Воронин В.А., Воронин А.В., Снесарев С.С. «Излучающая акустическая параметрическая антенна для мониторинга приземного слоя атмосферы» Известия Южного федерального университета. Технические науки, № 12, с. 6-14 (2015)

Рассматриваются вопросы нелинейного взаимодействия акустических волн в воздушной среде в процессе распространения. Показывается, что коэффициент нелинейности в воздушной среде значительно превышает таковой в воде, поэтому генерация вторичных волн в воздушной среде эффективнее чем в воде. Рассчитываются основные характеристики взаимодействия. Для реализации параметрической антенны для передачи информации узким лучом предлагается использовать в качестве преобразователей в антенне накачки высокочастотные громкоговорители с высокой чувствительностью в режиме излучения. Для уменьшения уровня боковых лепестков в характеристике направленности антенны накачкидаются рекомендация по расположению преобразователей в антенне накачки и согласованию их со средой с помощью акустических рупоров. В качестве исходных параметров для расчетов выбираются паспортные данные громкоговорителей. Анализируются характеристики параметрической антенны при расположении ее в воздушных потоках. Взаимодействие волн в потоке описывается неоднородным волновым уравнением, в котором влияние потока оценивается членом с конвективной производной. Рассмотрены неоднородные уравнения для различных составляющих результирующего генерируемого сигнала параметрической антенной в среде с воздушным потоком. Выведены выражения для расчета добавок к генерируемым в однородной среде сигналам для перпендикулярного и параллельного направлению распространения волн потока. Показано, что воздушный поток в ближней зоне антенны накачки увеличивает амплитуду генерируемых нелинейным взаимодействием вторичных волн. Даются рекомендации по использованию параметрической антенны для передачи информации в воздушной среде.

Горовой С.В., Кирьянов А.В., Желдак Е.М. «Мониторинг шумов моря вблизи океанариума в городе Владивостоке» Известия Южного федерального университета. Технические науки, № 12, с. 15-24 (2015)

Рядом национальных и международных документов в число показателей экологического состояния прибрежных территорий включены характеристики шумов моря. В работе описаны результаты исследования спектральных и взаимно-спектральных характеристик гидроакустических шумов в диапазоне частот 30-4000 Гц, зарегистрированных в районе к востоку от океанариума г. Владивосток, расположенного на о. Русском. Глубина места в районе проведения исследований составляет 20–30 м, грунт – песок и камни, расстояние до берега 1 миля. Данный район характеризуется высокой интенсивностью судоходства. Средний интервал времени между проходами российских и иностранных океанских судов на расстояниях до 3 миль от места проведения исследований не превышает двух часов. Во время исследований расстояние до ближайшего из стоящих на якорях судов составляло 3 мили. Для приема сигналов использовалась мобильная приемная система, состоящая из двух разнесенных на 1,85 м по вертикали ненаправленных гидрофонов, прикрепленных к дрейфующему бую с помощью упругой подвески. Воспринимаемые гидрофонами сигналы передавались по кабелю на легкий катер, дрейфующий вместе с буем. Приведены результаты исследования временной изменчивости спектральных и взаимно-спектральных характеристик шумов данной акватории, в том числе при проходе судов вблизи приемной системы. Во время проведения измерений усредненный спектральный уровень на частоте 1 кГц в полосе 1 Гц составлял 70-80 дБ относительно 1 мкПа. Зафиксированы временные изменения фазовых соотношений между составляющими взаимного спектра для разнесенных по вертикали гидрофонов, в том числе при отсутствии в пределах прямой видимости с катера движущихся судов. На интервалах времени от единиц до десятков секунд они изменялись от «полной некогерентности» до «полной когерентности» в диапазоне частот от 300 Гц до 4 кГц. Эти изменения могут быть представлены как изменения частотного распределения интенсивности гидроакустического шума в вертикальной плоскости со временем, связанными с флуктуациями фазы воспринимаемых гидрофонами сигналов.

Илларионов А.А., Козловский С.В., Корякин А.Б., Щерба С.Е. «К оценке уровня реверберационной помехи при частично-когерентной обработке эхо-сигналов» Известия Южного федерального университета. Технические науки, № 12, с. 25-35 (2015)

Рассмотрен вопрос оценки уровней реверберационных помех применительно к использованию сложных зондирующих сигналов и частично-когерентной обработке (ЧКО) гидроакустической информации. Данный способ обработки эхо-сигналов предусматривает когерентный прием в пределах «К» частей сигнала и последующий некогерентный прием их выходных эффектов. Разработана приближенная методика для оценки уровня реверберации на выходе тракта приема с учетом типа зондирующего сигнала и параметров ЧКО. Методика основана на оценке и использовании вместо длительности зондирующего сигнала -длительности сжатого эхо-сигнала после частично-когерентной обработки на выходе тракта приема гидролокатора. Выполнено моделирование в среде MATHLAB-7 применительно к шумоподобному (фазо-манипулированному) зондирующему сигналу с параметрами: длительность 1 сек и полоса частот 1000 Гц при когерентной обработке и ЧКО эхо-сигналов. В результате моделирования построены сечения в частотной и временной областях функции неопределённости рассматриваемого сигнала для различных величин К. Определены параметры функции неопределенности эхо-сигнала при ЧКО: уровень бокового поля, ширина основного лепестка по времени, ширина основного лепестка по частоте. На основе моделирования получена аппроксимация зависимости длительности выходного сигнала от числа частей К, на которые разбивается эхо-сигнал для выполнения когерентной обработки. Данная зависимость положена в основу при оценке длительности сжатого на выходе тракта приема сигнала. Представлен пример оценки степени снижения уровня реверберационной помехи (донная составляющая) при использовании частично-когерентной обработки (К=10) сложного зондирующего сигнала по сравнению с некогерентной обработкой данного сигнала. Значение длительности сжатого после ЧКО эхо-сигнала составило 5 мс, что обеспечивает снижение уровня донной реверберации на выходе тракта гидролокатора на 23 дБ. Аналогичный результат достигается в случае воздействия поверхностной и объемной составляющей реверберационной помехи. На основе вышеизложенного подхода возможна оценка помехоустойчивости тракта гидролокации в условиях воздействия преобладающей ревеберационной помехи (донная, поверхностная и объемная составляющие) при частично-когерентной обработке сложных сигналов.

Илларионов А.А., Козловский С.В., Чернов В.П. «Характеристики гидролокационного отражения автономных объектов мониторинга морской среды» Известия Южного федерального университета. Технические науки, № 12, с. 35-43 (2015)

Обосновывается актуальность проблемы своевременного обнаружения автономных необитаемых аппаратов (АНПА), которые могут представлять собой потенциальные подводные диверсионно-террористические угрозы. Наиболее вероятная угроза представляется для объектов морской деятельности, обеспечивающих разработку морских нефтяных и газовых месторождений. В качестве средств наблюдения за подводными роботами на акватории рассматриваются мобильные и стационарные гидроакустические станции обеспечения безопасности. Проанализированы тактико-технические и конструктивные характеристики типовых АНПА «REMUS-100» и «Gavia», предназначенных для океанологических исследований и контроля характеристик морской среды. Данные подводные аппараты могут использоваться как базовые для диверсионной деятельности. Выполнен анализ характеристик гидролокационного отражения подводных роботов как малоразмерных гидроакустических объектов поиска с использованием методического подхода, основанного на оценке параметров эхо -портретов. Приводятся результаты экспериментальных лабораторных исследований характеристик гидролокационного отражения макета АНПА, аналогичного по конструктивным параметрам аппарату «Gavia». Экспериментальные исследования выполнены в исследовательском бассейне НИЦ РЭВ и ФИР ВМФ. По данным экспериментов на встречных носовых и кормовых углах значения эквивалентных радиусов отражения АНПА не превышают 0,15–0,25 м, а на бортовых углах в узком секторе -1,0–2,0 м. Отмечается трудность гидролокационного обнаружения таких объектов при использовании традиционных методов поиска малоразмерных целей. Объяснена причина, по которой существующие методы борьбы с реверберационной помехой в гидролокационных станциях обнаружения подводных пловцов, основанные на применении сложных широкополосных сигналов с высокой разрешающей способностью, при гидролокации подводных роботов типа «Gavia» малоэффективны. Для наблюдения за АНПА в гидроакустических станциях предлагается использовать признак пространственно-временной протяженности объектов и трассовую индикацию их движения с применением методов обработки изображений, элементов теории распознавания образов. Рекомендовано при поиске АНПА в морских и пресноводных акваториях использовать российские гидроакустические станции коммерческого назначения «Нерпа-М» и «Трал-М», имеющие положительный опыт эксплуатации при охране отечественных и иностранных объектов.

Заграй Н.П., Михралиева А.И., Строчан Т.П. «Экологический мониторинг по динамической характеристике нелинейного взаимодействия в упругих средах» Известия Южного федерального университета. Технические науки, № 12, с. 44-56 (2015)

Экологический мониторинг проводится по изменению характерных параметров контролируемой среды. Предлагается ранее не рассматривающаяся динамическая характеристика нелинейного взаимодействия акустических волн – нелинейное ускорение. Оценена возникающая при этом динамика изменений расстояний разрывов при искажении простой волны с учетом квадратичной и кубической физических нелинейностей диагностируемой среды. Показаны характерные особенности ускорения и их соответствие для квадратичной и кубической нелинейностей акустических волн в среде распространения. Поведение ускорения как динамической характеристики нелинейного взаимодействия акустических волн может быть использовано для мониторинга среды распространения. Величина кубической нелинейности вносит в ускорение наблюдаемой мощной волны несимметричность его искажения. Учитывая появляющуюся несимметричность в поведении ускорения может быть построен метод оценки вклада величины кубической нелинейности. Численными методами с помощью компьютера можно оценивать подобный вклад в нелинейный процесс. Акустическое ускорение при подробном анализе приобретает конкретный физический смысл. Оно является нелинейным ускорением при единичной силе, действующей на физическую среду при нелинейном взаимодействии акустических волн. Также рассмотрены среды с модулями упругости на растяжение и сжатие среды при деформации, называемые разномодульными средами. Для разных изменяющихся параметров приведены графические зависимости ускорения для разномодульных сред. Аналогичным методом получены зависимости ускорений для этих случаев. Несимметричность также позволяет оценивать величины вкладов кубической нелинейности. Подобный метод позволяющие проводить оценку степени различия в таких средах разномодульных средах, Это является важным результатом для практики нелинейной акустической диагностики.

Иванов А.Н., Тимошенко В.И. «Выбор оптимального шага сканирования по спирали при автоматизированном ультразвуковом контроле труб на ОАО «ТАГМЕТ»» Известия Южного федерального университета. Технические науки, № 12, с. 56-66 (2015)

Рассматривается иммерсионный метод прозвучивания бесшовных труб продольного сканирования поперечными волнами, распространяющимися в ее стенке по зигзагообразной траектории перпендикулярно образующей. Приведен метод аналитического расчета шага сканирования с учетом соотношения ширины зоны перекрытия при сканировании, ширины пьезоэлектрического преобразователя и плотности потока зондирующих импульсов. Определена ширина преобразователя и вычислено время прохождения луча ультразвукового колебания от преобразователя до дефектов в трубе. Оптимизирована величина шага сканирования и установлена максимальная производительность линий контроля. Правильный выбор соотношений ширины поля пьезоэлектрического преобразователя, ширины зоны перекрытия при сканировании и размерами минимально допустимого дефекта позволил более качественно настраивать чувствительность преобразователей, и повысить достоверность контроля, достигая наивысшей на рынке производительности и соответствовать современным мировым требованиям и стандартам. Для высокой надежности использован уточненный расчет шага и скорости сканирования, как функции от длины преобразователя, длины искусственного дефекта и плотности потока зондирующих импульсов, позволяющий оптимизировать величину этих параметров и установить максимальную производительность линий контроля. Выявлено, что величина шага сканирования поверхности трубы зависит от диаметра трубы и угла разворота колес рольганга, где при увеличении диаметра трубы или угла разворота колёс рольганга шаг сканирования увеличивается. Рассмотрено, что при движении трубы с искусственным отражателем (риской) возможны различные ситуации пересечения поля пьезоэлектрического преобразователя. Вычислен шаг сканирования и длина пересечения риской поля преобразователя, а также условия полного попадания риски в поле преобразователя. Показан план охвата трубы ультразвуковым контролем с использованием восьмиканальной кассеты с пьезоэлектрическими преобразователями длиной 12,5 мм. Каждый, в количестве восьми штук. Величина шага сканирования определена эффективной шириной пучка ультразвукового поля датчика, которая равна расстоянию над поверхностью трубы между положениями преобразователя, при которых эхо-сигнал от заданного минимального контрольного отражателя уменьшается до установленного уровня амплитуды срабатывания дефекта. Показан план сканирования трубы и ввод ультразвуковых колебаний в металл. Определена ширина преобразователя и схема угла ввода ультразвуковых колебаний из воды в сталь при контроле иммерсионным способом. Определены условия оптимального выявления дефектов, расположенных по всему сечению трубы, время прохождения луча ультразвукового колебания от преобразователя до дефектов в трубе и какая необходима при этих условиях частота и амплитуда повторения зондирующих импульсов. Выбран расчёт надёжного выявления, заданного минимального контрольного отражателя в контролируемой трубе при максимальной производительности контроля. При контроле труб важными параметрами являются соотношения ширины зоны перекрытия при сканировании, ширины пьезоэлектрического преобразователя и плотность потока зондирующих импульсов. Величина шага сканирования определена параметрами преобразователя, размерами минимально допустимого дефекта и характеристиками транспортной системы установки обеспечивая 100% охват поверхности контролируемой трубы.

Каевицер В.И., Тарасов С.П., Захаров А.И., Смольянинов И.В., Солдатов Г.В. «Возможность определения изменения скорости звука в водонасыщенных средах при вертикальном гидролокационном зондировании» Известия Южного федерального университета. Технические науки, № 12, с. 67-77 (2015)

Рассмотрены возможности и предложены методики дистанционного зондирования донного грунта и водной толщи с целью определения их акустических свойств по фазовым измерениям эхосигналов при вертикальном акустическом зондировании узконаправленным излучением эхолотами и профилографами. Это позволит получить качественно новую информацию о неоднородностях воды и донного грунта и возможность более точной их классификации. Рассмотрен порядок получения распределения отраженного сигнала эхолота по запаздыванию. Определена разность фаз сигналов соседних отсчетов по различию во времени запаздывания сигналов. Выявлена связь разности фаз сигналов соседних отсчетов со скоростью звука в неоднородном слое. Рассмотрен применение описанного метода для получения еще одной классификационной характеристики – определение возможной дисперсии скорости звука в донных отложениях. Для реализации предлагаемого метода необходимо сформировать специальный двухчастотный сигнал. Для экспериментальной реализации когерентного двух частотного зондирования дна был применен алгоритм раздельной обработки эхо-сигналов из нижней и верхней половины спектра излучаемого ЛЧМ сигнала. Приведены экспериментальные результаты применения разработанных методик для дистанционного определения изменений скорости звука в воде и донных отложениях. Для исследования информативности фазовых характеристик эхосигналов профилографа при классификации донных отложений было проанализировано распределение по дальности приращения разности фаз сигналов отдельно для «низкочастотного» и «высокочастотного» диапазона. Получена информация о набеге по запаздыванию (производной) разности фаз между эхо-сигналами на акустических изображениях, полученных при использовании «высокочастотной» и «низкочастотной» составляющих зондирующего сигнала. Полученные результаты указывают на неслучайный характер измеряемых величин, они открывают возможность формирования с помощью статистической обработки новых устойчивых признаков для целей дистанционной классификации донных отложений. Экспериментальное применения фазовых методов для исследования вариаций скорости звука в приповерхностном слое воды позволило выявить качественное совпадение изменений скорости звука по предлагаемой методике с измерениями скорости звука с помощью специализированного погружного прибора, осуществляющего измерения контактным способом. Намечены направления дальнейших исследований для реализации разработанных методик в принципиально новых перспективных измерительных системах дистанционного зондирования водной среды и донных отложений.

Сластен М.И., Тимошенко В.И. «О серии многократных отражений ультразвукового импульса в плоскопараллельных образцах с гармонически изменяющимися механическими напряжениями» Известия Южного федерального университета. Технические науки, № 12, с. 77-85 (2015)

Акустические монокристаллы широко используются в различных областях современной радиоэлектроники, лазерной техники, оптико-акустических устройствах обработки информации и т.п. Обеспечение достаточной надежности устройств на основе монокристаллов требует разработки эффективных методов ультразвукового контроля их свойств при выращивании монокристаллов и изготовлении устройств на их основе. Технология выращивания монокристаллов постоянно совершенствуется, что также требует усовершенствования методов контроля их свойств. Ультразвуковой контроль качества монокристаллов разрабатывается непосредственно для каждого конкретного монокристалла с учетом типа его кристаллической решетки, упругих свойств и т.д. В работе рассматривается галлий-гадолиниевый гранат, обладающий кубической решеткой, упруго изотропный, но оптически анизотропный. Основным дефектом, возникающим при выращивании монокристаллов галлий-гадолиниевого граната, является наличие остаточных механических напряжений, отрицательно влияющих на работу, например, устройств обработки информации и т.п. Диагностика остаточных механических напряжений и их идентификация – выяснение характера напряженного состояния – осуществляются с использованием серии многократных отражений ультразвукового импульса, распространяющегося в плоскопараллельном образце монокристалла. Наиболее перспективная в настоящее время технология выращивания монокристаллов галлий-гадолиниевого граната приводит к возникновению в выращиваемых монокристаллических слитках остаточных механических напряжений с распределением чередующихся сжатых и растянутых слоев, близким к гармоническому. Такое распределение сжатых и растянутых в большей или меньшей степени слоев приводит к серии многократно отраженных импульсов с особой нетрадиционной синусоидальной огибающей серии. Кроме этого, амплитуды эхоимпульсов в серии зависят, в основном, от неоднородности остаточных механических напряжений, а не их величины. Амплитуды эхоимпульсов в серии могут быть даже равны нулю при существенных по величине остаточных механических напряжениях.

Душенин Ю.В., Маркович И.И. «Применение многолучевых гидроакустических средств с цифровой пространственно-временной обработкой сигналов для экологического мониторинга водных районов» Известия Южного федерального университета. Технические науки, № 12, с. 85-98 (2015)

Актуальность мониторинга Мирового океана с высокой скоростью и точностью постоянно возрастает. Для решения различных задач данной проблемы в мировой практике все чаще используют многолучевые гидролокационные системы (МГС). С развитием новых принципов построения систем и устройств обработки гидроакустических сигналов в современной технике все большее применение находят многолучевые эхолоты (МЛЭ) и гидролокаторы переднего обзора (ГПО), использующие перспективные методы и алгоритмы цифровой обработки сигналов (ЦОС). В таких МГС с ЦОС вычислительная часть реализуется на современной элементной базе – цифровых процессорах и программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС), позволяющих перепрограммировать свою вычислительную среду под решение любой задачи и получать высокую требуемую производительность. Целью данной работы является рассмотрение МЛЭ, ГПО и малогабаритных приемо-излучающих многочастотных модулей для перспективных гидролокационных систем с ЦОС, разработанных коллективом Научно-конструкторского бюро цифровой обработки сигналов Южного федерального университета. Показан их внешний вид, описаны конструкции. Приведены тактико-технические характеристики и даны отличительные особенности. Представлены структурные схемы, поясняющие принцип их функционирования. Отмечены особенности проектирования и даны краткие описания алгоритмов ЦОС. Приведены результаты натурных испытаний. Сделаны выводы о необходимости дальнейшей разработки и внедрения МГС с ЦОС. В настоящее время это особенно актуально в связи с необходимостью замещения зарубежных систем отечественными аналогами.

