close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Эффекты синхронизма при рассеянии звука на распространенных структурах.

код для вставкиСкачать
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном
учреждении науки Институте прикладной физики Российской академии
наук (г. Нижний Новгород)
На правах рукописи
Салин Михаил Борисович
ЭФФЕКТЫ СИНХРОНИЗМА
ПРИ РАССЕЯНИИ ЗВУКА
НА РАСПРЕДЕЛЕННЫХ СТРУКТУРАХ
01.04.06 – акустика
Научный руководитель:
Официальные оппоненты:
доктор физико-математических наук,
Касьянов Дмитрий Альбертович,
ФГБНУ Научно-исследовательский
радиофизический институт
кандидат технических наук,
Теверовский Григорий Вениаминович,
ФГУП Всероссийский научно-исследовательский институт
физико-технических и радиотехнических измерений
Ведущая организация:
Ав т ор еф ерат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
доктор физико-математических наук,
Лебедев Андрей Вадимович,
ФГБУН Институт прикладной физики РАН
Научный центр волновых исследований
ФГБУН Института общей физики
им. А.М. Прохорова РАН
Защита диссертации состоится 24 марта 2014 года в
15.00
часов на
заседании диссертационного совета Д 002.069.01 в Институте прикладной
физики РАН по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной
физики РАН и на официальном сайте Института прикладной физики РАН
http://ipfran.ru/training/dis.html.
Автореферат разослан «____» __________ 2014 г.
Нижний Новгород  2014
Ученый секретарь
диссертационного совета
кандидат физико-математических наук
2
А.И. Малеханов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность
Последние десятилетия в гидроакустике характеризуются переходом
активных гидроакустических (ГА) систем в область низких частот. Основной причиной этого, как отмечает академик А. В. Гапонов-Грехов является
то, что «единственным видом сигналов, распространяющимся в океане с
большой скоростью и малым затуханием, считается низкочастотный (НЧ)
звук. Поэтому низкочастотное гидроакустическое обнаружение является
физической основой, на которой базируются средства обнаружения…» [1].
В дополнение к низким частотам, а это, как правило, частоты ниже
1 кГц, для целей выделения сигналов движущихся объектов и высокой помехоустойчивости, в ГА системах находят применение и используются тональные и широкополосные посылки большой (до 10 сек) длительностью.
Применение тональных посылок с большой длительностью импульсов приводит к необходимости:
а) выполнения исследований тонкой структуры спектра реверберации,
обусловленной в первую очередь рассеянием на поверхностном волнении
б) изучения механизмов возрастания силы цели рассеивателя за счет
совпадения частоты локационного сигнала с резонансами локализованных
или распределенных колебаний корпуса на низких частотах.
В рамках данной работы основное внимание уделяется исследованию и
расчету рассеяния звука на распределенных структурах, в которых параметры рассеивателя характеризуются определенным набором пространственно-временных гармоник. В работе показано, что степень согласования
(синхронизма) акустических волн с данными гармониками будет в первую
очередь определять характеристики рассеянного поля и их отклонения от
средних значений.
Первый из рассматриваемых в работе типов синхронизма отвечает
брэгговскому рассеянию. Здесь исследование проводится на примере рассеяния НЧ звука на поверхностном волнении. В данном случае условия
синхронизма заключается в равенстве волнового вектора и частоты поверхностной волны разности волновых векторов и разности частот падающей и
рассеянной волн. Разность частот соответствует доплеровскому сдвигу частоты рассеянного сигнала, который, как правило, оказывается на пару порядков меньше несущей частоты, но он хорошо наблюдаем в морских экспериментах и может оказывать маскирующее влияние при выделении отраженного от движущегося рассеивателя сигнала.
Движение взволнованной поверхности в этом случае можно описывать
кинематически, т.е. с заданными параметрами, не зависящими от амплитуды и фазы акустических волн. Этот тип синхронизма будем называть пространственным, поскольку только значение суперпозиции векторов пространственных частот напрямую влияет на характеристики рассеянного
сигнала. В принципе, данный тип синхронизма встречается и в других зада-
чах, например, при взаимодействии волн в нелинейной среде или при рассеянии на пространственной структуре неровностей дна.
Вторым рассматриваемым типом явлений является пространственновременной синхронизм, заключающийся во взаимодействии акустических
волн с собственными колебаниями упругих тел. В этом случае возможны
эффекты, как поглощения, так и переизлучения акустических волн.
Условия синхронизма, т.е. условия эффективного возбуждения собственной моды упругого тела заключается в совпадении проекций векторов
падающей (а не разностной) акустической волны и упругой волны в рассеивателе, имеющем в наших задачах, как правило, вытянутую, цилиндрическую форму. Одновременно с этим требуется совпадение частоты акустического сигнала с резонансной частотой упругого тела. В работе данный
тип синхронизма рассматривается на примере рассеяния звука на подводных аппаратах и их моделях, основным конструктивным элементом которых являются упругие цилиндрические оболочки с неоднородностями.
Уровень и диаграмма направленности рассеянного на них НЧ сигнала может существенно изменяться при определенных углах падения звуковых
волн и на частотах, отвечающих указанному типу синхронизма.
Исследование характеристик рассеяния звука на данных классах рассеивателей (волнение и упругие оболочки) ведется в подводной акустике
длительное время. Например, в монографиях [2-4] приводится обзор работы
за продолжительный период времени. Однако, несмотря на большое число
опубликованных работ, в данной области ещё остается целый ряд нерешенных задач.
Главным образом, это связано с тем, что ранее по обоим направлениям
исследования основное внимание уделялось диапазону частот, где возможно получение асимптотических решений.
Современная аппаратная база позволяет значительно продвинуться в
решении рассматриваемых задач. Например, ранее отсутствовали достаточно мощные численные средства и методы решения трехмерных задач по
вынужденным и собственным колебаниям неоднородных конструкций.
Также отсутствовала цифровая многоканальная измерительная аппаратура,
необходимая для проведения сложных экспериментов по синхронному измерению временных зависимостей наведенных виброполей или полей смещений и акустических полей рассеяния.
Задачи исследования реверберации, возникающей при рассеянии звука
на поверхностном волнении, очевидно, являются более сложными, чем
классическая задача о падении плоской волны на неровную границу полупространства [5]. В частности, требуется учитывать вертикальные и азимутальные углы падения и отражения волн, а также статистические характеристики волнения.
3
4
Опубликовано большое количество работ, в которых анализируется задача о распространении ВЧ акустического сигнала на коротких трассах с
многократным отражением от взволнованной поверхности (см. например
[6, 7]). По сравнению с большим объемом публикаций по ВЧ рассеянию,
существует относительно небольшое число работ [8-11], где исследуются
спектральные характеристики поверхностной реверберации (рассеяния на
поверхностном волнении), которая возникает при дальнем распространении
НЧ звуковых сигналов. Эти исследования осложняется тем, что сами параметры ветрового волнения, например, трехмерная пространственновременная спектральная плотность мощности колебания поверхности, «напрямую» влияющая на рассеяние длинных импульсов, требуют уточнения и
проведения дополнительных измерений [12, 13].
В современных исследованиях рассеяния звука на упругих телах (другой тип рассеивателей рассматриваемый в диссертации) можно выделить
две подгруппы актуальных на настоящее время задач. Во-первых, это решение общей задачи по оценке характеристик рассеяния определенного
класса конструкции, что необходимо, например, для оценки дальности действия гидроакустических систем, или определения критериев выделения
нужных целей [14]. Вторая подгруппа – это детальный расчет бистатической силы цели для ряда конструкций с заданными параметрами. Другими
словами, требуется либо исследовать качественные особенности общего
решения, либо найти с требуемой точностью частное решение задачи.
Решение задач рассеяния на упругих телах в области низких частот осложняется наличием большого количества внутренних связей и механических резонансов тела. Поэтому эта задача является достаточно сложной уже
в самой простой ее постановке, когда рассеиватель находится в свободном
пространстве и облучается плоской монохроматической волной.
Исторически, задачи рассеяния НЧ звуковых сигналов на упругих телах
решались либо аналитическими методами, либо экспериментально (здесь
под верхней границей НЧ диапазона понимается частота, при которой на
длине тела укладывается порядка десятка длин волн).
Аналитические методы [3-4, 15-16] сталкиваются с серьезными трудностями при усложнении моделей и позволяют решить существенно ограниченный круг задач. В последние годы был достигнут значительный прогресс в решении задач рассеяния за счет развития вычислительной техники,
благодаря которому стал возможен расчет сложных задач с использованием
метода конечных элементов [17-19].
Проведение измерений характеристик рассеяния также необходимо для
решения ряда научно-прикладных задач. Оно является, как самостоятельным экспериментальным методом исследования, так и используется для
проверки математических моделей и проведенных на их основе расчетов.
Традиционно измерение параметров рассеяния выполняется при облучении рассеивателя и приеме отраженного от него импульсного сигнала в
дальней зоне [2, 14, 20]. Это может быть реализовано только для относительно небольших моделей и при использовании специальных заглушенных
бассейнов. Работа с крупномасштабными моделями судов (порядка 10-20
м), в которых могут быть реализованы все детали исходной конструкции,
влияющие на рассеяние, обычно производится в натурных условиях при
наличии отражения звука от неоднородностей дна, поверхности, береговых
конструкций, а также при относительно высоком уровне фоновых шумов и
реверберации.
В этих условиях, определение параметров рассеяния может быть выполнено только в ближней зоне рассеивателя:
а) при измерении амплитудно-фазового распределения поля рассеяния
на определенной апертуре приемной антенны [21, 22];
б) при применении специально разработанных методов подавления высокого уровня реверберационной помехи [23].
Еще раз отметим, что актуальность исследования характеристик рассеяния НЧ звука на упругих телах и поверхностном волнении обусловлена
в первую очередь переходом активных гидроакустических систем (ГАС)
обнаружения на низкие рабочие частоты [1, 9, 24]. Низкочастотные ГАС,
несмотря на ухудшение пространственного разрешения (по сравнению высокочастотными аналогами, распространенными в настоящее время) и на
ряд технических сложностей, связанных с размерами антенн и трудностью
излучения звука на низких частотах, имеют большой потенциал благодаря
дальнему распространению НЧ звука за счет малого затухания.
Кроме того, для НЧ диапазона, особенно для частот 100-200Гц, не существует безотражательных покрытий, поскольку для эффективного поглощения звука толщина покрытия должна быть сопоставима с длиной
волны лоцирующего сигнала и при этом не терять своей эффективности
при перепадах давления от одной до сорока атмосфер.
Одним из наиболее эффективных методов выделения сигнала от движущегося рассеивателя при тонально импульсной схеме локации является
доплеровская фильтрация принятого сигнала. Поверхностное волнение, как
процесс, приводящий к самому быстрому изменению параметров канала
распространения звука, создает помеху, в том числе, на частотах Доплера.
Результаты данной работы могут быть напрямую применены как для оценки характеристик сигнала помехи, так и для оценки полезного сигнала. Более того, к максимальному доплеровскому сдвигу частоты приводит только
рассеяние звука в незеркальных, обратных направлениях, которым уделяется особое внимание в данной работе. Таким образом, можно утверждать,
что данная работа актуальна для создания и развития НЧ гидролокационных систем.
5
6
Цель работы. Настоящая работа ставит своей целью исследование особенностей рассеяния звука на поверхностном волнении и упругих оболоч-
ках в диапазоне низких частот, а также совершенствования физических моделей рассеяния звука. Совершенствование физических моделей включает в
себя получение рабочих формул и выбор методом решения практических
задач. Для достижения поставленных целей необходимо решить ряд задач.
Во-первых, требуется построение схем и методов расчета динамических
и статистических характеристик рассеяния звука на упругих телах и поверхностном волнении. Во-вторых, требуется разработать методы измерения характеристик рассеяния звука на поверхностном волнении и на упругих оболочках (в натурных условиях). Также требуется разработать независимый метод контроля трехмерных характеристик волнения, влияющих на
рассеяние. И, в-третьих, требуется провести экспериментальное исследование указанных характеристик и сравнить полученные данные с аналитическими результатами.
На основе построенных моделей и полученных экспериментальных
данных должен быть сделан прогноз возможных уровней поверхностной
реверберации на доплеровских частотах и выполнена оценка возможности
выделения сигнала движущегося рассеивателя.
мощью указанной схемы проведена серия полунатурных экспериментов по
измерению характеристик бистатической СЦ ряда масштабных моделей
(характерная длина ~ 10м) в условиях акватории с глубиной ~ 20 м.
5. Предложен аналитический подход к выполнению оценки уровня рассеяния на резонансе моды упругого тела, основанный на законе сохранения
энергии. Для его использования необходимо задание частоты и волнового
вектора стоячей упругой волны. Полученные результаты находятся в хорошем согласии с результатами моделирования МКЭ.
6. Предложен вариант описания характеристик сложного рассеивателя в
виде совокупности взаимодействующий эквивалентных точечных рассеивателей – эквивалентных приемо-передатчиков, связанных матрицей рассеяния. Число параметров, необходимых для описания дальнего поля сведено к
минимуму, при этом эквивалентные рассеиватели должны располагаться с
шагом 1/3 длины волны в среде. В эксперименте с крупномасштабными
моделями продемонстрирована возможность выполнения измерения параметров указанных рассеивателей
Научная новизна диссертационной работы определяется новыми методами исследования и полученными оригинальными результатами. В ней
впервые:
1. Для расчета спектральных уровней реверберации при тональной подсветке акватории был использован трехмерный спектр волнения, который
позволяет учитывать угловое распределение ветрового волнения и возможное присутствие нелинейных компонент в спектре. Получено выражение
для локальной (приведенной к 1 м2 ) СЦ обратного рассеяния звуковых волн
на поверхностном волнении в полосе частот ±0.01 от несущей частоты.
Теоретические оценки показали, что именно при моностатической схеме
локации (обратное рассеяние) нелинейные компонент в поле волнения могут наблюдаться в рассеянном сигнале.
2. Модернизирован оптический метод измерения трехмерных спектров
поверхностного волнения за счет дополнения его процедурой его калибровки и самопроверки. Благодаря этому получены экспериментальные результаты, выраженные в размерных единицах и дополненные оценкой точности
измерения, что выгодно отличает данное исследование от опубликованных
ранее работ.
3. Проведено численное моделирование и продемонстрирована возможность рассеяния НЧ звука упругими оболочками при синхронизме падающей волны с различными типами упругих волн: продольными (быстрыми), изгибными и поверхностными (медленными).
4. Разработан вариант ближнепольной схемы измерения характеристик
рассеяния, основанный на движении модели и отстройке по частоте полосы
приемного тракта от характерных частот реверберационной помехи. С по-
Научная и практическая значимость
Результаты настоящей работы создают базу для дальнейших фундаментальных и прикладных исследований в этой области. С точки зрения фундаментальных исследований, усовершенствованные модели рассеяния позволяют минимизировать число варьируемых в модели параметров. Необходимость расчета частотно-угловых зависимостей силы цели рассеивателей возникает во многих задачах гидроакустики и акустики в целом, поэтому разработанные методы расчета этих характеристик, подтвержденные
экспериментально, будут востребованы в различных задачах. То же можно
сказать и про усовершенствованный и опробованный здесь ближнепольный
метод измерения характеристик рассеяния тел, применимый, когда нет возможности проведение измерений в дальней зоне рассеивателя.
Результаты работы могут быть применены для оценки дальности действия низкочастотных ГАС и усовершенствования схемы обработки сигналов
благодаря полученным в работе данным по уровню силы цели типовых
объектов и характерным параметрам реверберационной помехи.
Полученные в работе данные также могут быть использованы в бортовых системах контроля для выполнения прогнозных оценок уровней рассеянного сигнала и реверберационной помехи.
Найденные схемы расчета параметров рассеяния и выполненная их натурная проверка на моделях позволяют перейти к разработкам рекомендаций по внесению изменений в конструкцию подводных аппаратов для достижения требуемых значений характеристик рассеяния.
Оптический метод измерения 3D характеристик волнения разрабатывался в данной работе в качестве второстепенной задачи для получения
исходных данных при расчете уровней реверберации. Однако, этот метод и
7
8
результаты, полученные с его помощью, имеют самостоятельную ценность
и перспективы применения для решения ряда гидрофизических задач, не
связанных с акустическим рассеянием.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Характеристики реверберации, обусловленной рассеянием низкочастотного тонально звукового сигнала на ветровом волнении, могут быть
рассчитаны в рамках модели, в которой учитывается когерентное рассеяние
на участках поверхности, с размером порядка цуга ветровых волн, и производится некогерентное сложение полей от разных участков. Для расчета
требуются параметры условий распространения звука и значения трехмерной спектральной плотности мощности волнения.
2. Сопоставление экспериментально измеренных частотно-угловых зависимостей реверберации с рассчитанными характеристиками подтверждают правильность выбранной модели рассеяния, основанной на учете
пространственного синхронизма акустических и ветровых волн.
3. При разнесенных в пространстве излучателе и приемнике в реверберации присутствует весь временной спектр волнения ниже частоты, которая
определяется дисперсионным соотношением и удвоенным значением волнового вектора акустической волны. При моностатической схеме локации в
спектре реверберации присутствует максимум на указанной частоте и фоновый пьедестал, обусловленный некогерентным рассеянием звука на неоднородностях.
4. Трехмерный спектр поверхностного волнения может быть восстановлен по видеоизображению взволнованной поверхности при квазиоднородной засветке акватории и наличии синхронного измерения колебаний поверхности в одной или нескольких точках.
5. Найдена возможность описания неоднородных упругих оболочек с
длиной порядка 20 длин волн в среде с помощью конечно-элементых моделей, которые позволяют выполнить расчет бистатической силы цели рассеяния с точностью не хуже 3 дБ для основных лепестков диаграммы направленности. Достижение такой точности подтверждено сравнением расчетов с результатами экспериментов.
6. Характеристики рассеяния вытянутого объекта могут быть измерены на низких частотах в реальных условиях при высоком уровне реверберационной помехи, если выполнен ряд условий. Рассеиватель подсвечивается тональным источником и движется параллельно антенне; используется
ближнепольная методика измерений; в процессе обработки сигнала применяется доплеровская фильтрация, параметры которой определяются параметрами движения рассеивателя.
7. На основе исследования фоновых характеристик реверберации
можно оценить погрешность измерения уровня бистатической силы цели
9
рассеивателя на данном полигоне и определить минимально измеримые
значения этой величины.
8. Использование баланса между энергией, поглощаемой упругим телом из внешнего поля, потерями на излучение и внутренними потерями
позволяет при выполнении условия синхронизма получить приближенные
оценки относительного уровня рассеяния и эффективности рассеяния на тех
или иных типах упругих волн.
9. Для сложного рассеивателя может быть построена модель, состоящая из линейки взаимодействующий точечных приемных и передающих
элементов, которая будет эквивалентна моделируемому объекту с точки
зрения равенства уровней дальних полей рассеяния.
Достоверность. Все полученные результаты обладают высокой степенью достоверности и являются обоснованными. Подтверждением этого
служит согласие аналитических и расчетных данных с результатами, полученными в экспериментах. Физическая трактовка полученных результатов,
базирующаяся на разработанных моделях излучения и рассеяния звука, находится в согласии с общепризнанными представлениями. Основные положения диссертации опубликованы в ведущих российских журналах, докладывались на международных и всероссийских конференциях и неоднократно обсуждались на семинарах в ИПФ РАН.
Апробация результатов работы. Диссертация выполнена в Институте
прикладной физики РАН. Результаты диссертации были использованы в
рамках опытно-конструкторских работ «Автоном», «Санхар» и «Бортактив», выполняемых ИПФ РАН по договорам с ведущими проектными
бюро кораблестроительной отрасли.
Также результаты диссертации были использованы в ходе исследовательских работ в рамках грантов РФФИ (№№ 08-05-00220а, 13-02-00932a),
ФЦП «Кадры» (№14.132.21.1428) и программы «Умник».
Результаты, полученные в ходе выполнения работы, вошли в Отчет
РАН за 2009 г.
Основные результаты и положения работы доложены автором:
- на международных конференциях: Европейская коференция по подводной акустике (ECUA-2010, ECUA-2012), «Форум акустикум» (FA-2011),
MTS/IEEE Oceans-2010 и 161-ой Конференция Акустического общества
Америки (ASA);
- на всероссийских конференциях, проводимых Российским акустическим обществом, а так же Институтом космических исследований РАН;
- на конференциях молодых ученых, проводимых в Нижнем Новгороде
и области: научная конференция по радиофизике ННГУ (в 2007 и 2009 г.) и
17ая Нижегородская сессия молодых ученых (2012 г.)
10
- на семинарах ИПФ РАН, в том числе автор диссертации с коллективом соавторов были отмечены дипломом II степени на конкурсе молодых
ученых ИПФ РАН (2011 г.).
Так же автор удостоился ряда наград за проводимые исследования:
Международный студенческий грант Акустического общества Америки
(2010), Стипендия им. акад. Разуваева, присуждаемая правительством Нижегородской области (2011 и 2012) и стипендия Президента РФ (2012).
Публикации. Результаты диссертации изложены в 31 работе автора, из
которых 7 статей опубликованы в реферируемых журналах, входящих в
перечень ВАК, и 24 работы опубликованы в трудах конференций и тематических сборниках.
Личный вклад автора. Во-первых, автор диссертации лично выполнил
разработку ряда теоретических моделей и положений, изложенных в диссертации, в том числе:
- разработку модели представления сложного рассеивающего объекта в
виде совокупности точечных взаимосвязанных эквивалентных рассеивателей,
- разработку метода и схемы энергетической оценки уровня рассеяния
звука на упругой оболочке,
- разработку метода и алгоритма обработки видеоизображения для получения 3-мерной спектральной плотности мощности колебания морской
поверхности.
Во-вторых, автор написал основную часть прикладных программ, используемых в работе, в том числе: программу обработки изображений
взволнованной поверхности, ряд программных модулей, используемых при
расчете рассеяния методом конечных элементов, программу для расчета
рассеяния на телах с простыми граничными условиями на основе решения
интегрального уравнения, ряд программных модулей для обработки сигналов, полученных в экспериментах.
Автор лично предложил и провел серию расчетов («численных экспериментов») для проверки выдвинутых гипотез и теоретических моделей,
принимал непосредственное участие в подготовке, планировании и проведении экспериментов, а так же активно участвовал в обработке полученных
данных.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 3
глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 182
страницы, включая 64 рисунка. Список литературы содержит 133 наименований, включая работы автора.
11
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность работы, формулируются её
цели, кратко излагается содержание диссертации.
В Главе 1 проводится теоретическое и экспериментальное исследование рассеяния звука на поверхностном волнении. Рассматривается низкочастотный диапазон, характерными особенностями которого является выполнение условия Рэлея и формирование реверберационного сигнала за
счет когерентного рассеяния звука на участках поверхности размером порядка цуга волн (рассеяние как на дифракционной решетке), с последующим некогерентным накоплением рассеянного сигнала по всей акватории,
попадающей в зону подсветки. В разделе показано, что амплитуда сигнала,
рассеянного на локальном участке поверхности, определяется амплитудой
падающей волны и амплитудой компоненты спектра ветровых волн, волновой вектор которой находиться в брегговском синхронизме с суперпозицией горизонтальных проекций волновых векторов падающей акустической
волны и рассеянной.
В разделе 1.1 получено выражение, позволяющее рассчитывать спектральные и угловые характеристик реверберации для низкочастотных тональных и тонально-импульсных сигналов в рамках указанных приближений. Выполнение расчетов базируется на известных условиях распространения звука и 3-мерных пространственно-временных спектрах мощности
ветрового волнения. К параметрам распространения относятся: длина стационарной трассы r0, глубина H, углы распространения мод относительно
горизонта m и максимальный захватываемый угол *. Спектральная плотность мощности (СПМ) ветрового волнения G2(K,) описывается в переменных K – волновой вектор поверхностной волны, /2 - ее частота. Пример такого спектра приведен на рис. 1. При наличии указанных данных,
расчет уровня реверберации может быть выполнен путем вычисления следующего интеграла по поверхности акватории:
2
2 2 k 2 rо
sin 2  m sin 2  n G (  sign   K m ,n (r ),  )
2
рnorm
( ) 

ds
(1)

3
H  * m ,n cos  m cos  n S
r r - r0
Здесь p2norm – отношение СПМ реверберационного сигнала (в зависимости
от частоты Доплера) к уровню поля в случае невозмущенной границы, k –
волновой вектор акустической волны в среде.
Были выделены характерные области поверхности, рассеяние на которых дает наибольший вклад в тот или иной поддиапазон доплеровских частот реверберационного сигнала (см. рис. 2). В ходе исследовании показано,
что соотношение (1) в предельном случае сильно коррелированного волнения (спектр по волновым векторам близок к дельта-функции) дает уровни
реверберации, которые хорошо согласуются с полученными ранее данными
[8].
12
Необходимость использования в расчетах трехмерного спектра волнения мотивировала более детальное исследование его свойств и, главным
образом, методов его измерения. Этим вопросам посвящен раздел 1.2 данной работы, в котором предложен и описан оптический метод измерения
частотно-угловой характеристики волнения – трехмерной (частота и две
проекции волнового вектора) спектральной плотности мощности поверхностного волнения. Схема измерения основана на пересчете поля яркости поверхности (зарегистрированного видеокамерой) в поле уклонов [25-28] и,
далее, в поле высот волнения. Закон преобразования для такого пересчета
находится на основе сравнения в определенных точках акватории временных зависимостей поля яркости с эталонами временными зависимостями
колебаний поверхности, измеренными в тех же точках специальными «оптическими» вешками.
дБ
1.1 Гц
дБ
Ky (1/м)
0.7 Гц
Kx (1/м)
Kx (1/м)
Рис. 1. Пример трехмерной СПМ поверхностного волнения, представленной в виде
сечений по частоте (в дБ отн. 1 м4/Гц). Результат измерения развитым в работе оптическим методом на Балтийском море, 21.08.2006. Белые окружности ограничивают значения |K|, удовлетворяющие дисперсионному соотношению в пределах разрешения одного канала временного спектрального анализа. Частота максимума
0,7 Гц. Линии равного уровня спектров проведены через 5 дБ
В работе отдано предпочтение именно такому методу измерения характеристик волнения из-за возможности выделения различных пространственных компонент волнения (аналогичное выделение происходит при рассеянии на поверхности акустических волн). Традиционные контактные
средства измерения - буи и многострунные волнографы [29] – измеряют
колебания поверхности, как правило, на участке меньше характерной длины волны, за счет чего определяется только главное или усредненное направление ветрового волнения.
В разделе 1.2 также приведены примеры измеренных характеристик
волнения, дополненные теоретическими объяснениями и интерпретацией.
13
Достоверность экспериментальных данных подтверждается сравнением
посредством корреляционной обработки с результатами контактных измерений.
В разделе 1.3 представлены
fdop = 0.4 Гц
результаты серии экспериментов, направленных на проверку
разработанной модели рассеяния НЧ акустического сигнала
на поверхностном волнении.
Проводилось
исследование
частотно-угловых
характериfdop = 1.2 Гц
стик реверберации, возникающей при распространении тональных сигналов на стационарных трассах. Прием реверберационных сигналов и определение их характеристик направленности выполнялся многоэлементной линейной горизонтальной ГА антенной. Эксfdop = 1.8 Гц
дБ
перименты проводились в заливе Ладожского озера.
На рис. 3 приведен пример
двумерного спектра реверберации (доплеровская частота –
азимутальный угол), измеренного в эксперименте, на который нанесены теоретические
кривые.
Одновременно с акустическими измерениями проводились видеоизмерения трехмерных спектров волнения. СпекРис. 2. Нормированное распределение вклатры реверберации, рассчитандов отдельных участков поверхности в обные на основе измеренного
щий уровень реверберации в точки приема
спектра волнения, согласуются
на различных допплеровских частотах (равс результатами прямого изменых частотам компонент ветрового волнерения спектров реверберациния). Расчет для модельной задачи ro =400 м,
онного сигнала. Наблюдается
f =1500 Гц, H=20 м, *=26.7° и модельного
изотропного спектра волнения. Звездочками
количественное согласие и выобозначено местоположение излучателя и
деляются качественные осоприемника
бенности
частотно-углового
спектра реверберации, которые
14
следуют из брэгговской модели рассеяния.
Угол, градусы
Частота, Гц
/(2), Гц
Рис. 3. Измеренное распределение нормированной двумерной СПМ акустической реверберации в координатах доплеровская частота и азимутальный угол.
Несущая частота 2525 Гц, дистанция
100 м, направление на излучатель 35°.
Белая стрелка указывает проходную
характеристику движущегося рассеивателя (часть другого эксперимента)
Рис. 4. Частотная зависимость (в дБ отн.
1/Гц) локальной СЦ взволнованной по2
верхности  loc
 f i ,   , рассчитанной с
использованием значений спектров волнения, усредненных в основном лепестке
направленности волнения
В разделе 1.4 рассмотрен наиболее интересный с практической точки
зрения случай – моностатическая схема локация с применением длинных
тональных импульсов и узкополосного спектрального анализа принятого
сигнала, которая ориентирована на выделение отраженного сигнала от
движущихся целей. При такой схеме локации основная помеха создается
при обратном рассеянии звуковых волн на ветровом волнении. Поскольку
размер базы источник-приемник пренебрежимо мал, из условия синхронизма следует, что при фиксированных вертикальных углах падающих и
отраженных акустических волн только одна пространственная компонента
волнения участвует в отражении, а ее фазовая скорость определяет доплеровский сдвиг реверберационного сигнала [30, 31].
Здесь уровень реверберации удобно выразить через зависимость величины локальной СЦ 1 м2 взволнованной поверхности от доплеровской /2
и несущей f частот:
r
2
 loc
(r , f ,  )  9 1 k 4 sin 2 (  M ) sin 2 (  N )  G 2 ( 2 k  sign ,  )
(2)
r
где  M ,  N - полуширина сектора вертикальных углов при излучении и
приеме; СЦ  10 lg  2 . Значение волнового вектора поверхностной волны
15
r
отвечает рассеянию звуковой волны в обратном направлении из
r
точки r с положительным доплеровским сдвигом частоты.
На основе экспериментальных данных по 3-мерным спектрам волнения
и разработанной методике расчета полей рассеяния для данной схемы локации была выполнена оценка уровней реверберационной помехи в диапазоне
радиальных скоростей движения рассеивателя 1 -3 м/с. Результаты расчета
изображены на рис. 4 и выражены через спектральную характеристику локальной (приведенной к 1 м2) силы цели обратного рассеяния звука на
взволнованной поверхности.
Как показали исследования, полученный спектр реверберационного
сигнала содержит две области: узкий максимум за счет рассеяния на поверхностных волнах, удовлетворяющих дисперсионному соотношению, и
сплошную часть, отвечающую за так называемое некогерентное рассеяние.
Конечная ширина максимума и ненулевой уровень некогерентной части не
определяются в известных ранее моделях рассеяния [30, 31]. В разделе также показано, что найденное значение суммарной (по всем доплеровским
частотам) локальной силы цели рассеяния согласуется с аналогичными значениями, рассчитанными по классической формуле Марша-Шулкина, приведенной, например, в [2].
В главах 2 и 3 исследуются вопросы рассеянии НЧ звука на упругих
оболочках с неоднородностями при условии выполнения пространственного и (или) временного синхронизмов. Ввиду значительной сложности и
объемности поставленной задачи, а также для обеспечения последовательного подхода от простого к сложному, рассматриваются уровни рассеяния в
свободном пространстве.
В главе 2 проводится исследование основе решения ряда модельных
задач. Как было сказано ранее, применение численных методов является
актуальным и перспективным направлением в исследовании характеристик
сложных рассеивателей. Поэтому в разделе 2.1 выполнен краткий обзор
численных схем решения задачи рассеяния звука на упругих телах, включая
метод конечных элементов (МКЭ), вопросы моделирования внешнего безграничного пространства и формирования плоской падающей волны. Так
же рассматриваются методы решения задач рассеяния звука на телах с идеальными граничными условиями, – метод граничных элементов (МГЭ) и
так же МКЭ. Производится тестирование и оценка точности численных
методов и алгоритмов расчета на примере абсолютно жесткой сферы.
В разделе 2.2 приводятся результаты работы по модификации традиционной конечно-элементной схемы, выполненной в рамках данной диссертации. Улучшения направлены на повышение производительности вычислений. Они заключаются в применении блочного метода решения к системе
линейных уравнений большой размерности, и в создании в рамках МКЭ
K  2k
16
17
(б)

Сечение рассеяния дБ отн 1м2
(а)
СЦ, дБ
граничных условий, моделирующих внешнюю среду, для случая поверхности цилиндрической формы. Далее теоретическое исследование особенностей рассеяния звука на упругих оболочках будет проводиться с использованием данного численного метода. При этом подходы к постановке задачи
будут аналогичны применяемым в экспериментальных работах. Т.е. в данной главе исследование проводится путем так называемого «численного
эксперимента».
В разделе 2.3 на примере результатов численного решения модельных
задач рассмотрены характерные изменения параметров рассеянного поля в
случае наличия или отсутствия синхронизма падающей волны с различными формами колебаний. Выделяется три режима: совпадение проекций фазовых скоростей падающей акустической волны и упругой волны, совпадение частоты падающей волны с собственной частотой упругого тела и случай совпадения обоих из этих параметров.
Другими словами, здесь исследуются качественные и количественные
характеристики незеркального рассеяния звука в области низких частот,
которые ранее изучались преимущественно в ВЧ диапазоне [32-33]. В теоретических работах были даны указания на наличие таких эффектов, как
незеркальное отражение, и в НЧ диапазоне [15, 34]. Однако ранее исследователи не имели возможности построить соответствующие частотноугловые зависимости в случаях, когда из-за малого числа периодов взаимодействия не применимы асимптотические приближения. Кроме этого, одной из целей раздела является дополнительная проверка метода численного
моделирования и демонстрация того, что известные эффекты, связанные с
рассеянием в условиях синхронизма, учтены в модели.
Рассмотрена задача о рассеянии на стальной цилиндрической оболочке
с жесткими торцами с параметрами: отношение диаметра к длине 1/10, частотный диапазон L/ ~ 1..10 (L – длина тела,  - длина волны в среде). Для
используемых параметров модели показано следующее. Пространственновременной синхронизм, достигающийся при падении волны под определенным углом на одной из резонансных частот модели, увеличивает обратное рассеяние на величину порядка 15 дБ по сравнению с характерными
уровнями для других углов падения (см. рис. 5а). При этом интегральное
(полное) сечение рассеяния возрастает на ~5-10 дБ (см. рис. 5б). Для широкополосных сигналов выполнены тестовые расчеты, которые показали, что
при выполнении типовой для гидролокации операции свертки рассеянного
и принятого сигналов происходит уменьшении функции корреляции (примерно на 6дБ), если исходная длительность корреляционного пика меньше
длительности отклика рассеивателя (см. рис. 6). Подход к постановке численных экспериментов, продемонстрированный в разделе 2.3, может быть
применен к более сложным моделям. В частности, это позволит в дальнейшем обоснованно выбрать и оптимизировать параметры сигналов локации
для неоднородных конструкций.
5
3
4
1
2
Частота, Гц
Частота, Гц
Рис. 5. Результаты расчета частотной зависимости уровней рассеяния стальной цилиндрической оболочки (длина 12 м, диаметр 1 м, толщина 0.005 м), подсвеченной с
угла =74, обеспечивающего синхронизм с продольной волной оболочки. (а) СЦ
для различных направления рассеяния: обратного (сплошная), зеркального (пунктир) и произвольно выбранного (точки), горизонтальная сплошная линия - теоретическая оценка предельного уровня обратного рассеяния при синхронизме. (б) Полное сечение рассеяния, цифрами обозначено: 1 - стальная оболочка, 2 - жесткая модель, 3 - мягкая модель, 4 - двойная геометрическая площадь и 5 - теоретическая
оценка максимального рассеяния при синхронизме
Сложность реальных частотно-угловых зависимостей характеристик
рассеяния упругих тел, которые получаются в результате численного моделирования или при выполнении измерений, требует их преобразование к
более простым моделям для анализа полученных результатов, прогноза изменения величин при модификации параметров конструкции или оценок в
области частот и углов, где недостаточно экспериментальных данных.
В разделе 2.4 предложен способ описания пространственных характеристик рассеянного поля на фиксированных частотах, названный методом
эквивалентных рассеивателей. Данный метод заключается в замене сложного рассеивателя системой точечных приемо-передатчиков, расположенных
с определенным шагом (~1/3 длины волны в среде) и связанных между собой матричным соотношением (т.н. матрицей рассеяния). Эквивалентность
заключается в совпадении в дальней зоне полей рассеяния дискретной системы и исходного объекта [35, 36].
