Гидроакустическая излучающая рупорная антенна на основе жидкоструйного преобразователя

Работа посвящена разработке гидроакустической излучающей рупорной антенны на основе прямоточного жидкоструйного преобразователя. Экспериментально исследовано изменение амплитуды первой гармоники в водной среде для конического, экспоненциального и катеноидального рупоров. Проведен сравнительный анали...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2011
Автор:	Сухарьков, О.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут гідромеханіки НАН України 2011
Назва видання:	Акустичний вісник
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/79847
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Гидроакустическая излучающая рупорная антенна на основе жидкоструйного преобразователя / О.В. Сухарьков // Акустичний вісник — 2011. —Т. 14, № 1. — С. 56-63. — Бібліогр.: 19 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-79847
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-798472015-04-06T03:02:03Z Гидроакустическая излучающая рупорная антенна на основе жидкоструйного преобразователя Сухарьков, О.В. Работа посвящена разработке гидроакустической излучающей рупорной антенны на основе прямоточного жидкоструйного преобразователя. Экспериментально исследовано изменение амплитуды первой гармоники в водной среде для конического, экспоненциального и катеноидального рупоров. Проведен сравнительный анализ для рупоров разной формы. Роботу присвячено розробці гідроакустичної випромінюючої рупорної антени на основі прямоточного рідинно-струминного перетворювача. Експериментально досліджено зміну амплітуди першої гармоніки у водному середовищі для конічного, експоненційного й катеноідального рупорів. Проведено порівняльний аналіз для рупорів різної форми. The paper deals with developing of a hydro-acoustic radiating horn antenna based on the direct-flow hydrodynamic transducer. The amplitudes of the first harmonic in water medium have been experimentally studied for conical, exponential and catenoidal horns. A comparative analysis for the horns of different shapes has been performed. 2011 Article Гидроакустическая излучающая рупорная антенна на основе жидкоструйного преобразователя / О.В. Сухарьков // Акустичний вісник — 2011. —Т. 14, № 1. — С. 56-63. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. 1028-7507 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/79847 621.396.677:534.232 ru Акустичний вісник Інститут гідромеханіки НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Работа посвящена разработке гидроакустической излучающей рупорной антенны на основе прямоточного жидкоструйного преобразователя. Экспериментально исследовано изменение амплитуды первой гармоники в водной среде для конического, экспоненциального и катеноидального рупоров. Проведен сравнительный анализ для рупоров разной формы.
format	Article
author	Сухарьков, О.В.
spellingShingle	Сухарьков, О.В. Гидроакустическая излучающая рупорная антенна на основе жидкоструйного преобразователя Акустичний вісник
author_facet	Сухарьков, О.В.
author_sort	Сухарьков, О.В.
title	Гидроакустическая излучающая рупорная антенна на основе жидкоструйного преобразователя
title_short	Гидроакустическая излучающая рупорная антенна на основе жидкоструйного преобразователя
title_full	Гидроакустическая излучающая рупорная антенна на основе жидкоструйного преобразователя
title_fullStr	Гидроакустическая излучающая рупорная антенна на основе жидкоструйного преобразователя
title_full_unstemmed	Гидроакустическая излучающая рупорная антенна на основе жидкоструйного преобразователя
title_sort	гидроакустическая излучающая рупорная антенна на основе жидкоструйного преобразователя
publisher	Інститут гідромеханіки НАН України
publishDate	2011
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/79847
citation_txt	Гидроакустическая излучающая рупорная антенна на основе жидкоструйного преобразователя / О.В. Сухарьков // Акустичний вісник — 2011. —Т. 14, № 1. — С. 56-63. — Бібліогр.: 19 назв. — рос.
series	Акустичний вісник
work_keys_str_mv	AT suharʹkovov gidroakustičeskaâizlučaûŝaârupornaâantennanaosnovežidkostrujnogopreobrazovatelâ
first_indexed	2025-07-06T03:48:34Z
last_indexed	2025-07-06T03:48:34Z
_version_	1836867874355937280
fulltext	ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2011. Том 14, N 1. С. 56 – 63 УДК 621.396.677:534.232 ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ ИЗЛУЧАЮЩАЯ РУПОРНАЯ АНТЕННА НА ОСНОВЕ ЖИДКОСТРУЙНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ О. В. СУХАРЬКОВ Одесская национальная академия связи им. А. С. Попова Получено 15.02.2011 Работа посвящена разработке гидроакустической излучающей рупорной антенны на основе прямоточного жидко- струйного преобразователя. Экспериментально исследовано изменение амплитуды первой гармоники в водной среде для конического, экспоненциального и катеноидального рупоров. Проведен сравнительный анализ для рупоров ра- зной формы. Роботу присвячено розробцi гiдроакустичної випромiнюючої рупорної антени на основi прямоточного рiдинно- струминного перетворювача. Експериментально дослiджено змiну амплiтуди першої гармонiки у водному середо- вищi для конiчного, експоненцiйного й катеноiдального рупорiв. Проведено порiвняльний аналiз для рупорiв рiзної форми. The paper deals with developing of a hydro-acoustic radiating horn antenna based on the direct-flow hydrodynamic transducer. The amplitudes of the first harmonic in water medium have been experimentally studied for conical, exponenti- al and catenoidal horns. A comparative analysis for the horns of different shapes has been performed. ВВЕДЕНИЕ Поиск решения проблемы совершенствования современных средств подводной связи и гидроло- кации ведется в направлении использования более низких частот, исследования дальнего распростра- нения звука в глубоком море и применения мето- дов волновой теории. При этом особое внимание уделяется разработке и исследованию гидроакус- тических излучающих антенн, обязательными эле- ментами которых являются эффективные глубо- ководные преобразователи [1 –4]. Известно, что преобразователи пьезоэлектри- ческого и магнитострикционного типов обычно используются в диапазоне, соответствующем низ- кочастотному ультразвуку. Общий недостаток гидроакустических антенн на основе таких излу- чателей – дорогостоящее высоковольтное обору- дование, включающее сложные силовые генера- торы. Еще одно слабое место пьезоэлектрических преобразователей связан с тем, что при высоких уровнях подаваемой мощности керамика разруша- ется (растрескивается). К недостаткам магнито- стрикционных преобразователей следует отнести необходимость применения поляризации при излу- чении и значительный вес таких устройств. При понижении рабочих частот до 5 кГц КПД эле- ктроакустических преобразователей существенно уменьшается, а использование их на частотах ме- нее 1 кГц становится нецелесообразным из-за не- померного возрастания габаритов и массы. Вме- сте с тем следует отметить, что антенные решет- ки, набранные из электроакустических излучате- лей, благодаря узкой диаграмме направленности и малой, по сравнению с размером антенны, длине волны, обладают высокой разрешающей способно- стью [2, 3]. В параметрических гидроакустических антен- нах в качестве излучающего элемента выступа- ет сам объем нелинейной жидкой среды, в кото- ром происходит взаимодействие первичных волн накачки. К преимуществам таких антенн следу- ет отнести острую характеристику направленно- сти с подавленными боковыми лепестками для вторичной волны, сверхразрешение и широкопо- лостность (нижняя граница диапазона вторичных волн у таких антенн составляет порядка 100 Гц). Однако их КПД в морской воде относительно низ- кий – от 3 до 5 % [2, 5]. Гидроакустические антенны на основе электро- динамических преобразователей можно использо- вать для работы в диапазоне слышимых частот. Излучение значительной мощности на низких ча- стотах реализуется в них с помощью податли- вой подвески диафрагмы. При работе в жидко- сти КПД таких антенн составляет от 5 до 6 % [6]. Их основной недостаток – полная потеря работо- способности при увеличении глубины более 100 м вследствие повышения жесткости и возникнове- ния усталостных явлений в диафрагмах. Излучающие антенны, использующие в своей работе энергию реактивных струй и водяного мо- 56 c© О. В. Сухарьков, 2011 ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2011. Том 14, N 1. С. 56 – 63 лота с ее контролируемым преобразованием в модулированный жидкостный поток, позволяют генерировать тональный сигнал в диапазоне от 50 Гц до 5 кГц [3, 