Распространение акустических волн

Изучение этой темы, проникновение колебаний из среды в другую среду, с отличающимися условиями, базируется на принципе Гюйгенса-Френеля. Студенту необходимо понять суть этого принципа. Немаловажное значение для оценки технических возможностей приборов, расшифровки их показаний является значение закона отражения ультразвукового импульса. Здесь необходимо обратить внимание на законы «геометрической акустики» и энергетическую оценку эхосигнала.

Следует обратить внимание на отражательную способность объектов и сред с разными отражательными свойствами.

Особенное внимание уделяется анализу вопроса распространения акустических лучей при изменяющемся профиле скорости звука и глубине. Явление искривления траектории луча – рефракция определяющая поисковые возможности приборов и геометрическую дальность их действия при различных гидрологических условиях.

ПРИМЕР РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Пример 1.

Гидроакустический комплекс «Сарган» имеющий рабочие частоты F₁=20 кГц, F₂=135 кГц, предполагается использовать на промысле креветки, средний размер котoрой L₀=5см, определить какую рабочую частоту следует использовать для поиска данного объекта.

Решение

В данном случае определяющим фактором получения достаточного эхо сигнала будет условие дифракции. Интенсивность отраженного эхосигнала считается устойчивой и можно пользоваться лучевой теорией отражения при условии L₀/λ>3/.

Определите длины волн F₁ и F₂ проанализируйте согласно условию, сделайте вывод для принятия решения.

Пример 2

Температура поверхности воды Т₀= 15 гр. На глубине Z=50м, T_z=2гр. Построить траекторию движения центрального луча акустической антенны имеющей угол наклона

β = 7º, приняв соленость S=32% постоянной по глубине.

Решение

Рассчитаем значение градиента скорости, считая его величиной постоянной между точками измерения температуры

G_t= ∆T/∆Z=(2-15)/50 = -0/26º/m.

G_c=0.0182+(4.587-0.09∙Т_ср)∙G_t+1.31G_s

Радиус кривизны траектории акустического луча определяется как:

R =C_s/G_c,

где С_s - постоянная Снелиуса

C_s= C_о/cosβ скорость звука

С_о на поверхности рассчитывается по формуле Лероя.

Рассчитайте R.

Общее уравнение движения акустического луча при постоянном радиусе кривизны представляет собой окружность:

X²+Z²=R²,

где Х-дистанция по горизонтали.

Аналитическое решение будем иметь введя данные о положении антенны по углу наклона и решив уравнение относительно горизонтальной дальности получим:

X=√R²-(Z- Rcosβ)² - Rsinβ

Для частного случая положите льной рефракц ии выражение будет иметь вид:

X= Rsinβ- √R²-(Rcosβ+Z)

Пример 3

Вычислить коэффициент поглощения на частоте f =10кГц на поверхности моря для воды с температурой Т _о=0ºС и соленостью S =35‰.

Решение

Общие потери складываются из потерь на ионную релаксацию сульфата магния и др., для оценки коэффициента поглощения акустических сигналов можно воспользоваться выражением Шулькина-Марша:

S∙f_t∙f² f²

α =А─── + B─ db/км

f_t²+f² f_t²,

где: f_t- частота релаксации, зависящая от температуры, в кГц.

А и В – эмпирические коэффициенты А =2.05∙10 ־ ²; В = 2.95∙10 ־²;

Частота релаксации определяется следующим выражением:

_{{6-(C/T+273)}}

f_t = 21.9∙10

Находим частоту релаксации при Т согласно задания и вычисляем коэффициент поглощения в дБ/км.

Одновременно определить коэффициент поглощения по приближенной формуле и определить процент погрешности определений

α_i = 0/036∙f

Пример 4

Вычислить потери на распространение сигнала частотой f =19.7 кГц, при

Температуре воды Т =14ºС и солености S =35‰ на дистанции R =1250 м.

Решение

Наиболее удобно вести расчет уменьшения интенсивности акустического сигнала не в абсолютных величинах, а в децибельной шкале. Потери обусловленные условиями распространение принято обозначать как TL (TRANSMISSION LOSS) и его значение определяется выражением: TL = 20 lg R + αR (db) определив коэффициент α поизвестному, из примера 3, выражению, определите потери с учетом поглощения и потерь на распространение.

Пример 5

Определить коэффициент отражения и коэффициент прохождения для нормально падающего луча на гранит. Плотность гранита ρ = 2.7∙10³кг/м и скорость звука в граните С_г = 3.95∙10 м/сек; плотность воды ρ_в= 10³кГ/м³и скорость звука в воде С_в=1500 м/сек.

Решение

Определим коэффициент отражения по амплитуде акустического давления

β = (ρ_г∙С_г – ρ_в∙С_в)/(ρ_гС_г +ρ_вС_в)

Коэффициент прохождения акустической энергии в гранит определяется как:

υ =4∙ρ_г∙С_г∙С_в∙ρ_в/(ρ_гС_г +ρ_вС_в)

Тема 4

При использовании поисковых гидроакустических приборов важно знать и понимать формирование различного рода помех, необходимо понять функциональную связь интенсивности реверберационной помехи с рядом технических параметров ГАПП.

Важными вопросами для понимания являются параметры энергетической и геометрической дальности действия гидролокаторов их связь с техническими характеристиками ГАПП и гидрологией моря. При изучении принципа действия поисковых средств студенту необходимо усвоить структурную схему эхо-импульсного метода измерения дистанции до объекта. Следует обратить внимание на особенности различных типов гидроакустических систем. Рекомендуется рассматривать обстоятельно, конкретно, рыбопоисковые комплексы «Прибой-101», «Сарган-К», приборы контроля ИГЭК-У, «СКОЛ-1500(2000)», «Эридан» построенные по классическим схемам применяе-мым в мировой практике. При подробном изучении можно легко делать обобщения по принципу действия и приходить к анализу работы других современных гидроакустических систем.