Один из способов нахождения коэффициентов матрицы рассеяния заключается в преобразовании диаграмм направленности, рассчитанных МКЭ
для случая свободного пространства. Полученный таким образом набор
дискретных рассеивателей может быть использован уже в более сложной
задаче – в задаче о рассеянии на теле в волноводе (вдали от поверхности и
дна). При этом применимы известные методы расчета поля точечного источника (рассеивателя) в волноводе, а расчет по МКЭ проводится попрежнему без учета границ.
18
Кроме этого, по виду матрицы
рассеяния можно определить механизм рассеяния звука, вносящий
основной вклад на данной частоте,
в частности. В частности, можно
определить пространственную частоту резонанса оболочки при наличии такового.
Далее в разделе 2.5 показано,
что при исследовании ампитудночастотных характеристик рассеяния в случае синхронизма падающего поля с собственным колебанием (модой) упругой оболочки,
моду можно рассматривать как
осциллятор, получающий энергию
от падающей волны и переизлучающий ее в другие направления.
При этом мощность энергии, поступающей в систему, и коэффициент поглощения обычно могут
быть легко оценены. В общем случае проводится исследование при
совпадении частоты падающей
волны с частотой резонанса. Дополнительно рассмотрен частный
случай полного совпадения по частоте и волновому вектору. На основании введенной модели из закона сохранения энергии сделана
оценка максимальной амплитуды
вынужденных колебаний для данной моды и уровня рассеянного
поля.
В разделе 2.6 рассматривается
рассеяние вне резонансов оболочки. Дополнительно рассматривается рассеяние на частотах резонанса
медленной волны Стоунли. Решение задачи находится путем подбора эквивалентного значения локального импеданса на поверхности. Детально рассмотрен случай
(а)
(б)
(в)
Время , с
Рис. 6. Результаты моделирования обратного отражения ЛЧМ сигналов от
упругой оболочки, когда полоса сигнала
захватывает резонанс оболочки. На
графиках построена функция корреляции исходного сигнала и отраженного
сигнала. Параметры сигналов:
(а), (б) - октавная полоса с центром
512Гц, (в) - полоса 1/12 октавы с центром 443 Гц. Сплошными горизонтальными линиями изображен средний уровень СЦ в полосе
19
пространственного синхронизма падающего поля с медленными поверхностными волнами, которые распространяются вдоль упругой цилиндрической оболочки [34]. С использованием этой модели объяснено наличие
«частоты размягчения», выше которой резко увеличивается уровень рассеяния в просветном направлении при продольном направлении сигнала
подсветки.
В главе 3 производится численное и экспериментальное исследование
характеристик рассеяния сложных неоднородных оболочек. Эти исследования направлены на решение ряда взаимосвязанных задач. Во-первых, необходимо было выяснить, можно ли с помощью имеющихся вычислительных
средств достичь приемлемой точности расчета рассеяния звука на указанных конструкциях при использовании конечно-элементного моделирования. Для этого потребовалось провести серию экспериментов по измерению
параметров полей рассеяния и затем сравнить полученные данные с результатами расчета.
Известные стандартные схемы эксперимента основываются на облучении рассеивателя импульсными сигналами и на приеме отраженного сигнала на больших дистанциях, соответствующих дальней зоне рассеивателя.
Проведение требуемых измерений в ограниченных акваториях с небольшими глубинами и большими размерами рассеивателя оказывается невозможным из-за сильного влияния донных переотражений и высокого уровня реверберационной помехи. Из-за этого возникла вторая задача – использовать
ближнепольную схему измерения, которая существенно снижает влияние
дна и поверхности, устранив при этом влияние реверберационной помехи.
Кроме этого, с методической точки зрения представляет интерес выяснить, будет ли наблюдаться качественное сходство характеристик рассеяния сложных оболочек с результатами, полученными на более простых моделях, или же феномен рассеяния на неоднородных оболочках принципиально требует отдельного рассмотрения.
Исследование в данной главе проводилось при использовании в качестве сложной неоднородной оболочки масштабной физической модели подводного аппарата, которая была изготовлена в ИПФ РАН и имеет размеры
~10 м в длину, 1 м в диаметре. Исследуемый диапазон частот составляет 0,3
– 3 кГц.
В разделе 3.1 предложена модификация ближнепольного метода измерения характеристик рассеяния вытянутых объектов. Метод включает буксировку исследуемой модели, излучение непрерывного тонального сигнала
подсветки, прием сигналов на горизонтальную антенну, размер которой
превышает длину модели и выделение отраженного сигнала на фоне мощного сигнала подсветки и реверберации за счет наличия доплеровского
сдвига частоты в отраженном сигнале. Разработанная схема измерения
обеспечивает высокое соотношение сигнал-шум по сравнению со стандарт20
ными методами и позволяет выполнять измерения в акваториях с ограниченными глубинами.
В разделе 3.2 приведены результаты апробации разработанного метода
измерения. Описаны эксперименты по измерению бистатической СЦ указанной модели, выполненные на полигоне в заливе Ладожского озера (глубина составляла ~ 20 м). Результаты измерений сравниваются с результатами расчетов, выполненных на основе КЭМ этого объекта, расхождения в
большинстве случаев не превосходили 4 дБ (см. рис. 7). В эксперименте
подтверждены качественные отличия характеристик рассеяния звука на
исследуемой оболочки от рассеяния звука на упрощенных жестких или
мягких моделях. Для примера, на рис. 7б также построена зависимость, полученная в результате расчета по жесткой модели. Эта зависимость отличается от результатов расчета по упругой модели и от экспериментальной
кривой.

(a)
(б)
I

II
I, II
СЦ, дБ
III
I, II
I
Угол рассеяния , градусы
II
III
Угол рассеяния , градусы
Рис. 7. Сопоставление угловых зависимостей СЦ, измеренных в эксперименте (кривая с кружками) и рассчитанных по МКЭ (сплошная кривая без маркеров): (а) частота 560 Гц, измерение в полукруге углов, эксперимент 2011 г.; (б) частота 1300 Гц,
измерение в полном круге углов, эксперимент 2009 г. Подсветка с направления
близкого к нормали к длинной стороне. Угол рассеяния измеряется в горизонтальной плоскости, I – направление зеркального отражения, II – обратное направление,
III – просветное направление. Вертикальный шаг сетки 5 дБ. Серый пунктир на рис.
(б) – расчет по жесткой модели
смотренному эксперименту. Оценка минимального значения уровня СЦ,
которое можно измерить в конкретных условий, составила порядка 12 дБ.
В разделе 3.4 предложена модификация ближнепольной схемы измерения для восстановления распределения эквивалентных вторичных источников (согласно модели, введенной в разд. 2.4). Приведены предварительные
экспериментальные результаты, которые позволяют судить о возможности
проведения таких измерений.
В разделе 3.5 даны обобщающие результаты экспериментального измерения и численного моделирования характеристик рассеяния исследуемой
неоднородной оболочки. Полученная картина сопоставляется с результатами теоретического исследования. Для неоднородной оболочки замечены
такие же характерные зависимости, которые исследовались ранее на простых моделях: увеличение не зеркального рассеяния по сравнению с жесткой моделью и изменение импеданса поверхности от жесткой границы к
мягкой при увеличении частоты сигнала подсветки. Для неоднородной оболочки сложно выделить максимумы по частоте и углу, которые бы однозначно интерпретировались как резонансы той или иной моды, так как, очевидно, что моды неоднородной оболочки связаны сложным образом.
Таким образом, полученные экспериментальные результаты подтверждают, что при исследовании характеристик рассеяния упругих оболочек,
требуется учитывать эффекты пространственно-временно временного синхронизма звуковых волн с собственными колебаниями оболочки. Методы
расчета, описывающие эти эффекты, обсуждались в данной работе. Найденные значения силы цели подводных объектов следует сравнивать с силой цели рассеяния на взволнованной поверхности, величина которой также найдена в данной работе.
В Заключении сформулированы основные результаты, полученные в
диссертации.
В разделе 3.3 сделана оценка возможности использования разработанной схемы измерения в натурных (морских) условиях при слабом уровне
ветрового волнении. Оценка основывается на анализе характеристик реверберационного сигнала, измеренного на частоте 260Гц в Балтийском море
при использовании вертикальной излучающей и горизонтальной 48-ми
элементной приемной антенны. Показана принципиальная возможность
проведения измерений бистатической СЦ реального объекта при его проходе на расстоянии 100 м от приемной антенны, в условиях, идентичных рас-
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ
1. Предложена модель рассеяния звука на ветровом волнении и проведена ее проверка на основе экспериментальных исследований. Для различных случаев взаимного расположения источника и приемника выделены
области акватории, отвечающие за рассеяние звука на различных компонентах спектра волнения. Для расчета поля рассеяния принципиально использование трехмерного пространственно-временного спектра поверхностного волнения, который измеряется дистанционно по предложенной соискателем оригинальной методике, использующей анализ видеоизображения при наличии данных контактных измерений в опорных точках поверхности.
2. Для случая моностатической тонально-импульсной локации получена
оценка уровней спектра реверберации на доплеровских частотах. Результа-
21
22
ты выражаются через частотную зависимость силы цели обратного рассеяния единицы площади взволнованной поверхности. Оценка сделана на основе предложенной методики расчета и экспериментальных данных по
трехмерным спектрам волнения, измеренным оптическим методом. Показана принципиальная важность исследования свойств ветровых волн вне
дисперсионных кривых для повышения точности оценок акустической реверберации.
3. Продемонстрирована возможность расчета характеристик рассеяния
звука неоднородными упругими оболочками с приемлемой для практических приложений точностью. При этом сравнение с экспериментом показало, что даже для сложной конструкции с длиной несколько десятков звуковых волн погрешность составляет не более 3 дБ. Проведена серия численных экспериментов для исследования влияния резонансных эффектов на
уровни рассеяния.
4. Предложены упрощенные модели, позволяющие оценить уровень
рассеяния без привлечения сложных вычислительных схем. Показано, что
использование только баланса между энергией, поглощаемой упругим телом из внешнего поля, потерями на излучение и внутренними потерями
позволяет получить приближенные оценки уровня рассеяния при возникновении синхронизма, и оценить эффективность рассеяния на тех или иных
типах упругих волн. Показано, что для описания рассеянного поля в дальней зоне сложный объект может быть представлен в виде эквивалентных
точечных неоднородностей (рассеивателей), взаимодействующих друг с
другом и связанных матрицей рассеяния. При этом также показано, что оптимальное расстояние между дискретными точками составляет 1/3 длины
волны звука в среде.
5. Разработан ближнепольный метод измерения характеристик рассеяния вытянутого объекта, основанный на его движении вдоль линейной антенны в поле подсветки, близком к плоской волне. Разработаны необходимые алгоритмы обработки сигналов, включающие формирование веера диаграмм направленности приемной антенны и фильтрации ее выходных сигналов на частотах Доплера. Проведены измерения характеристик рассеяния
неоднородных упругих объектов, продемонстрировано эффективное подавление реверберационной помехи в экспериментах на полигоне оз. Ладога и
установлена возможность использования предложенной схемы измерения в
морских условиях.
СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
23
Гапонов-Грехов А.В. Можно ли обеспечить неуязвимость военных кораблей?
// Вестник Российской Академии Наук. 1997. Т. 67. №1. С. 36 – 48.
Урик Р. Дж. Основы гидроакустики. Л.: Судостроение, 1978. 448 с.
Шендеров Е. Л. Волновые задачи гидроакустики. Л.: Судостроение,1972. 352с.
Шендеров Е. Л. Излучение и рассеяние звука. Л.: Судостроение, 1989. 304 с.
Басс Ф. Г., Фукс И. М. Рассеяние волн на статистически неровной поверхности. М.: Наука, 1972. 424 с.
Tindle C.T., Deane G.B., Preisig J.C. Reflection of underwater sound from surface
waves // JASA. 2009. Vol. 125. No. 1. P. 66-72.
Badiey M. et al. Coherent reflection from surface gravity water waves during reciprocal acoustic transmissions // JASA. 2012, Vol. 132. No. 4. P. EL290-EL295.
Лебедев А.В., Салин Б.М. Исследование эффектов локализации областей рассеяния звука на ветровом волнении// Акуст. журн. 2004. Т. 50. № 6. С. 813-826.
Лучинин А.Г., Хилько А.И. Низкочастотная акустическая томография мелкого
моря с использованием маломодовых импульсов // Акуст. журн. 2005. Т. 51.
№2. С. 228-241.
Луньков А.А. Переселков С.А., Петников В.Г. Поверхностная реверберация в
мелком море при использовании сфокусированного излучения // Акуст. журн.
2008. Т. 54. №6. С. 971-980.
Lynch S.D., D’Spain G.L. Evidence of Doppler-shifted Bragg scattering in the vertical plane by ocean surface waves // JASA. 2011. Vol. 113. No. 3. P. 2011-2022.
Трубкин И. П.. Ветровое волнение. Взаимосвязи и расчет вероятностных характеристик. М.: Научный мир. 2007. 264 с.
Janssen P. The interaction of ocean waves and wind. Cambridge, U.K.: Cambridge
Univ. Press, 2004. Ch. 2.6. P. 32-54.
Runkle P. et al. Multiaspect identification of submerged elastic targets via wavebased matching pursuits and hidden Markov models // JASA. 1999. Vol. 106. No. 2.
P. 605-616.
Музыченко В.В. Дифракция звука на упругих оболочках: Методы. Теория.
Эксперимент. М.: Наука, 1993. 329 с.
Лебедев А.В., Хилько А.И. Рассеяние звука упругими тонкостенными цилиндрами ограниченной длины // Акуст. журн. 1992. Т. 38. №6. С. 1057-1065.
Артельный В.В., Лаухин В.А., Тукиянен А.Н. Численное конечно-элементное
моделирование при оценке качества конструкций // Системы наблюдения, измерения и контроля в вибро- и гидроакустике. Сб. науч. Тр. Н. Новгород: ИПФРАН, 2002. С.161-173.
Ihlenburg F. Finite Element Analysis of Acoustic Scattering // Applied Mathematical Sciences. 1998. V. 132.
24
19.
20.
21.
22.
23.
24.
25.
26.
27.
28.
29.
30.
31.
32.
33.
Dey S., Sarkissian A., Simpson H. et al. Structural-acoustic modeling for threedimensional freefield and littoral environments with verification and validation
//JASA. 2011. Vol. 129. No. 5. P. 2979-2990.
Baik K., Dudley C., and Marston P.L.. Acoustic quasi-holographic images of
scattering by vertical cylinders from one-dimensional bistatic scan // JASA. 2011.
Vol. 130. No.6. P. 3838–3851.
