Акустичні поля в неканонічних областях

Нехай, на початку, всередині гратки - вакуум, а R₁=R₂ (відсутня область I) і тому ₁=₀=31; всі поверхні торцевих екранів акустично мякі. На рис.18 представлені частотні залежності потужностей випромінювання оболонок, при відносній довжині конічної поверхні торцевого екрана

L*=L/R₁=0,81

Відмітимо, що потужністі випромінювання нормовані на величину

W*=(NU₀)²/(cS)

де S - площа циліндричної поверхні оболонки. Номера кривих відповідають номерам оболонок. Як бачимо, чітко виділяються три зони: низькочастотна (f/f₀<0,65), резонансна (0,65<f/f₀<1,0) і високочастотна (f/f₀>1,0). В низькочастотній і високочастотній зонах спостерігається тенденція до зниження і вирівнювання коливальних швидкостей і потужностей оболонок. В резонансній зоні характеристики оболонок стають суттєво різними. Тут велику роль відіграє взаємодія оболонок крізь оточуюче середовище. Найбільш драматичним наслідком взаємодії є те, що на декотрих частотах деякі оболонки перестають випромінювати енергію і починають поглинати її з оточуючого середовища. Якщо внутрішній обєм гратки заповнено середовищем (при цьому торцеві поверхні - акустично м'які), то аналогічні частотні залежності мають вигляд як на рис.19. Як бачимо, наявність середовища у внутрішньому обємі гратки оказує суттєвий вплив на всі акустичні параметри оболонок. Особливо слід відмітити появу потужного піку в районі частоти f/f₀=0,323. Його поява обумовлена поздовжнім (вздовж осі Оz) резонансом стовпа середовища у внутрішньому обєму гратки.

Показані частотні залежності повної потужності, яку випромінює гратка: для кривих 1 - L*=0 і 2 - L*=0,81 всередині гратки середовище відсутнє; крива 3 - L*=0,81 - внутрішність гратки заповнена середовищем.

На рис.21 зображені діаграми направленості гратки при різних властивостях поверхонь торцевих екранів; при цьому середовище всередині гратки відсутнє, R₁=R₂, L*=0,81, f/f₀=1. Буква "m" позначає мяку поверхню, буква "g" - жорстку; перша буква характеризує конічну поверхню екрану, друга - сферичну. Одна буква відповідна ситуації, коли величина L=0. Зрозуміло, що повністю мякі екрани формують діаграму направленості з найменшим рівнем бокового поля. В роботі представлені розрахунки рівня бокового поля в залежності від довжини конічної поверхні екрану. Виявилося, що збільшення відносної величини L* від 0 до 3,24 зменшує рівень бокового поля (напрям =0) від -9 дБ до -26 дБ. Аналіз впливу ширини кільцевої поверхні торцевого екрану b=R₂-R₁ на діаграму направленості показав, що збільшення величини b неоднозначно впливає на направлені властивості решітки. Тому надалі розрахунки проводились для акустично мяких екранів при b=0.

На практиці в багатьох випадках основним режимом роботи є імпульсний. У звязку з цим виникають для важливі питання:

· які особливості супроводжують імпульсне збудження гратки в полі, яке випромінюється?

· чи будуть відрізнятися (і наскільки) акустичні характеристики, визначені в імпульсному і неперервному режимах роботи гратки?

Нехай на електроди оболонок подається радіоімпульс тривалістю _i, який повторюється з періодом T_i. Якщо таке збудження представити у вигляді ряду Фурє (в роботі кількість гармонік дорівнює 60), то відгук гратки на вплив послідовності імпульсів можна визначити у вигляді суперпозиції відгуків на кожний гармонічний вплив. Нехай середовище всередині гратки відсутнє, L*=0,81; кількість періодів носійної частоти f_r=1/T_r в імпульсі N_i=_i/T_r=10; скважність імпульсної послідовності Q_i=T_i/_i=3.

На початку загальмуємо всі оболонки окрім центральної. При цьому розглянемо два характерних значення носійкої частоти, найбільш цікаві з практичної точки зору: частота носійної співпадає з частотою резонансу оболонки у середовищі f_r/f₀=0,875; частота носійної нижче резонансної області частот оболонки f_r/f₀=0,5. На рис.22 (f_r/f₀=0,875) показані відносні значення коливальної швидкості центральної оболонки V₃(t)/V*, V*=NU_o /(cS) і тиску р(t,r,=90)/р*, р*=c/r (Па) у дальньому полі в площині z=0. Тут і нижче штрихові горизонтальні лінії визначають рівні коливальної швидкості і тиску, обчислені в неперервному режиму роботи антени. Обидва графіки ілюструють типові зміни радіоімпульсу при його проходженні крізь механічну (або електричну) резонансну систему. Напроти, на частотах нижче резонансної області частот (рис.23, f_r/f₀=0,5) форми імпульсів швидкості оболонки і тиску у дальньому полі мало відрізняються від форми імпульсу збуджуючого сигналу. Такий результат є зрозумілим, адже передаточні функції антени по швидкості і тиску нижче зони резонансу слабо залежать від частоти. Разом з тим, на початку і в кінці імпульсу можуть спостерігатися короткі різки "кидки" амплітуд коливальної швидкості і тиску. Такі "кидки" можуть негативно позначитися на експлуатаційній міцності реальних антен і перетворювачів.

Зовсім іншу ситуацію маємо, коли в формування поля беруть участь всі оболонки і між ними має місце значна акустична взаємодія, f_r/f₀=0,875.

Як бачимо:

· форми імпульсів коливальних швидкостей оболонок відрізняються між собою і суттєво відрізняються від форми збуджуючого їх електричного імпульсу;

· практично на протязі всього міжімпульсного часового інтервалу 1<t/_i<3 маємо відмінні одне від одного коливання оболонок. В акустиці таке явище називають реверберацією. В нашому випадку реверберація обумовлена багатократним обміном звукової енергії між оболонками крізь оточуюче середовище;

· слід звернути увагу і на ту обставину, що амплітуда коливань ближніх до торцевих екранів оболонок майже у півтора рази перевищує відповідні амплітуди для випадку неперервного режиму роботи гратки. Отже, неурахування цього явища при проектуванні антени може привести до неприпустимих розтягуючих зусиль в пєзокерамічному матеріалі оболонок;

· імпульс тиску в дальньому полі по формі відрізняється від форми імпульсу електричного збудження в значно меншій мірі.

В дисертаційній роботі розглянуто закономірності зміни форми імпульсу тиску у дальньому полі від кута спостереження . Проведені розрахунки показали, що форма імпульсу тиску і реверберація в міжімпульсному інтервалі суттєво залежить від кута, особливо при <60. Виникає питання: як оцінити діаграму направленості? Задовільну оцінку енергетичної діаграми направленості гратки в імпульсному режимі роботи (в результаті її максимального наближення до діаграми направленості при роботі в неперервному режимі) можливо отримати за допомогою виразу

, где .

Згідно розрахунків діаграми для двох режимів роботи гратки виявилися близькими, винятком була зона резонансних частот, де відмінність (в області бокового поля антени) могла досягнути 7…8 дБ.

В роботі також розглянуті деякі методи керування характеристиками гратки, працюючої в неперервному режимі з точки зору енергетичної ефективності антени при умові механічної і електричної міцності оболонок.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі отримано такі основні наукові та практичні результати:

1. Показано, що розвиток методу часткових областей завдяки використанню кількох систем координат і продовження граничних умов на нефізичні ділянки межових поверхонь, суттєво розширює клас задач випромінювання і розсіювання звуку, котрі допускають побудову загального рішення. Проведена аналітична робота при подальшому використанні обчислювальної техніки, дозволяє побудувати стійкі і ефективні алгоритми розрахунку звукових полів в неканонічних областях.

2. Встановлено, що в динамічних граничних задачах з локальною особливістю, в наслідок осцилюючого характеру невідомих, при вирішенні відповідних нескінчених систем лінійних алгебраїчних рівнянь другого роду методом редукції слід не тільки враховувати асимптотичні властивості невідомих, але й проводити додаткові дослідження для вибору оптимального порядку скінченої системи. В аналогічних статичних граничних задачах з локальною особливістю на ребрі такі дослідження можна не проводити за рахунок того, що невідомі великих номерів слабо осцилюють.

3. Проведено аналіз звукових полів в нерегулярних хвилеводах, таких як хвилевод зі зламом, або відгалуженням, спряження плоского і клиновидного хвилеводів, клиновидний хвилевод з асиметричними межами.

Дослідження модової структури поля в волноводі зі зламом дозволило розглянути процес трансформації енергії між модами хвилеводу до і після зламу. Можлива трансформація енергії нижчої моди у вищу і навпаки. При цьому на окремих частотах маємо дуже високий коефіцієнт перетворення (до 90%) енергії однієї моди в іншу. Очевидно, кутова неоднорідність - це найпростіший пристрій, який дозволяє проводити подібні перетворення енергії з високою ефективністю.

Для хвилеводу з відгалуженням встановлено, що модова структура у головному хвилеводі визначається модою, яка набігає на відгалуження, а у відгалуженні модова структура поля складніша. Тут на визначених частотних інтервалах домінує одна з мод зони відгалуження.

Показано, що при набіганні плоскої хвилі на зону спряження плоского і клиновидного хвилеводів, остання виступає у ролі фільтра верхніх частот, частота зрізу котрого залежить від кута розкриву клиновидного хвилеводу. Якщо характерний розмір плоского хвилеву перевищує 0,6 ( - довжина хвилі), то зона спряження є практично звукопрозорою для будь-якого кута розкриву клиновидного хвилеводу. Встановлено, що просторова енергетична структура звукового поля у клиновидній області визначається рядом факторів, а саме: хвильовим розміром плоского хвилеводу, кутом розкриву клиновидного і структурою набігаючої хвилі. Виявилося, що специфічною особливістю випромінювання в клин є, при певних співвідношеннях між кутом розкриву клину і характерним розміром плоского хвилевого, зменшення і, навіть, практично повна відсутність потоку енергії в околиці осі хвилеводу.

Показано, що при випромінюванні звуку з відритого кінця клиновидного хвилеводу з асиметричними межами можна, змінюючи довжину екрану, суттєво впливати на ступінь локальної звукоізоляції у ближньому полі і на структуру дальнього поля. Виявилось, наприклад, що в деяких випадках зростання довжини екрану приводить не к збільшенню, а до зменшення концентрації випромінювання.

4. Проведено аналіз повного, двопозиційного і зворотного перерізів розсіювання клиновидних обєктів кінцевих розмірів в залежності від геометрії обєкту, його хвильових розмірів і напрямку падіння хвилі.

5. Проведено аналіз енергетичних і направлених властивостей гратки із співвісних пєзокерамічних оболонок з торцевими екранами у форму зрізаних сферичних секторів. Показано, що в резонансній області частот має місце сильна взаємодія оболонок по полю. Можливі ситуації, коли деякі оболонки не випромінюють, а поглинають енергію із середовища. Показано, що, коли внутрішній обєм гратки заповнено середовищем, то на відносно низьких частотах виникає резонанс цього обєму, котрий обумовлює суттєве підвищення потужності випромінювання гратки. Встановлено, що торцеві екрани є ефективний інструмент у формуванні діаграми направленості гратки. Показано, що акустично мякі екрани формують діаграму з найменшим рівнем бокового поля.

6. Встановлено, що при збудженні всіх оболонок однаковою послідовністю радіоімпульсів закономірності зміни коливальних швидкостей оболонок у часі (в межах інтервалу дії імпульсу) суттєво відрізняються як від збуджуючого імпульсу, так і один вид одного. Особливо великі ці відмінності у тому випадку, коли носійна частота знаходиться в області резонансних частот оболонок.

Виявилось, що при деяких значеннях носійної частоти, амплітуди коливальних швидкостей окремих оболонок можуть помітно перевищувати значення відповідних амплітуд, визначених при роботі гратки в неперервному режимі.

Виявлено, що в міжімпульсному інтервалі часу спостерігається реверберація, обумовлена обміном енергією між оболонками, які здійснюють в цей час вільні коливання. Показано, що час реверберації відносно великий і може досягати трьох-чотирьох тривалостей імпульсу.

Встановлено, що закономірності зміни тиску в дальньому полі у часі суттєво залежать від напрямку розповсюдження звуку. Особливо вони значні в секторі кутів 45, примикаючих до осі симетрії гратки. У звязку з цим запропоновано засіб практичного оцінювання діаграми направленості гратки при її збудженні радіоімпульсами. Показано, що такі оцінки задовільно погоджуються з оцінками, визначеними при умові збудження неперервним сигналом.

7. Показано, що за допомогою спеціального підбору електричних напруг (в неперервному режимі) для кожної з оболонок гратки можна здійснити керування акустичною потужністю, забезпечивши при цьому відсутність електричних і механічних перевантажень. Відповідними розрахунками проілюстрована можливість акустично мякого екрану в стабілізації діаграми направленості гратки при зміні параметрів збудження оболонок.

Список публікацій

1. Бирюков Ю.Л., Мацыпура В.Т., Обозненко И.Л., Рева А.А. Ближнее поле вертикальной дискретной антенны в приповерхностном слое водной среды // Республ. межвед. науч.-техн. сборник “Акустика и ультразвуковая техника”. - 1987, в.22. - С. 95-98.

2. Вовк И.В., Мацыпура В.Т. Излучение звука решеткой, образованной соосными цилиндрическими пьезокерамическими оболочками с торцевыми экранами. Часть I. Теория // Акуст. вісн. - 2001. - 4, № 2. - С.11-17.

3. Вовк И.В., Мацыпура В.Т. Излучение звука решеткой, образованной соосными цилиндрическими пьезокерамическими оболочками с торцевыми экранами. Часть II. Анализ численных результатов: ближнее поле и излучаемая мощность // Акуст. вісн. -2001.- 4, № 4. - С.11-17.

4. Вовк И.В., Мацыпура В.Т. Излучение звука решеткой, образованной соосными цилиндрическими пьезокерамическими оболочками с торцевыми экранами. Часть IV. Импульсный режим работы // Акуст. вісн. - 2002. - 5, № 2. - С.13-26.

5. Галаненко В.Б., Ковальчук К.В., Мацыпура В.Т., Рябуха Ю.Н. Об активном подавлении мешающего сигнала в зоне тени источника // Акуст. журн. - 1987. - 33, № 6. - С.992-997.

6. Галаненко В.Б., Лозовик В.Г., Мацыпура В.Т. Характеристики антенны, расположенной в углублении жесткого экрана // Акуст. журн. - 1987. - 33, № 3. - С.428-432.

7. Гончарова И.Ю., Мацыпура В.Т. Распространение звука в волноводе с изломом // Акуст. вісн. - 1998. - 1, № 2. - С.57-64.

8. Гринченко В.Т., Мацыпура В.Т. Излучение звука из открытого конца клиновидного волновода. I.Метод решения и алгоритм расчетов // Акуст.вісн. - 1999. - 2, № 4. - С.32-41.

9. Гринченко В.Т., Мацыпура В.Т. Излучение звука из открытого конца клиновидного волновода. 2. Анализ численных результатов // Акуст. вісн. 2000. 3, № 2. С.63-71.

10. Гринченко В.Т., Мацыпура В.Т. Рассеяние звука на конечних клиновидных объктах // Акуст. вісн.-2003.- 6, N2.-С.23-33.

11. Карновский М. И., Лозовик В. Г., Мацыпура В. Т., Пьянов А. В. Особенности структуры ближнего поля // Сборник научных работ. Вестник КПИ. Серия “Электроакустика и звукотехника”. - 1993, № 17. - С. 3 - 6.

12. Маципура В.Т. Поширення звукової хвилі в неоднорідному хвилеводі // Доповіді НАН України. 1999. № 3. С.52-55.

13. Мацыпура В.Т. Взаимодействие волны с уголковой неоднородностью в волноводе // Электроника и связь. 1997. № 3, ч.2. С.25-28.

14. Мацыпура В.Т. Распространение волны в волноводе с ответвлением // Электроника и связь. 1998. № 5. С.3-7.

15. Мацыпура В.Т. Излучение звука цилиндром с полусферическими крышками // Электроника и связь. 2001. № 12. С.25-29.

16. Мацыпура В.Т. Рассеяние волн на клиновидном объекте // Электроника и связь. 2001. № 13. С.120-124.

17. Мацыпура В.Т. Энергетическая структура поля рассеяния волны на отверстии клиновидного волновода // Электроника и связь. 2002. № 14. С.16-19.

18. Мацыпура В.Т. Один из возможных подходов к решению задач акустики для областей неканонической формы // Электроника и связь. - 2002. - № 16. С.85-87.

19. Мацыпура В.Т. Излучение звука пересекающимися цилиндрами // Электроника и связь. - 2002. - № 17. С.62-65.

20. Мацыпура В.Т. Энергетическая структура волны, прошедшей через область сопряжения плоского и клиновидного волноводов // Электроника и связь. - 2003. - № 18. С.17-21.

21. Мацыпура В.Т. Излучение звука набором цилиндрических пьезокерамических излучателей // Акуст. вісн. - 1998. - 1, № 1. - С.58-64.

22. Мацыпура В.Т. Прохождение звука через область сопряжения плоского и клиновидного волноводов // Акуст. вісн. - 1999. -2, № 1. - С.31-41.

23. Мацыпура В.Т. Излучение звука решеткой, образованной соосными цилиндрическими пьезокерамическими оболочками с торцевыми экранами. Часть III. Анализ численных результатов: дальнее поле // Акуст. вісн. - 2002. - 5, № 1, - С.37-41.

24. Мацыпура В.Т. Излучение звука решеткой, образованной соосными цилиндрическими пьезокерамическими оболочками с торцевыми экранами. Часть V. Некоторые методы управления характеристиками излучающей системы // Акуст. вісн. - 2002. - 5, № 3. - С.33-37.

Размещено на Allbest.ru