Экспериментальное и численное исследование излучения и рассеяния звука погруженными в воду оболочками

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Представлены методы и результаты исследования характеристик звуковых волн, излучаемых и рассеянных оболочками в водной среде в диапазоне низких частот. Приводится сравнение данных характеристик, полученных путем численного моделирования и измерений в открытой акватории. Экспериментальное исследование осуществлялось с применением оригинальных методик, а расчеты проводились с использованием авторского программного обеспечения. Полученные результаты позволяют лучше понять механизм излучения и рассеяния звука в воде и оптимизировать конструкцию оболочек для различных приложений.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. С. Иваненков

Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН

Email: mikesalin@ipfran.ru
Россия, ул. Ульянова 46, Нижний Новгород, 603950

Н. А. Кутузов

Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН

Email: mikesalin@ipfran.ru
Россия, ул. Ульянова 46, Нижний Новгород, 603950

О. А. Потапов

Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН

Email: mikesalin@ipfran.ru
Россия, ул. Ульянова 46, Нижний Новгород, 603950

А. А. Родионов

Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН

Email: mikesalin@ipfran.ru
Россия, ул. Ульянова 46, Нижний Новгород, 603950

М. Б. Салин

Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: mikesalin@ipfran.ru
Россия, ул. Ульянова 46, Нижний Новгород, 603950

И. А. Усачева

Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН

Email: mikesalin@ipfran.ru
Россия, ул. Ульянова 46, Нижний Новгород, 603950

Список литературы

  1. Crighton D.G. The 1988 Rayleigh medal lecture: fluid loading — the interaction between sound and vibration // J. Sound Vibr. 1989. V. 133. No l. P. 1–27.
  2. Шендеров Е.Л. Анализ методов расчета звуковых полей, рассеянных цилиндрическими оболочками // Научно-технический сборник “Гидроакустика”. 2002. Т. 3. С. 49–80.
  3. Waterman P.C. T-matrix methods in acoustic scattering // J. Acoust. Soc. Am. 2009. V. 125. P. 42–51.
  4. Ионов А.В., Майоров В.С. Гидролокационные характеристики подводных объектов. Санкт-Петербург: ЦНИИ им. А.Н. Крылова, 2011. 325 с.
  5. Yang Zhang, Qiang Gui, Yuzheng Yang, Wei Li. A Study of Combined Graphical Acoustic Computing and the Depth Peeling Technique on Acoustic Backscattering of Multiple-Layered Structures // J. Marine Science and Engineering, 2023. V. 11. Art. No 1801. https://doi.org/10.3390/jmse11091801
  6. Wilkes D., Duncan A., and Marburg S. A parallel and broadband Helmholtz FMBEM model for large-scale target strength modeling // J. Theoretical and Computational Acoustics. 2020. V. 28. № 3. 2050001.
  7. Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация: Пер. с англ. М.: Мир, 1986. 318 с. (Ориг. Zienkiewicz O.C., Morgan K. Finite elements and approximation. A Wiley-Interscience Publicaton, John Wiley & Sons, New York, 1983.)
  8. Hutton D.V. Fundamentals of Finite Element Analysis. New York: McGraw-Hill Compa-nies, 2004. 505 p.
  9. Suvorov A., Korotin P., Sokov E. Finite Element Method for Simulating Noise Emisson Generated by Inhogeneties of Bodies Moving in a Turbulent Fluid Flow // Acoust. Phys. 2018. V. 64. № 6. P. 778–788.
  10. Скобельцын С.А., Пешков Н.Ю. Рассеяние звука неоднородным упругим эллиптическим цилиндром в акустическом полупространстве // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2018. № 7. С. 183–200.
  11. Salin M.B., Smirnov S.A., Suvorov A.S., Usacheva I.A., V’yushkina I.A. Integral Absorbing Boundary Conditions Optimized for Modelling of Acoustic Radiation of Elongated Bodies // J. Applied Mathematics. V. 2022. Art. ID 9524376. 10 p. https://doi.org/10.1155/2022/9524376
  12. Коняев Д.А., Делицын А.Л. Метод конечных элементов с учетом парциальных условий излучения для задачи дифракции на рассеивателях сложной структуры // Математическое моделирование. 2014. Т. 26. № 8. С. 48–64.
  13. Коротин П.И., Лебедев А.В. Излучение звука неоднородными механическими системами // Виброакустические поля сложных объектов и их диагностика. Сб. науч. тр. ИПФ АН СССР. Горький, 1989. С. 8–34.
  14. Суворов А.С., Артельный В.В., Артельный П.В., Вьюшкина И.А., Коротин П.И., Шлемов Ю.Ф. Верификация численной модели в задаче исследования характеристик направленности звукового излучения неоднородных оболочек // Акуст. журн. 2018. Т. 64. № 2. С. 266–272.
  15. Годзиашвили Г.Ю. Определение полей отражений по измерениям в ближней зоне // Труды X всероссийской конференции “Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики”. Спб.: Наука, 2010. С. 386–389.
  16. Homm A., Ehrlich J., Peine H., Wiesner H. Experimental and Numerical Investigation of a Complex Submerged Structure. Part II: Sound Radiation // Acta Acustica united with Acustica. 2003. V. 89. P. 71–77.
  17. Бармак А.С., Коротин П.И., Слижов А.Б., Турчин В.И., Чащин А.С. Комплекс измерения параметров гидроакустического поля СИ ГАП “Нева ИПФ” // Морская радиоэлектроника. 2011. Т. 35. № 1. С. 20–24.
  18. Зверев В.А. Обращение волнового фронта для снижения влияния многолучевости на результат активной локации // Акуст. журн. 2003. Т. 49. № 6. С. 814–819.
  19. 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.
  20. Li W., Chai Y., Zhang Q., Ji R. Vibration and radiation from underwater structure in shallow water // Proc. of OCEANS 2016. Shanghai, 2016, Apr 10. P. 1–5.
  21. Suvorov A.S., Sevriukov O.F., Zaitseva S.G. etc. Highperformance CATEC software for computational acoustics // J. Applied Mathematics and Physics. 2023. V. 11. P. 2515-2522. https://doi.org/10.4236/jamp.2023.118162
  22. Севрюков O., Соков E., Суворов A. и др. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2022663702 “САТЕС ДК”, 2022.
  23. Van Trees H.L. Detection, Estimation, and Modulation Theory. Part IV. Optimum Array Processing. New York, Wiley, 2002.
  24. Турчин В.И. Введение в современную теорию оценки параметров сигналов. Нижний Новгород: ИПФ РАН, 2005. 116 с.
  25. Урик Р.Дж. Основы гидроакустики. Л.: Судостроение, 1978.
  26. Zhang Ting, Yang T.C. and Xu Wen. Channel distortion on target scattering amplitude in shallow water // J. Acoust. Soc. Am. 2019. V. 146. № 6. EL470-EL476.
  27. Krim H., Viberg M. Two decades of array signal processing research: the parametric approach // IEEE Signal Processing Magazine. 1996. V. 13. № 4. P. 67–94.
  28. Зверев В.А., Коротин П.И., Матвеев А.Л., Митюгов В.В., Орлов Д.А., Салин Б.М., Турчин В.И. Экспериментальные исследования дифракции звука на движущихся неоднородностях в мелководных условиях // Акуст. журн. 2001. Т. 47. № 2. С. 227–237.
  29. Салин Б.М., Коморская 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.
  30. Суворов А.С., Соков Е.М., Артельный П.В. Численное моделирование излучения звука с использованием акустических контактных элементов // Акуст. журн. 2014. Т. 60. № 6. С. 663–672.
  31. 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. 36–56.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема эксперимента; (а) — в вертикальной плоскости, (б) — вид сверху и (в) – положение внутреннего излучателя в корпусе модели

Скачать (845KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Результат фазировки вертикальной АР в зависимости от времени. Поворотное устройство выключено. Результат показан для тона на частоте 1 кГц.

Скачать (1MB)
Метаданные
4. Рис. 3. Пример функции неопределенности F(θ1) в выражении (6), построенной в зависимости от синуса угловых координат прямого (sin(θ1,1)) и отраженного (sin(θ2,1)) сигналов. Маркером обозначено максимальное значение

Скачать (1MB)
Метаданные
5. Рис. 4. Диаграммы направленности измеряемого источника на разных частотах, полученные с использованием некогерентного усреднения мощности по элементам (черный цвет), фазировки (синий цвет) и метода адаптации к отраженному сигналу.

Скачать (1MB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимость пеленгационного рельефа от угла поворота модельного объекта для двух методов обработки: (а) — Бартлетта и (б) — MUSIC. В рамке показана область отражения от модели

Скачать (1MB)
Метаданные
7. Рис. 6. (а) — Зависимость сигнала с одиночного гидрофона от времени (относительной задержки) и угла поворота модельного объекта; (б) — зависимость адаптивно сфокусированного сигнала от времени (относительной задержки) и угла поворота модели после синхронизации, показаны также границы импульсов для модели отражения от блестящих точек на краю модели; (в) — красной и синей линиями показана зависимость силы цели в дБ от угла поворота для двух независимых измерений (шкала условная), черной линией — уровень фона (отклик, полученный за счет фокусировки в точку без источников звука).

Скачать (2MB)
Метаданные
8. Рис. 7. Визуализация численной модели: (а) — общий вид сеточной модели; (б) — то же в другой проекции, зеленым показаны узлы, в которых заданы граничные условия; (в) — расчетная схема анализа рассеянного гидроакустического поля: слева — монопольные источники, справа — источники плоских волн

Скачать (1MB)
Метаданные
9. Рис. 8. Распределение внешнего акустического поля: (а) — излученного и (б) — рассеянного объектом по частотам (по оси Х) и углам рассеяния (по оси Y). Цветом показан модуль комплексной амплитуды давления в дБ

Скачать (4MB)
Метаданные
10. Рис. 9. Расчетная (синие кривые) и измеренная (красные кривые) ДН излученного гидроакустического поля рассматриваемой модели. Результаты представлены для частот излучения (а) — 0.5, (б) — 1 и (в) — 1.5 кГц

Скачать (1MB)
Метаданные
11. Рис. 10. Расчетные (синие и черные кривые) и измеренная (красные кривые) ДН рассеянного гидроакустического поля рассматриваемой модели. Результаты для частот излучения (а) — 3, (б) — 3.75 и (в) — 4.5 кГц

Скачать (1MB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025