Маслов В.К., Теверовский В.И., Цыганков С.Г. Амплифазометрический метод
измерения характеристик дальнего поля движущегося линейного источника
//Проблемы измерения параметров гидроакустических полей и обработки информации. Сб. научных трудов «ВНИИФТРИ» М.: изд. «ВНИИФТРИ», 1999.
С. 35-47.
Лебедев А.В., Салин Б.М. Экспериментальный метод определения сечения
рассеяния вытянутых тел // Акуст. журн. 1997. Т. 43. №3. C.376-385.
Матвеев А.Л., Орлов Д.А., Родионов А.А., Салин Б. М., Турчин В.И. Сравнительный анализ томографических методов наблюдения неоднородностей в условиях мелкого моря // Акуст. журн. 2005. Т. 51. № 2. С. 268-279.
Theriault J.A., Cotaras F.D., Siurna D.L. Towed integrated active-passive sonar
using a horizontal projector array sound source: re-visiting a Canadian technology
for littoral applications // Proc. of UDT Europe, Naples, 2007.
Gotwols B. L., Irani G. B.. Optical determination of the phase velocity of short gravity waves // J. Geophys. Res. 1980. Vol. 85. No. C7. P. 3964-3970.
Munk W. An inconvenient sea truth: spread, steepness, and skewness of surface
slopes // Annu. Rev. Mar. Sci. 2009. Vol. 1. P. 377-415.
Зуйкова Э.М., Лучинин А.Г., Титов В.И. Определение характеристик пространственно - временных спектров волнения по оптическому изображению
поверхности моря // Изв. АН СССР. Сер. Физика атмосферы и океана, 1985.
Т.21. № 10. С.1095-1102.
Баханов В.В., Зуйкова Э.М., Кемарская О.Н., Титов В.И. Определение спектров волнения по оптическому изображению морской поверхности // Изв. вузов. Радиофизика. 2006. Т. 49. № 1. С.53–63.
Donelan M.A., Drennan W.M., Magnusson A.K. Nonstationary analysis of the directional properties of propagating waves // J. Phys. Oceanogr. 1996. V.26. No.9.
P.1901–1914.
Hayek C.S., Schurman I.W., Sweeney J.H., Boyles C.A. Azimuthal dependence of
Bragg scattering from the ocean surface // JASA. 1999. V. 105. № 4. P. 2129–2141.
Долин Л.С., Кондратьева М.И. О возможности восстановления анизотропного
спектра ветрового волнения методом двухпозиционной гидролокации // Изв.
ВУЗов. Радиофизика. 1995. Т. 38, № 1-2. С. 139-145.
Лямшев Л.М. Рассеяние звука упругими цилиндрами // Акуст. журн. 1960. Т.5.
В.1. С. 58-63.
Ионов А.В., Майоров В.С. Гидролокационные характеристики подводных
объектов. Спб.: ЦНИИ им. акад. Крылова, 2011. 325 с.
25
34.
35.
36.
Лебедев А.В., Хилько А.И. Рассеяние звука упругими тонкостенными цилиндрами ограниченной длины // Акуст. журн. 1992. Т. 38. №6. С. 1057-1065.
Бобровницкий Ю.И. Импедансная теория рассеяния звука: общие соотношения // Акуст. журн. 2006. Т. 52. №5. C. 601-606.
Матвеев А.Л., Коротин П.И., Турчин В.И., Суворов А.С. Реконструкция диаграмм направленности сложных источников с использованием многоэлементной приемной системы в ближнем поле // Тр. X всерос. Конф. «Прикладные
технологии гидроакустики и гидрофизики». Спб.: Наука, 2010. С.128-131.
СПИСОК СТАТЕЙ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Бородина Е. Л., Салин М. Б. Оценка пространственно-временных характеристик поверхностного волнения по видеоизображению. // Известия РАН. Физика
Атмосферы и Океана. 2010. Т. 46. № 2. С. 263-273.
Салин Б.М., Кемарская О.Н., Салин М.Б. Ближнепольное измерение характеристик рассеяния движущегося объекта, основанное на доплеровской фильтрации
сигнала // Акуст. журн. 2010. Т.56. №6. С. 802–812.
Салин М.Б., Соков Е.М., Суворов А.С. Расчет бистатической силы цели сложных многорезонансных оболочек методом конечных элементов // Акуст. журн.
2011. Т.57. № 5. С. 709–716.
Салин Б.М., Салин М.Б. Методы расчета низкочастотной поверхностной реверберации при известных характеристиках морского волнения // Акуст. журн.
2011. Т.57. №6. С.818–827.
Салин М.Б., Соков Е.М., Суворов А.С. Численный метод исследования акустических характеристик сложных упругих систем на основе суперэлементов и
аналитических граничных условий // Научно-технический сборник «Гидроакустика». 2011. Вып.14 №2 С.36-46.
Салин Б. М., Салин М. Б., Spindel R. C. Расчет спектра реверберацонной помехи
для доплеровской схемы локации // Акуст. журн. 2012. Т.58. № 2. С. 258–266.
Бородина Е.Л., Салин Б.М., Салин М.Б. Алгоритмы преобразования 3d спектров поверхностного волнения, используемые при расчете частотно-угловых
характеристик реверберации // Акуст. журн. 2012. Т.58, №6, С. 710-722.
ОГЛАВЛЕНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. Исследование влияния пространственного синхронизма на процессы рассеяния звука на поверхностном волнении
1.1 Предлагаемая модель формирования спектра реверберации, сопоставление с
прежними моделями
1.2 Видео-метод измерения частотно-угловых характеристик волнения, обусловливающих основные параметры реверберации
1.3 Экспериментальная проверка предлагаемой модели реверберации выполненная на основе синхронных измерений акустических полей и полей ветрового
волнения
26
1.4 Прогнозные оценки характеристик реверберации для доплеровской схемы
локации
1.5 Заключение
ГЛАВА 2. Исследование влияния пространственного и временного синхронизма на
процесс рассеяния звука на упругих телах
2.1 Обзор стандартных методов расчета рассеяния на упругих телах и телах с
идеальными граничными условиями
2.2 Разработка метода расчета частотно-угловых характеристик рассеяния звука
на упругих оболочках с использованием МКЭ и суперэлементов
2.3 Влияние пространственного и временного синхронизма на характеристики
рассеяния – примеры численных расчетов
2.4 Описание эффектов пространственного синхронизма с использованием квазиодномерной системы эквивалентных рассеивателей и матрицы рассеяния
2.5. Оценка максимальной амплитуды возбуждения упругого тела как резонатора из энергетического принципа
2.6 Особенности угловых характеристик рассеяния вне резонанса, интерференционные явления
2.7 Заключение
ГЛАВА 3. Исследование характеристик рассеяния сложных неоднородных оболочек: экспериментальное измерение и сопоставление с теорией, расчетами
3.1 Модернизация ближнепольной схемы измерения характеристик рассеяния
для случая движения рассеивателя и применения доплеровской фильтрации сигнала
3.2 Результаты ближнепольных измерений, выполненных на оз. Ладога, и сопоставление их с расчетами
3.3 Оценка минимальных уровней рассеяния, которые могут быть измерены в
натурных условиях
3.4 Усовершенствование метода измерения для определения уровней эквивалентных рассеивателей
3.5. Некоторые обобщенные результаты экспериментального, расчетного и теоретического исследований
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
27
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
1
Размер файла
650 Кб
Теги
структура, звуки, рассеяния, распространение, синхронизма, эффекты
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа