Область наук:
  • фізика
  • Рік видавництва: 2004
    Журнал: Известия Південного федерального університету. Технічні науки

    Наукова стаття на тему 'Акустичний нелінійний моніторинг екологічних середовищ'

    Текст наукової роботи на тему «Акустичний нелінійний моніторинг екологічних середовищ»

    ?ренції з міжнародною участю «Екологія 2000 - море і людина». Таганрог. 2000.

    6. Уейд Г. Системи акустичного зображення. Л .: Суднобудування. - 1981. 240 с.

    7. Грегуш П. Звукобачення. - М .: Мір.1982. - 232 с.

    8. Біоакустика / Под ред. В.Д. Іллічова М .: Вища школа. 1975. - 256 с.

    9. Голубков АТ. Гідролокатор дельфіна. Л .: Суднобудування. 1977. - 96 с.

    10. Константинов А.І., Макаров АЖ., Мовчан О.В., Соколов Б.В., Горлінскій КА. Ехолокаційному сенсорна система подковоносов. - Л .: Наука. 1988. - 224 с.

    АКУСТИЧНИЙ НЕЛІНІЙНИЙ МОНІТОРИНГ ЕКОЛОГІЧНИХ СРЕД

    Н.П. Заграй

    Робота акустичних параметричних антен в реальному середовищі при нелінійній взаємодії пружних хвиль істотно залежить від структури області нелінійної взаємодії, яка є середовищем поширення первинних хвиль поля накачування. Розглядаючи можливість реалізації нелінійних акустичних взаємодій в шаруватих середовищах, раніше вважалося, що мають місце дискретні зміни фізичних параметрів середовища уздовж або ортогонально напрямку поширення первинного поля випромінювання. Таке модельне уявлення реальної середовища може бути уточнено і поширене на більш загальні випадки безперервних, плавних (в тому числі і періодичних) змін параметрів середовища, і в першу чергу вздовж напрямку поширення нелінійно взаємодіючих хвиль первинного поля накачування. При цьому функції зміни основних характерних властивостей середовища можуть бути представлені аналітично-різному, в тому числі і у вигляді модуляції як лінійних, так і нелінійних властивостей сере-.

    середовища може трактуватися як шарувата структура середовища з розмитими межами. При цьому реальні структури придонних областей і дна можна уявити як сукупність шарів в більшості випадків з розмитими межами, тобто кордонами, на яких параметри контактують середовищ змінюються досить плавно [1 -3].

    У розглянутій задачі проводиться теоретичний аналіз вираження апертурного поздовжнього множника, так як саме він в напрямку поширення визначає форму і ширину діаграми спрямованості акустичної параметричної антени в шаруватої середовищі. При зміні в шаруватої структурі швидкості поширення і нелінійного параметра по косинусоидальной закону розглянуті поведінку амплітуди і фази в поле хвилі різницевої частоти. У прямій постановці завдання розгляд умов нелінійної взаємодії пружних хвиль в таких середовищах дозволяє виділяти умови реалізації максимальної ефективності взаємодії і забезпечувати стабільність параметрів акустичних параметричних антен. Зворотній завдання дозволяє при знанні основних закономірностей формування поля вторинного випромінювання проводити ефективну діагностику структури і складу реальних шарів.

    Неоднорідність структури пружного середовища, в якій відбуваються нелінійні взаємодії поширюються акустичних хвиль первинного поля накачування, призводить до необхідності її математичного опису в початкових фізичних , .

    В першу чергу це зміни швидкості поширення пружних акустич-

    ,

    і параметрів нелінійності: квадратичної і кубічної. Величини змін цих параметрів найчастіше мають місце на тлі деяких їх середніх значень, тобто складають додаткову функцію зміни за величиною? досить малу в порівнянні з основними її значеннями. В результаті функція опису відповідного фізичного параметра може бути представлена ​​своєю додатковою,. занурення V як додатковий елемент опису відповідного фізичного параметра середовища і хвильового процесу включається в функцію опису її поведінки. Вихідні рівняння в своєму математичному описі будуть містити величини додаткових функціональних залежностей відповідних учітивае-,, може проводитися методом послідовних наближень для визначення вторинних полів нелінійної взаємодії вихідних первинних акустичних з.

    : , .

    частотне поле і дослідження його зміни в даних умовах є для розгляду та аналізу роботи і використання акустичних параметричних випромінюючих і прийомних антен.

    Метод занурення при цьому дозволяє аналітично визначити шукані ви,

    аналітично або в більш складних випадках чисельним інтеграцією одержуваних в результаті математичного рішення інтегралів.

    Вихідні рівняння в своєму математичному описі будуть вирішуватися шляхом послідовних наближень для визначення вторинних полів хвиль комбінаційних частот (ВКЧ) нелінійної взаємодії вихідних первинних акустичних випромінювань полів накачки, де рішення першого наближення для двухчастотного первинного поля покладається у вигляді, а рішення другого наближення розглядається для хвиль комбінаційних частот, в якому величина А _ (, у, г) яв-ляется наступним співвідношенням:

    де Б1 (г) - поздовжній апертурний множник, що визначає структуру вторинного поля в залежності від розподілу первинного поля вздовж напрямку його поширення; Dt (х, у) - поперечний апертурний множник, що визначає структуру вторинного поля в залежності від поперечного розподілу первинного ПОЛЯ щодо напрямку поширення; & - кругова частота поля ВРЧ; С0-швидкість звуку; р0 - невозмущенная щільність середовища; Я0- відстань до точки спостереження.

    Неоднорідність пружного середовища викликана в першу чергу змінами швидкості поширення пружних акустичних коливань, потім щільності пружного середовища як її фізичної характеристики і параметрів нелінійності (в першу оче-

    ).

    мають місце щодо рівнів їх деяких середніх значень, тобто складають за величиною додаткову функцію зміни, досить малу в порівнянні з основними її значеннями. В результаті функція опису відповідного фізичного параметра може бути представлена ​​своєю додаткової складової, що містить не тільки малу добавку до основної функції, але і певну її просторову залежність в середовищі поширення. Наприклад, в

    (1)

    випадку неоднорідної шаруватого середовища, коли її модельне опис може бути представлено системою шарів з розмитими межами, для вищезгаданих характерних параметрів середовища їх просторові залежності будуть відповідати наступним функціям:

    'П. (Л (Л (2)

    • со81 а '? =? Про +? • соч а >р = ро + р1 • соч а

    , -

    тільних функціональних залежностей відповідних враховуються фізичних, пружних і хвильових полів. При цьому можливе виділення різних спектральних складових вторинних полів, зокрема хвиль різницевої частоти (ВРЧ). Таке частотне поле і дослідження його зміни в разі шарів з розмитими межами є необхідним при використанні акустичних параметричних антен для локації шаруватих структур пружних середовищ.

    Метод занурення при цьому дозволяє аналітично визначити шукані ,

    визначений аналітично або в складних - чисельним інтеграцією одержуваних в результаті математичного рішення в вигляді інтегралів. Кутова залежність вторинного поля параметричної антени визначає діаграму спрямованості, форму і ширину якої в основному обумовлює поздовжній апертурний множник П1 (г) з виразу (1) з урахуванням співвідношень (2).

    Для неоднорідної шаруватої структури, що знаходиться в області нелінійної взаємодії первинних полів хвиль накачування, в рамках даної моделі розгляду вираз для поздовжнього апертурного множника П1 (г) буде мати вигляд

    / - ©

    О (г) = - е-* • *> Г ---------------------- ь-е з ° ^ а- ©, (3)

    4-п - V Г_ ^ Т \ (Гг © ^ 4

    2 ©

    4 • п • * 0 0

    | Ро + Р1 • зі------

    а

    де а - просторовий період зміни властивостей середовища, який враховує її неоднорідність: А - довжина хвилі, I - довжина шару, / - лінійна частота.

    (3) -

    жителя поля ВРЧ акустичної параметричної антени зміна параметрів квадратичної фізичної нелінійності середовища розглядалося при використанні

    функції опису виду? =? 0 +? 1 • зі ^ - ^. В результаті інтегрування виразу

    (3) по протяжності області нелінійної взаємодії - I виходять вирази кутовий залежності вторинного поля від величини просторового періоду змін фізичних величин пружного середовища - а.

    Розглядалося також зміна параметрів щільності і швидкості як при впливі кожного параметра окремо, так і при їх спільному впливі на вигляд поздовжнього апертурного множника поля ВРЧ параметричної антени. При цьому використовувалися такі функції опису параметрів щільності

    як р = р0 + р1 • зі ^ - ^ і швидкості з = С0 + з1 • зі ^ - ^. У загальному випадку просторовий параметр а для щільності, швидкості і параметра квадратичної нелінійності може бути різним.

    Аналітичні і чисельні розгляду отриманих виразів дозволяють проводити як аналіз шаруватої структури зондіруемой параметричної антеною, так і рішення оберненої задачі - синтезу, що дозволяє за отриманою діаграмі спрямованості антени судити про структуру і складності самої шаруватої

    С0 + с, • зі *

    а

    системи. На основі отриманих виразів стає можливим проведення аналізу і встановлення ступеня і умов впливу плавно-змінюються в просторі неоднорідностей фізичних параметрів (лінійних і нелінійних) пружного середовища на структуру і спрямованість вторинних полів, утворених в результаті нелінійних взаємодій первинних полів накачки. При цьому істотним є встановлення різного ступеня впливу як самих величин добавок до стаціонарного значення розглянутих величин, так і їх просторових періодів зміни в співвідношеннях з довжинами хвиль як первинних полів, так і вторинних полів хвиль комбінаційних частот з метою встановлення найбільш важливих , .

    Для цього були обрані серії значень параметрів і їх різних сочета-, -, -льон співвідношеннях. Розгляд проведено для значення С0 = 1 500 м / с з різним її зміною ± ДС, а також аналогічно для щільності і величини параметра

    , -Чи 10%. Розрахунки проведені для води при частотах поля накачування / середовищ = 400 кГц і е_ = 100 кГц. На рис.1 представлена ​​кутова залежність амплітуди (а) і фази (б) поздовжнього апертурного множника при 1 / а = 0,25 і зазначеної зміни швидкості звуку в шарі С (-) (в) у випадках ± ДС = 1,65 м / с, ± ДС = 6,33 м / с і ± ДС = 24,41 м / с.

    ^ 2.050144

    • 10

    с11 (0)

    Л .54038 -10

    11

    3.100439 _

    аг§ (с11 (0))

    3.011721

    Л.6 -10

    с (г)

    3

    Л.596681

    • 10

    3

    ?.5

    9

    а

    б

    0

    /

    В

    . 1. () ()

    множника при // а = 1/4 для швидкості звуку в шарі C (z) (в) в разі ± ДС = 1,65 м / с

    При цьому характерні появи на кутовий залежності додаткових,. міру збільшення ± ДС їх рівні зменшуються і збільшується ширина додаткового. -сті С (-) при фіксованих величинах ± ДС призводить до значного зниження рівня додаткових максимумів, їх кутовому розширенню з отриманням просто додаткового фону на кутовому розподілі амплітуди поздовжнього апертурного множника Б ,. Ступінь дискретності просторового періоду зміни С (г) визначає структуру бокового поля: при малих значеннях // а - воно, -. за ступенем кутового розподілу бокового поля і його рівню можна судити про співвідношення // а в області нелінійної взаємодії параметричної антени.

    У зв'язку з багатофакторним фізичним проявом нелінійних процесів зіставлення та порівняння параметрів рідких середовищ при поширенні в них акустичних коливань призводить до необхідності самої пружною рідкого середовища з точки зору розвитку в ній процесів поширення і нелінійної взаємодії таких коливань. Для рідких середовищ в цьому випадку основними параметрами, що визначають характерні фізичні процеси, що протікають в них, є: р0 щільність невозмущенной пружного середовища, / - частота пружних коливань в цій сере-

    , З 0 - () -

    .

    пружного поля важливими характерними величинами є: а - величина загасання акустичних хвиль (дисипації) з первинного полю накачування; ?,? - нелінійні акустичні параметри: як квадратичної (парної), так і кубічної (непарної) нелинейностей; Хст - відстань стабілізації нелінійної взаємодії.

    Звідси представляє труднощі відразу оцінити здатність тієї чи іншої жідкостноподобной середовища до ефективної поширенню і нелінійного взаємодії в ній акустичних хвиль, зважаючи на істотні відмінності механізмів, що визначають прояв пружних і дисипативних властивостей і т.д. аналіз зімніть-,

    (), ,

    нелінійної взаємодії хвиль акустичного поля форма цих коефіцієнтів (співмножників) однакова, подібна і має, наприклад, для амплітуди хвилі різно (),:

    2 + В А 1

    8ПР0С04 Г>

    1 + (1 + В / А))

    8ПР0 С04 Г

    2 Р Р =

    1 0ДО 02

    1

    1 + В А 8пр0 С0 8пр0 С0

    2 Р Р =

    1 0г 02

    РС0

    +

    1 + В А РС02

    Р Р

    А 0П 02 '

    (4)

    1

    г

    0

    1

    2

    З

    0

    З виразу (4) слід вид характерного інтегрального нелінійного параметра (коефіцієнта) для характеристики нелінійних взаємодій з урахуванням конкретних фізичних і акустичних параметрів середовищ:

    * ?

    N * = ---- р. (5)

    Ро С0

    З урахуванням частотно-залежного загасання в середовищі поширення характер-

    (5)

    ?

    N * = --------------------------------------------. (6)

    ро СОА

    Г2

    Розмірність характерного нелінійного інтегрального параметра середовища N * з урахуванням размерностей лінійних і нелінійних параметрів, що входять у вираз (5), його визначає, визначається як

    N * = [------]

    -< | "/

    |<2

    2 "1

    Н _п € _

    (7)

    і становить величину зворотну тиску Р [Па].

    З урахуванням частотно-залежного загасання розмірність характерного нелінійного інтегрального параметра середовища N * змінюється (6) і стає рівною

    у. г [1] ,, "/ -2 = €" / -2]

    - -/ "2 • -2] 2 /"] н / "2 Р- €], ()

    ..

    прискорення при одиничному тиску, будучи при цьому динамічним параметром характеристики руху.

    ,

    середовища N * є ефективне прискорення в середовищі поширення при одиничному .

    Крім абсолютного значення подібних характерних інтегральних нелінійних параметрів середовищ, пам'ятаючи про що мають місце різних співвідношеннях характерних параметрів рідин, можливо спробувати ввести безрозмірну величину такого параметра по відношенню до найбільш поширеною рідини - воді, в якій відбуваються і розглядаються нелінійні взаємодії акустичних полів. Подібні вирази (5 - 8) скомпоновані по фізичному змісту величин, що входять в нього, і їх впливу на аналізовані процеси і є корисні-ми для визначення порівняльної інтегральної характеристики (здатності) середовища в передачі і нелінійного взаємодії в ній акустичних коливань.

    БІБІЛІОГРАФІЧЕСКІЙ СПИСОК

    1. Санчес'-Паленсія Е. Неоднорідні середовища і теорія коливань. - М.: Мир, 1984. -472с.

    2. Заграй НМ., Павлова МЛ. Застосування методу занурення для вирішення завдань

    // .- .

    конф .: Тези доповідей. Воронеж. 1997. Т. 1. - С. 37 - 40.

    3. Заграй НМ. Розробка моделей і методів нелінійної акустики дискретних і шарувато-неодродних середовищ / Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук. Таганрог. ТРТУ. 1999. - 367 с.


    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити