Формування акустичного поля у хвилеводі
| dc.contributor.advisor | Коржик, Олексій Володимирович | |
| dc.contributor.author | Чайка, Олександр Сергійович | |
| dc.date.accessioned | 2024-02-09T10:18:19Z | |
| dc.date.available | 2024-02-09T10:18:19Z | |
| dc.date.issued | 2023 | |
| dc.description.abstract | 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. | |
| dc.description.abstractother | O. S. Chaika Formation of an acoustic field in a waveguide. – Qualifying scientific work on manuscript rights. Dissertation for obtaining the scientific degree of Doctor of Philosophy in specialty 171 "Electronics". - National Technical University of Ukraine "Kyiv Polytechnic Institute named after Ihor Sikorskyi", MES of Ukraine, Kyiv, 2023. The following new scientific results were obtained in the dissertation: 1. An overview of modern scientific research on the description of the processes of the formation of the acoustic field in the waveguide by various sound sources, taking into account the multimode nature of the source and its various configurations, was carried out. 2. Problems were formulated that involved the application of the method of partial regions to determine the acoustic pressure distributions in the vertical sections of the waveguide. 3. The boundary of the near-field region of the emitter is established and the epurs corresponding to classical approaches are determined. 4. Existing and promising model statements and solutions to problems of acoustic field formation in information hydroacoustic channels, which provide communication between subscribers of the "surface ship-submarine" system, have been developed. 5. The frequency dependence of the specific impedance in the working space was studied and the change in the operating mode of the emitter was characterized. 6. Calculation ratios for the development of a mathematical model of the shallow sea and its further research have been worked out. 7. Calculations were carried out and they were reconciled with experimental studies. 8. A package of programs was developed in the MATLAB environment for problem development, numerical experiments and further improvement in the field of the chosen topic. The dissertation is devoted to the development of existing and the development of promising model formulations and solutions to the problems of acoustic field formation in hydroacoustic information channels that provide communication between subscribers of the "surface ship-submarine" system. At the same time, the peculiarities of the formation of the acoustic field in the conditions of the shallow sea were taken into account when the environment of the "surface ship-submarine" channel was disturbed by a wave packet and the peculiarities of the distribution of scalar and vector characteristics were taken into account. The content of the dissertation research is presented in seven chapters, which present the results of the research. The introduction to this dissertation notes the importance and relevance of the research subject. The selection of this topic is justified and its significance for scientific and practical direction is indicated. It is noted that this study aims to achieve specific goals and solve important tasks. The main goal of this dissertation is determined, which consists in a deep analysis of the selected problem and the development of new approaches to its solution. The goal of the work is ambitious and significant, as it is aimed at increasing the level of understanding and solving current scientific problems. Further consideration in the introduction is supplemented by a more detailed description of the research problems, which will be carefully analyzed and solved during the work. These tasks include the analysis of literary sources, the collection and processing of empirical and theoretical data, as well as the application of certain research methods to achieve the goal of the work. In addition, the introduction provides a detailed overview of the methods that will be used in the course of the study to achieve the set goals and solve the problems. This allows you to get a general idea of the methodological approach that will be used in the work. In addition, the introduction also notes the scientific novelty of this study, as well as its practical significance. It is indicated how the obtained results can be applied in practice and how they can contribute to the development of the relevant field of science or other social spheres. Software packages with the help of which simulations, calculations and numerical experiments are carried out are described. This part of the dissertation work will be based on the use of MATLAB (Matrix Laboratory) software. It is a powerful tool for scientific research and data analysis in many fields of science and technology. Its capabilities include computation, data visualization, modeling, and statistical analysis, making it an ideal tool for a variety of research tasks. In this work, MATLAB will be used for calculation, modeling, visualization and data analysis, which will allow to achieve the set goals and solve research problems with high accuracy and efficiency. Thus, MATLAB software plays a key role in the methodology and tools used in this dissertation. The first chapter presents an analytical review of the literature, which shows the current state of problem areas. The limits of the development of theoretical foundations in the study of the established topic of the work are defined. The methodology and directions for own research are defined, namely the method of partial regions, the method of imaginary source and Fourier zone. In the second section, the problem statement is carried out. A mathematical model is established and described. The topic of the dissertation was based on the problem of sound radiation by a spherical source in a plane-parallel regular waveguide with acoustically soft boundaries. The initial relations are described, the system of functional equations of the problem of acoustic field formation is compiled. In addition, the formulation of the problem for the formation of the acoustic field of a reflected spherical wave from an acoustically soft boundary is formed. Since the problem requires different methods of solution, this led to setting two parallel problems. The first task involves finding the distribution of amplitudes and phases of acoustic pressures or oscillating velocities in the emitter, taking into account the features of the field formation in the working space. These distributions determine the excitation coefficients of normal waves in the waveguide, as well as the frequency characteristics of the specific impedance, which reflect the dynamics of the mode composition of the source when the oscillating mode of the radiating sphere changes. The second task refers to the calculation of the reflected spherical field of a sound source operating on the zero mode. In this context, the main task is to find the reflection coefficient for a spherical wave, which is an extremely difficult task. For its solution, the decomposition of a spherical wave into planes and the calculation of reflection coefficients for such decomposition are used. In the third section, the solution and discussion of the results of the problem of the formation of the reflected acoustic field in a waveguide with symmetric soft boundaries is given. Initial and calculated relations for the direct and reflected acoustic pressure field in a waveguide with symmetric soft boundaries are given. The main stages of obtaining the specified ratios are described, as well as the approach and method of analyzing the field in the waveguide for the case when the sound source is spherical rather than point. For the analysis of the reflected field, a flat spherical wave decomposition is applied. The relation for the reflected field was found by decomposing the spherical wave into planes. The reflection coefficient along the OZ axis is described and can be used for further calculations. Calculations are performed for different waveguide depths and frequencies. Waveguide model: water, boundaries are chosen as acoustically soft. The resulting relations are useful for extending the reflection field calculations to all four quadrants using the imaginary source method. For the calculation of the reflected field at an arbitrary point of the first quadrant, relations are given that involve the development of Fresnel zones created at the edge of the waveguide. The fourth chapter presents the solution and discussion of the results of the problem of the formation of the reflected acoustic field in a waveguide with symmetric soft boundaries using the method of partial regions. Initial and calculated relations for the full acoustic pressure field in a waveguide with symmetric soft boundaries will be presented. The main stages of obtaining the specified ratios are described. A symmetric problem within the first quadrant is considered, and the results are extended to the entire waveguide. The solution algorithm is based on the use of the Helmholtz equation and the Fourier method for each subdomain, with conjugation conditions on their boundaries. Idealized boundary conditions on the surface of the source are not used, which makes it possible to determine the excitation coefficients of the waveguide modes within the limits of the Sturm-Liouville problem. Taking into account the boundary conditions on the surface and seabed, as well as the Sommerfeld conditions, improved the accuracy of the field distribution in the vertical sections of the waveguide. The problem is solved in different coordinate systems: theoretically more in spherical ones, and for calculations - in flat Cartesian ones. The initial relations for finding and calculating the acoustic impedance on the surface of the source have been developed. The fifth chapter contains modeling and discussion within the framework of the problem of the formation of a reflected acoustic field in a waveguide with symmetric soft boundaries using the method of partial regions. The conducted analyzes included vertical sections of a plane-parallel regular waveguide and specific resistances of the medium for combination waves of a certain mode. The problem had central symmetry, which allowed calculations to be carried out only for one quadrant with subsequent symmetrical distribution to the remaining quadrants. A technique based on the analytical solution of the equation of oscillations in spherical coordinates was used to calculate the oscillating speed. It was mainly based on already found ratios for acoustic pressure. Research was conducted for each of the considered cases. The results of the calculations showed that the oscillating speed has a complex dependence on the size of the emitter, the resistivity of the medium, the frequency of oscillations, and the depth of the waveguide. The sixth chapter is devoted to the comparison of theoretical approaches with experimental studies. In order to assess the appropriateness of the assumptions introduced during the construction of mathematical models and the derivation of the main equations of the problem, experimental studies were carried out to measure the directivity characteristics (CH) of multimode converters for the main scenarios of switching electrodes and types of electrodeposition, which determine the mode composition of the output voltage on the electrode loads. For transducer systems, the directivity characteristics of discrete arrays created by multi-mode cylindrical circular transducers were measured in reception modes for various electrode connection options and combinations of additive operations. The experiment was conducted in the measuring basin of the State Enterprise "Kyiv Scientific Research Institute of Hydro Devices". As a result of the analysis of the diagrams, it was established that the nature of the spatial dependence of the pressure amplitudes, which were measured in the working space, corresponds to the calculated models, and the difference does not exceed 3 decibels. The results of the measurements determined the limit from which the formation of the field in the waveguide will occur and positively characterize the chosen approach to solving the radiation problem. The obtained research results have practical application in underwater communication systems, telemetry systems and search hydroacoustic means, and the developed theoretical principles and software packages will contribute to the further development of the task of forming an acoustic field in a waveguide. | |
| dc.format.extent | 163 с. | |
| dc.identifier.citation | Чайка, О. С. Формування акустичного поля у хвилеводі : дис. … д-ра філософії : 171 Електроніка / Чайка Олександр Сергійович. – Київ, 2023. – 163 с. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/64419 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | акустичне поле | |
| dc.subject | акустичний плоскопаралельний хвилевод | |
| dc.subject | сферичне джерело | |
| dc.subject | часткові області | |
| dc.subject | тиск | |
| dc.subject | пульсуюча сфера | |
| dc.subject | мілке море | |
| dc.subject | хвилевод | |
| dc.subject | коефіцієнт відбиття | |
| dc.subject | сферична хвиля | |
| dc.subject | апроксимація | |
| dc.subject | зони Френеля | |
| dc.subject | акустичний імпеданс | |
| dc.subject | acoustic field | |
| dc.subject | acoustic plane-parallel waveguide | |
| dc.subject | spherical source | |
| dc.subject | partial regions | |
| dc.subject | pressure | |
| dc.subject | pulsating sphere | |
| dc.subject | shallow sea | |
| dc.subject | waveguide | |
| dc.subject | reflection coefficient | |
| dc.subject | spherical wave | |
| dc.subject | approximation | |
| dc.subject | Fresnel zones | |
| dc.subject | acoustic impedance | |
| dc.subject.udc | 534.14 | |
| dc.title | Формування акустичного поля у хвилеводі | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: