной целью, например, планирование и проведение экспериментальных исследований, проектирование информационных гидроакустических систем, испытание этих систем и их эксплуатация, прогнозирование акустической обстановки и т.д. 2. Комплексность. Акустическая модель должна учитывать различные свойства и проявления среды распространения звука, в частности, позволять интерпретировать среду как источник энергии, как информационный канал, как зону обитания живых существ, как источник неоднородностей и т.д. 3. Непротиворечивость. Акустическая модель и ее отдельные элементы должны быть согласованы в гидрофизическом, информационном, системном и математическом отношениях. 4. Оптимизация. Модель должна предусматривать решение оптимизационных задач. При этом учитывается возможность формулировки различных критериев, ограничений и изменений тех параметров, которые могут быть подвергнуты оптимизации. 5. Адекватность. Акустическая модель должна удовлетворять требованию адекватности реальной среде, т.е. в определенном смысле быть правдоподобной по отношению к реальным явлениям, объектам и информационным гидроакустическим системам. 6. Метрологическая обеспеченность. Модель при ее использовании должна позволять проводить количественную оценку погрешностей функционирования, т.е. погрешностей имитации. Такие погрешности могут быть связаны с неадекватностью модели реальному объекту исследования, иметь алгоритмическую природу, определяться эффектами округления чисел, аппроксимацией зависимостей, конечными выборочными данными, конечным числом разрядов и т.д. 7. Декомпозируемость. Модель должна предусматривать обоснованную возможность расчленения на подсистемы, чтобы в соответствии с изменяющимися требованиями было возможно изменять ее структуру, состав и свойства. 8. Развиваемость. Акустическая модель должна позволять совершенствование, модернизацию, наращивание, упрощение в процессе ее многократного использования. 9. Универсальная реализуемость. Модель должна быть достаточно простой, позволять наглядное представление для принятия решений, должна позволять оперативное использование и быть адекватной, приспособляемой к изменяющимся критериям, ограничениям и внешним условиям. Все эти требования, в ряде случаев противоречивые, образуют методическую основу построения акустических моделей. Рассмотрим информационные принципы, лежащие в основе построения имитационных акустических моделей, охватывающие как отдельные частные модели, так и обобщенную акустическую модель океана, которая содержит модели связей и общие структурные элементы. Эти принципы можно объединить в три класса по способу получения информации [8]. 1. Математические закономерности. Этот вид информации представляет собой совокупность математических соотношений, дифференциальных и интегральных уравнений, решений соответствующих уравнений и граничных и начальных условий, характеризующих элементы решаемой задачи. Сюда следует также отнести возможные ограничения, которые накладываются на исходные данные и решения для тех или иных задач математической физики, Особенность этого класса информации состоит в том, что в его основе лежат фундаментальные физические законы, математические правила и аксиомы (гидрофизические, математические и информационные), которые характеризуют современный научно-технический уровень. Обозначим как ///! отдельные математические закономерности, так что где М\ - множество математических закономерностей, образующих математическую акустическую базу данных. 2. Экспериментальная информация. В ряде случаев процессы или явления, возникающие в океане, могут характеризоваться только экспериментальными данными. Эти сведения используются при построении моделей. Для перехода от экспериментальных данных к модели обычно используется аппроксимация в виде либо детерминированных, либо вероятностных функций. Такие аппроксимированные данные можно назвать эмпирическими закономерностями. Таким образом, этот класс информации может быть сведен к предыдущему, с тем различием, что в его основе лежат экспериментальные факты, а не фундаментальные гидрофизические и системные закономерности. Обозначим как ///2 отдельные эмпирические закономерности, так что где М2 - множество экспериментальных данных, образующих эмпирические акустические базы данных. 3. Эвристические выводы. Этот вид информации представляет собой заключения экспертов в соответствующих областях знаний о возможных вариантах закономерностей протекания тех или иных явлений в информационных системах. Такие эвристические суждения практически всегда могут быть сведены к количественным данным при использовании известных методов экспертных оценок.
Теоретическая модель стохастического поведения параметрической антенны на основе уравнения ХЗК
Для статистически однородной среды между структурной и корреляционной функциями имеет место соотношение которое позволяет найти структурную функцию, если известна корреляционная. С ростом г корреляционная функция Nl2(v) стремится к нулю, а структурная функция Д2(г) к насыщению, достигая в пределе значения Д 2 () 2Л 2 (0).
Однако в реальных средах условие статистической однородности редко соблюдается. Обычно статистические характеристики среды (среднее значение и корреляционная функция) медленно изменяются в пространстве. В этих условиях более целесообразным представляется использование структурной функции [28]. Действительно, медленные изменения в пространстве усредненных характеристик показателя преломления практически невозможно отличить от флуктуации большого масштаба. С другой стороны флуктуации большого масштаба могут давать существенный вклад в корреляционную функцию. Вместе с тем флуктуации большого масштаба мало влияют на величину разности и, следовательно, мало сказываются на структурной функции.
Это значит, что структурной функцией удобно воспользоваться и в том случае, когда условие однородности выполняется лишь локально.
Все сказанное относительно пространственных статистріческріх характеристрік среды без всяких изменений переносится на временные статистические характеррістрікрі [28] - временные коррелящюнные и структурные функции N(T) И D(T). В реальної! среде случаііньїе изменения показателя преломления во времени нельзя считать процессом строго стационарным, так как его усредненные характеристики обычно медленно изменяются во времени.
Структурная функция флуктуации показателя преломления может быть найдена теоретическим путем в случае локально-однородной и локально-изотропной турбулентнострі. При этом структурная функция подчиняется «закону 2/3». Всю совокупность корреляционных (и структурных) функций можно разбить на трір класса: первый соответствует закону /3, второй описывается корреляционной функцией, изменяющейся по степенному и третий - по экспоненщральному закону [28, 81].
Большой экспериментальный материал по ррсследовашрю случайных неоднородностей морской среды собран в [74]. В результате обработки этого материала были найдены корреляционные и структурные функции температурных пульсаций, вид которых зависит от целого ряда условий, в частности от средних гидролопіческріх условігіі в море.
В [75] описаны метод и аппаратура, которые позволили непосредственно и с большой точностью измерять пульсации показателя преломления морской среды, и построить зависимость структурной функции пульсаций показателя преломления от расетоянрія. Результаты приведены на Рис. 22.
Из Рис. 22 [28] видно, что внешний масштаб неоднородностей ЦП 1,5м. Значение структурной постоянной С„ = 6,6-10" м" в законе Колмогорова - Обухова который справедлив в интервале масштабов от /о до L0. Если внутренний масштаб /0 определяется минимальными размерами неоднородностей, которые могут существовать из соображений диссипации энергии (в океане k 1 см), то внешний масштаб L0 определяется характерными размерами механизма возбуждения турбулентности. Отступление от закона 2/3 наступает на расстоянии Z0 31,5 м, где структурная функция начинает переходить в область насыщения. Это означает, что случайное поле пульсаций показателя преломления может быть описано корреляционной функцией, причем радиус корреляции нужно положить равным 1,5 м. На основаніш экспериментальных данных [74. 75] можно утверждать. что состояние океана обычно хорошо описывается теорией локально-однородной и локально-изотропной турбулентности, но вместе с тем случаются отклонения от закономерностей- Поэтому в гидроакустических исследованиях используют корреляционные или структурные функции произвольного или специального вида. Переходим к рассмотрению распространения .лучей в среде со случайными неоднородностями. предполагая, что масштаб неоднородностей а велик по сравнению с длиной волны Я. В гидроакустике это условие часто выполняется для ультразвуковых частот [28]. Следует отметггть, что условие малости длины волны по сравнению с масштабом неоднородностей AG а является необходимым условием применимости геометрического приближения, но не достаточным. Если это условие выполнено, то лучевой теорией можно пользоваться в пределах ограниченных дистанций Z, удовлетворяющих условию \[Л1 1. Это условие имеет простой физический смысл: размеры зоны Френеля для рассматриваемого расстояния должны быть малы по сравнению с масштабом неоднородностей. На больших дистанциях. не удовлетворяющих этому условию, лучевым приближением пользоваться нельзя: в этом случае необходимо применять дифракционную теорию. Поскольку свойства случайно-неоднородной среды заданы статистически, можно предсказать лишь вероятность W(%,x) того, что луч, прошедший путь .г, будет иметь направление, определяемое углом /. если он вышел из начала координат в направлении оси .г. Иными словами. распространение луча в случайно-неоднородной среде можно рассматривать как стохастический процесс без последействия (непрерывная цепь Маркова), в котором роль времени играет пройденный лучом путь .г. В случае малых углов такое представление математически обосновано [76, 77].
Численное решение уравнения бюргерса во временной области методом сеток с использованием лифтинговых вейвлетов
В реальной морской среде всегда наблюдаются случайные измененрія параметров. Эти изменения вызываются пространственно-временными флуктуациями полей температуры плотности и солености, гидродинамическрши течениями, внутренними волнами, присутствием дискретных неоднородностей [6]. Поэтому в условиях натурных исследований, в большинстве случаев, трудно определить, какой из механизмов дает больший вклад в образование рассеянного акустриеского поля.
В реальных условріях океана наблюдаются флуктуашш амшштуды звукового давленрія акустрічесюїх сигналов. По СВОЄРІ фрізріческорі прріроде оші могут быть условно разделены на флуктуашгрі, вызванные отражением и рассеянием звука дном океана, движением носителя акустической системы, применением частотно-модулированных сигналов. К основным факторам, приводящим к возникновению флуктуации при движении носителя, относятся качание диаграммы направленности акустической системы, вызванное качкой судна, нестабильность амплитуды сигнала, излучаемого в водную среду, образование вблизи поверхности акустической системы воздушных пузырьков и гидродинамических течений [б]. Акустические волны в водах океана рассеиваются на дискретных препятствиях. Это разнообразные подводные неоднородности. объем каждой из которых четко очерчен, а на границах препятствия акустические свойства среды (упругость, плотность и т.д.) изменяются скачком. К основным дискретным неоднородностям вод океана относятся живые организмы и пузырьки воздуха, занесенные в воду поверхностным волнением и ветром [135]. Как пузырьки воздуха, так и живые организмы существенно неоднородно распределены по глубине океана. Пузырьки воздуха находятся непосредственно под поверхностью воды и образуют слой, толщиной 20-30 м. Поле, рассеянное слоем этих пузырьков, практически неотделимо от поля, рассеянного неровностями поверхности. В данном разделе описаны результаты экспериментальных исследований формирования поля параметрической антенны в неоднородных средах. В качестве физической модели детерминированных неоднородностей использовалась отражающая одиночная акустически жесткая сфера, помещенная в гидродинамический поток. Для моделирования стохастических неоднородностей была использована пелена газовых пузырьков с переменными размерами. В процессе подготовки к исследованиям и при измерениях амплитудных характеристик поля звукового давления волны разностной частоты и обработке результатов экспериментов учитывались правила и методики. используемые в линейной акустике, радиоизмерениях и особенности измерения звукового давления волны разностной частоты [16]. 113 Схема измерительной установки для исследования детермшшрованных неоднородностей [32. 88] показана на Рис. 27, где: 1 пульт управления, 2 - поворотно-выдвргжное устройство, 3 параметрический излучатель, 4 - параметрический гидроакустический комплекс. 5 - центробежный насос. 6 - гидродинамический поток, 7, 9 коордршатные устройства, 8 - стальная сфера, 10 - гидрофон, 11 стальной лист, 12 - предварительный усилитель. 13 - фильтр нижних частот, 14 - осциллограф, 15 - гидроакустический бассейн. Для проведення измерений сигналов рассеянных от объекта, находящегося в области существования прдродинамргческого потока, было применено устройство формирования потока [88]. Была проведена оценка пространственных характеристик создаваемого пщродршашгческого потока. Область, связанная с течением ЖРРДКОСТІР. представляет собой конус с углом раскрыва 30. Из-за конечных размеров підроакустического бассерша РР величины скорострі вьртекаюшері ЖРРДКОСТРР порядка 1-3 м/с область, связанная с потоком, ограничивалась расстоянием 1-1.5 м от среза трубки [127]. Было определено значение гидродинамического числа Рейнольдса. которое составило Re=200 PI Re=60 для значений скорости потока 3 м/с и 1 м/с, соответственно. Для значения Re=60 поток можно рассматривать как струю, вырывающуюся из начала координат PI подсасывающую окружающую жидкость [127]. Поэтому в экспериментах использовался режим со значением средней скорости гидродинамического потока на его оси 1 м/с. Конечные размеры гидроакустического измерительного бассейна ограничивали область нелинейного взаимодействия. Поэтому измерения проводились в ближней зоне, на расстояниях меньших длины зоны дифракции. Пространственные размеры области, связанно?! с потоком, и размеры гидроакустического бассейна определили минимальное расстояние, на котором располагался измерительный гидрофон относительно исследуемых объектов. Это расстояние было определено равным 1 м при исследовании рассеяния от сферических объектов PI 2 м -при исследовании рассеяния от плоской границы. Такое расстояние позволило разделить в пространстве импульсы, длительность которых составляла 0,5 мс. Размещение измерительного гидрофона за пределами области, связанной с потоком позволило исключить сигнал, который может возникать в движущейся среде за счет пульсаций давления, создаваемых потоком около поверхнострі гидрофона. Устройство формирования потока жидкости создает в процессе работы акустический шум. Поэтому была проведена оценка спектра шума, возбуждаемого потоком в измерительном бассейне. Основные спектральные составляющие шума сосредоточены в нрізкочастотной области ниже 2 кГц [125]. Наибольшая интенсивность наблюдалась на дискретных частотах ниже 1 кГц. Поэтому нижняя граница разностной частоты быта принята равной 5 кГц. На основании рассчитанных по результатам измерений уровней амплитуды звукового давления волны разностной частоты проводилось нормирование этих амплитуд относительно принятого за единичный уровень звукового давлення. Излучаемый сигнал представляет собой радиоимпульс длительностью 0,5 мс. В качестве модели детерминированной сферической неоднородности использовалась стальная сфера диаметром 50 мм.
На Рис. 28 показана геометрия экспериментов по исследованию отражения волны разностной частоты от модели сферической неоднородности [25, 34, 89]. Цифрами на рисунке обозначены: 1 -преобразователь накачки, 2 - приемный низкочастотный гидрофон, 3 -стальная сфера, 4 - поток жидкости.
Аппаратура экспериментальных исследований распространения и взаимодействия акустических волн методы обработки данных
В связи с тем, что пузырьковый слой представляет собой систему стохастических неоднородностей. претерпевающую непрерывные изменения во времени количества элементарных рассеивателей. их размеров, плотности распределения, пространственных координат местоположения элементарных рассеивателей- пространственных характеристик самого рассеивающего объема и т.д., амплитуда рассеянного сигнала непрерывно флюктуирует [89].
В процессе исследований обратного объемного рассеяния волны разностной частоты, проводимых в реальных условиях и на моделях случайных неоднородностей в виде нестационарной структуры газовых пузырьков также наблюдаются флуктуации амплитуды волны разностной частоты рассеянной неоднородностями [86]. Временная зависимость амплитуды ВРЧ рассеянной на структуре газовых пузырьков, расположенной в области нелинейного взаимодействия, показанная на Рис. 33, содержит флуктуации уровня звукового давления =3 дБ. В представленной зависимости видна периодическая закономерность изменений, связанная, с процессами формирования объемной области газовых пузырьков в среде, изменением радиусов пузырьков внутри области их существования, циклом жизни пузырька и нестационарностью границ создаваемой области [90, 96].
На Рис. 35 показана временная зависимость амплитуды звукового давления ВРЧ с частотой 32 кГц, измеренная в среде с нестационарной структурой газовых пузырьков в области нелинейного взаимодействия. Измерительный гидрофон в процессе исследований располагался непосредственно в области существования газовых пузырьков. Структура газовых пузырьков формировалась путем нагнетания воздуха в трубчатые элементы, расположенные на глуоине 2 м на дне измерительного гидроакустрпеского бассейна. В процессе иселедованіш измерение размеров газовых пузырьков и оценка концентрации пузырьков по их резонансным размерам не проводилась.
Однако, результаты акустического зондирования газовых пузырьков в морской среде, представленные в [85] показывают, что при таком способе формирования области газовых пузырьков происходит постоянное изменение размеров пузырька при всплытии. Перемешивание образовавшихся пузырьков в непосредственной близости от трубчатых элементов приводит к тому, что закон распределения пузырьков в пределах образованной структуры близок к нормальному закону распре деления. Результаты исследований показывают, что в зависимости от условий, создаваемых в измерительном бассейне, возникают периодические эффекты как уменьшения амплитуды по сравнению с однородной средой, так и повышения амплитуды ВРЧ [90]. Одной из причин флуктуащш амплитуды звукового сигнала является перераспределение разности фаз между вторичными источниками. Этот фактор является доминирующим для случая рассеяния и отражения звуковых волн от дна и поверхности океана [б]. Влияние компонент структуры газовых пузырьков не приводит к разрушению структуры виртуальных источников в области нелинейного взаимодействия исходных волн накачки. Правильная интерпретация экспериментальных данных позволяет выявить особенности нелинейного взаимодействия акустических волн и оценить адекватность физической модели формирования характеристик поля параметрической излучающей антенны в реальных условиях.Рис. З б показаны поперечные распределения амплитуды ВРЧ, измеренные на расстоянии 3 м от антенны в среде с нестационарной структурой газовых пузырьков в области нелинейного взаимодействия [84]. Измерительный гидрофон в этом случае располагался за пределами статистически неоднородного слоя газовых пузырьков, что позволило исключить влияние процессов формирования и схлопывания пузырьков. Полученные поперечные распределения представляют собой результат влияния нескольких механизмов на процесс формирования ВРЧ: нерезонансного рассеяния ВРЧ на слое, поглощения акустической энергии ВРЧ и исходных волн накачки, затухания, изменения скорости распространения акустических волн в слое воздушных пузырьков PI параметра нелинейности водной среды в слое. Видно, что ВРЧ. прошедшая через слой газовых пузырьков, ослаблена по сравнению с однородной средой на 8-10 дБ. Такое ослабление вызвано, очевидно, описанными выше механизмами, которые оказывают также влияние и на поперечное распределение исходных волн накачки, показанное на Рис. 37.
