научная статья по теме ДИФРАКЦИЯ ЗВУКОВЫХ ИМПУЛЬСОВ НА УПРУГОЙ СФЕРИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКЕ, ПОМЕЩЕННОЙ В ОКЕАНИЧЕСКИЙ ВОЛНОВОД Физика

Текст научной статьи на тему «ДИФРАКЦИЯ ЗВУКОВЫХ ИМПУЛЬСОВ НА УПРУГОЙ СФЕРИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКЕ, ПОМЕЩЕННОЙ В ОКЕАНИЧЕСКИЙ ВОЛНОВОД»

АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2014, том 60, № 3, с. 230-239

КЛАССИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЛИНЕЙНОЙ АКУСТИКИ И ТЕОРИИ ВОЛН

УДК 534.2

ДИФРАКЦИЯ ЗВУКОВЫХ ИМПУЛЬСОВ НА УПРУГОЙ СФЕРИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКЕ, ПОМЕЩЕННОЙ В ОКЕАНИЧЕСКИЙ ВОЛНОВОД © 2014 г. Н. С. Григорьева*, Г. М. Фридман**

*Санкт-Петербургский государственный морской технический университет 190008 Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, 3 E-mail: nsgrig@natalie.spb.su **Санкт-Петербургский государственный экономический университет 191023 Санкт-Петербург, ул. Садовая, 21 E-mail: grifri@finec.ru Поступила в редакцию 04.10.2013 г.

Статья посвящена моделированию акустического поля, рассеянного упругой сферической оболочкой, помещенной в волновод с жидким поглощающим дном. Излученный сигнал представляет собой широкополосный импульс с гауссовой огибающей. В частотной области для вычисления поля точечного источника в свободном волноводе и коэффициентов рассеяния оболочки используется метод нормальных волн. Перемещение приемника вдоль вертикальной прямой, расположенной за оболочкой, позволяет получить "трехмерный" образ поля, рассеянного оболочкой. В этом представлении горизонтальной осью является время, вертикальной осью — глубина погружения приемника, а интенсивность показывает амплитуду принятого сигнала. Такие трехмерные изображения позволяют проанализировать зависимость сложной дифракционной структуры акустического поля от глубины приемника. В рассмотренном численном примере тонкая упругая сферическая оболочка находится вблизи поглощающего жидкого дна.

Ключевые слова: упругая сферическая оболочка, рассеяние акустических волн, волновод с жидким поглощающим дном, нормальные волны, звуковой импульс.

DOI: 10.7868/S0320791914030058

ВВЕДЕНИЕ

В статье [1], посвященной обзору результатов, полученных в ходе хорошо контролируемых экспериментов в бассейне, впервые были показаны "трехмерные" изображения тонкой упругой сферической оболочки, помещенной в волновод. При этом в качестве горизонтальной оси выступает время, вдоль вертикальной оси откладывается глубина погружения приемника, а цвет показывает амплитуду принятого широкополосного сигнала.

Цель данной работы состоит в том, чтобы получить подобные "трехмерные" изображения ("диаграммы время—глубина") численно. В модели, использованной для расчетов, тонкая упругая сферическая оболочка находится в водном слое небольшой глубины вблизи жидкого поглощающего дна. Излученный сигнал представляет собой широкополосный импульс с гауссовой огибающей. Параметры оболочки, характеристики дна и форма излученного импульса взяты из работы [1] (см. также [2]).

В частотной области для вычисления поля точечного источника в свободном волноводе и ко-

эффициентов рассеяния оболочки используется метод нормальных волн [3]. Другие методы, позволяющие рассчитать дифракционную структуру поля в волноводах, обсуждаются в работах [4—8].

Полученные в работе диаграммы время-глубина позволяют проанализировать зависимость сложной дифракционной структуры акустического поля от глубины приемника.

ТЕОРИЯ

Рассмотрим упругую сферическую оболочку, помещенную в волновод с жидким дном. Скорость звука в воде с0 предполагается постоянной. Начало координат совпадает с центром оболочки, внешний радиус которой равен а. Ось 0z направлена вертикально вверх, как это показано на рис. 1. Источник находится в точке М5 волновода -й < г < Ь, а приемник — в точке М. Декартовыми и сферическими координатами точки Мх являются (л^,0, ) и (г, ф^), точки М — (х,0, г) и (г, 0, ф) соответственно. Первоначально мы будем предполагать, что точечный источник излучает сфе-

рическую падающую волну с циклическом частотой ю.