7]. К их недостаткам следует отнести сложность эксплуатации и потерю работо- способности при увеличении глубины более 100 м из-за усталостных явлений в мембранах, диафра- гмах и сильфонах. Жидкоструйные преобразователи с кольцевым соплом и ступенчатым препятствием составляют отдельный класс источников звуковых волн [8, 9]. Неоспоримые их преимущества состоят в эконо- мичности (дешевизне изготовления излучателей), простоте в эксплуатации, отсутствии источников высокого напряжения и вредных высокочасто- тных электромагнитных полей, малых габаритах и весе, отсутствии вибрирующих элементов кон- струкции, что обеспечивает длительный срок слу- жбы преобразователей. Они способны эффектив- но работать в широком диапазоне избыточных ста- тических давлений (на глубинах от 10 до 240 м) и обладают достаточно высоким уровнем акусти- ческого сигнала. Так, интенсивность звука вблизи зоны звукообразования преобразователя с увели- чением гидростатического давления от 1 до 25 атм возрастает от 2 до 98 Вт/см2. Рабочий диапа- зон тонального сигнала жидкоструйных преобра- зователей находится в интервале от 300 Гц до 9 кГц [8,10]. Следует, однако, отметить, что при со- здании гидроакустических рупорных антенн пре- образователи такого типа ранее не использова- лись. Цель данной статьи – исследование возможно- сти создания гидроакустической излучающей ру- порной антенны на основе прямоточного жидко- струйного преобразователя с кольцевым соплом и ступенчатым препятствием [8]. 1. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЗВУКА В ЦИЛИН- ДРИЧЕСКОЙ ПРЕДРУПОРНОЙ КАМЕРЕ В процессе проектирования рупорной антенны в качестве предрупорной камеры было решено использовать толстостенную стальную цилиндри- ческую трубу с фланцем. Ее стенки можно считать абсолютно жесткими, по сравнению с заполняю- щей водной средой. Известно, что трубу с абсолю- тно жесткими стенками можно рассматривать как длинную линию, поскольку вдоль нее может бе- жать одномерная волна любого профиля. В широ- ких трубах могут распространяться также неодно- мерные волны, но если труба достаточно узкая, то всякое неоднородное возмущение быстро зату- хает по ее длине. Оговоримся, что термин узкая труба имеет относительный смысл. Так, согласно Исаковичу [11], для звука с длиной волны λ кру- глая труба радиуса R будет “узкой” при R<0.61λ, где λ – длина волны. Если же труба “очень” уз- кая, т. е. R�0.61λ, то распространение волны в ней не зависит от формы оси (она прямая, изо- гнутая или даже имеет изломы) и во всех случаях давление и скорость частиц, оставаясь практичес- ки постоянными по всему сечению, зависят только от одной координаты – расстояния, отсчитываемо- го вдоль оси трубы. Тюлин [12] рассмотрел движе- ние плоских волн в трубе, создаваемое действием источника (например, когда на одном конце трубы присутствует колеблющийся поршень). Им было установлено, что для получения плоской волны должно быть выполнено условие S�λ2, где S – площадь поперечного сечения трубы. Рассмотрим условие распространения плоских акустических волн в цилиндрических волноводах неизменного поперечного сечения. В этом случае волновое уравнение в обобщенных цилиндриче- ских координатах имеет вид ∂2Φ ∂r2 + 1 r ∂Φ ∂r + 1 r2 ∂2Φ ∂ϕ2 + ∂2Φ ∂z2 = 1 c2 ∂2Φ ∂t2 , (1) где Φ – потенциал колебательной скорости частиц заполняющей волновод жидкой среды; c – ско- рость звука; t – время; r – расстояние от оси ци- линдра (называемой осью z); ϕ – азимутальный угол [13]. Для группы стоячих волн решение урав- нения (1) выражается через функции Бесселя и Неймана m-го порядка: R(r) = ȦJm(krr) + ḂNm(krr). (2) Решение (2) можно применить для рассмотре- ния распространения волн в круглых трубах, если постоянную kr определить таким образом, чтобы удовлетворить граничным условиям. Для трубы с абсолютно жесткими стенками это условие запи- сывается следующим образом: ∂ ∂r Jm(krr) ∣ ∣ ∣ ∣ r=R = krJ ′ m(krR) = 0 (3) или krR=γmn, где γmn – корни уравнения (3). В таблице представлены значения первых таких кор- ней для m, n=0, 1, 2, 3. Следует отметить, что γ10 <γ01 и, следователь- но, запирание нормальной волны, соответствую- щей m=1, происходит при более низкой часто- те, чем для первой неосевой моды с m=0, n=1. Критическая частота для неосевой моды, распро- страняющейся в направлениях, наклонных к оси О. В. Сухарьков 57 ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2011. Том 14, N 1. С. 56 – 63 Таблица. Значения первых корней производной функции Бесселя m n = 0 n = 1 n = 2 n = 3 0 0 3.83 7.02 10.17 1 1.84 5.33 8.54 11.71 2 3.05 6.71 9.97 13.17 3 4.20 8.02 11.35 14.59 z, определяется выражением fmn = γmnc 2πR . (4) Таким образом, при частотах ниже частоты рас- пространения моды с kr =γ10/R, т. е. ниже f10 ≈ 0.293c R , (5) в трубе в осевом направлении могут распростра- няться только плоские волны [13]. При этом для источника звука с длиной волны λ необходимо выбирать цилиндрический волновод, у которого радиус R<0.29λ. Поскольку предрупорная камера представляет собой затопленную в водной среде трубу конечных размеров с фланцем, то ее длину необходимо по- дбирать с учетом собственных резонансных ча- стот. Это важно, так как для некоторых соотноше- ний длины волны с длиной трубы входное удель- ное акустическое сопротивление имеет чисто ре- активный характер и достигает максимума, что способствует возникновению антирезонансных ча- стот. Собственные резонансные частоты для тру- бы с жесткой и мягкой заглушками на концах определим по формуле [14]: fn = (n − 1/2)c 2l . (6) Согласно выражению (6), длина предрупорной камеры может принимать следующие значения: l=0.25λ, 0.75λ, 1.25λ, 1.75λ, . . . Важно также определить местоположение источника звука в предрупорной камере отно- сительно жесткого фланца водозаполненой трубы. При этом учтем, что удельное аку- стическое сопротивление стального фланца (ρc)ст =39·103 кг/(м2с) значительно больше вол- нового сопротивления морской воды, которое составляет (ρc)в =1.55·103 кг/(м2с). Известно [12], что наибольшие звуковые давления pz на оси трубы достигаются тогда, когда между отра- жающей поверхностью фланца и источником звука располагается нечетное число четвертей волны, т. е. источник находится в минимуме давления. В этом случае наблюдается совпадение частоты возбуждающего источника с собственной частотой продольных колебаний среды, запол- няющей пространство от источника до фланца трубы. Интенсивность звука при этом достигает максимальных величин вследствие резонанса. Максимумы звуковых давлений в данном случае превышают давление p0 =const на источнике, причем \|pz\|max = \|p0\| (ρc)ст (ρc)в . (7) Минимумы давлений равны звуковому давле- нию на источнике, т. е. \|pz\|min = \|p0\|. Следует отме- тить, что формула (7) получена без учета потерь, вызывающих затухание акустических волн в ре- альной жидкой среде. 2. ФОРМИРОВАНИЕ БЕГУЩИХ ОДНО- МЕРНЫХ ВОЛН В РУПОРАХ Цилиндрическая труба будет малоэффектив- ным излучателем звука, если открытый ее конец имеет диаметр меньший, чем длина волны исхо- дящего из нее звука. В воздушной среде для су- щественного увеличения активной составляющей акустической мощности в звукопередающих и ве- щательных системах широко используются рупо- ры различных форм [15, 16]. Назначение рупора заключается в том, чтобы распространить волны, возбуждаемые преобразователем и сконцентриро- ванные на малой площади, на большую площадь. В результате этого они могут выходить беспрепят- ственно из устья (раскрыва), лишь в очень малой степени отражаясь назад к излучателю. Другое важное назначение рупора состоит в концентриро- вании звука в форме направленного пучка лучей таким образом, чтобы большая часть излучаемой энергии распространялась в заданном направле- нии. Если рупор расширяется не слишком быстро, то можно считать, что волна при распростране- нии расходится равномерно по всему его сечению. Это позволяет применить для анализа волнового движения в рупоре приближенные методы расче- та, предложенные в работе [15]. Будем считать, что смещение, давление и остальные акустические величины – функции только расстояния z, отсчи- тываемого вдоль оси рупора и времени t. Конечно, форма внутренней поверхности рупора влияет на форму волны и, так как поперечное сечение пе- ременно, то следует ожидать зависимости также 58 О. В. Сухарьков ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2011. Том 14, N 1. С. 56 – 63 от координат, перпендикулярных оси z. Выясним условия, при которых звуковая волна ведет себя как плоская волна, а также определим критерий для оценки, когда эти условия выполняются. В рупоре, так же как и в трубе, любое отраже- ние волны при распространении ее вдоль рупора уменьшает количество энергии, выходящей нару- жу, и задерживает часть энергии внутри рупора, из-за чего возникают резонансы на одних часто- тах и плохая передача на других. Это приемле- мо для музыкальных инструментов, где желате- лен сильный резонанс, но крайне нежелательно для рупоров гидроакустических антенн, где ну- жна однородная по частоте передача. Следова- тельно, одним из критериев положительной оцен- ки рупора должна быть возможность получения в нем бегущей одномерной волны. Математиче- ски это сводится к