Исследование нелинейного взаимодействия сдвиговых акустических волн в донных осадках

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование нелинейного взаимодействия сдвиговых акустических волн в донных осадках, возбуждаемых параметрической излучающей антенной на границе раздела

Ю.В. Душенин

Для зондирования дна Мирового океана с последующим проникновением акустических волн в ДО, в последнее время широко используются параметрические гидролокаторы. Большая эффективность их применениядля решения задачстратификации ДО и обнаружения заиленных объектов обусловлена способностью формировать высоконаправленное излучение на низких частотах при малых габаритах исходной антенны накачки [1, 2]. Для приборов такого класса сама физическая среда обнаружения «вода - ДО» является «активным элементом» ПА и правомерно предположить зависимость ее характеристикот структуры ДО.

ДО по своей структуре являются сложными многофазными средами, в которых присутствуют как продольные, так и поперечные составляющие скорости распространения колебаний [3]. Наличие нескольких компонент скорости колебанийвДО открывает возможности возбуждения различного типа волн в них при использовании ПА, что может сделать параметрические гидролокаторы еще более востребованными для исследовательских задач.

В работе [4] рассмотрен случай падения продольной волны из воды на плоскую границу раздела под углами, близкими к критическим. Видно, что в ДО присутствуют две преломленные волны- продольная и сдвиговая, распространяющиесяпод углами _l и со скоростями с_lи с.

При этом энергию звукового поля можно представить в виде:

Амплитуды отраженной и прошедшей волн для углов падения меньших углов полного внутреннего отражения определяются из соотношений:

где V - коэффициент отражения;

W_l, W - коэффициенты прохождения продольной и сдвиговой волн соответственно. Определяемые выражениями [1, 3]:

где ₀ - угол падения;

- угол преломления продольной волны;

- угол преломления поперечной волны.

Из анализа (4) видно, что чем больше угол падения плоской волны на границу раздела, тем меньше коэффициент прохождения для продольной волны ( 90, cos2 0), поэтому при углах, близких к углам скольжения W_l 0. Следовательно, при критических углах падения компонентой P_пр.l в (1) можно пренебречь. антенна донный осадок акустический

При наклонном падении под углами, близкими к критическим,на границу раздела не плоских волн, а взаимодействующих узких пучков ПА, условия формирования поля в ДОнесколько изменяются, однако выражения (3 - 5) применимы и в этом случае, согласно [1].

На плоскую границу раздела под углом ₀ падает звуковой пучок, формируемый ПА. В воде, при нелинейном взаимодействии исходных волн накачки, образуются ВРЧ, которые, как и исходные, попадают на границу раздела. После чего, согласно (1), часть энергии волн звукового поля симметрично отражается, а оставшаяся частьпроходит через границу раздела в ДО, где происходит их трансформацияв сдвиговые волны накачки и ВРЧ. Существует два варианта формирования такого поля ПА. В первом случае граница раздела расположена в области нелинейного взаимодействия, т.е. в ближней зоне (h l_з), гденелинейное взаимодействие волн накачки происходит до и после границы раздела. Во втором случае, привыполнении условия дальней зоны (l_з h), взаимодействия в ДО не происходит, изадача сводится к рассмотрению обычной линейной модели. В данной работе рассмотрен первый вариант формирования поля ПА в ДО.

Вначале рассмотрим теоретическую модель, описывающую поведение поля ПА работающей в многофазной среде «вода-ДО» при углах падения, близких к критическим.

По аналогии с [3]считается, что ДО по своей структуре близки к жидким средам распространения, таким как вода. Поэтому, для описания поля ПА в этих средах можно использовать уравнение Хохлова-Заболотской-Кузнецова, традиционно применяемое в нелинейной гидроакустике [1].

Решение для расчета поля ПА в многофазной среде «вода - ДВО» при углах падения, близких к критическим, представлено в виде суммы трех интегралов:

,

где Q,Q₁,Q₂ - константы, включающие параметры сред взаимодействия и преобразователя накачки [4]; Ф(r,z) - подинтегральное выражение, являющееся передаточной функцией ПА для соответствующей среды распространения [4]; h - расстояние до границы раздела; z - расстояние до точки наблюдения в ДО.

Первый интеграл в уравнении (6) описывает процесс взаимодействия исходных волн накачки в воде. Второй интеграл - процесс возбуждения сдвиговой ВРЧ при трансформации из воды в ДО, третий - генерацию полявновь образованной сдвиговой ВРЧ за счет взаимодействия трансформировавшихся из воды в ДО сдвиговых волн накачки.

На основании уравнения (6) произведены расчеты основных характеристик поля ПА в многофазной среде «вода - ДО» при углах падения, близких к критическим, которые будут приведены на графиках ниже, совместно с результатами экспериментов.

Для расчетов в качестве физических моделей ДО были выбраны глина и песок со следующими параметрами:

- глина - удельная плотность = 1440 кг/м³; продольная скорость с_l = 1830 м/с; поперечная скорость с = 350 м/с; коэффициент прохождения при падении под углами близкими к критическим W = 0,15; коэффициент затухания сдвиговых волн накачки на частоте 275 кГц₀ = 60 дБ/м; коэффициент затухания сдвиговых ВРЧ в диапазоне частот от 10 до 50 кГц_ = 8 _30 дБ/м; угол падения = 65 _ 75, параметр нелинейности = 8;

- песок _ удельная плотность = 2100 кг/м³;продольная скорость с_l = 1830 м/с; поперечная скорость с = 250 м/с; коэффициент прохождения при падении под углами близкими к критическим W = 0,10; коэффициент затухания сдвиговых волн накачки на частоте 275 кГц₀ = 80 дБ/м; коэффициент затухания сдвиговых ВРЧ в диапазоне частот от 10 до 50 кГц_ = 12 _ 40 дБ/м; угол падения = 70 - 80,параметр нелинейности = 10.

Для подтверждения правильности выбора данной теоретической модели, были проведены экспериментальные исследованияосновных характеристик поляПА при работе в многофазной среде «вода - ДО» и возбуждении в ДО сдвиговых волн. Антенна накачки параметрического гидролокатора с центральной частотой f₀ = 275 кГц и геометрическими размерами a = 0,12 м,b = 0,09 м, размещалась на координатном устройстве. Лабораторный бассейн имел размеры 2,0 х 1,2 х 1,9 м. На его дне располагалисьв отдельных кюветахдегазированные глина и песок, выбранные в качестве физических моделей ДО. Толщина каждого слоя ДО составляла 0,7 м. Сверху ДО заливались слоем воды глубиной 1,2 м. Отдельно в глине и песке, для регистрации сигналов,помещались по 10 измерительных сферических гидрофонов. Они располагались на глубинах от0,05 до 0,5 м, с шагом 0,05 м. Для возбуждения в ДОсдвиговых волн с,антенна накачки ориентироваласьв пределах углов ₀ = 65 ч 80 к нормали границы раздела. При проведении экспериментальных исследований диапазон значений ВРЧ варьировался от 10 до 50 кГц.

На первом этапе была произведена оценка давлений падающего, отраженного и прошедшего в ДО сигналов.

Из данных зависимостей видно, что от границы раздела «вода - песок» отражается порядка 90 %, а от границы раздела «вода - глина» порядка 85 % от падающего излучаемого сигнала, оставшаяся часть энергии проходит непосредственно в ДО.

На втором этапе была получена экспериментально снятая зависимость амплитуды звукового давления сдвиговых ВРЧ от угла ввода колебаний ₀ к нормали границы раздела для каждого типа ДО. Распределения амплитуд звуковых давлений сигналов первичных и вторичных полей на оси до границы раздела и после нее следует отнести к наиболее информативным характеристикам процесса нелинейного взаимодействия, позволяющим составить наиболее полную физическую картину особенностей формирования ВРЧ.

Так, на следующем этапе по формуле (1) были вначале рассчитаны, а затем экспериментально получены осевые распределения амплитуд звукового давления ВРЧ в воде до границы раздела и после нее сдвиговых ВРЧ в песке и глине.