Воспользовавшись методом, предложенным в [9], будем искать суммарное поле в волноводе Ф total в виде суммы вклада от источника Ф source и вклада от рассеивателя Ф scatterer

Ф total Ф source + Ф scatterer" (1)

Если z > zs, то вклад от источника дается формулой

фsource - 4п JqhLj°(q\x Xs_ UVe2"

2ih(b+d)

(2)

х ((¿-ь) + иге-'^-ъ) )(е-мл-ь) + уеш(ь+а)е1ъл-ь)) Здесь /0 — цилиндрическая функция Бесселя нулевого порядка, q и к = к(д) = ^к0 - д2 — горизонтальная и вертикальная компоненты падающего волнового вектора в воде, к0 = ю/ с0 — волновое число. Коэффициенты отражения от верхней границы раздела и и нижней границы раздела V равны соответственно [10]

оТк

U = -1 VLq) = Р^ - q2 -Р^^ - q2

Ръ4к0 - qL + р^kb - qL В уравнении (3) kb = ю/cb — волновое число в жидком дне, cb > c0, р0 и pb — плотности воды и дна соответственно. При этом предполагается, что на комплексной ^-плоскости Imh(q) > 0 и

ImAj(q) = Im^kb - q2 > 0. Если Zs > z, то Фsource дается формулой, которая получается из (2) заменой г на zs и наоборот.

Вклад от рассеивателя, учитывающий влияние многократного рассеяния, может быть представлен в виде

lmax l

2 -2 ■ - Vk2 ~2

(3)

Фscatterer = , ^^ Aml(r )TlCml" k0 l =0 m=0

(4)

Для случая сферической упругой оболочки, заполненной воздухом, коэффициенты T, содержащие всю информацию о свойствах оболочки, приведены в [3]. Эти коэффициенты удобно трактовать также как элементы диагональной T-мат-рицы. Функции Aml(r) в уравнении (4) называются коэффициентами рассеяния сферы. Если z > 0, то коэффициенты рассеяния Aml(r) имеют вид 1/2

Aml (Г) = " О C°S m^ J qhqJm(q XI) X

0

■(eih(z-b) + Ue -ih(z-b) )x

1

1 - UVe

2ih(b+d)

(5)

„ I h I ihb , rr 2ih(b+d)

B„l I ——I e + Ve y '

B

ml

h I -ihb

e

г Воздух

г = b

Ms (источник) rs а M (приемник) е r

a1 0 х Вода

г = -d Жидкое дно

Рис. 1. Упругая сферическая оболочка, помещенная в волновод.

В уравнении (5) б0 = 1 и б т = 2 при т > 1, 1т — функция Бесселя порядка т, Вт11 к I — элементы матри-

^ ко)

цы преобразования, связывающей цилиндрические и сферические базисные функции уравнения Гельмгольца

B,

ml

h

Л-m

2l + 1 (l - m)! 2 (l + m)!

12

h

(6)

где Pjm — присоединенные функции Лежандра порядка Iи ранга m (см., например, [11]);

B" h)-(-1)l ""b»I (h

Величина lmax в формуле (4) выбирается в соответствии с правилом, предложенным в [12]:

l max + 4.05(k,a)1/3 ] + 3,

где [х] — целая часть х, а — внешний радиус оболочки. Таким образом, lmax с ростом частоты возрастает пропорционально безразмерному параметру k0a.

Коэффициенты cml в уравнении (4) находятся из линейной системы алгебраических уравнений

Lml

= Aml (Г s) + ^ R^m^Tl^Cml^,

l'=0

где lmax = lmax, 0 ^ m ^ ^^ l') и

(7)

т=-2i J

qdq

1

hko 1 - UVe

2ih(b+d)

UVBml\ h |x

x Bml.\-h} em(b+d) + VBml [A] BmlÁh\ e2ihd +

+ UBmi \ -h ] BmlÁ-h \e2ihb +

+ UVBml\-hjBmi^h |e2ih(b+d)

(8)

Ami (r) = A;ode(r) + Amf(r),

где

A^V) = 2n (2n)

V2

cos qm x

X £NH (ko^|x|)Мц(^c)sinк0ц0(Ь - z)

(10)

H» — первая функция Ханкеля порядка m. В (10) числа находятся из уравнения

tgY о = -i^. Ро Hi

(11)

1

N.. коЦо

Y о - sin у о cos у о

2

Ро • 2 ,

■ ^о sin у оtgY о

Pi У

. (13)

Интеграл по берегам разреза ЛЦЩ (г) может быть представлен в виде [3]

АЦТ (r)

fe Г

ni/ ,14

n --(m+1)

Ро 2

—cos mye x

Pi

4nhv

2

Гп 2ч, i 12 2 о vtc(1 - nb)ко x cos yо

гко |x|nb

e о| 1 b x

(14)

x sin(k^V^(b - z))Mml(Vi-i)I(v2). В формуле (14)

2

v =

ко x

2

1 - Пь

Щ. — это коэффициент преобразования 1-й сферической гармоники в гармонику с номером I' в рассматриваемом волноводе.

Интегральные представления вклада от источника (2) и коэффициентов рассеяния (5) справедливы при любых частотах, расстояниях между источником и приемником и глубинах волновода. В случае, когда глубина волновода невелика, очень полезным является представление интегралов (2) и (5) в виде суммы нормальных волн и интеграла по берегам разреза [3].

Для коэффициентов рассеяния это представление имеет вид

(15)

2n í I \2¿ 2 о о. о' 2Пь (р о/pi) tg Y о - Y оtgY о

Y о = ко(Ь + (16)

2

Множитель I(v ) выражается через интеграл вероятности erf (а):

I (v2) = ^ + Пf ei(v2+П4) (erf(eíV4v) -1), (17)

erf (а) =

Гп

J e 4 2 dt.

(18)

Вклад от источника также может быть представлен в виде суммы нормальных волн и интеграла по берегам разреза

ф =фmode +фcut (19)

^ source ^ source 1 ^ source' V у /

(9) где (см. (13), (16)—(18))

Ф S;°udcee = £ NjHо1) ( X - X,\)х

j (20) X sin ко^о(Ь - Z)sinко^о(Ь - Zs)|^ ,

-2

фc

2n¡Y

1

Ро

3/2,, 2ч 2 о , |2 „

л' (1 - Пь )cos Y о ко X - xJ Рь

sin(к^1 - nb(b - z))sin(к^ 1 - Пь2(Ь - Zs)) x (21)

(к:о|x-xs\nb T, л2ч

x e о| s bI(v ),

-2 _ ко |x - xs

1 2 1 - Пь

Здесь y о = коцо(Ь + d), b + d — глубина волновода,

Но = 41 2, Hi = VПь2 - £2, nb = Со/Сь, nb <2,- < 1. Функция Mml(^ о) и нормирующий множитель

1 N2j даются формулами [3], см. также (6)

Mml (Ио) - Bml(-HоУ^оЬ - Bml (Ио)e^Ф =

Г- cos коиоЬ, если m + l нечетное (12) = 2Bml (и оп ,

[i sin коиоЬ, если m + l четное

" 2и / / 2 0 0. 0 • (22)

2ПЬ (Р0/Рь) у0 -у^у0 Использование формул (9)—(22) существенно упрощает вычисление интегралов (2) и (5), дающих вклад от источника и коэффициенты рассеяния.

Для того чтобы учесть поглощение в дне, нужно положить сЬ = RecЬ + ЯтсЬ, 1тсЬ < 0. Это приводит к комплексности в уравнении (11) и, как следствие, к комплексности ^ которые приобретут малую положительную мнимую составляющую.

ЧИСЛЕННЫЙ ПРИМЕР

Для оценки влияния поля, рассеянного оболочкой, на суммарное звуковое поле в волноводе

о

2

о

были использованы параметры оболочки и характеристики дна, взятые из хорошо контролируемого эксперимента в бассейне [1, 2]. Тонкая упругая сферическая оболочка, изготовленная из сплава никеля и молибдена, имеет физические свойства, приведенные в таблице. Внутренний радиус оболочки равен 1. 44 х 10 м. Оболочка заполнена воздухом с плотностью 1.293 кг/м3 и скоростью звука 331 м/с.

Скорость звука в воде с0 = 1500 м/с, плотность воды р0 = 103 кг/м3. Расстояние Ь от центра оболочки до верхней границы волновода равно 0.104 м; расстояние ё до дна равно 1. 6 х 10 -2 м. Таким образом, волновод имеет глубину Ь + й = 0. 12 м.

Дно волновода предполагается песчаным. Для того чтобы учесть поглощение в нем, скорость звука в дне сЬ считается комплексной

сь = 1675 - 15.34/ м/с. Мнимая часть этой величины соответствует затуханию 0.5 дБ/^Ь, где ХЬ — длина волны в дне на рассматриваемой частоте. Плотность п

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком