ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ ПРИЕМНАЯ ПРОТЯЖЕННАЯ ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ АНТЕННА

Воронин А.В.¹, Воронин В.А.²

¹Ассистент кафедры электрогидроакустической и медицинской техники. Южный федеральный университет, факультет электроники и приборостроения. ²Доктор технических наук, профессор кафедры электрогидроакустической и медицинской техники. Южный федеральный университет, факультет электроники и приборостроения.

ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ ПРИЕМНАЯ ПРОТЯЖЕННАЯ ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ АНТЕННА

Аннотация В работе предлагается использование гибкой протяженной антенны на основе волновода в виде гибкого шланга с заполнением любой жидкостью, Рассматривается распространение акустических колебаний в круглом волноводе. Анализируется изменение фазовой скорости в волноводе при воздействии на него низкочастотного сигнала. Рассмотрены схемы обработки сигналов.

Ключевые слова: Параметрическая антенна, антенна накачки, гибкий волновод, схемы обработки.

Voronin A.V.¹, Voronin V.A.²

¹Assistant of Electrogydroacoustical & Medical Engineering department. Southern Federal University. ²Doctor of the technical sciences, professor of Electrogydroacoustical & Medical Engineering department. Southern Federal University.

THE HYDROACOUSTIC RECEPTION EXTENDED PARAMETRICAL ARRAY

Abstract In work use of the flexible extended array on the basis of a wave guide in the form of a flexible wave guide with filling with any liquid is offered, distribution of acoustic fluctuations to a round wave guide is considered. Change of phase speed in a wave guide is analyzed at influence on it of a low-frequency signal. Schemes of processing signals are considered.

Keywords: The parametric array, the rating array, flexible wave guide, processing schemes.

Исследования структуры дна сейсмоакустическими методами широко проводятся на шельфе морей. В качестве излучателей используют различные преобразователи – от взрывных до пьезоэлектрических. В качестве приемных систем используют антенные системы в виде гибких звукопрозрачных шлангов с пьезопреобразователями, помещенными в них. Шланги заполняют маслами и буксируют их за судном. Такая приемная антенна создает характеристику направленности в вертикальной плоскости с необходимой шириной луча и с высокой чувствительностью, однако, такая антенна дорогая из-за большого количества приемников в шланге, не технологична в применении и опасна с точки зрения экологии.

В настоящей работе предлагается использование гибкой протяженной антенны на основе волновода в виде гибкого шланга с заполнением любой жидкостью, в том числе и забортной водой.

Для этого рассмотрим распространение акустических колебаний в круглом волноводе радиусом a. Фазовая скорость акустических волн в таком волноводе определяется скоростью распространения волн в свободном пространстве c₀, частотой сигнала ω, и радиусом волновода a [1]:

(1)

где a_0n – корни решения дисперсионного уравнения в круглом волноводе.

Для идеального газа уравнение состояния записывается в виде [2]    

(2)  

где р – давление, ρ - плотность, а γ - показатель степени в уравнении состояния для газов, равный отношению удельных теплоемкостей при постоянном давлении и постоянном объеме, p₀ и ρ₀ - равновесные давление и плотность.

Для жидкостей вместо уравнения (2) используют подобное ему модельное уравнение Тэта

  (3)  

В этом уравнении  равновесные давление и плотность, как для газов, Г – эмпирическая постоянная не связанная с удельными теплоемкостями, а константа P* является внутренним давлением жидкости. Найденные из измерений значения Г≈7, а P*≈ 3×10⁸ Па.

Считая, что возмущения равновесных значений давления и плотности, оказываемые акустической волной, малы можно линеаризовать уравнение состояния (3) и получить  возмущения плотности и давления акустической волной, а с – есть скорость звука. При этом

            (4)

Учитывая (4), скорость распространения акустических волн в среде в отсутствии дисперсии в адиабатическом приближении равна [2]:

(5)

Для идеальной жидкости ρ=ρ₀ , а p = p₀ + P, где P – давление, создаваемое акустической волной в среде, в которой она распространяется.   Подставляя (5) в (1) получим

(6)

Таким образом, фазовая скорость n – й моды акустической волны с частотой ω в волноводе меняется с изменением акустического давления, т.е. оказывается промодулированной с функцией модуляции пропорциональной изменению акустической волны, что приводит к фазовой модуляции волны накачки.

Дополнительный набег фазы волны накачки на приемном преобразователе в волноводе будет зависеть от приращения фазы за счет изменения фазовой скорости. Это приращение изменяется во времени по закону изменения принимаемой волны.

При распространении в гибком волноводе гармонической волны с частотой ω с изменяющейся фазовой скоростью под действием гармонической волны сигнала с амплитудой P_m и частотой Ω происходит фазовая модуляция волны в волноводе, по величине которой можно судить о принимаемом сигнале.

Пусть принимаемая волна описывается выражением

тогда принимаемая волна запишется в виде

где A – амплитуда высокочастотной волны, Ψ(P,ω,L) – функция фазовой модуляции за счет изменения фазовой скорости высокочастотной волны в волноводе при воздействии принимаемой низкочастотной волны, φ₀ – начальная фаза высокочастотной волны.

Рассмотрим схемы обработки сигнала путем использования фазового детектора [3]. Функциональная схема такого устройства обработки приведена на рис. 1.

Устройство представляет собой перемножитель и фильтр низких частот, включенные последовательно. Сигнал, принятый приемным преобразователем накачки, подается на один из выходов перемножителя, а на другой выход подается опорный сигнал частоты накачки. Сигнал на выходе такого устройства будет пропорционален:

где т – индекс фазовой модуляции

Рис. 1. Функциональная схема обработки сигналов.

При φ=0 и малом t сигнал на выходе практически не зависит от t.

Таким образом, применяя такое устройство обработки, необходимо вычислять фазу колебаний на выходе устройства, чтобы опорный сигнал сдвинуть относительно входного на π/2 . Кроме того, при больших амплитудах принимаемого сигнала, т.е. при больших m, напряжение на выходе устройства нелинейно зависит от амплитуды принятого сигнала. Эти недостатки можно устранить, применив квадратурное устройство обработки.

В итоге показано, что в волноводе изменяются параметры распространения волн накачки за счет принимаемых волн. В волноводе образуется параметрическая приемная антенна с управляемыми характеристиками за счет изменения частоты волны накачки.

Исследования выполнены при поддержке Минобрнауки РФ (ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 г.») ГК № 14.518.11.7068.