CC BY
103
УДК 534.222:681.883
ПРОЦЕСС ФОРМИРОВАНИЯ ДАЛЬНЕЙ ЗОНЫ ИЗЛУЧЕНИЯ И ПРИЕМА ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ РЫБОПОИСКОВЫХ СИСТЕМ ПРИ НЕЛИНЕЙНОМ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
П.А. Стародубцев; В.В. Карасев; С.В. Гуторова, Дальрыбвтуз, Владивосток
Рассматриваются закономерности формирования дальней зоны излучения и приема акустических волн суммарной и разностной частоты в нелинейной морской среде. Обосновываются способы и реализующие их тракты формирования параметрических волн в дальней зоне излучающих и приемных гидроакустических систем. Приводятся примеры реализации параметрических эффектов при решении практических задач гидроакустики в рыбопоисковой отрасли.
Излучение близких по частоте акустических волн приводит к генерации в прилегающей к излучателю морской среде, содержащей газовые пузырьки и другие неоднородные (рыбные скопления), низкочастотных и высокочастотных параметрических составляющих суммарной и разностной частоты. Теоретически и экспериментально доказано, что интенсивность формирования параметрических волн очень низка и составляет единицы или доли процента от исходных (излучаемых) волн [1-3].
При этом в зависимости от насыщения среды пузырьками газа, а также от размеров и расположения общего объема рыбных скоплений, область параметрического взаимодействия излучаемых сигналов простирается на сотни метров (в случае излучения высокочастотных волн накачки), а для низкочастотных волн накачки (сотни герц -единицы килогерц) она может достигать нескольких тысяч метров [4].
Усиление интенсивности формирования параметрических волн суммарной и разностной частоты может осуществляться не только вблизи излучателя сигналов накачки, но и на более удаленных от него участках среды, содержащих газовые области (завесы) [5].
В этой связи следует напомнить о нелинейных свойствах и больших размерах пузырькового кильватерного следа (ПКС) рыболовецких судов, а также о скоплениях морских организмов: косяков рыб или звукорассеивающих слоев. Пространственные размеры ПКС могут составлять сотни метров-километры в длину и десятки-сотни метров в поперечнике (разрезе).
Преимущество использования повышенных нелинейных свойств ПКС при формировании параметрических сигналов заключается не только в их протяженности и объеме, но и в том, что они могут быть
оперативно созданы в заданной точке «прозвучиваемой (исследуемой)» среды, а их продольная ось может быть сформирована в заданном направлении. В этом случае обеспечивается интенсивное усиление параметрического взаимодействия исходных звуковых волн и формирование (параметрическое переизлучение)
инфранизкочастотных, а также высокочастотных волн в заданном «прозвучиваемом» направлении, а кильватерный след судна или область рыбных скоплений в этом случае представляет собой протяженную бестелесную пространственную параметрическую антенну бегущей волны.
Интенсивность параметрических составляющих суммарной и разностной частоты в данных антеннах выражается известной аналитической зависимостью [6, 7].
Рк (®1 ±ю2) =
(у + 1)т1т2 Р1 Р21
4ро С0
где Рк - давление комбинационных параметрических волн; Р^ть Р2®2 -давления и частоты исходных волн близкой частоты; р0, с0 - плотность
и скорость звука в среде; у - коэффициент нелинейности среды; I -длина пути совместного распространения (взаимодействия) сигналов.
Испытания макетов экспериментальных параметрических систем выполнялись в различных вариантах. В первом случае была проверена и подтверждена возможность усиления интенсивности формирования высокочастотных параметрических сигналов суммарной частоты с использованием нелинейных свойств кильватерного следа рыболовецкого судна, а также при наличии в «прозвучиваемой (исследуемой)» среде рыбных скоплений. При реализации эффекта
бестелесной антенны бегущей волны использовалась линейночастотная модуляция «просветных» сигналов [8].
Во втором случае экспериментально была проверена и подтверждена закономерность направленного формирования (переизлучения) низкочастотных параметрических волн разностной частоты пузырьковой областью кильватерного следа рыболовецкого судна или рыбными скоплениями [9]. Так называемая бестелесная пространственно развитая антенна бегущей волны в этом случае формировалась в направлении его продольной оси (рис. 1).
и(Г|- £0 ШБ
Рис. 1. Направленное формирование инфразвуковых сигналов
Гидроакустическая система, реализующая предлагаемый способ формирования дальней зоны излучения и приема гидроакустических преобразователей рыбопоисковых систем при нелинейном
взаимодействии гидроакустических сигналов, состоит из излучающего и приемного трактов.
Излучающий тракт включает последовательно соединенные блоки: высокостабильные генераторы (формирователи сигналов близкой частоты); сумматор сигналов (блок геометрического суммирования); усилитель мощности; блок согласования (выхода усилителя с кабелем) и подводный излучатель.
Приемный тракт содержит: гидроакустическую антенну (из
гидрофонов с предварительными усилителями); подводный кабель; основной (бортовой) усилитель; блок полосовых фильтров; анализатор
спектров, а также регистраторы (самописец уровня и рекордер), вычислительное устройство (процессор или ПЭВМ). Макеты мобильных и стационарных экспериментальных систем контроля среды прошли натурные испытания, подтвердили свою надежность и эффективность. Усиление формируемых параметрических составляющих в ПКС корабля достигало 10 ^ 15 дБ.
Рассмотрим «просветную» активно-пассивную систему гидролокации морской среды как широкомасштабную приемоизлучающую параметрическую систему с низкочастотной накачкой среды. Энергия сигнала из точки излучения А в точку приема В (рис. 2) распространяется в пределах определенной области пространства, границы которой определяются на основе принципа Гюйгенса и построения зон Френеля.
На рис. 2 приведена качественная картина пространственной структуры зон Френеля между точками излучения и приема «просветных» сигналов. Каждая из зон (на рисунке они обозначены в порядке возрастания - N ~ N) в пространстве образуют эллипсоиды вращения.
Рис. 2. Пространственная структура зон Фраунгофера между точками излучения-приема сигналов
Причем первая зона образует ту область пространства, которая в основном определяет перенос энергии «просветных» акустических волн из точки излучения в точку приема. Действия всех остальных зон в результате их попарной нейтрализации (вследствие отличия по фазе на 180°) эквивалентно действию примерно половины первой зоны. То есть, для того чтобы в точке приема получить энергию сигнала такой же величины, как и в свободном пространстве, необходимо, чтобы первая зона на всем пути распространения волн оставалась «чистой» от экранирования препятствиями или преобразования их рассеивающими неоднородностями. Радиус ї зон номера п определяется по формуле Френеля.
=
АП
+ К2
где R, R2 - расстояния, определяющие положение объекта на линии
излучения - приема; X - длина просветной акустической волны; n -номер зон Френеля (достаточно взять четное число первых зон, например, четыре).
В случае расположения объекта или нелинейной неоднородности среды в пределах пространства первой зоны Френеля будет происходить не только экранирования волн, но также их интенсивное параметрическое преобразование на рассеивающих неоднородностях. В этом случае, первая зона Френеля выполняет функции пространственной (бестелесной) параметрической антенны бегущей волны с низкочастотной накачкой [9-11]. При этом относительно классической параметрической антенны бегущей волны [12], формируемой с использованием ультразвуковой накачки среды в области излучателя или приемника сигналов, рассматриваемая антенна является симметричной (двухсторонней) приемоизлучающей.
В заключение необходимо отметить следующее. Закономерности параметрического преобразования акустических сигналов нелинейными областями пузырьковых кильватерных следов рыболовецких судов, а также рыбными скоплениями могут найти применение в «просветных» низкочастотных системах контроля морских акваторий, предназначенных для исследования океанской среды, структуры морского дна, а также решения других прикладных задач гидроакустики.
Библиографический список
1. Новиков Б.К., Тимошенко В.И. Параметрические
антенны в гидролокации. Л.: Судостроение, 1990. 256 с.
2. Урик Р.Д. Нелинейные явления в гидролокаторе // Основы гидроакустики / Пер. с англ. Л.: Судостроение, 1978. С. 101106.
3. Кобелев А.М., Сутин А.М. Генерация звука разностной частоты в жидкости с пузырьками газа разных размеров // Акуст. ж-л. 1980. Т. 26. № 6. С. 860-865.
4. Калачев А.И., Островский Д.В. Исследования
ближнего поля параметрического излучателя // Акуст. ж-л. 1983. Т. 29. № 3. С. 406.
5. Назаров В.Е., Сутин А.М. Характеристики
параметрического излучателя звука с пузырьковым слоем в дальней зоне // Акуст. ж-л. 1984. Т. 30. № 6. С. 803-807.
6. Зверев В.А., Калачев А.И. Модуляция звука звуком при пересечении акустических волн // Акуст. ж-л. 1970. Т. 16. № 2. С. 245-251.
7. Зверев В.А. Как зарождалась идея параметрической акустической антенны // Акуст. ж-л. 1999. Т. 45. С. 685-692.
8. Мироненко М.В., Мироненко Т.А. Способ обнаружения
морских биологических объектов. Положительное решение на
изобретение № 3565 от 23.09.1992 г.
9. Мироненко М.В., Рокотов С.П. Формирование в
нелинейной водной среде параметрических сигналов разностной частоты: Межвузов. сб. статей. «Акустические антенны и
преобразователи». Владивосток: ДВГУ, 1988. Вып. 10. С. 36-39.
10. Зверев В.А.,Калачев А.И. Устройство для приема
инфранизкочастотных колебаний. А.С. СССР № 422197. Бюл. Изобр. 1982. № 8.
С. 277.
11. Тернер Д. Универсальный ультразвуковой гидролокатор с сигналом накачки. Пат. США. № 3. 870.988. 1975.
12. Мироненко М.В., Мироненко А.М. Метод дальнего
параметрического приема акустических волн низкочастотного и инфранизкочастотного диапазонов: Сб. тр. 11-й сессии РАО. Т. 2. М.: ГЕОС, 2001.
С. 222-225.
