Формування акустичного поля у хвилеводі
Вантажиться...
Дата
2023
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Чайка О. С. Формування акустичного поля у хвилеводі. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 171 «Електроніка». – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», МОН України, Київ, 2023.
В дисертації отримано такі нові наукові результати:
1. Проведено огляд сучасних наукових досліджень щодо опису процесів формування акустичного поля у хвилеводі різними джерелами звуку з урахуванням багатомодовости джерела та його різноманітних конфігурацій.
2. Сформовано задачі, що передбачали застосування методу часткових областей для визначення розподілень акустичних тисків в вертикальних перетинах хвилеводу.
3. Встановлено границю області ближнього поля випромінювача і визначені епюри, які відповідають класичним підходам.
4. Розвинено існуючі та розроблено перспективні модельні постановки та розв’язки задач формування акустичного поля в інформаційних гідроакустичних каналах, які забезпечують зв’язок абонентів системи “надводний корабель-підводний апарат”.
5. Досліджено частотні залежності питомого імпедансу в робочому просторі і характеризовано змінення режиму роботи випромінювача.
6. Напрацьовано розрахункові співвідношення для розвитку математичної моделі мілкого моря і її подальшого дослідження.
7. Проведено розрахунки та узгоджено їх з експериментальними дослідженнями.
8. Розроблено пакет програм в середовищі MATLAB для розвинення задачі, проведення чисельних експериментів та подальшого вдосконалення в області обраної теми.
Дисертаційна робота присвячена розвитку існуючих і розробці перспективних модельних постановок та розв’язків задач формування акустичного поля в інформаційних гідроакустичних каналах, які забезпечують зв’язок абонентів системи “надводний корабель-підводний апарат”. При цьому були враховані особливості формування акустичного поля в умовах мілкого моря при збуренні середовища каналу “надводний корабель-підводний апарат” хвильовим пакетом та врахуванням особливостей розподілень скалярних і векторних характеристик.
Зміст дисертаційного дослідження викладений у семи розділах, у яких представлені результати дослідження.
У вступі до даної дисертаційної роботи відзначається важливість і актуальність предмету дослідження. Проводиться обгрунтування вибору даної теми і вказується на її значущість для наукового та практичного спрямування.
Зазначається, що дане дослідження має на меті досягнення конкретних цілей і вирішення важливих завдань.
Визначено основну мету даної дисертаційної роботи, яка полягає у глибокому аналізі обраної проблеми та розробці нових підходів до її вирішення. Мета роботи є амбіційною та значущою, оскільки вона спрямована на підвищення рівня розуміння і розв’язання актуальних наукових завдань.
Подальше розглядання у вступі доповнено більш детальним описом задач дослідження, які будуть ретельно проаналізовані та вирішені протягом роботи.
Ці задачі включають в себе проведення аналізу літературних джерел, збір та обробку емпіричних і теоретичних даних, а також застосування певних методів дослідження для досягнення мети роботи.
Додатково, у вступі надається докладний огляд методів, які будуть використані в ході дослідження, щоб досягти поставлених цілей і вирішити задачі. Це дозволяє отримати загальне уявлення про методологічний підхід, що буде використовуватися в роботі.
Крім того, у вступі також відзначається наукова новизна даного дослідження, а також його практичне значення. Вказується на те, як отримані результати можуть бути застосовані у практиці та як вони можуть сприяти розвитку відповідної галузі науки чи іншим соціальним сферам.
Описано програмні пакети з домогою яких здійснено моделювання, розрахунки та чисельні експерименти. Ця частина дисертаційної роботи буде базуватися на використанні програмного забезпечення MATLAB (Matrix Laboratory). Це потужний інструментом для наукових досліджень і аналізу даних у багатьох галузях науки і техніки. Його можливості включають в себе обчислення, візуалізацію даних, моделювання та статистичний аналіз, що робить його ідеальним інструментом для вирішення різних завдань дослідження.
У даній роботі MATLAB буде використовуватися для обчислення, моделювання, візуалізації і аналізу даних, що дозволить досягти поставлених цілей та вирішити задачі дослідження з високою точністю і ефективністю.
Таким чином, програмне забезпечення MATLAB відіграє ключову роль у методології та інструментах, використованих у цій дисертаційній роботі.
В першому розділі подано аналітичний огляд літератури, в обсязі якого показано сучасний стан проблемних областей. Визначено границі розвитку теоретичних засад у дослідженні встановленої теми роботи. Визначено методологію та напрямки для власного дослідження, а саме метод часткових областей, метод уявного джерела та зони Фур’є.
В другому розділі проведено постановку задачі. Встановлено та описано математичну модель. Тема дисертаційної роботи була вилита у задачі випромінювання звуку сферичним джерелом в плоско-паралельному регулярному хвилеводі з акустично м'якими границями. Описано вихідні співвідношення, складано системи функціональних рівнянь задачі формування акустичного поля. Додатково сформовано постановку задачі для формування акустичного поля відбитої сферичної хвилі від акустично м’якої границі. Позаяк задача вимагає різних методів розв'язання, це призвело до постановки двох паралельних завдань. Перша задача передбачає пошук розподілу амплітуд і фаз акустичних тисків або коливальних швидкостей у випромінювача, враховуючи особливості формування поля в робочому просторі. Ці розподіли визначають коефіцієнти збудження нормальних хвиль у хвилеводі, а також частотні характеристики питомого імпедансу, які відображають динаміку модового складу джерела при зміненні коливального режиму випромінюючої сфери. Друга задача відноситься до обчислення відбитого сферичного поля джерела звуку, що працює на нульовій моді. У цьому контексті головним завданням є знаходження коефіцієнта відбиття для сферичної хвилі, що є вкрай складною задачею. Для її розв’язання застосовується розклад сферичної хвилі на плоскі та обчислення коефіцієнтів відбиття для такого розкладання.
В третьому розділі приведено розв’язок та обговорення результатів задачі формування відбитого акустичного поля у хвилеводі з симетричними м’якими границями. Наведено вихідні та розрахункові співвідношення для прямого та відбитого поля акустичного тиску у хвилеводі з симетричними м’якими границями. Описані основні етапи отримання вказаних співвідношень, а також підхід та метод аналізу поля у хвилеводі для випадку, коли джерело звуку є не точковим, а сферичним. Для аналізу відбитого поля застосовано плоский розклад сферичної хвилі. Знайдено співвідношення для відбитого поля, розкладаючи сферичну хвилю на плоскі. Коефіцієнт відбиття вздовж вісі OZ описано, і він може бути використаний для подальших обчислень. Розрахунки виконані для різних глибин хвилеводу та частот. Модель хвилеводу: вода, границі обрано як акустично м’які. Одержані співвідношення корисні для розширення обчислень поля відбиття на всі чотири квадранти за допомогою методу уявного джерела. Для розрахунку відбитого поля у довільній точці першого квадранту приведені співвідношення, що залучають напрацювання щодо створених на межі хвилеводу зон Френеля.
У четвертому розділі приведено розв’язок та обговорення результатів задачі формування відбитого акустичного поля у хвилеводі з симетричними м’якими границями з використанням методу часткових областей. Будуть наведені вихідні та розрахункові співвідношення для повного поля акустичного тиску у хвилеводі з симетричними м’якими границями. Описані основні етапи отримання вказаних співвідношень. Розглянуто симетричну задачу в межах першого квадранту, а також поширено результати на весь хвилевід. Алгоритм розв’язання базується на використанні рівняння Гельмгольца та методу Фур’є для кожної частинної області, з умовами спряження на їх межах. Не використовуються ідеалізовані граничні умови на
поверхні джерела, що дозволяє визначити коефіцієнти збудження мод хвилеводу в межах задачі Штурма-Ліувіля. Урахування граничних умов на поверхні та дні моря, а також умови Зоммерфельда, покращили точність розподілу поля в вертикальних перетинах хвилеводу. Задача розв’язана в різних системах координат: теоретично більше в сферичних, а для розрахунків – у плоских декартових. Напрацьовано вихідні співвідношення для знаходження та обчислення акустичного імпедансу на поверхні джерела.
П’ятий розділ містить моделювання та обговорення в рамках задачі формування відбитого акустичного поля у хвилеводі з симетричними м’якими границями з використанням методу часткових областей. Проведені аналізи включали вертикальні перетини плоскопаралельного регулярного хвилеводу та питомих опорів середовища для комбінаційних хвиль певної моди. Задача мала центральну симетрію, що дозволило провадити розрахунки лише для одного квадранту з подальшим симетричним розповсюдженням на решту квадрантів. Для розрахунків коливальної швидкості була використана методика, що базується на аналітичному розв'язку рівняння коливань в сферичних координатах. Головно базувалась на вже знайдених
співівдношеннях для акустичного тиску. Дослідження проводилися для кожного з розглянутих випадків. Результати розрахунків показали, що коливальна швидкість має складну залежність від розмірів випромінювача, питомих опорів середовища, частоти коливань, а також глибини хвилевода.
Шостий розділ присвячено зіставленню теоретичних напряцювань з експериментальними дослідженнями. Для оцінки відповідності припущень, введених при побудові математичних моделей та виведенні основних рівнянь задачі, проводилися експериментальні дослідження з вимірювання характеристики напрямленості (ХН) багатомодових перетворювачів для основних сценаріїв перемикання електродів і видів електродування, що визначають модовий склад вихідної напруги на навантаженнях електродів. Для систем перетворювачів вимірювалися характеристики напрямленості дискретних решіток, створених багатомодовими циліндричними круговими перетворювачами в режимах прийому для різних варіантів підключення
електродів і комбінацій адитивних операцій. Експеримент був проведений у вимірювальному басейні Державного підприємства «Київський науководослідний Інститут Гідроприладів». В результаті аналізу діаграм було встановлено, що характер просторових залежностей амплітуд тисків, які були виміряні в робочому просторі, відповідає розрахунковим моделям, і різниця не перевищує 3 децибелів. Результати вимірювань визначили межу, з якої відбуватиметься формування поля в хвилеводі і позитивно характеризують обраний підхід до розв’язку поставленої задачі випромінювання.
Отримані результати досліджень мають практичне застосування у підводних комунікаційних системах, системах телеметрії та пошукових гідроакустичних засобах, а напрацьовані теоретичні засади й програмні пакети сприятимуть подальшому розвиткові задачі формування акустичного поля у хвилеводі.
Опис
Ключові слова
акустичне поле, акустичний плоскопаралельний хвилевод, сферичне джерело, часткові області, тиск, пульсуюча сфера, мілке море, хвилевод, коефіцієнт відбиття, сферична хвиля, апроксимація, зони Френеля, акустичний імпеданс, acoustic field, acoustic plane-parallel waveguide, spherical source, partial regions, pressure, pulsating sphere, shallow sea, waveguide, reflection coefficient, spherical wave, approximation, Fresnel zones, acoustic impedance
Бібліографічний опис
Чайка, О. С. Формування акустичного поля у хвилеводі : дис. … д-ра філософії : 171 Електроніка / Чайка Олександр Сергійович. – Київ, 2023. – 163 с.