Элбакидзе А.В., Каевицер В.И., Смольянинов И.В., Пивнев П.П., Тарасов С.П., Воронин В.А. «Автономные комплексы для исследования дна и донных отложений мелководных водоемов» Известия Южного федерального университета. Технические науки, № 6, с. 6-18 (2018)

Приведено описание экспериментальных многофункциональных комплексов обследования дна и донных грунтов мелководных районов водоемов, установленных на моделях автономных катеров. Автономные комплексы разработаны во Фрязинском филиале Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук (в ФИРЭ им. Котельникова РАН) и Институте нанотехнологий, электроники и приборостроения Южного федерального университета (ИНЭП ЮФУ). Комплекс экологического мониторинга разрабатываемый в ФИРЭ им. Котельникова РАН размещается на платформе маломерного катамарана JABO 5C и состоит из гидролокатора бокового обзора и профилографа собственной разработки. Комплекс разрабатываемый на кафедре электрогидроакустической и медицинской техники ИНЭП ЮФУ базируется на разработанном совместно с Таганрогским колледжем морского приборостроения (ТКМП) необитаемом катере и состоит из гидролокатора бокового обзора и параметрического профилографа, разработанных совместно ИНЭП ЮФУ и ООО «НЕЛАКС». Представлена структурная схема комплекса экологического мониторинга, приведены фрагменты «акустической карты» дна, эхограммы полученные с помощью ГБО, профилографа и параметрического профилографа. Приведены основные технические характеристики гидроакустических приборов входящих в автономные комплексы. Представлены экспериментально измеренные на уникальной научной установке «Имитационно-натурный гидроакустический комплекс» ЮФУ диаграммы направленности параметрической антенны параметрического профилографа. Приведена траектория движения (галсы) судна при получении гидролокационных данных. Приведены экспериментальные результаты работы комплексов по обследованию дна мелководных районов водоемов, подтверждающие перспективность их использования для различных задач.

Воронин В.А., Казакова Е.А. «Исследование излучения акустических сигналов в воздушной среде параметрической антенной с амплитудно-модулированным сигналом накачки» Известия Южного федерального университета. Технические науки, № 6, с. 18-26 (2018)

Обсуждаются особенности излучения акустических сигналов в воздушной среде параметрической излучающей антенной. Приведены методы формирования взаимодействующих в нелинейной среде волн и выявлены их преимущества и недостатки. Для построения системы передачи речевой информации узким звуковым пучком предложено использовать параметрическую антенну с амплитудно-модулированным сигналом накачки. Для реализации в воздушной среде параметрической антенны предлагается в качестве преобразователей в антенне накачки использовать высокочувствительные громкоговорители в режиме излучения. Для равномерного распределения акустической энергии у поверхности антенны накачки предлагается использовать акустические рупоры. При расчете параметров нелинейного взаимодействия акустических волн используются паспортные данные выбранных громкоговорителей. Выведено выражение для расчета коэффициента амплитудной модуляции для выбранного диапазона разностных частот. Показано влияние коэффициента амплитудной модуляции на уровень генерации вторичных акустических волн в пространстве. Приведены результаты расчета осевого распределения звукового давления на различных разностных частотах. Рассчитана характеристика направленности антенны накачки. Теоретические расчеты подтверждены экспериментально измеренными характеристиками направленности антенны накачки в воздушной среде на разных частотах накачки. Даются рекомендации по использованию параметрической антенны для передачи речи в воздушной среде.

Заграй Н.П., Вишневецкий В.Ю. «Нелинейный анализ и синтез слоистых сред в экологическом мониторинге» Известия Южного федерального университета. Технические науки, № 6, с. 27-42 (2018)

Рассматривается нелинейный анализ и синтез слоистых сред. Указывается общность и отличия анализа и синтеза в описании нелинейных процессов в акустике, обусловленных физической нелинейностью слоистой среды. Получены в аналитическом виде общие выражения для давлений волн комбинационных частот при нелинейном взаимодействии в слоистой среде. Предложена модель, на основе которой получены выражения, позволяющие оценить вклады в параметры поля параметрической акустической антенны при изменении среды взаимодействия. Модель рассматривает экологические системы, состоящие из различного числа дискретных слоев с постоянными параметрами. Разработанная модель представляет собой дискретную аддитивную сумму вкладов всех слоев, из которых состоит рассматриваемая система. Рассмотрение и анализ проводится по выражениям поперечных и продольных апертурных множителей в каждом отдельном слое. Получена картина изменения угловой зависимости амплитуды продольного апертурного множителя акустической параметрической антенны при перемещении границы раздела сред в области нелинейного взаимодействия тонкого слоя второй (промежуточной) среды постоянной длины на примере слоистой системы "вода–глицерин–вода". Из этой угловой зависимости представлены амплитуды и фазы продольного апертурного множителя акустической параметрической антенны для рассмотренной трехслойной системы при перемещении границы раздела сред в области нелинейного взаимодействия. Они показывают существенные изменения этих характеристик при изменении геометрических параметров контактирующих систем. Для трехслойной системы подучена динамика формирования характеристики направленности с увеличением длины третьего слоя. Предложенная модель данного рассмотрения позволяет включить в рассмотрение анализ различных слоистых структур экологических сред с помощью нелинейного взаимодействия акустических волн. При известном количестве слоев и их протяженностей становится возможным определение соотношений акустических импедансов контактирующих сред. Представлены численные результаты для различных слоистых систем. Подобное рассмотрение реальное ситуации возможно и в случаях контактирующих сред в случае размытых слоев. Таким образом, при анализе и синтезе слоистых сред в экологическом мониторинге появляется возможность построения и реализации метода дистанционного определения параметров контактирующих сред, основывающийся на аналитической обработке результатов измерений.

Пивнев П.П. «Особенности применения широкополосных гидроакустических систем для мониторинга мелководных районов» Известия Южного федерального университета. Технические науки, № 6, с. 42-51 (2018)

Одним из направлений океанических исследований является повышение эффективности средств освоения океана. Современные методы гидроакустики, могут быть более эффективными при построении аппаратуры на принципах использования сложных широкополосных сигналов. В статье приведен анализ принципов построения широкополосных гидроакустических систем мониторинга и поиска объектов в толще воды и дна. Перечислены основные виды широкополосных сигналов. Заострено внимание на излучающих широкополосных антеннах. В работе сделан акцент на рассмотрении двух ключевых групп гидроакустических локаторов: параметрических широкополосных гидролокаторах и широкополосных гидролокаторах бокового обзора (ШП ГБО). Представлены преимущества параметрических широкополосных гидролокаторов и перечислены наиболее перспективные параметрические широкополосные системы, такие как: малогабаритные параметрические профилографы, параметрические сейсмопрофилографы, параметрические гидролокаторы бокового обзора (многолучевые параметрические профилографы), параметрические гидролокаторы траверзного обзора. Приведены некоторые основные энергетические характеристики параметрических антенн. Представлен один из способов увеличения скорости обзора пространства – способ частотного окрашивания среды. Обсуждаются особенности мониторинга мелководных районов с учетом дисперсии широкополосных сигналов. Рассмотрен случай построения широкополосных гидроакустических антенн гидролокаторов бокового обзора, состоящих из разночастотных преобразователей, механически связанных по полю. Приведены диаграммы направленности макета антенны широкополосного гидролокатора бокового обзора на частотах 77; 100; 127 и 155 кГц. Представлены особенности построения карт глубин с применением интерферометрических гидролокаторов бокового обзора. Приведены перспективы создания единой системы (базы данных) экологического наблюдения, в которую будут вноситься данные от широкополосных обзорно-поисковых систем для дальнейшей обработки и анализа.

Кириченко И.А. «Влияние выхода из строя элементов антенны накачки параметрического профилографа на коэффициент осевой концентрации» Известия Южного федерального университета. Технические науки, № 6, с. 52-60 (2018)

Рассмотрена задача по оценке влияния выхода из строя элементов антенны накачки параметрического профилографа на коэффициент осевой концентрации. Известно, что гидроакустические методы исследования морского дна в условиях прибрежного океана представляют сложную задачу, для решения которой применяют различные подходы к построению систем, основанные на моно-, би- или мультистатической конфигурации гидролокатора, использовании многочастотных и широкополосных акустических систем. Перспективным инструментом для решения задач, связанных с исследованием донных структур прибрежного океана, являются параметрические гидроакустические профилографы, которые в диапазоне значений волны разностной частоты 1–10 кГц обладают преимуществом проникновения в донные структуры. Расширение функциональных возможностей параметрических профилографов возможно за счет использования синтезированных апертур гидроакустических антенн. Для параметрической гидроакустической системы со сканированием пространства наиболее перспективной является двумерная антенная решетка, которая излучает две акустические волны на частотах накачки. В результате нелинейного взаимодействия акустических волн с частотами накачки в водной среде формируется волна разностной частоты. В качестве модели антенны накачки параметрического профилографа рассмотрена синтезированная апертура, выполненная в виде двух вложенных решеток, состоящих из 256 ячеек с элементами, расположенными в шахматном порядке. В качестве оценки изменения направленных свойств антенны накачки используется и коэффициент осевой концентрации, характеризующий абсолютное значение интенсивности излучения. Рассмотрены случаи выхода из строя 8, 16, 32, 64 и 128 элементов антенны. Полученные для рассматриваемой модели антенны накачки параметрического профилографа зависимости коэффициента осевой концентрации от угла компенсации при сканировании в одной и двух плоскостях показали, что при уменьшении числа работающих элементов антенны уменьшается излучаемая мощность пропорционально числу вышедших из строя элементов, растет уровень боковых лепестков и искажается боковое поле, что приводит к уменьшению коэффициента осевой концентрации при увеличении числа вышедших из строя элементов антенной решетки.

Вишневецкий В.Ю., Колесник Д.А., Старченко И.Б. «Система передачи данных по гидроакустическому каналу с использованием принципов нелинейной акустики» Известия Южного федерального университета. Технические науки, № 6, с. 60-67 (2018)

Рассматриваются вопросы обеспечения подводной акустической связи с использованием параметрических антенн. Высокоскоростная передача данных с использованием гидроакустических средств является актуальной проблемой, поскольку является единственным видом связи для подводных применений. Данная задача решалась ранее, первые станции появились в период второй мировой войны. Однако увеличение объемов информации и современные технические возможности позволяют по-новому взглянуть на эту задачу. Разработка современной системы звукоподводной связи складывается из нескольких отдельных пунктов: разработка гидроакустических средств, способных обеспечить требуемую широкополосность для передачи звуковой и видео информации; разработка цифровых электронных средств и программного обеспечения для обеспечения скорости, безопасности и минимизации ошибок. Рассматривается первая задача, а именно вопросы проектирования гидроакустической излучающей антенны. Проблему широкополосности предлагается решить с помощью параметрических акустических антенн, работающих на физических эффектах нелинейного взаимодействия упругих волн в водной среде. Показано, что такие антенны не только лишены недостатков традиционных акустических излучателей, но и имеют ряд преимуществ, а именно, малые габариты, равномерность амплитудно-частотной характеристики, избирательность излучения и широкополосность. Выполнены расчеты с использованием базового уравнения гидролокации, модифицированного для систем звукоподводной связи при различных значениях коэффициента распознавания: для обеспечения минимального и максимального качества связи. Расчеты показали, что, несмотря на основной недостаток параметрических антенн – низкий коэффициент полезного действия – система может обеспечить дальности действия, необходимые для решения поставленных задач. Рассмотрена работа системы в двух режимах: низкочастотном 0,5–2 кГц и высокочастотном 20–30 кГц. При этом дальности действия составили от 0,8 до 1,8 км в низкочастотном режиме и от 6 до 10,5 км в высокочастотном режиме. Предложена сема реализации звукоподводной связи с применением параметрической антенны. В заключении сделан вывод о достоинствах такого рода антенн и возможности построения системы односторонней связи с одиночным водолазом или группой в пределах мелководной и небольшой акватории (до 10 м в глубину и до 1 км по дистанции).

Анищенко А.Е., Солдатов Г.В., Лотарев А.В., Вареникова А.Ю. «Способ формирования фазоманипулированных сигналов гидроакустической параметрической антенной» Известия Южного федерального университета. Технические науки, № 6, с. 67-75 (2018)

В развитии морской инфраструктуры существует необходимость передачи информации через водную среду на десятки и сотни тысяч метров. Цель данного исследования – разработка нового принципа фазовой манипуляции для звукоподводной связи с использованием параметрической антенны. Показана принципиальная возможность использования разностной частоты параметрической гидроакустической антенны для формирования сигналов с фазовой манипуляцией. Рассмотрены два способа формирования фазовой манипуляции – при помощи изменения фазы частот накачки и с помощью кратковременного изменения частоты на участке разностной волны. Использование существующего способа фазовой манипуляции через изменение фаз сигналов накачки приводит к неконтролируемым переходным процессам в сигнале разностной частоты. Использование второго способа фазовой манипуляции сигнала разностной частоты через кратковременное изменение частот накачки и соответственно появление измененного участка сигнала разностной частоты, сдвигающего фазу основного сигнала в сторону уменьшения или в сторону увеличения позволяет управлять переходным процессом уменьшая количество амплитудных выбросов. Проведены экспериментальные исследования как в гидроакустическом бассейне, так и в море с учетом наличия природных гидрологических условий подтвердившие теоретические положения. Расчеты показали, что использование укороченной измененной части сигнала разностной частоты параметрической антенны приводит к необходимости чрезмерного увеличения частоты накачки (сотни кГц) что может превышать ширину полосы пропускания параметрической антенны. Использование увеличенного участка позволяет увеличивать частоту незначительно (на десятки или даже единицы кГц), что дает практически неограниченные возможности для выбора угла манипуляции.

