Содержание к диссертации
Введение
1. Постановка задачи неконтактного восстановления вертикальных профилей скорости звука 9
1.1.Формирование вертикальной структуры поля скорости звука в океане 9
1.2. Аналитический обзор методов акустического неконтактного восстановления вертикальных профилей скорости звука 13
1.3.Анализ работ, посвященных рассеянию акустических волн на неоднородностях морской среды при акустическом вертикальном моно- и бистатическом зондировании 22
1.4. Особенности зондирования морской среды гидроакустическими параметрическими излучателями 29
1.5.Выводы по первой главе и задачи на диссертационную работу 31
2. Разработка метода и методики акустического неконтактного восстановления профилей скорости звука 33
2.1.Разработка метода «параллельных звуковых лучей» для неконтактного определения скорости звука 33
2.2. Разработка методики и численное моделирование неконтактного восстановления профилей скорости звука 38
2.3.Оценка точности и устойчивости восстановления профилей скорости звука при помощи разработанного метода «параллельных звуковых лучей» 52
2.4.Основные результаты и выводы по второй главе 87
3. Разработка моделей реверберации морской среды при зондировании параметрическим источником 88
3.1.Разработка модели реверберации морской среды, обусловленной параметрическим источником звука 88
3.2. Разработка модели бистатического зондирования морской среды с применением параметрической излучающей антенны 96
3.3.Разработка модели параметрической антенны с переменными по трассе распространения свойствами морской среды 101
3.4. Основные результаты и выводы по третьей главе 117
4. Экспериментальное восстановление профилей скорости звука в жидкой среде и исследование рассеяния на пузырьковом слое 118
4.1. Описание состава и структуры экспериментальной установки для неконтактного восстановления профилей скорости звука в жидкой среде 118
4.2. Экспериментальное неконтактное восстановление профилей скорости звука в жидкой среде при помощи метода параллельных звуковых лучей 121
4.3.Экспериментальное исследование рассеяния звука на пузырьковом слое, озвученном параметрическим источником 131
4.4.Разработка структуры устройства, реализующего метод «параллельных звуковых лучей» для восстановления ПСЗ 142
4.5.Основные результаты и выводы по четвертой главе 146
Заключение 148
Список литературы 151
Приложения
- Аналитический обзор методов акустического неконтактного восстановления вертикальных профилей скорости звука
- Разработка методики и численное моделирование неконтактного восстановления профилей скорости звука
- Разработка модели бистатического зондирования морской среды с применением параметрической излучающей антенны
- Экспериментальное неконтактное восстановление профилей скорости звука в жидкой среде при помощи метода параллельных звуковых лучей
Введение к работе
Актуальность темы. Вертикальный профиль скорости звука (ПСЗ) является одним из основных гидрофизических параметров, который необходим при решении многих задач гидроакустики и океанологии: оценка гидролого-акустической обстановки в акватории; прогнозирование ожидаемой дальности действия корабельных гидроакустических средств; проведение подводных технических работ; исследование физических процессов и полей в Мировом океане; точное определение глубин и составление карт рельефа морского дна и т.д. Поскольку анизотропия морской среды определяется изменчивостью ПСЗ, то возникающая за счет этого вертикальная и горизонтальная рефракция играет решающую роль в распространении звука в океане. Все это свидетельствует о необходимости учета информации о ПСЗ при эксплуатации судовых и корабельных гидроакустических средств и важности развития этого направления в морском приборостроении.
В настоящее время разработаны и используются прямые методы измерения скорости звука в морской среде, обладающие высокими точностными характеристиками, но имеющими, однако, и серьезные недостатки. К ним относятся низкая производительность работ, высока дискретность точек промеров и значительные погрешности метода из-за горизонтальных смещений зонда при дрейфе судна и подводных течениях.
Неконтактные (дистанционные) методы основываются на импульсной акустической локации неоднородностей океана. По характеристикам рассеянного или прошедшего звукового сигнала изучаются физические свойства рассеивателей акустической энергии, оценивается их «геометрия», местоположение и т.п. Однако до настоящего времени отсутствовали методы дистанционного зондирования неоднородностей поля скорости звука в морской среде, которые могли бы быть воплощены в устройства восстановления ПСЗ. Вместе с тем, предпосылки для развития таких методов имеются. Работы многих авторов по исследованию гидрофизических полей океана показали, что океаническая среда является рассеивающей в любой точке своего объема. Поэтому, сопоставляя пространственные координаты рассеивающего объема и времени прихода рассеянных сигналов, можно производить оценку вертикального профиля скорости звука.
Поскольку на точность восстановления ПСЗ будет влиять величина «озвученного» объема, то значительный интерес представляет применение гидроакустических параметрических антенн в качестве излучателей звука, обладающих такими уникальными характеристиками, как высокая направленность и постоянство характеристики направленности в широком диапазоне частот и «гладкость» диаграммы направленности в области боковых лепестков.
В целом, актуальность темы настоящей диссертации заключается в решении научной и прикладной проблемы разработки метода, методики и устройства акустического неконтактного восстановления профилей скорости
звука в океане, т.е. его основной гидроакустической характеристики, имеющей важное народно-хозяйственное и оборонное значение.
Настоящая работа является продолжением исследований в области создания гидроакустических систем дистанционного зондирования неоднородностей океана с применением параметрических излучающих антенн, проводимых в Технологическом институте Южного федерального университета в г. Таганроге (ТТИ ЮФУ), и отличаются от предыдущих работ целью, постановкой задач, методами их решения и полученными результатами.
Целью диссертационной работы является разработка метода неконтактного восстановления профилей скорости звука, основанного на измерении времени прихода реверберационных сигналов.
Для достижения указанной цели в работе были поставлены следующие задачи:
– разработать метод и методику неконтактного восстановления ПСЗ;
– теоретически и экспериментально промоделировать разработанный метод неконтактного восстановления ПСЗ;
– разработать структуру устройства для акустического неконтактного восстановления ПСЗ;
– разработать модель бистатического зондирования морской среды параметрическим источником;
– экспериментально исследовать полевые характеристики некоторых рассеивателей при бистатическом зондировании параметрическим излучателем;
– разработать модель параметрической антенны с изменяющимися характеристиками морской среды.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработан новый метод и методика неконтактного восстановления ПСЗ, основанный на измерении разности времен прихода реверберационных сигналов по «параллельным» звуковым лучам.
2. Проведено теоретическое исследование разработанного метода с применением численных методов моделирования решаемой задачи.
3. Получены результаты экспериментального лабораторного моделирования разработанного метода неконтактного восстановления ПСЗ.
4. Произведен сравнительный анализ разработанного метода с известными. Показано, что разработанный метод устойчив к различным видам профилей скорости звука.
5. Разработана обобщенная структура устройства для неконтактного восстановления вертикальных профилей скорости звука в морской среде.
6. Проведено теоретическое исследование рассеяния узких звуковых пучков параметрических источников гидрофизическими неоднородностями морской среды.
7. Разработана модель бистатического рассеяния при зондировании неоднородной среды параметрическим источником.
8. Разработана модель параметрической антенны с изменяющимися па-
раметрами морской среды по трассе распространения акустического сигнала.
Результаты, выносимые на защиту:
1. Метод и методика неконтактного восстановления профилей скорости звука, основанные на определении разности времен распространения акустических сигналов по «параллельным» лучам.
2. Результаты теоретического и экспериментального моделирования разработанного метода неконтактного восстановления ПСЗ.
3. Модель бистатической реверберации морской среды, обусловленной параметрическим источником звука.
Практическая ценность результатов, полученных в диссертационной работе, состоит в:
– освоении нового метода неконтактного восстановления ПСЗ;
– возможности повышения точности и устойчивости решения задачи неконтактного восстановления профилей скорости звука;
– разработке обобщенной структуры устройства для акустического неконтактного восстановления ПСЗ;
– возможности проведения теоретических исследований реверберации морской среды при облучении ее параметрическим источником.
Реализация результатов работы. Разработанные в диссертации модели и полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований использовались в научно-исследовательской работе «Царапина». Полученные в диссертации научные и практические результаты внедрены на предприятиях и в организациях: ОАО «Таганрогский завод «Прибой», НИПИ «Океангнофизика»; используются в учебном процессе подготовки студентов в Технологическом институте Южного федерального университета в г. Таганроге (ТТИ ЮФУ).
Достоверность полученных результатов подтверждается проведенными теоретическими и экспериментальными исследованиями.
Апробация. Основные результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались и обсуждались на конференциях:
– I научной конференции студентов и аспирантов Южного научного центра (ЮНЦ) РАН (Ростов-н/Д, 2005 г.),
– научно-технической конференции «Проблемы прикладной гидроакустики» (Таганрог, 2005 г.),
– всероссийской научной конференции «Экология 2006 – Море и человек» (Таганрог, 2006 г.),
– VIII всероссийской научной конференции «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (Таганрог, 2006 г.),
– 53-54 научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ТТИ ЮФУ (ТРТУ) (Таганрог, 2005-2007 гг.),
– международной научно-технической конференции «Математические модели и алгоритмы для имитации физических процессов» (Таганрог, 2006 г.),
– XI школе-семинаре акад. Бреховских – «Акустика океана» совместно с XVII сессией Российского акустического общества (РАО) (Москва, 2006 г.),
– XVIII сессии РАО (Москва, 2006-2007 гг.).
Автор награжден дипломом XVIII сессии Российского акустического общества; принимал участие в двух научно-исследовательских работах по разработке систем гидроакустической локации и по изучению распространения звука в мелком море. В одной из этих работ задачей автора было измерение профилей скорости звука в море.
Публикации. По результатам исследований, проведенных в рамках темы диссертационной работы, опубликовано 14 научных работ: 12 статей (из них 3 – в изданиях, рекомендуемых ВАК) и 2 тезиса докладов, получены патент РФ и положительное решение о выдаче патента РФ.
Личный вклад автора. Все результаты, составляющие основное содержание диссертации, получены автором самостоятельно. Большинство опубликованных работ написано в соавторстве с научным руководителем д.т.н., проф. Борисовым С.А. Личный вклад автора в разных работах состоит в выводе основных расчетных соотношений и проведении теоретических и экспериментальных исследований и анализе полученных результатов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложений. Содержание диссертации изложено на 173-х страницах и включает 137 рисунков и 130 наименований отечественной и зарубежной литературы.
Аналитический обзор методов акустического неконтактного восстановления вертикальных профилей скорости звука
Из литературы известно, что первые измерения скорости звука в воде были,произведены в 1826 г. в Швейцарии [3]. Сущность метода заключалась в измерении времени прохождения звука от источника - расположенного под водой колокола - до находящегося на известном расстоянии наблюдателя с трубкой прослушивания, один конец которой был опущен в воду [16].
В ходе своего развития методы измерения скорости звука в воде были разделены на прямые и косвенные [17]. Прямые методы, в свою очередь, подразделяются на контактные [2, 18-23] и неконтактные (дистанционные) [24].
Неконтактные акустические методы измерения скорости звука основаны на использовании взаимодействия акустического излучения с морской средой (реверберации) и на решении обратной гидроакустической задачи: по параметрам излучаемого и принимаемого акустических сигналов находится одна из характеристик среды - распределение скорости звука.
Основными преимуществами неконтактных акустических методов определения профиля скорости звука является отсутствие необходимости применения подъемно-опускных устройств и кабельных каналов связи зонда с судном, что сравнительно упрощает и ускоряет процедуру определения профиля скорости звука. К недостаткам неконтактных методов на сегодняшний день относят невысокую точность восстановления профилей скорости звука. Дистанционные акустические методы исследования поля скорости звука включают в себя два направления: решение обратных волновых задач гидроакустики, когда по параметрам рассеянных в морской среде акустических сигналов восстанавливается профиль скорости звука, и решение обратных лучевых задач, когда профиль скорости звука восстанавливается по результатам определения траектории движения рассеянных акустических сигналов и измерении времени их распространения по известным траекториям.
К первой группе относятся способы определения профиля скорости звука, рассматриваемые в работах [26-30], но они не могут полностью стать основой структуры измерителей вертикальных профилей скорости звука в океане в связи с серьезными недостатками. Но с их помощью можно производить качественную оценку профиля скорости звука, уточнение гидрофизических свойств рассеивателей, разделение вкладов различных видов рассеивателей в общий уровень реверберации с целью доопределения характеристик вертикального профиля скорости звука в океане.
Другое направление дистанционного акустического исследования поля скорости звука основано на лучевом методе - определение профиля скорости звука осуществляется по известным расстоянию между излучателем и приемной системой, углам наклона парциальных лучей характеристики направленности приемной системы и временам распространения акустического сигнала от точки излучения до соответствующего рассеивающего объема и далее к приемной акустической системе [17, 24, 25, 32].
Структура одного из первых дистанционных реверберационных измерителей профиля скорости звука [33] имеет следующий вид (рис. 1.5). Здесь (/) - излучатель; (2) - приемная система; (3) - импульсный генератор; (4) - приемник; (5) - измеритель временных интервалов; (б) -вычислительное устройство; D — расстояние между излучателем и приемной системой. Структурная схема акустического дистанционного измерителя профиля скорости звука.
Принцип работы измерителя профиля скорости звука основан на регистрации рассеянного неоднородностями среды акустического сигнала высокочувствительной приемной системой (2), имеющей в вертикальной плоскости набор остронаправленных приемных лучей с углом наклона а{ (0 ог, 90) и пересекающих характеристику направленности излучателя (7) на соответствующих горизонтах z„ и определении значений скорости звука с, в областях пересечения приемных характеристик направленности и
Аналогичное усовершенствованное устройство для измерения вертикального распределения скорости звука в жидких средах предложено в [34]. С целью повышения точности измерений в структуру устройства введен импульсно-циклический (контактный) измеритель скорости звука, располагаемый в области акустических приемников, использование результатов измерений которого позволяет минимизировать погрешность определения углов наклона at парциальных приемных характеристик направленности. Для обеспечения возможности измерения ПСЗ на ходу судна в [35] предложено выделять доплеровский сдвиг частот в принятом приемоизлучателем сигнале, рассеянном неоднородностями среды в обратном направлении, и коррекции результатов измерений в соответствии с доплеровским сдвигом.
Сущность способа восстановления ПСЗ, представленного в [36], заключается в дистанционном последовательном измерении доплеровского сдвига, времени его существования и величины транспортного запаздывания эхо-сигналов вертикальных каналов, при котором коэффициенты авто- и взаимной корреляции равны между собой, а затем рассчитывают толщину очередного слоя и глубину его нижней границы.
В описании изобретения [37] предлагается определять угол прихода рассеянных сигналов путем сравнения спектров частотно-модулированных акустических сигналов, принимаемых двумя разнесенными на известное расстояние приемниками.
К недостаткам описанного выше способа восстановления ПСЗ и измерителей, построенных на его основе, относятся следующие: - поскольку для обеспечения удовлетворительного результата решения обратной задачи восстановления ПСЗ пара приемников должна располагаться на относительно большом удалении от излучателя (D десятки метров), а расстояние между приемниками должно быть не менее нескольких метров, чтобы определять с необходимой точностью времена запаздывания, то лучи прихода акустических сигналов к приемникам нельзя считать параллельными. Это приводит к тому, что будет всегда иметь место неконтролируемая методическая погрешность определения углов прихода, которая в десятки раз превосходит допустимую (сотые доли градуса) [38]; - для восстановления ПСЗ с погрешностью по скорости звука Лс \ м/с требуется погрешность определения времен прихода порядка 5-Ю"5 с при растворе характеристики направленности (ХН) излучателя 200,7=1 . При этом время и число зондирований увеличивается в десятки раз, а дисковый излучатель с указанным раствором ХН на наиболее вероятных частотах зондирования имеет диаметр около метра; - при рассеянии излученного акустического сигнала на отдельных дискретных рассеивателях теряет смысл способ корректировки влияния движения судна на работу неконтактного измерителя ПСЗ, предложенного в [35], поскольку рассеиватель на некоторой глубине в сечении ХН излучателя может находиться каждый раз случайным образом на горизонтали от оси ХН.
Разработка методики и численное моделирование неконтактного восстановления профилей скорости звука
Для того чтобы восстановить вертикальный профиль скорости звука в морской среде необходимо «разбить» трассу, на которой осуществляется восстановление, на слои, задавшись необходимым шагом по глубине, и последовательно (послойно) определить значения скорости звука в этих слоях при помощи описанного в п. 2.1 метода «параллельных звуковых лучей», разработанного автором.
Одна из возможных реализаций предлагаемого метода неконтактного восстановления профилей скорости звука и методика восстановления описаны ниже [97], а геометрия задачи показана на рис.2.3.
Вертикально ориентированный излучатель И акустических сигналов посылает в исследуемую среду звуковые импульсы, которые, рассеиваясь на неоднородностях морской среды в области пересечения излучающего и приемных лепестков характеристик направленности, регистрируются приемной системой, размещенной на определенном расстоянии D от излучателя и состоящую из трех акустических приемников /77, 772 и 773, расположенных на расстоянии d друг от друга. Геометрия задачи восстановления ПСЗ по методу «параллельных звуковых лучей»
Акустические приемники с последующей схемой обработки сигналов образуют две приемные корреляционные системы, расположенные друг за другом. Корреляционные приемные системы обеспечивают прием рассеянных сигналов с одного и того же направления, задаваемого углом приема оц. Каждая пара приемных лучей с одинаковым углом приема следует за предыдущей с определенным шагом по углу, зависящем от заданного шага по глубине, для того, чтобы перекрыть трассу восстановления профиля скорости звука. Таким образом, в пространстве формируются два веера статических лучей приемной характеристики направленности (ХН), характеризуемых фиксированным значением угла приема ait причем одноименные (по углу приема) лучи в обоих веерах оказываются «параллельными». Профиль скорости звука восстанавливается по известным расстояниям между излучателем и приемной системой и между акустическими приемниками, и по разности измеренных зависимостей времен прихода рассеянных акустических импульсов по лучам приемных ХН в зависимости от угла приема.
Необходимо отметить, что вместо двух корреляционных приемников, состоящих из трех акустических приемников, в описанной системе могут быть использованы две остронаправленные приемные акустические антенны с веерами одинаково направленных («параллельньгх») лепестков ХН.
Для численного моделирования задачи восстановления профиля скорости звука сначала необходимо решить прямую гидроакустическую задачу, т.е. вычислить времена прихода рассеянных сигналов на приемники в зависимости от угла приема t,{ai). Для этого необходимо задаться вертикальным профилем скорости звука, расстояниями между акустическими приемниками d и расстоянием между приемной системой и излучателем D, а так же шагом по глубине & (или шагом по углу приема) в соответствии с необходимой глубиной восстановления профиля скорости звука. Далее необходимо определить истинные точки пересечения приемных статических лучей ХН с излучающим в зависимости от заданного профиля скорости звука и рассчитать времена прихода рассеянных сигналов (решение прямой и обратной задач по восстановлению некоторого профиля скорости звука см. в приложении).
Следующим этапом моделирования является решение обратной задачи (восстановление профиля скорости звука), осуществляющееся следующим образом. По рассчитанной (измеренной) для каждого корреляционного приемника зависимости ,-(«,) рассчитываются задержки At{ прихода рассеянных сигналов на второй корреляционный приемник относительно первого (вычисляются разности прихода рассеянных сигналов по «параллельным» звуковым лучам), и определяются средние скорости звука с,-в слоях в соответствии с выражением (2.5) п. 2.1. Затем путем «расстановки» рассчитанных средних значений скорости звука на горизонты, определенные из прямоугольного треугольника без учета профиля скорости звука, в вершинах которого расположены излучатель и приемная система, в соответствии с углами приема, определяется приближенный профиль скорости звука, по которому вновь рассчитываются истинные горизонты пересечения приемных и излучающего лепестков ХН (т.е. решается прямая задача в рамках обратной). Затем осуществляется «расстановка» найденных значений средних скоростей в соответствии с вновь рассчитанными истинными горизонтами. Причем процедуру доопределения истинных горизонтов можно повторить несколько раз с целью повышения точности.
Для численной апробации предлагаемого метода неконтактного восстановления использовались три из основных типов профилей скорости звука - с нулевым градиентом (рис. 2.4 а), с постоянным положительным градиентом (рис. 2.4 б) и с переменой постоянного отрицательного градиента на постоянный положительный (рис 2.4 в), т.е. профиль скорости звука, формирующий подводный звуковой канал (ПЗК). Сплошной линией показан исходный профиль скорости звука, а кружочками - восстановленный. Из рисунков видно, что восстановленные профили полностью совпадают с исходными (сплошная линия проходит внутри кружков).
Для моделирования близкого к реальному профиля скорости звука использовалась методика, описанная в работе [98], суть которой заключается в задании среднего профиля скорости звука c(z) и тонкоструктурных флуктуации скорости Sc(z), накладываемых на средний профиль. В данном случае для упрощения флуктуации задавались гармоническими функциями, хотя реальное распределение значений флуктуации имеет случайный характер. Результаты моделирования вертикального профиля скорости звука представлены на рис.2.5 а-2.5 в. Вертикальные масштабы флуктуации в данном случае составляют 5-10 м, а их максимальная амплитуда - ±1 м/с [98].
При моделировании задачи восстановления профиля скорости звука использовались следующие исходные данные: расстояние между излучателем и приемной системой D = 25 м, расстояние между акустическими приемниками d— 1 м, шаг по углу приема выбран таким образом, чтобы осуществить перекрытие трассы дистанцией z = 500 м с интервалом & = 5м (а,« 11-87), при этом мощность моделируемых слоев линейно увеличивалась от 0,2 м до 20 м вследствие увеличения угла приема «параллельных» лучей, осуществляемого для перекрытия необходимой глубины восстановления (см. рис.2.3). Нужно отметить, что такое увеличение вертикальной протяженности слоев заметно не сказывается на результате восстановления, поскольку флуктуации скорости звука с глубиной уменьшаются [98], и профиль скорости звука становится гладким, в то время как восстанавливается средняя скорость звука в зондируемом слое, а она будет соответствовать скорости на текущем горизонте.
Разработка модели бистатического зондирования морской среды с применением параметрической излучающей антенны
Для реализации разработанного во второй главе метода «параллельных звуковых лучей» необходимо разнесение в пространстве излучающей и приемной акустических антенн, т.е. осуществление бистатического дистанционного зондирования морской среды. Применение в качестве акустического излучателя параметрической антенны, обладающей рядом преимуществ перед традиционными интерференционными антеннами и являющейся уникальным инструментом для задач дистанционного зондирования морской среды, обусловливает интерес к исследованию вопросов бистатического зондирования морской среды с применением параметрической излучающей антенны.
Геометрия задачи представлена на рис.3.2 [66, 111, 112], где ПИ -гидроакустический параметрический излучатель; 77 - гидроакустический приемник; D — акустическая база (расстояние между излучателем и приемником); 0- бистатический угол рассеяния; г\, г2 — фокальные радиусы точки, пробегающей область V, образованную эллипсоидами вращения с фокусами в точках излучения и приема и телесным углом характеристики направленности излучателя. Приемник (77) полагается ненаправленным, и вертикальное расстояние между эллиптическими поверхностями вращения в этом случае равно с т/2, где с - скорость звука в воде, г — длительность зондирующего импульса.
Одной из наиболее вероятных для океана моделей рассеяния звуковых волн является случай, когда рассеиватели малы по сравнению с длиной волны и не создают явно выраженных граничных поверхностей или сильных градиентов в распределении. При такой модели рассеивателей можно считать, что между рассеянными волнами параметрического источника отсутствует корреляционная связь, и рассеянное акустическое поле не содержит когерентной составляющей.
При рассмотрении бистатической реверберации, обусловленной параметрическим источником, ограничимся рассмотрением «линейной» составляющей реверберации (см. п. 3.2), полагая, что по сравнению с ней вклад «нелинейной» составляющей незначителен, хотя в океане при определенных условиях вклад «нелинейной» составляющей может быть заметным.
Для нахождения среднего квадрата модуля звукового давления волны разностной частоты (\Р.\2), рассеянной под бистатическим углом 0, примем модель параметрической антенны с круглым раскрывом источника первичных волн с гауссовым распределением амплитуд, полученную в результате решения уравнения Хохлова-Заболоцкой-Кузнецова [84], а звуковые импульсы волн накачки представим в бигармоническом приближении. При детальном рассмотрении рассеивающего объема V, изображенного на рис.3.3 видно, что все волны, рассеянные из точек, для которых величина гі+Г2 постоянна (см. рис.3.2), приходят к приемнику в один и тот же момент времени. Эти точки расположены на поверхности эллипсоида вращения, фокусы которого совпадают с точками расположения излучателя и приемника. Так же видно, что рассеивающий объем представляет собой эллиптический цилиндр, объем которого равен объему среды, занимаемому в пространстве зондирующим импульсом.
Для параметрической антенны характерно то, что по мере распространения первичных волн происходит их взаимодействие, поэтому каждый элементарный слой озвучиваемого объема будет рассеивать звуковые волны с изменяющимся за счет нелинейного взаимодействия амплитудами. Считая эти изменения амплитуд не существенными на пути Ah, равном длине волны разностной частоты (т.е. Ah=XS), представим текущий озвучиваемый слой среды ЛН=с т/2 в виде суммы парциальных рассеивающих слоев Ah, как показано на рис.3.3. Каждый такой слой рассеивает волны независимо друг от друга и дает вклад в общее звуковое давление бистатической реверберации.
Как отмечалось в п. 1.4, гидроакустические параметрические антенны (ПА), обладая такими характеристиками, как широкополосность и постоянство высоких направленных свойств в широкой полосе частот излучаемых сигналов, являются уникальным инструментом в изучении гидрофизических полей океана дистанционными методами. Следовательно, использование параметрических излучателей в устройствах неконтактного восстановления профилей скорости звука является наиболее перспективным.
Известно [83, 84, 100], что роль объемной антенны, излучающей сигнал разностной частоты, выполняет участок водной среды, где происходит нелинейное взаимодействие высокочастотных волн накачки. Очевидно, что характеристики ПА будут являться, в том числе, и функцией гидрофизических параметров среды взаимодействия, таких, как параметр нелинейности є, скорость звука с, коэффициент затухания звука /? и т.п.
Поскольку гидрофизические поля океана имеют вертикальную стратификацию, то можно считать, что они зависят только от глубины, т.е. є = s(z), с = c(z) и (5 = j3(z). Эти параметры морской среды могут существенно зависеть от ее микроструктуры. Особенно сильно эта взаимосвязь проявляется в верхних слоях океана из-за повышенной концентрации в этих слоях парогазовых пузырьков, возникающих вследствие многих причин [3, 15]. В связи с этим актуальна задача исследования характеристик ПА в условиях изменяющихся параметров реальной морской среды.
В отличие от модели авторов [101-103], в основе которой лежит принцип аппроксимации функциональной зависимости параметра нелинейности от координаты ступенчатой функцией и соответствующего суммирования амплитуд звуковых давлений, создаваемых отдельными парциальными параметрическими антеннами (со своими парциальными постоянными коэффициентами нелинейности), модель, разработанная автором данной работы, получена непосредственно из уравнения Хохлова-Заболоцкой-Кузнецова (ХЗК) (3.20) [83] с переменными по трассе распространения параметром нелинейности, затуханием и скоростью звука и позволяет учитывать плавное изменение этих параметров.
Найдем решение уравнения ХЗК для круглого гауссова звукового пучка по той же технологии (с преобразованиями Фурье-Бесселя), что и для случая с постоянными параметрами [83]. Переписывая уравнение ХЗК так, чтобы в правой части оказались члены второго порядка малости (по порядку числа Маха р), и предположим, что параметр нелинейности є =s(z) является функцией продольной координаты z (приводится решение только для изменяющегося параметра нелинейности, хотя для скорости звука и коэффициента затухания решение аналогично).
Экспериментальное неконтактное восстановление профилей скорости звука в жидкой среде при помощи метода параллельных звуковых лучей
В рамках лабораторного моделирования задачи восстановления [114, 115, 117, 122, 123] рассматривались два профиля скорости звука в воде, заполняющей гидроакустический бассейн. В одном случае скорость звука была постоянна во всем объеме, то есть среда была однородной, и профиль скорости звука был линейным с нулевым градиентом. Во втором — формировалась область скачка скорости звука на определенном расстоянии от акустического излучателя.
Профиль со скачком скорости звука формировался следующим образом [122, 123]. Каркас из дюралюминиевого прутка размерами 0,7x0,8x0,5 м был обернут полиэтиленовой пленкой толщиной 130 мкм так, чтобы получилась ванна, которая была опущена в гидроакустический бассейн (рис.4.2, рис.4.3)) и заполнена раствором поваренной соли — соленость внутри полиэтиленовой ванны составила = 22%о; скорость звука спв = 1510 м/с при температуре ґ = 24С. При этом скорость звука вне дополнительной ванны в бассейне равнялась с - 1493 м/с. При восстановлении профиля скорости звука в однородной среде скорость звука в бассейне была равна Сб=1488 м/с. Дистанция восстановления профиля скорости звука, равная 1,5 м, была разбита на 15 горизонтов с шагом 0,1 м. Расстояние между излучателем и центром между двумя приемниками — D = 0,4 м («200/1), расстояние между акустическими приемниками -d= 0,06 м («ЗОЯ). Затем на ЭВМ рассчитывались средние значения скорости звука в слоях по трассе восстановления по описанной в п. 2.2 методике. Результаты восстановления, усредненные по трем циклам измерений для каждого профиля, показаны на рис.4.6-4.7для однородной и неоднородной сред, соответственно [117, 122]. На рис. 4.6-4.7пунктирная линия - исходное значение скорости звука; заштрихованные области - доверительный интервал измерения контактным датчиком; кружочки, соединенные точечной линией - результат расчета средних скоростей звука по экспериментальным данным; сплошная кривая -восстановленный профиль скорости звука, полученный путем усреднения расчетных данных полученных в результате эксперимента.
Из рисунков видно, что полученное в результате расчета по экспериментальным данным среднее значение скорости звука отклоняется от исходного значения не более чем на 4 м/с, тогда как восстановленный профиль скорости звука близок к границам доверительного интервала измерений при помощи контактного датчика для однородной среды и внутри области скачка скорости звука для неоднородной среды. Во втором случае границы области скачка скорости звука на восстановленном ПСЗ получились плавными по причине того, что слой водной среды вблизи границы раздела захватывал обе среды с разными скоростями, а восстанавливалось среднее значение скорости звука в слое.
Необходимо отметить, что результат восстановления зависит от степени усреднения расчетных данных, которое нужно оптимизировать для конкретных случаев. В данном случае использовалась стандартная функция сглаживания (усреднения) ksmooth(VX, VY, b) прикладного программного пакета MathCAD [124], возвращающая и-мерный вектор сглаженных данных VY, вычисленных на основе распределения Гаусса. VX и VY — и-мерные векторы действительных чисел. Параметр Ъ - полоса пропускания — задает ширину окна сглаживания (в данном случае Ъ = 0.3, что в три раза больше интервала между точками по оси z). Таким образом, точность дистанционного восстановления ПСЗ может достигать ±1 м/с, что достаточно для многих задач современной гидроакустики. Это свидетельствует о перспективности развития неконтактных методов и устройств восстановления профилей скорости звука в море.
В другом опыте профиль скорости звука восстанавливался при условии, что приемная система представляет собой линейку акустических приемников (см. п. 2.2.- вторая реализация метода «параллельных звуковых лучей»). Результатом измерений является зависимость времени прихода звуковых сигналов от координаты положения приемника, показанная на рис.4.8 (в данном случае полагается, что достаточно протяженная база заполняется большим количеством остронаправленных приемников, следующих друг за другом через малые промежутки Ах = d). При проведении измерений приемник (3) (см. рис.4.1) перемещался вдоль базы через Ах= 10 мм («1,ЗЯ) до значений = 530мм («70Л) для трех значений угла приема: «Ьі=40; аь2= 63,5; аоз=7\,5, чтобы перекрыть всю дистанцию восстановления ПСЗ. При проведении измерений среда была однородной, а скорость звука в воде была равна с0=1488 м/с. Поскольку не было технической возможности совместить излучатель и приемник, то восстановление начиналось дистанции z = 160 мм.
