Разработка альтернативных моделей и исследование звуковых полей в волноводах с импеданской границей

• Автор: Злобина, Надежда Владимировна
• Шифр специальности: 01.04.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Владивосток
• Количество страниц: 158 с. : ил

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. Поле точечного источника в волноводе Пекериса. Модельные представления и альтернативные решения
1Л. Сравнительный анализ модельных представлений. Выбор и обоснование альтернативного решения
1.1.1. Волновод Пекериса. Постановка задачи
1.1.2. Выбор разреза и соответствующей модели полупространства
1.2. Обобщенные решения и обобщенные нормальные волны
1.2.1. Анализ дисперсионных зависимостей
1.2.2. Групповые скорости
1.2.3. Звуковое поле в нижнем полупространстве
ГЛАВА 2. Поле направленного излучателя в волноводе Пекериса
2.1. Излучатель поршневого типа в мягком экране волновода Пекериса. Энергетические характеристики
2.2. Поршневой излучатель в импедансном экране волновода Пекериса. Энергетические характеристики
2.3. Фазированный излучатель поршневого типа в мягком экране волновода Пекериса. Отражение и преломление направленных звуковых пучков на импеданеной границе волновода Пекериса
ГЛАВА 3. Кинематические характеристики обобщенных волн
3.1. Обобщенные волны Стонели-Шолте
3.2. Обобщенные нормальные волны в системе жидкий слой -твердое полупространство
3.3. Обобщенные нормальные волны в системе жидкий слой -твердый подслой - жидкое полупространство
3.3.1. Дисперсионное уравнение для двуслойного волновода, нагруженного на внешнее полупространство
3.3.2. Численный анализ дисперсионного уравнения. Обобщенные решения
ГЛАВА 4. Особенности звукового поля в двухслойном волноводе типа жидкий слой - твердый подслой - жидкое полупространство
4.1. Структура общего решения
4.2. Структура собственных функций
4.2.1. Определение смещений в нормальных волнах двухслойного волновода
4.2.2. Общий характер распределения звукового поля по сечению двухслойного волновода
4.2.3. Водные волны и волны твердого подслоя и особенности их трансформации

4.2.4. Симметричные и антисимметричные волны. Эффекты трансформации
4.3. Импульсный отклик волновода
4.3.1. Пространственно - временная структура звукового поля
4.3.2. Выбор параметров расчетной модели волновода
4.3.3. Параметры волновода и расчетные формулы
4.3.4. Численный анализ аномальных особенностей распространения
4.3.4.1. Импульсные характеристики отдельных нормальных волн
4.3.4.2. Пространственно-временная структура звукового поля
4.3.4.3. Пространственно-временная структура звукового поля в двухслойном волноводе с потерями
4.4. Некоторые экспериментальные результаты и их сопоставление с теорией
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ
Отражение и преломление звуковых волн на границе раздела двух сред представляется всесторонне изученным явлением, которое казалось бы полностью описывается классической теорией. Однако, при малых углах скольжения возникают эффекты, которые классическая теория объяснить не в состоянии. Впервые эти явления были отмечены авторами работы [1], в которой анализировались результаты эксперимента по отражению и преломлению направленных звуковых пучков на границе раздела вода -морской песок. Экспериментальные результаты хорошо соответствали теории только при углах падения, которые меньше критического. При углах падения, больших критического, имела место аномалия амплитуды и аномалия угла преломления. Аномалия амплитуды проявлялась в том, что при закритических углах падения амплитуда прошедшей волны была на 10-15 дБ больше расчетной, а аномалия угла преломления выражалась в размывании преломленного звукового пучка в широком диапазоне углов. Из-за такой особенности преломления значение скорости звука в грунте, вычисленное на основе угла падения и измеренного угла преломления получается довольно низким С »1200ж/с [2] , [3].
Работа [1] положила начало дискуссии, в которой приняли участие ведущие зарубежные научные коллективы и вызвала поток публикаций, где предлагались различные теории, объясняющие необычные эффекты отражения при скользящих углах падения.
Первая гипотеза возникла в коллективе Applied Research Laboratory Техасского университета (ARL/UT) [2] - [9]. В работе [4] Н. Чотирос на основе натурных измерений в мелком море с песчаным дном определял частотную зависимость эффективной скорости звука в грунте, вычисленной в соответствии с законом Снеля по измеренному углу преломления, скорости звука в воде и заданному углу падения. При докритических углах падения, экспериментальное значение скорости звука в грунте хорошо соответствуют модельному, а при изменении частоты в диапазоне / = (5 - 80) кГц эффективная скорость звука уменьшается от ожидаемого значения С = 1742 м/с до значений 1100-1000 м/с на высоких частотах рабочего диапазона.
Аномалия амплитуды и ее частотная зависимость показаны на рис.1 а [4], где позиция 3 соответствует докритическим углам падения (угол скольжения равен 39°), а позиция 5 соответствует закритическим углам падения (угол скольжения равен 22°). Аномалия уровня в рабочем диапазоне частот / = (5-80) кГц равна А = (0-60) дБ, а оценка аномалии на частоте / = 20кГц (Л = (10-15) дБ) соответствует полученной ранее в работе [1].

ГЛАВА 2. ПОЛЕ НАПРАВЛЕННОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ В ВОЛНОВОДЕ ПЕКЕРИСА
2.1. Излучатель поршневого типа в мягком экране волновода Пекериса. Энергетические характеристики.
Для моделирования процессов отражения и преломления направленных звуковых пучков на границе раздела необходимо:
1. Разработать теорию направленного излучения в волноводе Пекериса.
2. Сформировать направленный звуковой пучок.
Рассмотрим в качестве модельного излучателя круглый диск с заданным на его поверхности скачком давления, вставленный в мягкий экран, который совпадает с верхней границей волновода Пекериса. По своей геометрии такой источник можно отнести к излучателям поршневого типа, хотя поршневое распределение колебательной скорости на его поверхности имеет место только на низких частотах.
По типу граничной функции этот излучатель достаточно хорошо соответствует источнику взрывного типа и поэтому представляет определенный интерес. Кроме того, работа такого излучателя в волноводе Пекериса не рассматривалась. Имеются работы, в которых исследовались характеристики горизонтальных и вертикальных одномерных линейных антенн в волноводе с идеальными границами [69], [70], а также вертикальных цилиндрических антенн или их комбинаций в волноводе Пекериса [50], [71], [72]. Работа поршневого излучателя, заделанного в жесткую стенку волновода, рассмотрена в работе [73], однако, такой волновод имеет ограниченное применение в гидроакустике.
Запишем граничную задачу:
где (р{г,г), р{г,г)~ потенциал скорости и звуковое давление в волноводе 2 6 (0, И), кх=со/ с,; рх,сх - плотность и скорость звука в волноводе; р2,с2- плотность и скорость звука в полупространстве, Zat- входной импеданс полупространства, в2- угол преломления, р0- развиваемое поршнем давление, а - радиус поршня, со - круговая частота.
Используя преобразование Ханкеля и соотношение между функциями Бесселя и Ганкеля [63], получим решение задачи (2.1) в виде следующего несобственного интеграла
Д ср(г,г) + кх(р(г,г) = 0,
(2.1)