Введение к работе
Актуальность темы
Актуальность проблемы вытекает из необходимости разработки новых методов регистрации слабых акустических низкочастотных сигналов на фоне помех, особенно когда измерительная система, фиксирующая их характеристики, должна быть максимально компакта (например, существенно меньше длины волны) .
Известно, что повышение эффективности акустических систем различного назначения связано с улучшением соотношения сиг-нал/помеха. Попытки сохранить при этом габариты приемных систем приводят к требованию более полного использования информации, содержащейся в акустическом поле.
Один из путей развития акустических средств связан с дальнейшим усовершенствованием алгоритмов обработки сигналов.
Другой путь заключается в разработке и реализации технических решений, основанных на регистрации новых физических явлений.
Есть и третий путь получения дополнительной информации о поле при заданных пространственно-временных объемах выборок (не исключающий перечисленные выше), о котором в основном и идет речь в данной работе. Он может быть реализован посредством помещения в ограниченном числе точек среды наряду с приемниками звукового давления, приемников первого и более высоких порядков, позволяющих определять градиенты и биградиенты звуко--вого давления, колебательную скорость частиц среды в акустической волне и т.д. (использование так называемых комбинированных приемных систем, или КПМ). В свою очередь, это дает возможность на принципиально новой основе ставить и решать различные актуальные задачи современной акустики и гидроакустики.
Существенным является то, что исследование акустических по-іей источников с позиций задач метрологии, осложняется неизбеж-шм присутствием полей акустических помех (окружающего шума) і полей рассеяния на неоднородностях среды. Наличие помех тре-іует для обеспечения задаваемой метрологической точности изме->ений необходимости увеличения объема акустической информа-щи, а так же применения специальных помехоустойчивых методов ;е приема для последующей обработки. Эффективность последней стественно зависит от характеристик полей помех, изучение кото-1ых также входит в необходимый круг метрологических задач.
Именно знание фундаментальных закономерностей влияния океан на формируемое акустическое поле позволяет расширить потенщ альные возможности используемых средств и методов.
Актуальность более детального изучения особенностей форм* рования, а также статистических характеристик полей шумов и сиі налов при распространении последних на протяженных трасса особенно велика при решении задач обнаружения слабых сигналов
Преимущества комбинированных приемных систем по сравни нию с традиционными, построенными на базе приемников давлс ния, проявляются, прежде всего, при существенном ограничени области пространства для размещения их в среде. В случае одино1 ной КПМ имеет место качественный скачок, который заключается появлении нового "качества" у точечной приемной системы — во: можности определения местоположения источника звука.
Другая особенность точечной комбинированной приемной сие темы, в которой используется векторный приемник (приемник прс екций градиента звукового давления или колебательной скоре emu) — возможность прямого измерения потока акустической энер гии (мощности), т.е. выделения той ее части, которая обусловлен анизотропией поля или наличием в среде детерминированных ис точников. Только за счет этого в ряде случаев обеспечивается ув( личение соотношения сигнал/помеха (датее S/N) не менее, чем н Ю...30дБ.
Кроме того, одновременная регистрация нескольких компонеь тов поля без амплитудно-фазовых искажений позволяет анализирс вать характер движения частиц среды в волне (поляризационны анализ) с целью их дальнейшей классификации. Последнее особеь но актуально при размещении векторных приемников в дне водо( мов или земной коре (использование векторных приемников В Кс честве геофонов).
Однако круг решаемых задач, в которых в той или иной мер используется информация о векторных характеристиках полей, гс раздо шире, чем собственно проблемы гидро- и сейсмоакустик (которые преимущественно обсуждаются в данной диссертации).
В частности, изучение характеристик звуковых полей в замкну тых объемах представляет важную проблему, являющуюся осново решения задач архитектурной акустики и экологии, обеспечивак щих необходимое качество восприятия звука в закрытых помещу ниях и защиты человека от вредного физиологического воздействи звука. Проведенный нами анализ публикаций и результатов иссл< дований над биологическими объектами, показывает, что многи особи малых размеров (сверчки, кузнечики, саранча, отдельные ы
ды рыб) широко используют регистрацию векторных характеристик акустического поля для решения возникающих координатных задач.
Одновременная регистрация двух различных компонентов возможна и в электромагнитных полях (компоненты поля Е и Н). Причем, переход на регистрацию потоков энергии позволяет и в этом случае решать задачу обнаружения сигналов с соотношением сиг-пал/помеха, меньшим единицы (например, электромагнитных полей, излучаемых биологическими объектами или предвестниками природных стихийных бедствий на частотах десятки килогерц и ниже) и определения их пеленга по результатам измерений в области, существенно меньшей длины волны.
Таким образом, актуальность темы выходит далеко за рамки вопросов, обсуждаемых в данной диссертации.
Цели и задачи исследований
Цель работы — изучение основных закономерностей формирования векторно-фазовой структуры акустических полей, обуслов-юнных как отдельными детерминированными источниками, так и различными динамическими процессами, происходящими в толще жеана или вблизи его границ, и влияния на них изменений характе->истик океанической среды
Одна из важнейших, решаемых в данной диссертации задач — исследование фундаментальных закономерностей, связывающих калярные, векторные и фазовые (разностно-фазовые) характерис-ики полей детерминированных и шумых источников в реальном кеане, позволяющих высказать определенные суждения об адек-атности совместных измерений полей различными типами звуко-риемников. Последнее не очевидно, так как конкретные соотно-іения между скалярными и векторными параметрами акус-іческого поля существенно зависят от механизмов и условий его ормирования.
В рамках этого же направления решается задача метрологичес->го обеспечения векторно-фазовых методов.
Второе направление исследований — выявить факторы, опре-ляющие потенциальные возможности акустических систем на зе приемников градиента давления в плане расширения их функ-ональных возможностей, повышения помехоустойчивости и точ-стных характеристик.
Третье направление исследований — использование получен-:х результатов для решения широкого круга прикладных задач.
Фактический материал, использованный в данной работе, полу чен во время натурных испытаний и экспедиций разных лет (1978 1994 г.) в различных районах Мирового океана с использованиеі\ одиночного КПМ и протяженных 3-х — 6-ти элементных комбини рованпых приемных систем (КПС) на базе КПМ различных конст рукций, устанавливаемых на дне, спускаемых с борта судна и дрей фуюхцих вместе с ним, автономных дрейфующих радиогидроакус тических буев (РГБ) с акустической приемной системой на основ' КПМ.
Научная новизна
В результате выполнения работы:
Сформулирована и обоснована концепция нового перспектиЕ ного направления современной акустики — векторно-фазовых мс тодов.
Теоретически и экспериментально установлены ранее не об суждавшиеся в литературе фундаментальные закономерности фоі мирования векторно-фазовой структуры поля детерминированных шумовых источников в океане.
Проанализированы конструктивные особенности и принцип работы звукоприемников различного назначения, их модельнь представления.
Рассмотрены и обоснованы основные акустические метролоп ческие характеристики векторных приемников.
Рассмотрен и решен вопрос об адекватности результатов измі рений акустических полей звукоприемниками различных типов.
Предложена классификация звукоприемников по типам.
Описаны разработанные при непосредственном участии авто[ конструкции и основные акустические параметры новых приемн: ков градиента и биградиента давления.
В рамках изучения вопроса о возможных материалах для элек роакустических преобразователей экспериментально обнаружен теоретически обоснован новый, ранее не наблюдавшийся зффеї внутренней магнитострикции в магнитных кристаллах.
Описан экспериментально обнаруженный новый эффект рез нансного возбуждения звука на мелководье, генерируемого исто ником, расположенным в воздухе, с последующим распространен ем его на большие расстояния по горизонтали с малым затуханш {эффект береговой зоны).
Теоретически обоснованы и экспериментально проверены н вые подходы к решению ряда прикладных задач низкочасто
ікустики, новизна которых подтверждена Авторскими Свидетель-.твами СССР и Патентами РФ.
Достоверность и практическая ценность подтверждены резу-іьтатами экспериментальных исследований, проводимых в Тихо-жеанском океанологическом институте ДВО РАН, Дальневос-очном политехническом институте (ДВПИ), КБ "ШТОРМ" Киев-:кого Политехнического института, ГМЦГИ ГП ВНИИФТРИ и ря-(е других организаций, а также использованием полученных ре-ультатов при формировании технических заданий на НИР и ОКР, іроводимьіх в настоящее время по заказам Академии наук и других ірганизаций страны.