Долгов А.Н., Раскита М.А., Третьяков С.В., Колосов К.В., Куценко А.Н. «Результаты разработки портативного многолучевого гидролокатора секторного обзора для подсчёта рыб в ограждённых районах прибрежных морских зон рыболовства и во внутренних водоёмах» Известия Южного федерального университета. Технические науки, № 12, с. 99-113 (2015)

Изложены основные результаты разработки портативного научного многолучевого гидролокатора секторного обзора для подсчета рыб в ограждённых районах прибрежных морских зон рыболовства и во внутренних водоёмах. Отмечены инновационные решения, осуществлённые в разработке. Приведён перечень аппаратных и программных средств научного гидролокатора. Представлены результаты измерения характеристик направленности гидроакустической антенны в режиме излучения и в режиме приёма с веером лучей. Особенностью полученных результатов является постоянство ширины ХН в плоскости веера лучей и низкий уровень боковых лепестков. Ещё одним достоинством разработанного научного гидролокатора является возможность работы на коротких длительностях излучаемых акустических импульсов. Приведены снимки экрана прибора управления и индикации при проведении гидроакустических съёмок в натурных условиях в режимах: «Эхограмма», «Сектор» и «3D». Описано программное обеспечение гидролокатора, в том числе: программа калибровки научного многолучевого гидролокатора с помощью эталонной карбид-вольфрамовой сферы; программа поспроцессинговой обработки гидроакустических записей. Отмечено, что для расчёта силы цели эталонной сферы специально разработано программное обеспечение «Калькулятор силы цели». Описан опыт проведения натурных испытаний разработанного гидролокатора и проведения гидроакустических съёмок на мелководных внутренних водоёмах с целью количественной оценки запасов рыбных ресурсов. Приведён перечень учреждений рыбохозяйственной и экологической специализации, специалисты которых принимали участие в натурных испытаниях и гидроакустических съёмках. Выполнена обработка полученных гидроакустических записей с помощью программного пакета постпроцессинговой обработки. Приведены карта распределения глубин во внутреннем водоёме и карта распределения биомассы в этом водоёме. Приведена гистограмма распределения силы цели обнаруженных одиночных рыб. Отмечено, что впервые в России, включая Советский период, создан научный гидролокатор, позволяющий решать задачи количественной оценки запасов рыбных скоплений. Это – первый шаг в рамках программы импортозамещения зарубежной научной гидроакустической аппаратуры для исследования запасов водных биоресурсов в Российской Федерации.

Микушин И.И., Серавин Г.Н. «Калибровка импульсных измерителей скорости звука в воде» Известия Южного федерального университета. Технические науки, № 12, с. 113-122 (2015)

Целью проведенных исследований явилось теоретическое обоснование и разработка алгоритма калибровки и градуировки аппаратуры измерения скорости звука (ИСЗ), использующей импульсно-циклический или прямой импульсный метод измерения скорости звука в воде. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи: выявлены распределения систематических погрешностей канала измерения скорости звука импульсно-циклических и прямых импульсных ИСЗ в нормальных условиях с применением калибровочных жидкостей (пресная вода, растворы в ней поваренной соли или этилового спирта) и эталонного ИСЗ; выработаны технические предложения по повышению точности измерения скорости звука перспективными импульсными ИСЗ с использованием N-го, а также i-го и N-го отраженных в акустической базе ультразвуковых импульсов; рассмотрены алгоритмы калибровки и градуировки ИСЗ в воде; разработаны основные положения методик градуировки ИСЗ. В результате исследований установлено и экспериментально доказано, что при калибровке ИСЗ необходимо минимизировать погрешность измерения скорости звука программно-аппаратным способом за счет корректуры вводимых коэффициентов преобразования времени распространения импульса (или его частоты) в значение скорости звука, а в последующем при градуировке ИСЗ в процессе его эксплуатации проверять систематическую погрешность измерения скорости звука минимум в двух точках – в середине и на одном конце диапазона измерения.