Солдатов Г.В., Нерук В.Ю., Лагута М.В. «Способ расширения диаграммы направленности параметрической антенны» Известия Южного федерального университета. Технические науки, № 6, с. 75-84 (2018)

Целью настоящей работы является демонстрация возможности расширения диаграммы направленности гидроакустической параметрической антенны с помощью внутриимпульсного сканирования акустическим лучом. Опыт разработки и испытаний параметрических антенн показал, что наиболее эффективной генерации волн разностной частоты удается добиться при излучении узконаправленных пучков шириной несколько градусов на максимальной мощности антенны накачки. Дальнейшее увеличение ширины диаграммы направленности при тех же рабочих частотах приводит к падению уровня сигналов накачки и уменьшению длины зоны нелинейного взаимодействия, а значит и к существенному снижению уровня сигнала разностной частоты. Расширить диаграмму направленности, сохранив при этом размер излучающей поверхности антенны и уровень излучаемого сигнала, можно с помощью внутриимпульсного сканирования. Внутриимпульсное сканирование осуществлялось путем последовательного излучения коротких импульсом с поворотом диаграммы направленности антенны в плоскости сканирования. Для проведения экспериментальных исследований была разработана гидроакустическая параметрическая излучающая система, состоящая из многоканальной антенны накачки и модулей генераторов-усилителей мощности. Экспериментальные исследования были проведены на уникальной научной установке «Имитационно-натурный гидроакустический комплекс» ЮФУ. Были проведены измерения диаграмм направленности параметрической антенны на разностной частоте. С помощью предлагаемого метода удалось увеличить ширину главного максимума параметрической антенны примерно в 2 раза. В работе показано изменение огибающей излучаемого сигнала в зависимости от направления излучения. Экспериментальные исследования показали принципиальную возможность расширения диаграммы направленности параметрической антенны с помощью внутриимпульсного сканирования акустическим лучом при неизменных размерах излучаемой поверхности антенны накачки.

Миргородская Ю.В., Бернавская М.В., Стаценко Л.Г., Чусов А.А., Черкасова Н.А. «Объектный анализ акустического поля, создаваемого различными источниками звука в произвольном помещении» Известия Южного федерального университета. Технические науки, № 6, с. 85-94 (2018)

Предложен инструмент для анализа акустического поля, создаваемого различными источниками звука в произвольном помещении. Данный инструмент базируется на авторском алгоритме реализации и объектной модели, заданной объектами, классами и их связями в соответствии со спецификацией UML2.5, и может использоваться для создания автоматизированных систем моделирования акустических характеристик помещений. Используемая модель рассматривалась в предыдущих работах авторов, в данной – приводится новый алгоритм реализации. Он поддерживает метод параллельно-распределенного моделирования, важнейшим свойством которого является распараллеливание отдельных задач для выполнения на разных вычислителях и, как следствие, повышение производительности и точности вычислений. Данный алгоритм положен в основу экспериментального образца программной среды CAMaaS (Computer-Aided Modelling as a Service), разрабатываемой в рамках Федеральной целевой программы «Исследование и разработка высокопараллельных программно-алгоритмических средств и методов моделирования и их реализации для высокопроизводительных программно-аппаратных платформ». Образец основывается на высокопроизводительной программно-аппаратной системе, аппаратная часть которой представлена в виде распределенной четырехкластерной платформы с симметричной мультипроцессорностью и многоядерностью, а также с вычислителями CUDA. Для апробации инструмента были проведены численные расчеты и натурные измерения акустических характеристик помещения. Измерения проводились сертифицированным оборудованием в соответствии с требованиями ГОСТ Р ИСО 3382-1-2013. В качестве объекта исследований был выбран конференц-зал Дальневосточного федерального университета. Результаты эксперимента показали, что отклонения от оптимального времени реверберации составляют 14,3–26,5% в разных точках исследуемого конференц-зала, что не соответствует принятым стандартам и приводит к ухудшению разборчивости речи. Установлено, что экспериментальный образец имеет экспоненциальную зависимость потребляемых ресурсов от глубины учитываемых вторичных источников, что может позволить применить представленную объектную модель для реализации программных средств моделирования физических полей любой сложности.