Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,858

АНАЛИЗ ВОЛНОВЫХ ПОЛЕЙ В ЕДИНИЧНОМ ЦИЛИНДРИЧЕСКОМ ПОЛОМ ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКОМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЙ АНТЕННЫ

Болнокин В.Е. 1 Сторожев В.И. 1 Чувиков Д.А. 2 Зыонг Минь Хай 1
1 ФГУП «Научно-исследовательский и экспериментальный институт автомобильной электроники и электрооборудования»
2 ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)
Статья посвящена исследованию волновых полей в единичном цилиндрическом полом электроакустическом преобразователе гидроакустической антенны. В статье рассмотрено понятия гидроакустической антенны и элементов экранирования, а также проанализированы классы гидроакустических преобразователей и электроакустических преобразователей. Результатом исследований является теоретический алгоритм анализа волновых полей в единичных цилиндрических полых электроакустических преобразователях гидроакустических антенн с внутренними цилиндрическими экранами. Проведено исследование протяженной конструкции экранированного полого электроакустического преобразователя, а именно исследованы физические и механические свойства, а также линейные, вязкие и упругие свойства материала при деформации. В статье представлена методика расчета определенных характеристик волновых полей, которая основывается на подходе последовательного аналитического интегрирования систем. Рассмотрена перспектива использования полученных результатов.
экранирование
гидроакустическая антенна
гидроакустические преобразователи
электроакустические преобразователи
алгоритм
методика
анализ
волновые поля
1. Балабаев С.М., Ивина Н.Ф. Компьютерное моделирование и анализ излучения цилиндрических гидроакустических антенн [Текст] // Научные труды Дальневосточного государственного технического рыбохозяйственного университета. – 2012. – № 25. – С. 36–49.
2. Беляковский Н.Г. Конструктивная амортизация механизмов, приборов и аппаратуры на судах [Текст] / Н.Г. Беляковский. – Ленинград: Судостроение, 1965. – 523 с.
3. Болнокин В.Е., Сторожев В.И. Модель оптимизации системы элементов экранирования для цилиндрических гидроакустических антенн [Текст] // Системы управления и информационные технологии. – 2015. – Т. 62, № 4. – С. 61–66.
4. Глазанов В.Е. Акустические экраны для подводных преобразователей и антенн. Теория и расчет [Текст] / В.Е. Глазанов. – СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2013. – 176 с.
5. Глазанов В.Е. Экранирование гидроакустических преобразователей [Текст] / В.Е. Глазанов, А.В. Михайлов. – СПб.: Элмор, 2004. – 256 с.
6. Иванов Н.И. Инженерная акустика. Теория и практика борьбы с шумом [Текст] / Н.И. Иванов. – М.: Логос, 2008. – 426 с.
7. Кириченко И.А., Котов В.Ю., Лонкин П.В., Слуцкий Д.С. Оценка влияния конструктивных характеристик на направленность гидроакустических антенн [Текст] // Инженерный вестник Дона. – 2015. – Т. 39, № 4–2. – С. 33–49.
8. Клюкин И.И. Акустические измерения в судостроении [Текст] / И.И. Клюкин, А.Е. Колесников. – Л.: Судостроение, 1982. – 256 с.
9. Никифоров А.С. Вибропоглощение на судах [Текст] / А.С. Никифоров. – Ленинград: Судостроение, 1979. – 184 с.
10. Шендеров Е.Л. Волновые задачи гидроакустики [Текст] / Е.Л. Шендеров. – Л.: Судостроение, 1972. – 348 с.
11. Fang X.-Q. Multiple scattering of electro-elastic waves from a buried cavity in a functionally graded piezoelectric material layer. Int. J. Solids Struct. – 2008. – Vol. 45. – Р. 5716–5729.
12. Fang X.-Q., Liu J.-X., Wang X.-H. Dynamic stress from a cylindrical inclusion buried in a functionally graded piezoelectric material layer under electro-elastic waves. Compos. Sci. Technol. – 2009. – Vol. 69. – Р. 1115–1123.
13. Maekawa Z. Environmental and architectural acoustics. UK, London: E&FN spon., 1994. – Р. 37–40.
14. Storozhev V.I. Propagation of Electroelastic Waves in Multilayer Piezoelectric Cylinders with a Sector Notch. International applied mechanics. – 2013. – Vol.49. Iss. 2. – Р. 194–202.

Гидроакустическая антенна – это устройство, обеспечивающее пространственно-избирательное излучение или прием звука в водной среде при совместной работе с передающим или приемным устройством. Элементы экранирования часто применяются в гидроакустических антеннах. Сам этот элемент необходим для ослабления электрических или магнитных и электромагнитных полей, при этом элемент экранирования позволяет значительно уменьшить воздействие других электромагнитных полей на конструктивные элементы оборудования. Сами же гидроакустические антенны необходимы при получении или приеме гидроакустических сигналов, при помощи определенных гидроакустических преобразователей. Гидроакустический преобразователь является техническим устройством, у которого основное предназначение это – преобразование электрических колебаний в механические, или, наоборот. Также существует два основных класса гидроакустических преобразователей – это магнитострикционные и пьезоэлектрические. Принцип действия первых основан на эффекте магнитострикции, то есть изменении размеров, а также формы тела при его намагничивании. А принцип действия вторых основан на использовании прямого и обратного пьезоэлектрического эффекта, то есть под действием механических сил, приложенных к кристаллам некоторых веществ, на поверхностях этих кристаллов появляются электрические заряды, величина которых пропорциональна степени деформации. При изготовлении антенн гидроакустических приборов чаще всего используют такой материал, как титан бария.

Рассмотрим класс электроакустических преобразователей. Это устройства, которые преобразуют электрическую энергию в акустическую и обратно. Электроакустические преобразователи, в зависимости от класса преобразования разделяют на приемники и излучатели, например, прием звука в технике связи, для приема и измерения упругих колебаний, гидролокации и тому подобное. Чаще всего электроакустические преобразователи имеют двойное преобразование энергии – электромеханическое. В результате часть, подводимая к преобразователю электрической энергии, переходит в энергию колебаний механической системы. Также существуют электроакустические преобразователи, которые не имеют механической колебательной системы, такого вида излучатели применяются весьма редко. Когда электроакустический преобразователь является излучателем, то на его вход задается электрическое напряжение и ток, определяющее его колебательную скорость и звуковое давление, соответственно в его поле. Подобный теоретический расчет электроакустического преобразователя должен предусматривать установленные связи между его входными и выходными параметрами.

Процессы разработки и расчета элементов экранирования гидроакустических антенн описаны в работах [3–5], а поставленные задачи и их решения, связанные с проблематикой звукоизоляции представлены в работах [1–2, 6–10, 13]. Проведенные исследования по заданной проблематики анализа волновых полей в единичном цилиндрическом полом электроакустическом преобразователе гидроакустической антенны до сих пор являются перспективным направлением в науке. В данной статье рассматривается разработка численно-аналитической методики анализа волновых полей в цилиндрическом полом электроакустическом преобразователе гидроакустической антенны.

Исследование протяженной конструкции экранированного полого электроакустического преобразователя

Исследуем протяженную конструкцию экранированного полого электроакустического преобразователя, который имеет составное поперечное сечение (рисунок). Стоит отметить, что рассматриваемый экранированный полый электроакустический преобразователь отнесен к нормированным цилиндрическим координатам Orθz.

bol1.tif

Конструкция экранированного полого электроакустического преобразователя с учетом составного поперечного сечения

Физические и механические свойства, а также линейные, вязкие и упругие свойства материала при деформации, характеризуются функциями плотности bol01.wmf и соответствующими матрицами:

bol02.wmf,

bol03.wmf,

bol04.wmf.

Здесь комплексными величинами являются постоянные bol05.wmf, bol06.wmf, где bol07.wmf, bol08.wmf являются определенными углами потерь. Задача определения соответствующих характеристик полей исследуется в двумерной модели плоской динамической деформации. Стоит отметить, что исходные соотношения для внешних и внутренних экранирующих элементов включают определенные уравнения динамических упругих деформаций bol09.wmf:

bol10.wmf

bol11.wmf

При этом уравнения теории упругости [3], которые связывают напряжение и деформацию упругой среды по обобщенному закону Гука для исследуемого типа в противоположность изотропии функционально-градиентных материалов [11–12, 14], будет следующего вида:

bol12.wmf

bol13.wmf

bol14.wmf

bol15.wmf.

Далее рассмотрим уравнения двумерного упругого волнового деформирования [3]:

bol16.wmf

bol17.wmf

в которых bol18.wmf bol19.wmf t являются параметрами определенного времени. Рассмотрим обобщенные исходные комплексные представления для полей волновых упругих перемещений при учете экранирующих составляющих элементов:

bol20.wmf

bol21.wmf

Использование обобщенных исходных комплексных представлений для полей волновых упругих перемещений при учете экранирующих составляющих элементов и при учете уравнения связи динамических упругих деформаций с учетом вектора упругих волновых перемещений bol22.wmf и преобразованного уравнения обобщенного закона Гука для рассматриваемой задачи, позволит привести к следующему виду:

bol23.wmf

bol24.wmf,

bol25.wmf

Соотношения рассматриваемой модели включают [14] уравнения электростатики, записываемые с использованием векторов напряженности Eα, индукции Dα, а также потенциала Ф: bol26.wmf bol27.wmf bol28.wmf Таким образом, определяющие соотношения приобретут следующий вид:

bol29.wmf,

bol30.wmf,

bol31.wmf,

bol32.wmf,

bol33.wmf.

Здесь cij является содержащим модули упругости, eij является параметрами, характеризующими свойства пьезоэлектрика как электромеханической колебательной системы, а εij является диэлектрическими проницаемостями.

Методика расчета определенных характеристик волновых полей

Представленная методика основывается на подходе последовательного аналитического интегрирования систем. Формирование представлений для волновых полей осуществляется в следующих областях: SI, ST и SE. Системы амплитудных уравнений волнового деформирования цилиндрически ортотропных материалов, состоящих из твердых зерен карбидов, нитридов и боридов переходных металлов, образующих прочный непрерывный каркас, и металлическую связку, элементов экранирования, может записаться в следующей форме:

bol34.wmf,

где

bol35.wmf, bol36.wmf, bol37.wmf,

bol38.wmf, bol39.wmf,

bol40.wmf, bol41.wmf.

Далее проводится интегрирование в степенных рядах следующего вида

bol42.wmf.

Векторные коэффициенты этих рядов из систем рекуррентных соотношений будут

bol43.wmf

bol44.wmf bol45.wmf;

bol46.wmf

где vq является корнями следующего полиномиального уравнения:

bol47.wmf,

bol48.wmf,

bol49.wmf является соответствующими значениями vq, которые определены с точностью до произвольного постоянного множителя систем уравнений bol50.wmf

Будем считать, что bol51.wmf полагается для области внутреннего экрана SI, следовательно, полученная векторная комплексная характеристика волнового поля, которая является также амплитудной, имеет представление в виде ряда по базисному множеству частных решений с неопределенными коэффициентами:

bol52.wmf.

Таким образом, сечение внешнего незамкнутого экрана для области SE будет иметь следующую структуру:

bol53.wmf

bol54.wmf.

Для области ST, в задаваемых в сходной форме получим

bol55.wmf,

bol56.wmf,

bol57.wmf.

При этом используются ряды записываемые в векторной форме относительно bol58.wmf систем дифференциальных уравнений:

bol59.wmf,

где

bol60.wmf, bol61.wmf,

bol62.wmf, bol63.wmf.

Также учитывается, что bol64.wmf, следовательно, получаем уравнения следующего вида:

bol65.wmf

при этом векторные коэффициенты определяются из соответствующих систем рекуррентных соотношений, таких как

bol66.wmf bol67.wmf,

где vq является корнями полиномиального уравнения

bol68.wmf, bol69.wmf,

а bol70.wmf является соответствующими значениями vq, которые определены с точностью до произвольного постоянного множителя, при этом решения систем однородных алгебраических уравнений будут bol71.wmf

Таким образом, векторную комплексную амплитудную характеристику электроупругого волнового поля представим в виде ряда по базисному множеству частных решений с неопределенными коэффициентами bol72.wmf. Подчинение характеристик волновых полей осуществляется на основе приема квадратичной минимизации:

bol73.wmf

bol74.wmf

bol75.wmf

bol80.wmf

Искомые неизвестные характеристики для конкретных совокупностей определяются соответствующими уравнениями, условия которых

bol78.wmf,

bol79.wmf [3].

Рекомендуется на участках границ областей SП использовать разложения функций в ряды Якоби – Ангера, для более эффективного вычисления интегралов от характеристик падающей гидроакустической волны.

Заключение

Представленные в работе исследования является весьма актуальными. Результатом исследований является теоретический алгоритм анализа волновых полей в единичных цилиндрических полых электроакустических преобразователях гидроакустических антенн с внутренними цилиндрическими экранами. Проведено исследование протяженной конструкции экранированного полого электроакустического преобразователя, а также исследована методика расчета определенных характеристик волновых полей. Даны рекомендации использования разложения функций в ряды Якоби – Ангера.

Данные исследования уже используются в научно-исследовательских работах Технического института военно-морского флота Вьетнама, а также в опытно-конструкторских работах компаний судостроительного сектора Вьетнама. Перспектива данного исследования заключается в том, что полученные результаты в статье можно применить в исследованиях, например, методов уменьшения гидроакустической активности приборов подводных транспортных средств, а также в моделях функционирования гидроакустических экранов и покрытий для конструкций и приборов подводных транспортных средств.


Библиографическая ссылка

Болнокин В.Е., Сторожев В.И., Чувиков Д.А., Зыонг Минь Хай АНАЛИЗ ВОЛНОВЫХ ПОЛЕЙ В ЕДИНИЧНОМ ЦИЛИНДРИЧЕСКОМ ПОЛОМ ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКОМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЙ АНТЕННЫ // Современные наукоемкие технологии. – 2017. – № 5. – С. 18-23;
URL: http://top-technologies.ru/ru/article/view?id=36660 (дата обращения: 21.10.2018).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252