Повышение эффективности направленных свойств адаптивных гидроакустических систем с параметрическими антеннами

Аннотация

В рамках решения задачи повышения эффективности направленных свойств адаптивных гидроакустических систем с параметрическими излучающими антеннами в работе представлены результаты обобщения теоретических и экспериментальных исследований влияния гидрофизических неоднородностей на характеристику направленности параметрической антенны. Проводится сравнение результатов расчетов характеристики направленности параметрической антенны, полученных на основе модели Хохлова-Заболотской-Кузнецова, с результатами экспериментальных измерений направленных свойств параметрической антенны. Получена нормированная зависимость ширины характеристики направленности параметрической антенны от снижения разностной частоты относительно центральной частоты волн накачки от 5 до 16 раз. Проведена оценка влияния изменения скорости звука на направленность параметрической антенны. Получена нормированная зависимость ширины характеристики направленности параметрической антенны от значения скорости звука у поверхности преобразователя накачки. Установлено, что наибольшее влияние на характеристику направленности параметрической антенны оказывает изменение скорости звука до расстояний равных 1−2 длинам зоны дифракции волн накачки.

Ключевые слова: адаптивная гидроакустическая система, эффективность, параметрическая антенна, характеристика направленности, скорость звука. антенна гидрофизический параметрический звук Повышение эффективности адаптивных гидроакустических систем (АГАС) является важной задачей для развития современных акустических методов исследования океана [1]. При разработке АГАС с параметрическими излучающими антеннами (ПА) необходимо учитывать реальные океанологические условия работы таких систем. Наиболее важными факторами, оказывающими влияние на работу ПА в океане, являются гидрофизические неоднородности различного временного и пространственного масштаба, такие как [2]:

• -флуктуации гидрофизических параметров (скорость звука, температура, соленость, гидростатическое давление);
• -изменения гидрологических условий (сезонная зависимость профиля вертикального распределения скорости звука, коэффициента отражения звука от дна и коэффициента обратного объемного рассеяния, пространственно-временная изменчивость характеристик подводных звуковых каналов, пространственно-временная изменчивость водной среды, обусловленная влиянием рельефа дна и береговой линии).

Ранее [3−5] при разработке принципов адаптивного подхода к созданию АГАС были определены условия адаптивности и основные функции АГАС. Теоретическое рассмотрение задачи позволило систематизировать явления, которые определяют процесс нелинейного взаимодействия акустических волн, а также был рассмотрен ряд гидрофизических неоднородностей, оказывающих наибольшее влияние на формирование ПА.

В сравнении с линейными гидролокаторами АГАС с ПА являются качественно новым инструментом исследования океана благодаря совокупности технических характеристик, таких как высокая направленность на низких частотах при относительно малых размерах апертуры преобразователя накачки ПА, постоянство ширины характеристики направленности (ХН) в полосе рабочих частот [1, 6]. При практической реализации высокая эффективность в АГАС с ПА достигается в случае формирования высоконаправленного излучения [1]. На рисунках 1 и 2 показаны теоретически рассчитанные по теоретическим моделям ХН линейной акустической антенны [7] и ПА на основе модели Хохлова-Заболотской-Кузнецова (ХЗК) [1], соответственно.

Из представленных на рис. 1 и рис. 2 ХН видно, что для ПА боковое поле практически отсутствует. Результаты экспериментальных исследований, подробно представленные в [1, 6], подтверждают полученные теоретические закономерности формирования ХН ПА.

Разностная частота ПА не совпадает с частотами, излучаемыми преобразователями накачки [1], что необходимо учитывать проектировании приемного тракта АГАС с ПА.

Рис. 1. — Характеристика направленности линейной антенны

Рис. 2. — Характеристика направленности параметрической антенны

Прием акустических сигналов может осуществляться различными типами приемных антенн. На практике, наиболее часто встречаются два варианта решения [6]:

• -прием сигналов линейной антенной, ХН которой равна ХН ПА в режиме излучения;
• -прием сигналов резонансной антенной с линейными размерами, равными преобразователю накачки ПА.

При реализации первого варианта исполнения приемной антенны увеличиваются общие размеры акустической системы, а во втором варианте ХН приемной антенны оказывается шире, чем ХН в режиме излучения. Для ряда задач применяют широкополосную приемную антенну, размещенную рядом с преобразователем накачки ПА [8]. На рис. 3 показана ХН линейной приемной антенны, размеры активной части которой равны преобразователю накачки (рис. 1).

Рис. 3. — Характеристика направленности приемной линейной антенны

Как уже было отмечено выше, ХН является одной из наиболее важных технических характеристик ПА. Анализ результатов теоретических исследований формирования ХН ПА и экспериментальных измерений ХН ПА позволил определить примерный диапазон изменения направленных свойств ПА в реальных условиях работы. С целью обобщения результатов теоретических и экспериментальных исследований, полученных для различных ПА, было проведено сравнение нормированных значений ширины ХН ПА ИFi/Иf0 для случая снижения разностной частоты F ПА относительно центральной частоты волн накачки f0 в диапазоне f0/F от 5 до 16. Полученные нормированные зависимости ширины ХН ПА (1 — теоретическая зависимость, 2 — экспериментальная зависимость), показаны на рис. 4.

Рис. 4. — Нормированная зависимость ширины ХН ПА от снижения разностной частоты ПА относительно центральной частоты волн накачки

Полученные результаты показывают, что отличие ширины ХН ПА в реальных условиях от теоретической ХН может составлять до 10%. Учет таких отличий позволит повысить эффективность применения АГАС с ПА при проведении исследований океана, связанных с измерениями обратного объемного рассеяния акустических волн.

Модели, описывающие характеристики ПА в дальней зоне и оказываются справедливыми лишь в определенной области изменения параметров [1, 6, 9−11]. Так как область нелинейного взаимодействия представляет собой объемную антенну, то при разработке ПА необходимо учитывать влияние гидрофизических неоднородностей на процесс нелинейного взаимодействия и формирование характеристик ПА. Результаты проведенных теоретических исследований математической модели нелинейного взаимодействия акустических волн, учитывающей влияние изменения скорости звука на ХН ПА, показали, что увеличение скорости звука в среде помимо уменьшения уровня давления волны разностной частоты приводит к расширению ХН ПА. Так с увеличением скорости звука от 1500м/с до 1540м/с ХН расширяется примерно на 1 для высокочастотной ПА и на 0,5 для низкочастотной ПА, при значении ширины ХН ПА 6 и 4, соответственно. На рис. 5 показана нормированная зависимость углового распределения уровня звукового давления волны разностной частоты высокочастотной ПА от скорости звука (И1500 — ширина ХН ПА при значении скорости звука в воде, равном 1500м/с, Иi — ширина ХН ПА при значении скорости звука в воде, равном i, где i =1500; 1520; 1540м/с).

Рис. 5. — Нормированная зависимость углового распределения уровня звукового давления ПА от скорости звука

В результате был установлен диапазон изменения направленных свойств ПА, который составляет от 0,5 до 2. Такое изменение является существенным при ширине ХН ПА 4−6. В проводимых теоретических исследованиях значение скорости звука в воде принималось постоянным во всей области нелинейного взаимодействия. Дополнительно была рассмотрена задача определения той части области нелинейного взаимодействия, которая оказывает наибольшее влияние на изменение ХН ПА. С этой целью проведен ряд расчетов с различным градиентом скорости звука в области нелинейного взаимодействия, результаты которых показали, что необходимо учитывать изменение скорости звука до расстояний равных 1−2 длинам зоны дифракции волн накачки.

Таким образом, при разработке АГАС, с целью повышения эффективности направленных свойств ПА, необходимо выделить два момента:

• -выбор и расчет ХН ПА и приемной антенны, позволяющих адаптировать параметры АГАС для решения конкретной задачи в целом;
• -определение и оптимизация параметров нелинейного излучающего тракта ПА с учетом реальных гидрофизических неоднородностей.

Воронин В.А., Кузнецов В. П., Мордвинов Б. Г., Тарасов С. П. Тимошенко В.И. Нелинейные и параметрические процессы в акустике океана. Ростов-на-Дону: Ростиздат, 2007. 448с.

Акустика дна океана: под. ред. У. Купермана и Ф. Енсена; пер. с англ. М.: Мир, 1984. 454 с.

Кириченко И.А., Старченко И. Б. Принцип адаптивного подхода к управлению характеристиками акустических систем // Инженерный вестник Дона, Ростов-на-Дону, 2011, № 4 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4y2011/553.

Бублей И.Е., Кириченко И. А., Старченко И. Б. Информационная модель гидролокации и адаптивные принципы управления // Труды Конгресса по интеллектуальным системам и информационным технологиям «AIS-IT'10». Научное издание в 4-х томах. М.: Физматлит, 2010. Т.2. С.35−40.

Кириченко И.А., Старченко И. Б. Адаптивные гидроакустические средства: состояние и перспективы развития // Известия ЮФУ. Технические науки. Таганрог: ТТИ ЮФУ, 2013. № 9. С.20−24.

Воронин В.А., Тарасов С. П. Тимошенко В.И. Гидроакустические параметрические системы. Ростов-на-Дону: Ростиздат, 2004. 416 с.

Смарышев М. Д. Направленность гидроакустических антенн. Л.: Судостроение, 1973. 275 с.

Воронин В.А., Пивнев П. П., Тарасов С. П. Широкополосные гидроакустические антенны систем экологического мониторинга водной среды и придонных осадочных пород // Инженерный вестник Дона, Ростов-на-Дону, 2015. № 4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p2y2015/3476.

Новиков Б.К., Тимошенко В. И. Параметрические антенны в гидролокации. Л.: Судостроение, 1990. 275 с.

Akulichev V.A., Bezovetnykh V.V., Burenin A. V, Voytenko E.A., Kamenev S.I., Morgunov Yu.N., Polovinka Yu.A., Strobykin D.S. Remote Acoustic Sensing Methods for Studies in Oceanology // Ocean Science Journal, 2006. Vol. 41, № 2. pp.105−111.

Lee Y.S., Hamilton M.F. Time Domain Modeling of pulsed finite-amplitude sound beams // J. Acous. Soc. Am., 1995. V.97. № 2. pp. 906−917.