Использование приемных параметрических антенн в средах с газовыми включениями Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 234.222.2

А.В. Воронин, В.А. Воронин

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИЕМНЫХ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ АНТЕНН В СРЕДАХ С ГАЗОВЫМИ ВКЛЮЧЕНИЯМИ

Приводятся характеристики приемной параметрической антенны, работающей в среде с газовыми включениями. Показано, что газовые включения изменяют характеристику направленности приемной параметрической антенны, уровень боковых лепестков и величину выходного сигнала. Введение амплитудного распределения по длине антенны за счет затухания волны накачки в среде с газовыми включениями приводит к расширению характеристики направленности, «затыванию» нулей в характеристике направленности и повышению уровня бокового поля. При повороте характеристики направленности, закономерности влияния затухания волн накачки сохраняются.

Приемная параметрическая антенна; характеристика направленности; уровень бо.

A.V. Voronin, V.A. Voronin

USING THE RECEIVING PARAMETRIC ARRAYS IN ENVIRONMENTS

WITH GAS INCLUSIONS

In paper the features receiving parametric array, working in environments with gas inclusions. It is shown that gas inclusions change the beam pattern of the reception parametric array, level of lateral petals and size of a target signal. Entering intensity distribution on length parametric array to account of the fading the wave of the pumping in ambience with gas cut-in brings about expansion of the feature to directivities, "smooths" zeroes in feature of the directivities and increasing lateral field level. At tumbling of the feature to directivities, regularities of the influence of the fading the waves of the pumping are saved.

Reception parametric array; beam pattern; level of lateral petals.

В задачах экологического мониторинга сред часто используются акустические средства зондирования. Наиболее перспективными акустическими средствами для этих целей являются системы с параметрическими излучающими и приемными антеннами, работа которых основана на генерации волн в нелинейной среде, какой и есть морская водная среда. Взаимодействие акустических волн в приемных и излучающих параметрических акустических антеннах происходит в среде с изменяющимися характеристиками: плотностью среды, скоростью звука, затуха-, . -ров меняются характеристики результирующего поля. И если такие характеристики для излучающих параметрических антенн достаточно хорошо изучены, чтобы по ним судить о параметрах среды взаимодействия, то характеристики приемных параметрических антенн в таких средах необходимо уточнить. Особенно сильно влияют на характеристики приемных параметрических антенн растворенные газо-. -.

приема низких частот предполагает использование больших баз антенны и, следовательно, довольно низких частот волн накачки. Так, в одной из приемных антенн [1] использовалась частота волны накачки 20 кГц для приема волны с частотой 1 кГ ц. Эти частоты лежат в области дисперсии в среде с пузырьками.

Для анализа характеристик приемной параметрической антенны в среде с газовыми включениями можно выделить три параметра, влияющих на характери:

♦ затухание вол н в таких средах;

♦ дисперсия волн;

♦ повышенный коэфф ициент нелинейности.

Рассмотрим как влияет затухание на характеристику направленности приемной параметрической антенны.

Получить характеристику направленности такой антенны возможно интегрированием поля, создаваемого источниками с таким фазовым распределением [1, 2]:

Т 0 = Р а кЬ2 (е — 2 8т 2 — 1 • \в‘а( х) • ек (1-008 0) д х, (1)

2Росо V 2 ) о

где к - волновое число, Ь - база антенны, р0, с0 - плотность и скорость звука в невозмущенной среде, е - параметр нелинейности среды, а - коэффициент затухания, 0 - угол между направлением распространения волны сигнала и волны накачки, Рш - амплитуда волны сигнала.

Параметрическая акустическая приемная антенна является в общем случае антенной бегущей волны и линейное распределение фазы по длине антенны может вполне сочетаться с различными изменениями амплитуды по апертуре. В параметрической приемной антенне распределение источников по апертуре определяется нелинейным взаимодействием волны сигнала с волной накачки. Как показано ранее [2], это распределение пропорционально произведению амплитуд давления волн накачки и сигнала. Поскольку в качестве волн накачки обычно используются волны с частотой намного большей частоты волны принимаемого сигнала, то распределение амплитуды источников по длине приемной антенны будет в основном зависеть от затухания волн накачки. Изменяя частоту волны накачки, можно управлять затуханием и, следовательно, амплитудным распределением источников по апертуре антенны.

(1) , следующее выражение для характеристики направленности приемной параметрической антенны с учетом затухания:

ь

^ е-Цх е^а( х) ^‘кх (1-соб0) дх

Я (0) ----------1-----------------. (2)

О

— Цх

В этом выражении сомножитель е отражает изменение амплитудного распределения по длине антенны за счет затухания волны накачки с коэффициентом затухания ц.

Проанализируем влияние затухания волн накачки на характеристику направленности, используя выражение (2). Сначала положим, что фазовая скорость совпадает со скоростью звука в свободном пространстве. На рис. 1 приведены диаграммы направленности параметрического приемника для разных значений коэф-

,

заведомо большим для наглядности его влияния.

Характеристики направленности рассчитывались для следующих параметров антенны (рис. 1): Ь/Л=10, с0=1 500 м/с, ^ = 1 500 м/с. Кривая 1 соответствует коэффициенту затухания, равному 0, 2 - 0,5, 3 - 1, 4 - 2.

Анализ диаграмм показывает, что введение амплитудного распределения по длине антенны за счет затухания волны накачки приводит к расширению характе-

ристики направленности, «заплыванию» нулей в характеристике направленности и повышению уровня бокового поля. Причем чем больше затухание, тем более выражены эти изменения.

На рис. 2 приведены диаграммы направленности параметрической приемной антенны при повороте характеристики направленности за счет изменения фазовой скорости волны накачки. Расчеты проводились при тех же параметрах антенны, но при Уф =2 000 м/с.

Рис. 1. Диаграммы направленности параметрической приемной антенны без сканирования характеристики направленности

Рис. 2. Диаграммы направленности при скан ирован и и характ ер ист ики направленности за счет изменения фазовой скорости волны накачки

Анализ результатов расчетов показывает, что и при повороте характеристики направленности закономерности влияния затухания волн накачки сохраняются.

, -дается не симметричность характеристики относительно оси антенны, проходящей через максимум характеристики направленности. Это косвенным образом подтверждает правильность проведенных исследований, поскольку в теории антенных [4] .

Теперь оценим влияние наличия газовых включений на характеристику направленности приемной параметрической антенны.

Зависимость скорости звука от частоты при нахождении в единице объёма

воды п пузырьков радиусом а находится по формуле

С(/) = Со

1—

3■и■Z2•В

2■ к02 ■ а02-(В2 + 81

4]:

4 2

где и =-ж-п■ а0 3 0

относительный объём воздуха в воде, Z =

А

/

(1)

В = Z 2 -1,

к0 = 2 ■^■/°

■ резонансное волновое число.

(3) , -

купность пузырьков различных размеров посредством замены и на и(а)йа и интегрирования по а от х1 до х2 [4]:

с( / ) = С0

■(в 2 + 52)

йа

(2)

где ы(а)йа - относительный объём воздуха, приходящийся на пузырьки с радиуса-х1 х2.

С

0

1

2■к' ■ а

X

0

На рис. 3 приведена зависимость фазовой скорости звука в морской воде от частоты при двух различных концентрациях воздушных пузырьков (п=103, 104)

—5 —3

радиусом от 2 -10 до 2 -10 см.

Рис. 3. Зависимость фазовой скорости звука в морской воде от частоты при концентрации воздушных пузырьков и=1&, 10 и радиусах пузырьков от 2 -10—5 до 2 -10—3 см

Проанализируем изменение характеристики направленности в такой среде для параметрической приемной антенны.

Выше на рис. 2 показано, что изменение фазовой скорости в сторону увеличения ведет к смещению максимума характеристики направленности, т.е. к повороту основного лепестка. В среде с газовыми включениями фазовая скорость может быть меньше скорости звука в бездисперсионной среде. Рассмотрим влияние уменьшения фазовой скорости на характеристику направленности параметриче-.

На рис. 4 приведены диаграммы направленности антенны в среде без пузырьков со скоростью звука 1 500 м/с (кривая 1) и в среде с концентрацией пузырьков п = 104 (кривая 2). При этом фазовая скорость волны накачки на частоте 20 кГ ц составляет 1 500 м/с, а на частоте сигнала - 1473 м/с.

Рис. 4. Диаграммы направленности параметрической антенны

Анализ диаграмм направленности показывает, что работа параметрической приемной антенны с такими параметрами в дисперсионной среде приводит к изменению формы характеристики направленности. В направлении оси антенны бегущей волны появляется провал в характеристике направленности, причем чем выше разность фазовых скоростей волны накачки и волны сигнала, тем больше провал.

Изменение формы характеристики направленности является информативным параметром о наличии в среде растворенных газовых пузырьков и их концентрации, что важно при экологических исследованиях водных акваторий.

Рассмотрим влияние изменения параметра нелинейности в среде с растворенными газовыми включениями на характеристики параметрической приемной .

Изменение параметров среды за счет пузырьков приводит к изменению па. -ных измерений, полученных в экспедиции на НИС «Академик А. Виноградов» [5]. На рис. 5 представлены усредненные результаты измерений нелинейного акустического параметра приповерхностного слоя вод северной части Тихого океана на .

Рис. 5. Нелинейный параметр приповерхностного слоя субарктических (а) и субтропических (б) вод северной части Тихого океана (усредненные данные)

Анализ данных показывает, что наличие в приповерхностном слое растворенных пузырьков в десятки раз увеличивает параметр нелинейности, что может сказаться на результате нелинейного взаимодействия волн в такой среде и, следовательно, на характеристиках параметрических антенн. В частности, увеличение параметра нелинейности ведет к увеличению результата взаимодействия волн и, следовательно, к увеличению индекса фазовой модуляции, который используется в качестве информационного параметра для определения амплитуды принимаемого сигнала.

1. Воро чип В А., Тарасов С.П., Тимошенко В.И. Гидроакустические параметрические системы. - Ростов-на-Дону: Ростиздат. 2004. - 400 с.

2. . ., . ., . ., . .

. . « ». - . . . . « », -

вмещенной с XXI сессией Российского Акустического Общества. - М.: ГЕОС, 2009.

- С. 234-238.

3. . ., . ., . ., . ., . . -

. - - - : , 2007.

-б

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК

- 448 с.

4. Бреховских Л.М., Лысанов ЮЛ. Теоретические основы акустики океана. - Л.: Гидроме-теоиздат, 1982.

5. Буланов В.А. Введение в акустическую спектроскопию микронеоднородных жидкостей.

- Владивосток: Дальнаука, 2001. - 280 с.

Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н. H.H. Чернов.

Воронин Артем Васильевич

Технологический институт федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге.

E-mail: [email protected].

347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44.

Тел.: 88634371795.

Кафедра электрогидроакустической и медицинской техники; ассистент.

Воронин Василий Алексеевич

Кафедра электрогидроакустической и медицинской техники; д.т.н.; профессор. Voronin Artem Vasilievich

Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Autonomous Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.

E-mail: [email protected].

44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia Phone: +78634371795.

The Department of Electrogydroacoustical & Medical Engineering; Assistant.

Voronin Vasily Alecseevich

The Department of Electrogydroacoustical and Medical Engineering; Dr. of Eng. Sc., Professor.

УДК 534.222.2

A.B. Воронин, С.П. Тарасов

СКАНИРОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК НАПРАВЛЕННОСТИ ПРИЕМНОЙ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ АНТЕННЫ В СИСТЕМАХ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО

МОНИТОРИНГА

Приводятся характеристики приемной параметрической антенны, работающей в волноводе с дисперсией скорости звука. Показано, что изменение частоты волны накачки изменяет форму характеристики направленности, что может служить информативным признаком в экологическом мониторинге водных акваторий. Приемная параметрическая антенна представляет собой антенну бегущей волны, в которой изменение фазовой скорости волны накачки вследствие дисперсии в такой антенне приведет к изменению характеристики направленности такой антенны так же, как и в диэлектрических антеннах ра.

параметрических антенн с различными характеристиками.

Приемная параметрическая антенна; характеристика направленности; антенна бе-; .

A.V. Voronin, S.P. Tarasov

SCANNING THE BEAM PATTERN RECEIVING PARAMETRIC ARRAYS IN SYSTEM ECOLOGICAL MONITORING

Features receiving parametric array happen to in work, working in wave-guide with dispersion of sound speed. It is shown that change the frequency of the pumping waves changes form beam pattern that can serve by sign in ecological monitoring water area. The Reception parame-