Сплошными кривыми показаны расчетные результаты, значками со штриховыми кривыми - экспериментальные. Исследования проводились для частот F_ = 10; 30; 50 кГц. Амплитудно-частотные зависимости позволяют увидеть эффективность процессов нелинейного взаимодействия в средах.

Полученные расчетные и экспериментальные зависимости АЧХ в ДО достаточно хорошо совпадают. Эффективность процессов нелинейного взаимодействия узких звуковых пучков в ДО возрастает с увеличением значений частотысдвиговых ВРЧ.

Основным достоинством устройств и систем, работающих на принципах нелинейной гидроакустики, является возможность формирования высоконаправленного излучения звуковых пучков при малых габаритах исходного излучателя накачки [5]. Поэтому наиболее важной характеристикой процесса нелинейного взаимодействия, как продольных [6], так и сдвиговыхакустических волн в ДО, как и в воде, является поперечное распределение.

Эксперименты проводились на фиксированных расстояниях, для воды h = 1 м, для глины и песка z = 0,5 м, для значений ВРЧ 10; 30 и50 кГц.

Кроме того, поскольку исходная антенна накачки расположена под углом к границе раздела, то за счет разности хода лучей падающего звукового пучка происходит искажение поперечного распределения при формировании поля сдвиговых ВРЧ в ДО.

Необходимо отдельно отметить, что при проведении всех экспериментальных исследований, сдвиговые волны в глине и песке распознавались по временному положению сигналов от расстояния. При этом с увеличением глубины в глине скорость изменялась в диапазоне от 330 до 380 м/с, в песке - от 220 до 270 м/с.

На последнем этапе исследований проводились эксперименты доказывающие возможность использования сдвиговых волн в ДОв эхолокационном режиме.

На глубине 0,3 м в глине и песке были зарыты алюминиевые пластины размерами 0,25 х 0,15 м, расположенные перпендикулярно к углам прихода сдвиговых волн. Приемный гидрофон крепился к платформе антенны накачки. Полное расстояние, пройденное сигналом до объектов и обратно, составило 2,7 м. При этом скорость сдвиговой ВРЧ в глине составила 350 м/с, в песке - 250 м/с.

Для данного режима получены АЧХ сдвиговых волн, отраженных от объектов в глине и песке Таким образом, представленные в работе результаты доказывают факт трансформации, возбуждения и генерации сдвиговых ВРЧ в ДО. Кроме того,данныеисследования основных характеристик поля, создаваемого ПА вмногофазной среде «вода - ДО» при наклонном падении на границу раздела под углами близкими к критическим, дают достаточно хорошее совпадение, что подтверждает факт правильности выбора физической модели эффективного возбуждения, генерации и распространения сдвиговых ВРЧв ДО.

Предложенный в работе метод эхолокации можно использовать в параметрических гидролокаторах для стратификации ДО и обнаружения в них различных инородных целей.

Литература

1. Новиков Б.К., Тимошенко В.И. Параметрические антенны в гидролокации. - Л.: Судостроение. 1990.- 256 с.

2. Мюир Т. Дж. Нелинейная акустика и ее роль в геофизике морских осадков./ В кн.: Акустика морских осадков. - М.: Мир. 1977.- С.227 - 273.

3. Бреховских Л.М., Лысанов Ю.П. Теоретические основы акустики океана. - Л.: Гидрометеоиздат. 1982.- 264 с.

4. Душенин Ю.В., Рыбачек М.С. Исследование взаимодействия акустических волн на неоднородной границе раздела двух сред.// Известия высших учебных заведений, журн. «Электромеханика», Новочеркасск, Изд-во НГТУ, 1995.- С.30 - 32.

5. Рыбачек М.С. Исследование взаимодействия акустических волн и разработка параметрического излучателя звука. Дис. канд. тех. наук, Таганрог, 1978.- 214 с.

6. Душенин Ю.В., Гурский В.В. Исследование основных характеристик поля параметрической антенны в донных осадках при вертикальном падении пучка на границу раздела.// Известия ЮФУ, Технические науки. Тематический выпуск. «Экология 2013 - море и человек». Таганрог. Изд-во ТТИ ЮФУ, 2013. № 9. - С.109 - 114.

Размещено на Allbest.ru