тому, что решение волнового уравнения, найденное в системе криволинейных координат (µ, θ), должным образом подобранной для данного рупора, оказывается почти одномер- ной функцией только координаты z [15]. В этом случае приближенное одномерное волновое урав- нение имеет вид 1 S ∂ ∂z ( S ∂p ∂z ) = 1 c2 ∂2p ∂t2 ; ∂v ∂t = − 1 ρ ∂p ∂z , (8) где p – звуковое давление; v – величина колеба- тельной скорости частиц; S – полная площадь ко- ординатной поверхности µ, находящейся внутри рупора, зависящая только от µ. Если рупор “хоро- ш”, то S пропорционально площади того сечения рупора, которое касается поверхности µ. Направ- ление скорости v перпендикулярно к поверхностям µ и параллельно координате θ. Если волны гармо- нические во времени, то между величинами v и p справедливо соотношение v = 1 iωρ ∂p ∂z . Положим S(z)=π[y(z)]2 , где y – эффективный радиус поперечного сечения рупора на рассто- янии z от узкого конца. Подставив выражение p=(B/y) exp(iϕ−iωt) в уравнение (8), получим: ( ∂ϕ ∂z )2 + 1 y ( ∂2y ∂z2 ) − (ω c )2 − i ∂2ϕ ∂z2 = 0. Действительная и мнимая части этого соотноше- ния должны равняться нулю по отдельности, так как y и ϕ – действительны. Равенство нулю мни- мой части показывает, что ∂ϕ/∂z – постоянная ве- личина, которую мы обозначим τω/c. Равенство нулю действительной части означает, что эффе- ктивный радиус поперечного сечения рупора при- ближенно должен удовлетворять уравнению ∂2y ∂z2 − (ω c )2 (1 − τ2)y = 0. Его решение, в которое введены постоянные инте- грирования, выражается в виде y = y0[ch (βz) + T sh (βz)], S = S0[ch (βz) + T sh (βz)]2, τ2 = 1 − ( βc ω )2 = 1 − ( βλ 2π )2 . (9) Таким образом, соответствующее приближенное решение для распространяющейся в положитель- ном направлении плоской волны будет p ' B y exp[iω(τz/c − t)]. (10) Форма рупора, представленная уравнением (9), определяется соотношением между величинами T и β. Постоянная T – это “коэффициент формы”, за- дающий главные свойства рупора вблизи его гор- ла [15]. Размер горла рупора при z=z0 определя- ется постоянными y0 =R, где R – радиус избран- ной нами цилиндрической предрупорной камеры, и площадью сечения горла S0 =πR2. Показатель расширения рупора на метр длины β показывает быстроту его расширения: чем больше β, тем выше кривизна образующей y=y(z). Если T =1/βz0, а 1/β→∞, получаем конический рупор с углом ме- жду осью и образующей конуса arctg (R/z0). Ко- гда T =1, то y=R exp(βz), а рупор – экспонен- циальный. Если же T =0, то образующая рупора представляет собой цепную линию и мы имеем де- ло с катеноидальным рупором. На рис. 1 изобра- жены продольные сечения наиболее часто исполь- зуемых видов рупоров. Для рупора конической формы аналитическая зависимость, описывающая уменьшение амплиту- ды p1 первой гармоники вдоль оси, имеет вид p1 = pm1 z + z0 , (11) где pm1 – амплитуда первой гармоники в горле ру- пора; z0 – расстояние от горла до вершины конуса (рис. 1). В экспоненциальном рупоре площадь сечения изменяется по закону Sz =S0 exp(2βz). Для гармо- ники основного тона, распространяющейся вдоль его оси, звуковое давление p1 в произвольной то- чке z на оси связана с амплитудным значением О. В. Сухарьков 59 ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2011. Том 14, N 1. С. 56 – 63 Рис. 1. Схема продольных сечений рупоров (z0 и R – координаты сечения горла рупора, α – угол раствора): 1 – конический рупор; 2 – экспоненциальный рупор; 3 – катеноидальный рупор Рис. 2. Схема гидроакустической излучающей рупорной антенны звукового давления в горле рупора pm1 уравнени- ем p1 = pm1 exp(−βz). (12) Следует отметить, что для экспоненциального рупора характерно наличие критической частоты fкр =βc/2π. Волна в нем распространяется от гор- ла к устью рупора с уменьшающейся амплитудой и со скоростью c/τ , превышающей скорость зву- ка в свободной среде. Поскольку, согласно форму- ле (9), скорость данной волны зависит от часто- ты, то экспоненциальный рупор обладает диспер- сией. Ниже критической частоты в таком рупоре настоящего волнового движения нет и его нельзя применять ниже определенного минимума часто- ты fкр, которая тем меньше, чем меньше β. Для того, чтобы эффективно излучать низкие часто- ты, как и в случае конической формы, требуется очень длинный рупор. В катеноидальном рупоре изменение площади сечения Sz происходит по закону Sz =S0ch 2(βz). Амплитуда звукового давления p1кат первой гар- моники вдоль оси рупора катеноидальной формы изменяется согласно зависимости p1кат = pm1 ch (βz) . (13) Для рупора катеноидальной формы также имее- тся критическая частота fкр =βc/2π, ниже кото- рой рупор плохо излучает звук. Заметим, одна- ко, что выше критической частоты удельный аку- стический импеданс в горле рупора носит чисто активный характер. 3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ГИДРОАКУСТИЧЕ- СКОЙ ИЗЛУЧАЮЩЕЙ РУПОРНОЙ АН- ТЕННЫ Проведенный теоретический анализ позволил разработать гидроакустическую рупорную антен- ну, в которой в качестве генератора звука исполь- зуется прямоточный жидкоструйный преобразова- тель с кольцевым соплом и ступенчатым препят- ствием [8]. Ее схема представлена на рис. 2. Гидроакустическая излучающая антенна 1 со- держит жидкоструйный преобразователь 3, кото- рый установлен в вертикальной плоскости внутри предрупорной камеры 4 перпендикулярно ее верх- ней стенке. Предрупорная камера 4 представля- ет собой цилиндрический волновод (жесткостен- ную трубу) с фланцем и выполнена совместно с рупором 5. Преобразователь 3 установлен таким образом, что его зона звукообразования располо- жена на оси волновода на расстоянии от флан- ца камеры 4, равном четверти длины волны, со- ответствующей частоте основного тона f0 генери- руемого сигнала. Cогласно выражению (5), ради- ус предрупорной камеры 4 выбирается из усло- вия R<0.29λ0. На основании проведенных ранее экспериментальных исследований ближнего аку- стического поля жидкоструйного преобразовате- ля [17], а также с учетом формулы (6), длину камеры 4 целесообразно выбирать в интервале l=(0.265 . . .0.275)λ0. В этом случае горло рупо- ра будет расположено вне зоны нелинейного за- тухания звукового сигнала преобразователя, что позволяет сформировать в горле волну конечной амплитуды [18]. В нижней стенке предрупорной камеры 4 соосно с жидкоструйным преобразователем 3 выполнено круглое отверстие 2, диаметр которого d состав- 60 О. В. Сухарьков ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2011. Том 14, N 1. С. 56 – 63 ляет (1.3 . . .1.5) наружного диаметра преобразо- вателя. Отверстие 2 необходимо для выхода тур- булентного потока, исходящего от прямоточного жидкоструйного преобразователя 3 в процессе его работы, из предрупорной камеры 4. Выполнение данного конструктивного элемента способствует формированию внутри рупора 5 акустического по- ля в практически однородной, не имеющей турбу- лентных течений, водной среде. С учетом агрес- сивных свойств морской воды, все конструктив- ные элементы гидроакустической антенны дол- жны изготавливаться из нержавеющей стали (на- пример, Х18Н10Т). Работа антенны осуществляется следующим образом. При включении насоса 8 с плавно регули- руемым расходом рабочей жидкости морская во- да из специальной емкости 10 через фильтр 9 по трубопроводу 6 поступает в жидкоструйный пре- образователь 3. В натурных условиях для рабо- ты преобразователя 3 можно также использовать забортную морскую воду. При достижении опти- мального режима работы преобразователя 3, ко- торый контролируется с помощью манометра 7, в предрупорной камере 4 генерируются сферически расходящиеся звуковые волны [17]. Уровень аку- стического сигнала зависит от режима истечения струи, геометрических параметров преобразовате- ля и величины гидростатического давления на за- данной глубине [8, 10]. Расположение преобразователя 3 на расстоянии, равном четверти длины волны основного тона аку- стического сигнала от фланца предрупорной каме- ры 4, позволяет сформировать в осевом направле- нии рупорной антенны плоскую волну. При этом на оси горла рупора 5 величина звукового давле- ния, регистрируемого с помощью гидрофона, воз- растает в несколько раз по сравнению со звуковым давлением в случае генерации преобразователем сигнала в свободной среде. Для формирования характеристики направлен- ности антенны в горизонтальной плоскости в ра- зработанной антенне используется катеноидаль- ный рупор. Его достоинствами являются плавное сопряжение рупора с предрупорной камерой и эф- фективное излучение сигнала в низкочастотной области звукового диапазона [15]. 4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕН- ТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ Исследование разработанной рупорной антен- ны проводились в гидроакустическом бассейне с отстоянной водопроводной водой. Исходными данными служили скорость звука в водной сре- а б Рис. 3. Характеристики волны конечной амплитуды, реализуемой в горле рупора: а – фонограмма; б – спектрограмма де c=1500 м/с, волновое сопротивление среды (ρc)в =1.5·103 кг/(м2с), а также избыточное ста- тическое давление ∆Pст =5 кПа. Для эксперимен- тов использовался жидкоструйный преобразова- тель с основным типоразмером a/Dс =0.5/13, где a – ширина щели кольцевого сопла; Dс – средний диаметр сопла [8]. Частота основного тона гене- рируемого звукового сигнала f0 =(870 ± 3) Гц, что соответствует длине волны λ0≈1.724 м. Предру- порная цилиндрическая камера имела радиус, зна- чительно меньший, чем длина волны: R=0.035λ0. Испытания предрупорной камеры антенны пока- зали, что благодаря продольному резонансу на ча- стоте первой гармоники величина звукового дав- ления в горле антенны возрастает примерно в три раза, по сравнению со случаем генерирования си- гнала в свободной среде. На рис. 3 представлены О. В. Сухарьков 61 ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2011. Том 14, N 1. С. 56 – 63 Рис. 4. График изменения амплитуд первых гармоник вдоль оси рупоров: 1 – конический рупор; 2 – экспоненциальный рупор; 3 – катеноидальный рупор фонограмма и спектрограмма сформированной в горле рупора мощной волны конечной амплитуды для первой гармоники. Видно, что результирую- щий звуковой сигнал состоит из отдельных коро- тких импульсов экспоненциальной формы [17]. В экспериментах исследовалось изменение ам- плитуды звукового давления первой гармоники в водной среде для рупоров конической, экспоненци- альной и катеноидальной форм. Для всех рупоров длина предрупорной камеры (см. рис. 1) составля- ла l=z0 =0.47 м. Показатель расширения для ру- поров экспоненциальной и катеноидальной формы принимал значение β=0.75 рад/с, соответствую- щий критической частоте fкр =179 Гц. Длина всех рупоров была L=1 м. При этом начальная ампли- туда звукового давления первой гармоники в гор- ле рупора составляла pm1 =88 кПа. На рис. 4. сплошными линиями представлены теоретические зависимости изменения амплитуды первой гармоники вдоль оси рупоров, рассчитан- ные по формулам (11) – (13). Здесь же для ка- ждого рупора маркерами изображены экспери- ментальные зависимости. Из графика видно, что именно закон возрастания сечения S(z) рупора и служит фактором, определяющим закон убыва- ния амплитуды генерируемого сигнала. Так, ам- плитуда звукового давления первой гармоники для катеноидального рупора при приближении к устью уменьшается примерно на 23 %. В то же вре- мя, для рупора экспоненциальной формы ампли- туда первой гармоники в раскрыве рупора вдвое меньше, чем амплитуда звукового давления в его горле. Что касается конического рупора, то ампли- туда излучаемого антенной акустического сигнала уменьшается примерно в три раза, по отношению к уровню, регистрируемому в горле рупора. Полученные результаты можно также объяс- нить в терминах различия коэффициентов отдачи рупоров. Коэффициент отдачи определяется как отношение мощности, излучаемой данным рупо- ром, к мощности, излучаемой тем же преобразова- телем в цилиндрической трубе бесконечной длины и имеющей поперечное сечение, равное площади горла рупора. Коэффициент отдачи конического рупора при низких частотах мал и лежит между 0.05 и 0.25. С повышением частоты он приближае- тся к единице и рупор становится более эффектив- ным. Чем больше показатель расширения рупора β, тем ниже частота, начиная с которой кониче- ский рупор оказывается эффективным. Соответ- ственно, излучаемая такой антенной мощность ма- ла при низких частотах и монотонно возрастает с увеличением частоты, асимптотически приближа- ясь к величине S0ρcv2 0/2 [15]. Сравнение акусти- ческих характеристик рупоров (см. рис. 4) пока- зывает, что экспоненциальный рупор лучше кони- ческого. Несмотря на то, что этот рупор практи- чески ничего не излучает ниже критической часто- ты, для него коэффициент отдачи приближается к единице гораздо быстрее, чем для конического рупора [15]. В воздушной среде экспоненциальные рупоры наиболее широко применяются в звукове- щании для излучения высоких частот. Катеноидальный рупор на больших расстояни- ях от горла практически неотличим от экспонен- циального, но в его горле быстрота изменения S в зависимости от z (dS/dz) равна нулю. Поэтому катеноидальный рупор может плавно переходить в трубу постоянного сечения S0, в то время как сопрягаются негладко, что приводит к эффекту отражения обратно в трубу в плоскости перехода. Выходная мощность рупора катеноидальной фор- мы существенно больше, чем для экспоненциаль- ного рупора при том же β, и во много раз боль- ше, чем для конического рупора тех же размеров. Подчеркнем, что повышение его эффективности связано именно с согласованием импеданса этого рупора с предрупорной трубой постоянного сече- ния [15]. Следует отметить, что при значительном уве- личении акустической мощности в рупорах реа- лизуется волна, известная в акустике как волна конечной амплитуды [18]. Она распространяется 62 О. В. Сухарьков ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2011. Том 14, N 1. С. 56 – 63 вдоль рупора, причем на некотором расстоянии от его горла становятся значимыми нелинейные эф- фекты. Это приводит к тому, что часть энергии волны основного тона перекачивается в гармони- ки высших порядков (наибольшая ее доля прихо- дится на вторую гармонику). Проведенные в во- здушной среде экспериментальные исследования показали, что для катеноидального рупора нели- нейные эффекты проявляются в меньшей степени, чем для экспоненциального и тем более конусно- го [16]. Таким образом, при проектировании гид- роакустических антенн для эффективной переда- чи сигналов в низкочастотной области звукового диапазона гораздо выгоднее использовать рупоры катеноидальной формы. Воспользуемся тем, что на больших расстоя- ниях от горла катеноидальный рупор практичес- ки неотличим от экспоненциального. Тогда при проектировании гидроакустической антенны мож- но использовать результаты экспериментальных исследований рупоров экспоненциальной формы, представленные в монографии [19]. Согласно [19], для генерируемых частот f2.3fкр отражения от устья рупора оказываются малыми и его актив- ное сопротивление превосходит 90 % соответству- ющего предельного значения. В этом случае диа- метр устья рупора необходимо выбирать равным λкр/π, где λкр – длина волны, соответствующая критической частоте fкр катеноидального рупора. Направленность рупорной антенны с таким диа- метром раскрыва в довольно широких пределах – (4 . . .24)fкр – остается практически постоянной и ее диаграмму можно представить в виде эллипса с эксцентриситетом e=0.9. ВЫВОДЫ 1. Проведен теоретический анализ формирова- ния и распространения бегущих одномерных плоских волн в предрупорной цилиндриче- ской камере и рупорах различных типов. 2. В водной среде при постоянном гидростатиче- ском давлении экспериментально исследова- но изменение амплитуды звукового давления первой гармоники для конического, экспонен- циального и катеноидального рупоров. 3. Разработана гидроакустическая излучающая рупорная антенна, в которой в качестве генератора низкочастотных звуковых волн используется прямоточный жидкоструйный преобразователь, нагруженный на катенои- дальный рупор. 1. Митько В. Б., Евтютов А. П., Гущин С. Е. Гидро- акустические средства связи и наблюдения.– Л.: Судостроение, 1982.– 200 с. 2. Гидроакустика за 20 лет / сб. статей по мат. 80- го съезда Акуст. общ-ва США.– Л.: Судостроение, 1975.– 176 с. 3. Урик Р. Дж. Основы гидроакустики.– Л.: Судо- строение, 1978.– 448 с. 4. Свердлин Г. М. Прикладная гидроакустика.– Л.: Судостроение, 1990.– 320 с. 5. Грiнченко В. Т., Вовк I. В., Маципура В. Т. Основи акустики.– К.: Наук. думка, 2007.– 640 с. 6. Ультразвук: Маленькая энциклопедия / Под ред. И. П. Голяминой и др.– М.: Сов. энцикл, 1979.– 400 с. 7. Wallen A. E., Whithehead P. L. An acoustic projector pressure relief equalization system – APPRES // West. Electron. Eng.– 1972.– 16, № 3.– P. 17–21. 8. Сухарьков О. В. Оптимизация параметров прямо- точного гидродинамического излучателя в усло- виях гидростатического давления // Акуст. вiсн.– 2008.– 11, № 4.– С. 54–63. 9. Сухарьков О. В. Жидкоструйный излучатель со ступенчатым препятствием и круговым щелевым соплом в виде соосных дисков // Наук. працi ОНАЗ iм. О. С. Попова.– 2010.– № 1.– С. 102–108. 10. Сухарьков О. В. Влияние гидростатического дав- ления на энергетические характеристики прямо- точного гидродинамического излучателя // Наук. працi ОНАЗ iм. О. С. Попова.– 2009.– № 1.– С. 70– 77. 11. Исакович М. А. Общая акустика.– М.: Наука, 1973.– 496 с. 12. Тюлин В. Н. Введение в теорию излучения и рас- сеяния звука.– М.: Наука, 1976.– 256 с. 13. Скучик Е. Основы акустики: том 2.– М.: Мир, 1976.– 542 с. 14. Справочник по технической акустике / под ред. М. Хекла и Х. М. Мюллера.– Л.: Судостроение, 1980.– 440 с. 15. Морз Ф. Колебания и звук.– М.: ИИЛ, 1948.– 660 с. 16. Сокол Г. И. Особенности распространения мо- щных звуковых сигналов в рупорах // Акуст. вiсн.– 2003.– 6, № 1.– С. 67–73. 17. Сухарьков О. В. Экспериментальное исследова- ние акустического поля прямоточного гидродина- мического излучателя // Наук. працi ОНАЗ iм. О. С. Попова.– 2007.– № 1.– С. 39–44. 18. Наугольных К. А., Островский Л. А. Нелинейные волновые процессы в акустике.– М.: Наука, 1990.– 237 с. 19. Римский-Корсаков А. В. Электроакустика.– М.: Связь, 1973.– 272 с. О. В. Сухарьков 63

Гидроакустическая излучающая рупорная антенна на основе жидкоструйного преобразователя

Репозитарії

Схожі ресурси