Апробация работы
Материалы диссертации докладывались на:
2-ом Всесоюзном съезде океанологов (Севастополь, 1983);
Всесоюзных конференциях: 3-я, 4-я и 5-я Дальневосточные аку-тические конференции "Акустические методы и средства исследо-ания океана" (Владивосток, 1981, 1985, 1989); 8-я Всесоюзная кон-іеренция по информационной акустике — ИНАК-8 (Москва, 1982); Статистические методы в теории передачи и преобразования ин-юрмационных сигналов (Киев, 1985); 1-я Всесоюзная конференция о морской геофизике (Геленджик. 1987); Проблемы метрологии идрофизических измерений (НПО ВНИИФТРИ, 1992); по магнит-ым материалам (Красноярск, 1972);
Всесоюзных школах-семинарах: по техническим средствам и етодам освоения океана (Геленджик, 1989, 1991); "Модели, алго-итмы, принятие решений" — МАПР-1 (Москва, 1984), МАПР-2 Ленинград, 1988); "Акустические статистические модели океа-а"— АСМО-5 (Москва, 1984); По статистической гидроакустике -СГ-13 (Львов, 1982), СГ-15 (Владивосток, 1989); По информаци-нной акустике — ИНАК-10 (Москва, 1988); По акустике океана Звенигород, 1989); по магнитным материалам (Баку, 1979);
международных конференциях: Second International Congress on ;cent developments in air and structure borne sound and vibration (Au-urn, USA, 1992); European conference on underwater acoustic (Lux-nburg, 1992); Mossbayer spectrometry (Drezden, 1971); Underwater ioacoustics: Behavioral, Environmental and Evolutionary Perspectives taly, 1994); Альтернативная энергетика и проблемы экологии Турция, г.Кемер, 1995); Physical processes on the ocean shelf Svetlogorsk, Kaliningr. Region, 1996).
Ломоносовских чтениях (Москва МГУ, 1974,1987,1989,1995);
Ряде специализированных заседаний НТС секции прикладны: проблем АН СССР, НПО ВНИИФТРИ и других организаций.
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 8' работах, включающих 1 монографию и 13 Авторских Свидетельст СССР и Патентов РФ.
Основные научные положения, выносимые на защиту
-
Обоснование подхода к описанию акустических полей сигна лов и шумов {концепции векторно-фазовых методов), нозволяюще го на принципиально новой основе ставить и решать различные ак туальные задачи современной акустики и гидроакустики, которы базируется на получения дополнительной информации об акусти ческом поле при заданных пространственно-временных объема выборок за счет измерения в ограниченном числе точек среды на ряду с традиционной для акустических измерений скалярной хараь теристики поля — давления, его векторных характеристи {градиент звукового давления, колебательная скорость части среды в акустической волне и т.д.)', а также производных поля дан ления более высоких порядков, таких как биградиенты звуковог давления.
-
Установленные в процессе выполнения работы фундаменталь ные закономерности формирования векторно-фазовой структурі полей детерминированного и шумовых источников в стратифицированном океане, заключающиеся в том, что существуют вполн определенные функциональные связи между такими характерне ками акустического поля как давление и проекции колебательны скоростей и потоков акустической мощности, измеренными 0ДН( временно в одной и той же точке пространства, позволяющие pt шить задачу адекватности измерений, выполненных различным типами звукоприемников, и как следствие, снять метрологическу» проблему приведения измеренных ими уровней к единой стандар тизированной шкале.
-
Результаты анализа и экспериментальных исследований пом хоустойчивости приемных систем на базе приемников градиент давления, в том числе, установленного факта, что комбинироваг ный приемный модуль, измеряющий поток акустической мощне сти поля в единственной точке пространства, обладает уникалі ными, ранее не анализировавшимися свойствами, существенно ш вышающими его возможности при решении задачи обнаружена одиночных (в используемой частотной полосе анализа) детермиш рованных источников сигнала в океане с соотношением сш нал/помеха по полю давления меньшим единицы, за счет использе вания в алгоритмах обработки поступающей многоканальной т
формации методов пространственной фильтрации регистрируемых интенсивностей сигнала.
-
Установление нового экспериментального факта резонансного возбуждения в мелком водном слое источником, находящимся в воздухе, сигналов, распространяющихся С' одной и'той же скоростью в придонных водном и грунтовом слоях со слабым затуханием на значительные расстояния по горизонтали {эффект береговой зоны).
-
Разработанные в процессе выполнения работы, конструкции и основные акустические параметры новых приемников градиента и биградиента давления.
-
Методический подход к метрологической аттестации приемников градиента давления, обеспечивающий возможность сопостав-іения результатов измерений уровней сигналов, зарегистрирован-1ых приемниками различных типов в различных условиях проведе-іия экспериментов, и конструкция установки для реализации разработанного подхода.
Объем работы
Диссертация состоит из введения, 9 глав, в каждой из которых іриводятся оригинальные научные результаты, приложения с крат-:им описанием средств и методов проведения натурных ис-ледований, заключения, содержащего основные результаты и вы-оды работы и списка цитируемой литературы.
Общий объем диссертации 435 стр., включая 266 страниц текс-а, 206 графиков, рисунков и таблиц. Список цитируемой литерату-ы содержит 353 наименования.
