Введение к работе
Актуальность темы
Для изучения закономерностей возникновения, развития и трансформации гидроакустических колебаний и волн широкого диапазона частот в современной акустике океана используются различные аппаратно-программные установки и комплексы, созданные на основе различных гидроакустических сенсоров, обладающих высокой чувствительностью, но, к сожалению, ограниченным снизу частотным диапазоном. Отсутствие высокочувствительных установок, способных регистрировать гидроакустические возмущения в инфразвуковом диапазоне, способствовало бурному развитию параметрических методов, которые работают только при нелинейном взаимодействии волн различных частотных диапазонов и не в состоянии прояснить природу возникновения гидроакустических процессов инфразвукового диапазона. Для изучения физики их возникновения необходимы установки, которые способны проводить измерения вариаций гидросферного давления в инфразвуковом диапазоне на уровне фоновых колебаний. Ранее на основе лазерно-интерференционных методов был создан макет лазерного измерителя ваприаций давления гидросферы (Г.И. Долгих, С.Г. Долгих, С.Н. Ковалев, В.А. Швец, В.А. Чупин, С.В. Яковенко, 2005), изучение характеристик которого определило дальнейший путь развития данного направления и актуальность настоящей работы, которая связана с задачами создания компактных лазерно-интерференционных систем, обладающих малыми раземерами и низким энергопотреблением и способных измерять вариации гидросферного давления на фоновом уровне в инфразвуковом и звуковом диапазонах, применение которых позволит не только исследовать закономерности возникновения и развития гидроакустических колебаний и волн инфразвукового диапазона, но и изучить особенности взаимодействия гидроакустических волн с гидросферными процессами широкого диапазона частот.
Цель работы и задачи исследования
Цель работы состоит в разработке и создании компактных лазерно-интерференционных систем, способных измерять вариации гидросферного давления на фоновом уровне в инфразвуковом и звуковом диапазонах, которые предназначены для изучения природы возникновения и развития гидроакустических процессов инфразвукового и звукового диапазонов, а также их взаимодействия с разномасштабными морскими процессами.
Для достижения цели работы были поставлены следующие задачи:
1. Разработать и создать компактную лазерно-интерференционную систему на основе полупроводникового лазерного модуля, которая обладает малым энергопотреблением и предназначена для измерения вариаций гидросферного давления в инфразвуковом и звуковом диапазонах с высокой точностью.
2. Разработать и создать лазерно-интерференционную систему на основе стабилизированного по частоте гелий-неонового лазера, обладающую более высокой точностью измерений и устойчивостью к температурным вариациям.
3. Провести испытания разработанных установок. Оценить перспективы их применения при регистрации гидроакустических сигналов различной природы, гидросферных процессов инфразвукового и звукового диапазонов.
Научная новизна
Разработаны и созданы лазерно-интерференционные системы, предназначенные для измерения вариаций гидросферного давления с пороговой чувствительностью не хуже 0,013 Па в частотном диапазоне от статического давления до 1000 Гц. Намечены пути достижения пороговой чувствительности до единиц мкПа за счет оптимизации выбора цифроаналогового преобразователя. В отличие от большинства известных оптических гидрофонов, здесь, в качестве чувствительного элемента используется не оптоволокно, а мембрана, что позволило создать приборы с широким динамическим диапазоном (до 150 дБ), и существенно упростило задачу термостабилизации оптической схемы, необходимой для снижения погрешностей при измерении инфразвуковых колебаний. Помимо этого в данных системах реализованы аппаратно-программные средства повышения точности измерений при использовании источников излучения с низкой стабильностью частоты (полупроводниковый лазерный модуль). Научная новизна данных результатов подтверждена патентом РФ на полезную модель №58216.
С применением созданных лазерно-интерференционных систем проведено несколько экспериментальных работ, в ходе которых получены новые научные результаты.
Научная достоверность, приведенных в диссертации результатов, подтверждена многократными и тщательно проведёнными экспериментами, направленными на исследование характеристик разработанных установок, природы возникновения и развития колебаний и волн широкого диапазона частот, а также сравнением полученных результатов с литературными данными.
Практическая значимость диссертации определятся поиском методических и технических решений необходимых для создания лазерно-интерференционных измерителей вариаций давления гидросферы. При этом решаются задачи снижения зависимости пороговой чувствительности разрабатываемых приборов от стабильности частоты излучения лазера и вариаций температуры. Научные результаты, изложенные в работе, получены при выполнении программ, проводимых ТОИ ДВО РАН: ФЦП Мин. Обр. Наук, ЦНТП, грантов РФФИ.
Личный вклад автора
Все расчеты и схемы по лазерному гидрофону и мобильному лазерному измерителю вариаций давления гидросферы сделаны самостоятельно. Также самостоятельно выполнены основные работы по созданию приборов. Автор принимал активное участие в проведение экспериментальных работ с применением разработанных устройств в равной доле с соавторами. Основная работа по обработке и интерпретации данных, представленных в диссертации, выполнена под руководством Г.И. Долгих.
На защиту выносятся:
1. Разработка и создание гидроакустических лазерно-интерференционных систем измерения вариаций давления и методических основ их применения позволяют изучать природу возникновения и развития гидроакустических колебаний и волн инфразвукового и звукового диапазонов на новом прецизионном уровне.
2. Технические решения по улучшению точности измерений вариаций гидросферного давления, которая ограничена стабильностью частоты лазерного излучения и влиянием вариаций температуры на оптическую схему приборов, позволило поднять пороговую чувствительность гидроакустических лазерно-интерференционных систем до 0,013 Па и позволяет рассчитывать на достижение величины пороговой чувствительности в единицы мкПа.
3. Экспериментальные исследования, проведенные с применением разработанных приборов, позволили выявить новые закономерности в распространении низкочастотных гидроакустических сигналов в условиях мелкого моря, во взаимодействии гидроакустических волн с различными гидросферными процессами, в динамике ветровые волн, собственных колебаний бухт и заливов.
Апробация работы
Основные результаты исследований, обобщенные в диссертации, доложены и обсуждены на международных и российских конференциях: «Лазеры. Измерения. Информация» (Санкт-Петербург 2004, 2006, 2007), Сессиях Российского акустического общества (Москва 2006, 2008), конференции молодых учёных «Океанологические исследования» (Владивосток 2007, 2008, 2009, 2011), Всероссийских симпозиумах «Физика геосфер» (Владивосток 2007, 2009, 2011, 2013), Акустический семинар ТОИ ДВО РАН (2013).
Публикации
Основные результаты по теме диссертации опубликованы в 27 работах, в том числе в 9 статьях журналов, входящих в перечень российских рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук. В рамках диссертационной работы получено 2 патента на полезную модель.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения, изложенных на 114 страницах, содержит 38 рисунков и список литературы из 97 наименований.
Благодарности
В подготовке данной работы автору оказали помощь сотрудники лаборатории 2/1 «Физики Геосфер» ТОИ ДВО РАН. Самой неоценимой была помощь моего научного руководителя Долгих Григория Ивановича.