Пример 1

Рассчитать геометрическую дальность действия гидролокатора при угле наклона антенны β=12º, скорости звука в районе излучателя С_о и равномерном распределении градиента скорости звука G_c = +0.08 c־¹ коэффициент поглощения звука α =3 дб/км

Решение

В случае положительной рефракции можно воспользоваться выражением

R_max= 2(C_o/G_c) tg β

Геометрическая дальность действия ГАС ограничена рефракцией акустического луча при расчете необходимо определить радиус кривизны траектории луча, скорость звука в воде по формуле Лероя, постоянную Снелиуса, описанные в примере 3(Тема 1), в примере 2 (Тема 3). Находим горизонтальную дальность точки расположенной на глубине заданной в задании по ранее известному выражению:

X = √ R²-(R cos α + Z)² - R sin α.

Пример 2

Определить энергетическую дальность действия гидролокатора, имеющего уровень источника SL =218 db, уровень регистрируемого эхосигнала EL = 55,7db< cила цели TS = 12 db

Решение

Уравнение гидролокации, связывающее основные энергетические параметры гидролокатора и водной среды имеет вид:

EL =SL – 2TL +TS,

где, TL –потери на распространение.

Преобразуем выражение так, чтобы можно рассчитать значение потерь на распространение:

TL = 0.5(SL+TS-EL)

Но одновременно учитывая, что TL = 20 lg R + αR т.е можно записать:

20 lg R +αR = 0.5(SL+TS-EL)

Подставив известные значения SL, TS, EL получим:

20 lg R +αR = 0.5(218-12-55.7) = 75.15

Далее можно пошагово подставлять значение R в левую часть, подбирая таким образом пока обе части уравнения не сравняются. Более простои эффективный способ решения является метод половинного деления. Для использования этого метода оценим максимальное и минимальное значение R. За минимальное значение можно принять R=1, а R_max левой части уравнения опустив члены учитывающие поглощение морской средой т.е 20lg R_max =75.15, отсюда R_max =5721.4, далее находим среднее значение:

R_i = (R_min+R_max)/2

и подставим в левую часть уравнения, после подстановки в выражение потерь имеем:

20 lg (2861.2)+3∙10 ־ ³∙2861.2 =77.71>75.15

Принимаем R_i за R_{ma x} повторяем расчет нового шага итерации, считаем до тех пор, пока левая и правая части уравнения не сравняются, оттуда получим максимальную энергетическую дальность гидролокатора при данных параметрах и гидрологических условиях.

Пример 3

Рассчитать какую длительность импульса должен иметь эхолот для регистрации

Промысловых объектов на эхограмме, если одиночная рыба находится на дистанции

∆h =1.5м над грунтом.

Решение

Используя выражение разрешающей способности по глубине имеем

∆h =0.5 τ∙С откуда τ =2∆h/C. м/сек

где С – скорость звука в воде.

Контрольная работа по промысловой гидроакустике (ГАПП)

ЗАДАЧА №1

Две точки водной среды, находящиеся на расстоянии lo, совершают противофазные колебания. Рассчитать угловую частоту и абсолютную частоту F колебаний, а также волновое число k приняв скорость звука С = 1500 м/сем.

З А Д А Ч А №2

Источник акустических колебаний развивает акустическое давление pq на дистанции

5 м от излучателя. Определить интенсивность звука I в точке, удаленной на 1 м от излуча-

теля.

З А Д А Ч А № 3

Температура на глубине Z(1) равна Тz(1), а на глубине Z(2) = Tz(2). Рассчитать скорость

звука на глубине Z(1) и Z(2), принимая соленость воды S = 33.2 /oo

З А Д А Ч А №4

Определить резонансную частоту никилиевого стержневого преобразователя длиной l

З А Д А Ч А №5

Постройте в полярных координатах диаграмму направленности линейного преобразователя

со стороной l, работающего на частоте F. Дать табличное решение.

З А Д А Ч А № 6

Определить коэффициент отражения по амплитуде акустического давления падающего луча под углом 0, из водной среды с температурой То на нижележащий водный слой с тем-рой Тz(1) на глубине 100 м при солености S = 34.5 /оо.

З А Д А Ч А №7

Определить, какая рабочая частота должна бать у рыбопоискового комплекса для

поиска и обнаружения промислового объекта имеющего раз мер L_p см.

З А Д А Ч А №8

Построить траекторию движения акустического луча, если температура на поверх-ности равна Т_о, на глубине Z_(!) соответственно T_z(1) угол наклона акустической антенны

α, соленость S= 34.4‰.

З А Д А Ч А №9

Вычислить значение коэффициента поглощения на частоте F с температурой водной среды у поверхности Т_о и солености S‰.

.

З А Д А Ч А №10

Вичислить потери на распространение акустического сигнала частотой F при

температуре воды Т_о и солености S‰ на дистанции R.

З А Д А Ч А №11

Определить геометрическую дальность действия гидролокатора при угле наклона

антенны α, температуре воды в районе излучателя Т_о и солености S‰, температуре

воды Т_{z(1 )} на глубине Z₍₁₎ считая изменение температуры воды между слоями равномерной

З А Д А Ч А №12

Вычислить энергетическую дальность действия гидролокатора, имеющего уровень

источника SL, уровень регистрируемого сигнала EL при силе цели TS и рабочей

частоте F.

Задания контрольной работы расписаны по вариантам, определяемым по последней цифре шифра зачетной книжки, и обозначены в общей таблице (См. таблица).

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: