Разработка методики расчета и исследование акустических параметров пористых водонасыщенных грунтов

Актуальность темы

.

Мировой океан, занимающий порядка 60% территории нашей планеты, и содержащий по некоторым прогнозам до 70% полезных ископаемых и энергетических ресурсов Земли, имеет стратегическое значение в плане освоения его со стороны человечества. В программах индустриального развития высокоразвитых стран мира поставлена цель освоения ресурсов мирового океан, что приводит к резкому подъёму в развитии средств, позволяющих проводить исследование морского дна с целью обнаружения и классификации природных ископаемых, находящихся в глубинах морей.

Большой интерес для человека представляют также поиск заглублённых в грунт объектов и изучение акустических свойств донных грунтов для создания быстрых, дистантных и достоверных методов определения стратификации донных отложений и классификации их характера.

Решение вышеперечисленных задач исследования Мирового океана и освоения его богатств может быть осуществлено совершенствованием гидроакустических средств поиска и создания новых методов улучшения их технических характеристик, а также разработки методик расчёта основных акустических параметров среды по известным характеристикам составных частей сложных многокомпонентных естественных сред. Все эти мероприятия смогут повысить информативности акустических зондирующих сигналов и обеспечить возможность получения и обработки достоверных сведений об объекте исследования с хорошей разрешающей способностью.

Наиболее перспективным направлением в решении задач прецизионного зондирования донного грунта является развитие гидроакустических методов вертикального профилирования. До настоящего времени приёмные тракты профилографов строились исходя из согласования их характеристик с зондирующими сигналами без учёта частотных искажений эхосигналов, вызванных затуханием звука. В подобных гидроакустических приборах излучаемый акустический сигнал изменяет свою структуру после отражения, и по анализу этих изменений в сигнале судят о физических свойствах исследуемых донных осадков. Однако известно, что поглощение акустических волн в осадках резко возрастает с частотой, следовательно, эхосигналы, приходящие с разных глубин, будут иметь различный спектральный состав. Это говорит о том, что выполнение акустических исследований без предварительного расчёта и анализа акустических параметров донных грунтов может привести не только к отсутствию верного результата акустического профилирования дна, но и дать ложные сведения об исследуемой среде, что чревато в ряде случаев серьезными последствиями. Поэтому одной из приоритетных задач при создании гидроакустической аппаратуры такого класса является задача исследования взаимодействия зондирующего сигнала с границей вода-грунт и изучение изменений сигнала при прохождении им сквозь водонасыщенный грунт. Решение этой задачи особенно значимо при использовании для исследования дна параметрических профилографов, принцип работы которых основан на формировании волн рабочей частоты при взаимодействии волн конечной амплитуды. Такие профилографы обладают узкой характеристикой направленности и могут с успехом использоваться для классификации донного грунта.

Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию акустических параметров пористых водонасыщенных грунтов и созданию математического аппарата для расчёта этих свойств в водонасыщенных средах по известным характеристикам компонентов среды, а также исследованию зависимости энергетических характеристик параметрических гидролокационных систем от различных условии распространения звуковых волн в донных структурах.

Цель диссертационной работы.

Целью данной диссертационной работы является исследование влияния физических характеристик и свойств донных сред на их акустические параметры для повышения эффективности лоцирования донных отложений дистантными методами с помощью параметрических гидролокационных систем зондирования.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Проанализировать теоретические модели физических процессов, происходящих в пористых водонасыщенных средах при распространении при распространении в них акустических волн.

2. Провести выбор и оптимизацию расчётной математической модели, способной решить задачу моделирования процессов, происходящих в пористой водонасыщенной среде при прохождении акустических волн.

3. Исследовать зависимость основных акустических параметров среды от характеристик компонент пористой водонасыщенной среды.

4. Исследовать зависимость основных акустических параметров среды от характеристик зондирующего акустического сигнала.

5. Исследовать энергетические характеристики параметрических гидролокационных средств при лоцировании пористых водонасыщенных сред.

6. Провести экспериментальное подтверждение полученных расчётных характеристик.

7. Внедрить методы расчёта параметров пористых водонасыщенных сред для гидроакустических средств классификации донных грунтов.

Научные положения выносимые на защиту:

1. Физическая модель процесса распространения акустических волн в пористых водонасыщенных средах.

2. Методика расчёта акустических параметров пористых водонасыщенных сред, с различным составом компонент.

3. Методика расчёта зависимостей акустических параметров пористых водонасыщенных сред при варьировании характеристик зондирующего акустического сигнала.

4. Результаты исследований зависимостей основных акустических параметров пористых водонасыщенных сред от различных характеристик зондируемой среды и параметров акустического поля.

5. Методика расчёта энергетических характеристик параметрических антенн на основе расчетных акустических параметров донных осадков.

6. Результаты экспериментальных исследований акустических параметров донных осадков на основе спектрограммы отраженных сигналов.

Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующем:

1. На основе модели Био разработана физическая модель процессов, происходящих в пористых водонасыщенных средах при распространении в них акустических волн.

2. Проведены теоретические исследования акустических параметров пористых водонасыщенных сред в зависимости от их компонент на основе различных моделей расчёта параметров пористых сред.

3. Получены аналитические выражения, позволяющие анализировать зависимость акустических параметров пористых водонасыщенных сред от характеристик компонент донных осадков и компонент акустического поля.

4. Показана возможность использования полученных расчётных выражений для повышения эффективности определения энергетических характеристик параметрических антенн при лоцировании донных осадков по отраженному акустическому сигналу, на основе расчёта акустических параметров пористых водонасыщенных сред.

Практическая ценность результатов, полученных в диссертационной работе, состоит в следующем:

• получены новые знания о процессах взаимодействия акустического сигнала с пористыми водонасыщенными средами донных грунтов;

• разработан алгоритм расчёта основных акустических параметров пористых водонасыщенных донных структур на основе теории Био;

• показаны пути повышения информационного качества акустического сигнала, получаемого на основе стандартного гидроакустического оборудования;

• предложена оптимальная структурная схема для решении задач донного профилирования.

Во введении рассмотрены актуальность темы и цель диссертационной работы, обозначены задачи, которые необходимо решить для достижения поставленной цели, приведены результаты работы, выносимые на защиту, показаны научная новизна и практическая ценность работы, а также реализация результатов работы, апробация и результаты научной деятельности соискателя.

В первой главе выполнен обзор методов определения параметров пористых водонасыщенных сред. Рассмотрены основные модели расчёта параметров пористых водонасыщенных донных грунтов. Выполнен сравнительный анализ значений некоторых параметров среды рассчитанных с помощью различных теоретических моделей. Описаны основные физические и акустические свойства донных грунтов. Показана связь между параметрами водонасыщенных осадков и параметром нелинейности процесса распространения звуковых колебаний в среде.

Во второй главе представлено математическое описание теоретической модели, основанной на теории Био, для определения параметров среды акустическими методами. Рассмотрены соотношения напряжения и деформации в акустическом поле для упругих сред, уравнения движения и волновые уравнения, описывающие процесс распространения звука, для жидкости и пористой среды. Описаны принципы расчёта акустического импеданса жидкости и высокопористых материалов при нормальном падении звуковой волны, а также коэффициентов отражения и поглощения средой звуковых колебаний при нормальном их падении. Получены расчетные формулы для основных частотно зависимых параметров пористой водонасыщенной среды: эффективной плотности, модуля объемной упругости, скорости распространения звуковых колебаний в пористой водонасыщенного среде, характеристического и поверхностного импеданса пористой водонасыщенной среды для жесткой и упругой рамы материала, а также коэффициентов отражения и поглощения средой акустических колебаний.

В третьей главе на основе полученных теоретических исследований, проведено модельное исследование акустических параметров пористых водонасыщенных грунтов при изменении их основных характеристик. Исследовано влияние пористости скелета и вязкости заполняющей его жидкости на изменение, в широком диапазоне частот, параметров пористых водонасыщенных сред таких как: эффективная плотность среды, модуль объёмной упругости, скорость распространения звука в среде, характеристический и поверхностный импеданс среды, а также коэффициент отражения и поглощения средой акустических колебаний. Исследованы зависимости основных акустических параметров песчаных водонасыщенных сред, таких как поверхностный импеданс, коэффициенты отражения и поглощения материала от толщины слоя на различных частотах сигнала для жёсткой и упругой рамы. Представлены результаты исследования влияния толщины слоя песчаной водонасыщенной среды с жёсткой и упругой рамой на значения величин поверхностного импеданса, коэффициентов отражения и поглощения средой звуковых колебаний.

В четвертой главе проведено исследование энергетических характеристик параметрических антенн при лоцировании пористых водонасыщенных сред. Представлены основные принципы расчета энергетической дальности действия параметрических гидролокаторов в водной среде и рассчитаны энергетические характеристики параметрического профилографа для исследования пористых водонасыщенных донных структур. Произведён расчет оптимальных энергетических характеристик гидроакустического профилографа, требуемых при лоцировании слоя песчаной водонасыщенной донной структуры. Проведен анализ полученных результатов.

В пятой главе проведено исследование зависимости излучаемой акустической мощности, необходимой для эффективного лоцирования донных структур, от различных характеристик среды и параметров акустического сигнала. Выполнен сравнительный анализ полученных результатов с полученными ранее экспериментальными данными. Предложен принцип построения параметрического профилографа, способного обеспечит наилучшие возможности для исследования пористых водонасыщенных донных структур. Приведена его структурная схема.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.

Приложение содержит акты внедрения и использования результатов работы, результаты математического моделирования процесса распространения акустических колебаний в пористых водонасыщенных средах и расчёта энергетических характеристик параметрических антенн, в виде компьютерных программ написанных в программных обеспечениях MatLab 6.1 и MathCad 2001 Professional.

Реализация результатов работы.

Разработанные в диссертации модели, методы и полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы в научно-исследовательских работах кафедры ЭГА и МТ ТРТУ. Научные и практические результаты, полученные в диссертации, внедрены на предприятиях и в организациях: НЛП «НЕЛАКС» (г. Таганрог), НОЦ ММЭС (г. Таганрог), а также используются в учебном процессе подготовки студентов в Таганрогском государственном радиотехническом университете. Апробация:

Основные научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

— 45-й, 46-й, 47-й студенческих научных конференциях, ТРТУ, Таганрог, 1998, 1999, 2000 гг.;

— Всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых учёных и специалистов «Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы — Биомедсистемы-99». Рязань: РГТА, 1999;

— Шестой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Москва: МЭИ, 2000;

— V Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управленияКРЭС 2000». Таганрог: ТРТУ, 2000;

— Шестой международной научно-технической конференции — «Актуальные проблемы твёрдотельной электроники и микроэлектроники — ПЭМ-99». Таганрог: ТРТУ, 2000;

— Научной конференции с международным участием «Экология 2000 — море и человек», Таганрог: ТРТУ, 2000;

— Научно-технической конференции «Медицинские информационные системы — МИС-2000». Таганрог: ТРТУ, 2000;

— Второй Всероссийской научной конференции с международным участием «Экология 2002 — море и человек». Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2002;

— Научно-технической конференции «Нелинейные акустические системы «НЕЛАКС — 2003». Таганрог, ТРТУ, 2003;

— На XLIX научно-технической и научно-методической конференций профессорско-преподавательского состава, аспирантов и сотрудников ТРТУ. Таганрог, ТРТУ, 2004;

Объём и структура работы:

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы и приложения. Содержание диссертации изложено на 210 страницах и включает 95 рисунков и 126 наименований отечественной и зарубежной литературы.

5.3. Выводы.

1. Пористость скелета оказывает существенное влияние на величину затрачиваемой при озвучивании слоя среды акустической мощности. Изменение пористости приводит к смещению значения частот, на которых наблюдаются амплитудные всплески.

2. Изменение вязкости жидкости приводит к более сложным законам изменения мощности требуемой при озвучивании среды. При увеличении вязкости на два порядка в одном случае резонансные проявления уменьшаются, а в другом растут. При этом общая динамика изменения величины необходимой акустической мощности остаётся постоянной как по амплитуде, так и по частоте составляющей.

3. Изменении толщины озвучиваемого слоя среды, приводит к изменению амплитудной и частотной зависимости резонансных пиков, а также к изменению величины акустической мощности. С увеличением толщины зондируемого слоя донного грунта оптимальный диапазон акустической мощности смещается в область более низких частот. Величина затрачиваемой при этом акустической мощности существенно растёт.

4. Изменение расстояния от антенны до дна оказывает влияние на высоту резонансных всплесков и изменяет частотный диапазон оптимальных энергозатрат при лоцировании.

5. Имея базу данных параметров отраженных от различных донных структур сигналов и рассчитав зависимость изменения амплитуды сигнала от расстояния для конкретной среды, можно без проведения грунтоотбора и лабораторных исследований судить о свойствах пористой водонасыщенной донной структуры.

6. Проведенный на основе модели Алларда расчёт зависимости величины акустической мощности от частоты для различных значений солёности и температуры совпадает с известными результатами ранее проведённых теоретических и экспериментальных исследований.

7. Возрастающий уровень шумовых помех или требования к отношению сигнал/помеха принимаемого сигнала, приводит к прямо пропорциональному росту величины затрачиваемой на озвучивание слоя среды акустической мощности, как по среднему её значению, так и по резонансным всплескам.

8. Сравнение полученных расчётных результатов зависимости величины излучаемой акустической мощности от частоты с результатами полученных ранее экспериментальных исследований показали их качественное совпадение.

9. Зависимость величины акустической мощности от частоты акустического сигнала имеет ярко выраженные, особенно на низких (100 1000 Гц) частотах, всплески, которые могут оказывать существенное влияние на формирование реверберационной помехи.

10. Из всех характеристик среды и параметров звукового сигнала только толщина озвучиваемого слоя среды и расстояние с которого производится лоцирование оказывают существенное влияние на изменение частотного диапазона максимального к.п.д. сигнала, а следовательно, зная расстояние от антенны до дна и значения основных физических характеристик среды, можно определить толщину озвучиваемого слоя.

11. При проведении акустических исследований на заведомо известной глубине в пористой водонасыщенной среде предварительная математическая оценка энергетических характеристик ПА может позволить сэкономить не только энергозатраты, но и облегчить обработку сигнала, и кроме того позволит оценить мощность излучающей антенны, необходимую для озвучивания толстого слоя донной структуры на требуемой частоте.

12. При разработке гидроакустической аппаратуры для исследования донных структур необходимо учитывать особенности ряда измеряемых параметров, так как: большинство из них имеют реальные и мнимые составляющие, поэтому для получения их максимальной информативности следует использовать соответствующую обработку сигнала с выделением его комплексной частиповерхность границы раздела вода-грунт имеет не ровную форму и требует точного измерения профиля дна.

6.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В заключение отметим основные результаты выполненной в диссертации научно исследовательской работы:

1. Показано, что исследование акустических параметров пористых водонасыщенных донных структур является актуальной и приоритетной задачей подводной гидролокации, а акустические методы дистантного определения параметров водной среды и донного грунта являются наиболее перспективными при проведении гидрологических исследований. Установлено, что для получения достоверных результатов акустической локации необходимо наиболее точно определять широкий спектр характеристик объекта исследования.

2. На основе анализа математических моделей процесса распространения звука в пористых газои водонасыщенных средах установлено, что наиболее точной в настоящее время является модель Алларда, основанная на теории Био. Её использование позволяет получить наиболее достоверное и точное значение основных акустических параметров пористых водонасыщенных сред. Выполненный в диссертации математический расчёт на основе модели Алларда выявил сложную зависимость основных акустических параметров пористой песчаной водонасыщенной среды от характеристик озвучивающего сигнала.

3. Установлено, что величины эффективной плотности и модуля объёмной упругости песчаной водонасыщенной структуры при озвучивании акустическим сигналом в широком диапазоне частот не постоянны, причём увеличение пористости материала приводит к росту величины всех исследуемых параметров, а увеличение вязкости среды существенно увеличивает значение величины эффективной плотности при неизменном модуле объёмной упругости. Вследствие этого, все зависящие от этих параметров акустические параметры среды не постоянны и зависят от частоты акустического сигнала. Проведенное исследование влияния пористости материала и вязкости заполняющей его жидкости на изменение параметров пористых водонасыщенных сред в широком диапазоне частот показало, что на большинство акустических параметров среды влияние изменения пористости и вязкости среды так же весьма существенно.

4. Выполненный в диссертационной работе расчёт и исследование скорости распространения звуковых колебаний в песчаной водонасыщенной среде показал обратную зависимость: скорость звука в пористой водонасыщенной среде растёт с ростом частоты, а с увеличением пористости материала среды и вязкости заполняющей его жидкости уменьшается.

5. Проведённый расчет зависимостей характеристического импеданса и поверхностного импедансов для случаев жесткого и упругого скелетов показал, что во всех случаях наблюдается характерный спад их величины с ростом частоты. При этом величина характеристического импеданса зависит прямо пропорционально от величин эффективной плотности и модуля объёмной упругости среды, а величина поверхностного импеданса для обоих видов скелета имеет гораздо более сложную зависимость. Установлено, что при увеличении пористости материала и вязкости среды значение величины характеристического импеданса существенно растет.

6. Величина поверхностного импеданса для жесткого и упругого типов скелета пористого материала имеет различные значения, причем на низких частотах кривые зависимости импеданса от частоты имеют характерные всплески, что не позволяет предсказать точное значение этого параметра даже в узком диапазоне частот. Проявление данных всплесков для упругой рамы пористого материала имеет место в более широком диапазоне низких частот, чем для жесткого скелета. Установлено, что величина поверхностного импеданса, зависит от толщины озвучиваемого слоя пористой водонасыщенной среды. Уменьшение толщины озвучиваемого слоя приводит к расширению в области низких частот полосы, где имеют место всплески амплитуды,. Величина поверхностного импеданса для обоих типов скелета с ростом пористости снижается, а при увеличении вязкости растёт. При увеличении вязкости, заполняющей пористый материал жидкости, глубина проникновения акустического сигнала в грунт быстро сокращается.

7. Для коэффициентов отражения и поглощения акустических колебаний сохраняется сложная зависимость значений от частоты, а на низких частотах имеют место сильные скачки амплитуды. Проведённый анализ показал, что величина коэффициента отражения для обоих типов скелета с ростом пористости снижается, а при увеличении вязкости растёт, а значение коэффициента поглощения при увеличении пористости, напротив возрастает, а при увеличении вязкости уменьшается.

8. Исследование зависимости поверхностного импеданса, коэффициентов отражения и поглощения акустического сигнала средой от толщины слоя для жёсткой и упругой рамы показало, что с ростом частоты звука нестабильность этих параметров повышается, а с увеличением толщины слоя озвучиваемой песчаной водонасыщенной среды наоборот снижается. Исследование зависимости этих параметров в широком диапазоне звуковых частот показало, что с увеличением толщины слоя озвучиваемой среды количество и размах амплитудных всплесков сокращается, благодаря чему повышается предсказуемость значений акустических параметров. Установлено, что для упругой среды размах и количество амплитудных всплесков гораздо больше, чем для среды с жестким скелетом во всем спектре частот.

9. Расчёт энергетических характеристик параметрических профилографов выявили сложную зависимость этих характеристик от частоты. Поэтому при решении задач лоцирования необходимо учитывать максимально возможное количество факторов, способных повлиять на значение величины отраженного сигнала, в том числе коэффициентов прохождения и поглощения звука в грунте. Величина акустической мощности, необходимой для эффективного лоцирования донного грунта с заданным уровнем отношения сигнал/помеха принимаемого отраженного сигнала от различного по толщине слоя пористой водонасыщенной донной структуры, имеет в широком диапазоне частот различные значения и имеет характерные всплески амплитуды, наиболее явно проявляющиеся на низких частотах. Кроме того, установлено, что изменение пористости материала среды и вязкости заполняющей его жидкости оказывает существенное влияние на величину затрачиваемой для озвучивания слоя среды акустической мощности, имеющее сложный, неоднозначный характер.

10. Результаты расчёта показали, что при изменении толщины озвучиваемого слоя среды и при изменении расстояния от антенны до дна, имеет место изменение не только амплитудной и частотной зависимости резонансных всплесков, но и изменение общей зависимости величины акустической мощности от частоты. С увеличением толщины исследуемого слоя донного грунта оптимальный диапазон акустической мощности сдвигается в область более низких частот. Величина затрачиваемой при этом акустической мощности существенно растёт.

11. Анализ зависимости величины акустической мощности от частоты для различных значений температуры и солёности водной среды показал, что изменение температуры среды оказывает существенное влияние на величину необходимой акустической мощности, а изменение солёности во всём диапазоне реальных значений, характерных для естественных водоёмов, не оказывает существенного влияния на величину затрачиваемой при донном профилировании акустической мощности. Кроме того, установлено, что изменение значения средней частоты накачки параметрической излучающей антенны приводит к значительным изменениям величины затрачиваемой акустической мощности.

12. Сравнение полученных результатов расчёта зависимости величины излучаемой акустической мощности от частоты с результатами экспериментальных исследований показали их качественное совпадение.

13. Установлено, что зависимость величины акустической мощности от изменяющейся в широком диапазоне частоты акустического сигнала не постоянна и имеет ярко выраженные, особенно на низких частотах, всплески, которые и могут быть одним из источников «реверберационной помехи» .

14. Определено, что из всех характеристик среды и параметров распространения сигнала только толщина озвучиваемого слоя среды и расстояние с которого производится лоцирование дна оказывают существенное влияние на изменение частотного диапазона максимального к.п.д. сигнала.

Следовательно, зная расстояние от антенны до дна и значения основных физических характеристик среды, мы можем определить толщину озвучиваемого нами слоя.

15. Установлено, что при проведении акустических исследований пористой водонасыщенной среды предварительная математическая оценка энергетических характеристик ПА может позволить сэкономить не только энергозатраты, но и облегчить обработку сигнала, а также позволит оценить мощность излучающей антенны, необходимую для озвучивания толстого слоя донной структуры на требуемой частоте. Поэтому, при разработке гидроакустической аппаратуры для исследования донных структур необходимо учитывать особенности ряда измеряемых параметров, их комплексные составляющие и профиль границы раздела вода-грунт.