Для интенсивности низкочастотного звукового сигнала, распространяющегося в волноводе мелкого моря с шероховатой донной границей, на основе локально модового подхода выполнено сравнение результатов описания в рамках адиабатической теории и метода однонаправленного распространения (ОР). Исследование проведено для условий распространения звука, соответствующих шельфовым зонам российских арктических морей, а также Японского моря в зимний период. Сравнение выполнено для шероховатой донной границы с разными масштабами случайных нерегулярностей и разными отражательными способностями. Представлена количественная оценка того, какие ошибки влияния батиметрии, нерегулярной вдоль трассы распространения, на интенсивность звука следует ожидать в рамках адиабатического приближения. В частности показано, что ошибки адиабатического описания растут с уменьшением характерного масштаба флуктуаций шероховатостей. Как следствие при относительно небольших масштабах нерегулярностей адиабатическое приближение приводит к той или иной степени искажения картины интенсивности распространяющегося в волноводе сигнала. Кроме того, в случае многомодовых волноводов с выраженной интерференцией мод наблюдаются значительные расхождения между результатами адиабатического описания и метода ОР на локальных участках дистанции, где формируются минимумы осцилляций интенсивности.
Идентификаторы и классификаторы
- SCI
- Электротехника
В настоящей работе рассмотрен один из аспектов классической проблемы рассеяния волн на шероховатой поверхности [1–3], который касается приближенных методов анализа влияния шероховатой поверхности границы раздела вода – жидкие донные осадки на потери интенсивности низкочастотного звукового сигнала при распространении в нерегулярном волноводе мелкого моря [4].
Список литературы
1. Басс Ф.Г., Фукс И.М. Рассеяние волн на статистически неровной поверхности. М.: Наука, 1972. 424 с.
2. Ogilvy J.A. Wave scattering from rough surface // Rep. Prog. Phys. 1987. Vol. 50. P. 1553-1608.
3. Darmon M., Dorval V., Baque F. Acoustic scattering models from rough surfaces: a brief review and recent advances // Appl. Sci. 2020. Vol. 10 (22), 8305. URL:. DOI: 10.3390/app10228305
4. Katsnelson B., Petnikov V., Lynch J. Fundamentals of Shallow Water Acoustics. Springer: New York, USA, 2012. 540 p.
5. Pierce A.D. Extension of the method of normal modes to sound propagation in an almost-stratified medium // Journ. Acoust. Soc. Am. 1965. Vol. 37, No. 1. P. 19-27.
6. Бреховских Л.М., Лысанов Ю.П. Теоретические основы акустики океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1982. 264 с.
7. Jensen F.B., Kuperman W.A., Porter M.B., Schmidt H.Computational Ocean Acoustics. Springer: New York, USA; Dordrecht; The Netherlands; Heildelberg, Germany; London, UK, 2011. 794 p.
8. Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. М.: Наука, 1973. 340 с.
9. Petrov P.S., Prants S.V., Petrova T.N. Analytical Lie-algebraic solution of a 3D sound propagation problem in the ocean // Physics Letters A. 2017. Vol. 381. P. 1921-1925. DOI: 10.1016/j.physleta.2017.04.011
10. Lunkov A., Sidorov D., Petnikov V. Horizontal refraction of acoustic waves in shallow-water waveguides due to an inhomogeneous bottom structure // J. Mar. Sci. Eng. 2021. Vol. 9(11):1269. DOI: 10.3390/jmse9111269
11. Petnikov V.G., Grigorev V.A., Lunkov A.A., Sidorov D.D. Modeling underwater sound propagation in an Arctic shelf region with an inhomogeneous bottom // J. Acoust. Soc. Am. 2022. Vol. 151, No. 4. P. 2297-2309. DOI: 10.1121/10.0010047
12. Сидоров Д.Д., Петников В.Г., Луньков А.А. Широкополосное звуковое поле в мелководном волноводе с неоднородным дном // Акуст. журн. 2023. Т. 69, № 5. С. 608-619. DOI: 10.31857/S0320791923600221
13. Тыщенко А.Г., Козицкий С.Б., Казак М.С., Петров П.С. Современные методы расчета акустических полей в океане, основанные на их представлении в виде суперпозиции мод // Акуст. журн. 2023. Т. 69, № 5. С. 620-636. DOI: 10.31857/S0320791923600373
14. Луньков А.А., Григорьев В.А., Петников В.Г. Акустические характеристики морского дна и их влияние на дальнее распространение звука на арктическом шельфе // УФН. 2024. Т. 194, № 2. С. 184-207. DOI: 10.3367/UFNr.2023.10.039600
15. Гулин О.Э. Об уравнениях первого порядка для исследования акустических полей океана с существенными горизонтальными неоднородностями // Докл. АН. 2005. Т. 400, № 4. С. 542-545.
16. Гулин О.Э. К расчетам низкочастотных акустических полей в нерегулярных волноводах при наличии сильного обратного рассеяния // Акуст. журн. 2008. Т. 54, № 4. С. 575-586. DOI: 10.1134/S106377100804009X
17. Гулин О.Э. Моделирование распространения низкочастотного звука в нерегулярном мелководном волноводе с жидким дном // Акуст. журн. 2010. Т. 56, № 5. С. 642-650. DOI: 10.1134/S1063771010050143
18. Gulin O.E. The contribution of a lateral wave in simulating low-frequency sound fields in an irregular waveguide with a liquid bottom // Acoust. Phys. 2010. Vol. 56, No. 5. P. 613-622. DOI: 10.1134/S1063771010050027
19. Gulin O.E., Yaroshchuk I.O. Simulation of underwater acoustical field fluctuations in range-dependent random environment of shallow sea // J.Comp. Acoust. 2014. Vol. 22, No. 1. P. 1440006. DOI: 10.1142/S0218396X14400062
20. Gulin O.E., Yaroshchuk I.O. Simulation of underwater acoustical field fluctuations in shallow sea with random inhomogeneities of sound speed: depth-dependent environment // J.Comp. Acoust. 2014. Vol. 22, No. 1. P. 1440002. DOI: 10.1142/S0218396X14400025
21. Zhu F., Gulin O.E., Yaroshchuk I.O. Statistical patterns of transmission losses of low-frequency sound in shallow sea waveguides with Gaussian and non-Gaussian fluctuations // Appl. Sci. 2019. Vol. 9, No. 9. P. 1841. DOI: 10.3390/app9091841
22. Бреховских Л.М., Годин О.А. Звуковые поля в слоистых и трехмерно-неоднородных средах // Акустика неоднородных сред. Т. 2. М.: Наука, 2009. 426 с.
23. Гулин О.Э., Ярощук И.О., Коротченко Р.А. О средней интенсивности поля и отдельных мод низкочастотного звукового сигнала в мелководном волноводе со статистически неровной донной границей // Акуст. журн. 2024. Т. 70, № 4. С. 517-535. DOI: 10.31857/S0320791924040077
24. Zhu F., Gulin O.E., Yaroshchuk I.O. Average intensity of low-frequency sound and its fluctuations in a shallow sea with a range-dependent random impedance of the liquid bottom // Appl. Sci. 2021. Vol. 11, No. 23. P. 11575. DOI: 10.3390/app112311575 EDN: FRIXNQ
25. Gulin O.E., Yaroshchuk I.O. On average losses of low-frequency sound in a two-dimensional shallow-water random waveguide // J. Mar. Sci. Eng. 2022. Vol. 10, No. 6. P. 822. DOI: 10.3390/jmse10060822 EDN: ZCBAUS
26. Гантмахер Ф.Р. Теория матриц. М.: Физматлит, 1988. 560 с.
27. Collins M.D., Westwood E.K. A higher-order energy-conserving parabolic equation for range-dependent ocean depth, sound speed, and density // J. Acoust. Soc. Am. 1991. Vol. 89, No. 3. P. 1068-1075.
28. Tang X., Tappert F.D., Creamer D.B. Simulations of large acoustic scintillations in the Straits of Florida // J. Acoust. Soc. Am. 2006. Vol. 120, No. 6. P. 3539-3552. DOI: 10.1121/1.2372446
29. Яшин Д.С., Ким Б.И. Геохимические признаки нефтегазоносности Восточно-Арктического шельфа России // Геология нефти и газа. 2007. Т. 4. С. 25-29. EDN: JWIBYF
30. Григорьев В.А., Петников В.Г., Росляков А.Г., Терехина Я.Е. Распространение звука в мелком море с неоднородным газонасыщенным дном // Акуст. журн. 2018. Т. 64, № 3. С. 342-358. DOI: 10.7868/S032079191803005X
31. Григорьев В.А., Петников В.Г. О возможности представления акустического поля в мелком море в виде суммы нормальных мод и квазимод // Акуст. журн. 2016. Т. 62, № 6. С. 681-698. DOI: 10.7868/S0320791916050038
32. Гулин О.Э., Ярощук И.О. Особенности ослабления низкочастотного звука при распространении в 2D-волноводе арктического типа со случайной батиметрией // Подводные исследования и робототехника. 2023. № 2 (44). С. 67-74. DOI: 10.37102/1992-4429_2023_44_02_06
Выпуск
Другие статьи выпуска
В статье рассматривается вариант системы звукоподводной связи с использованием фазоманипулированных сигналов в виде 13-позиционной последовательности Баркера. Система разработана в отделе технических средств исследования океана ТОИ ДВО РАН. Обсуждаются результаты модельного эксперимента по совместному применению сигналов на основе последовательностей Баркера с разными несущими частотами. Предложен метод разделения этих сигналов для обеспечения надежной передачи команд управления на подводные аппараты (подводные объекты).
При решении граничных задач для открытых систем типа слоистых волноводов, нагруженных на полупространство, физически и математически корректной оказывается несамосопряжённая модельная постановка, учитывающая энергообмен между волноводом и полупространством. В этой модельной постановке решение граничной задачи, обладающее свойством полноты, описывается собственными функциями двух сопряжённых операторов, какими являются расходящиеся волны и сходящиеся волны отдачи, с возможной их взаимной трансформацией на горизонтах полного внутреннего отражения. Новые свойства обобщённого решения, построенного в несамосопряжённой модельной постановке, проявляются в наибольшей степени в инфразвуковом диапазоне частот при использовании скалярно-векторного описания звукового поля. В этом диапазоне частот мелкомасштабная вихревая составляющая вектора интенсивности становится доминирующей в суммарном звуковом поле, модулируя потенциальную составляющую вектора интенсивности, выделяемую методами первичного спектрального анализа. В настоящей работе анализируется возможность выделения модуляционной составляющей методами вторичного спектрального анализа для повышения помехоустойчивости приёмных систем на основе комбинированных приёмников.
В статье предложен новый метод формирования программных сигналов управления многозвенными манипуляторами необитаемых подводных аппаратов, обеспечивающий сохранение требуемой точности технологических манипуляционных операций, выполняемых этими аппаратами в режиме стабилизируемого зависания вблизи объектов работ. Это достигается за счет дополнительных перемещений рабочего инструмента манипулятора и изменения его ориентации на основе информации о реальных угловых и линейных смещениях аппарата относительно его исходного положения стабилизации. В то же время желаемая скорость движения инструмента по заданной траектории корректируется таким образом, чтобы манипулятор успевал скомпенсировать нежелательные смещения аппарата. Выполнено численное моделирование работы реализованного метода. При этом использовалась созданная в Matlab/Simulink модель манипулятора типа PUMA, установленного на необитаемый подводный аппарат, стабилизируемый в режиме зависания. Визуализация работы системы выполнена в среде виртуального моделирования CoppeliaSim. Результаты проведенного моделирования подтвердили работоспособность метода и показали эффективность его использования для повышения точности выполнения подводных манипуляционных операций.
В статье описывается разработанный авторами алгоритм сегментации цветных фотоизображений, полученных системой технического зрения автономного необитаемого подводного аппарата. Целью сегментации является последующее выделение (детектирование) на изображении интересующего объекта, обладающего специфичной цветовой палитрой в сравнении с другими (ложными) объектами поверхности дна. Суть разработанного алгоритма заключается в построении гистограмм распределения частоты повторения значений пикселей в цветовой модели тон‒насыщенность‒яркость (hue‒saturation‒value). Соотношение таких гистограмм детектируемого (искомого) объекта и преимущественного фона (ложных объектов) позволяет сегментировать фотоизображение и распознать на нем интересующий объект. После применения процедуры сегментации производится определение координат и направления детектируемого объекта. Для этих целей в работе используется метод линейной аппроксимации, примененный к совокупности пикселей, прошедших через разработанную процедуру фильтрации. Суть данной процедуры заключается в удалении определённого количества весов пикселей по строкам и по столбцам до тех пор, пока с изображения не будет удалена необходимая сумма весов пикселей. Естественным следствием такой процедуры является полная очистка изображения, что говорит об отсутствии искомого объекта на нем. Преимуществами разработанного алгоритма являются высокая скорость обработки фотокадров (требуется всего один проход по пикселям изображения), скорость обучения (достаточно одного цикла по всем пикселям всех изображений из обучающей выборки) и простота реализации. Приведены примеры работы алгоритма на реальных фотоизображениях, полученных фотосистемой малогабаритного подводного аппарата, предназначенного для обучения студентов и участия в спортивных мероприятиях по подводной робототехнике.
В статье рассмотрены наиболее известные проекты автономных необитаемых подводных аппаратов большого и сверхбольшого водоизмещения, разрабатываемых в иностранных военно-морских флотах. Дается описание их конструкции и известных тактико-технических характеристик. Делается вывод об опасности данного направления развития морской техники за рубежом для военно-морского флота России.
В настоящее время находят применение технологии освоения минеральных ресурсов Мирового океана с помощью роботизированных добычных систем, передвигающихся по дну. Подводные манипуляторы могут использоваться для сбора рассредоточенных по морскому дну твердых полезных ископаемых. Для эффективной работы необходимы высокоскоростные манипуляторы. В манипуляторах скорость звеньев ограничена высокими энергозатратами на преодоление сил инерции в каждом цикле движения. Цель работы – исследование динамики высокоскоростного манипулятора на базе электродвигателей колебательного движения резонансного типа. Резонансная настройка обеспечивает рекуперацию энергии, затраченной на преодоление сил инерции. В глубоководных условиях электрическая часть такого вибропривода может быть легко изолирована от внешней среды. Проведено моделирование динамики привода манипулятора, построенного на базе электродвигателей колебательного движения с поворотным якорем. При разработке математической модели привода использовались уравнения Лагранжа–Максвелла. Моделирование показало, что из-за позиционной зависимости электромагнитного вынуждающего момента рассматриваемые электродвигатели не могут обеспечить достаточно больших амплитуд колебаний. Рассмотрена возможность усиления колебаний методами динамического управления. Показано, что усиления колебаний можно достичь путем введения дополнительной степени свободы в электромеханическую систему «электродвигатель – исполнительный механизм». Предлагается связать схват манипулятора с якорем электродвигателя посредством упругого элемента, образующего вместе с массой схвата инерционный динамический гаситель колебаний якоря. За счет динамического гашения происходит перераспределение колебательной энергии от якоря к исполнительному механизму. В результате амплитуда колебаний схвата возрастает, а амплитуда колебаний якоря, наоборот, стремится к нулю. Причем можно добиться динамической стабилизации колебаний якоря в зоне с максимальными значениями позиционной зависимости вынуждающего электромагнитного момента. Численное моделирование показало, что таким способом можно в десятки раз увеличить амплитуду колебаний исполнительного механизма.
В статье предложен и обоснован конструктивный облик командного автономного необитаемого подводного аппарата (КАНПА) робототехнического комплекса гибридных автономных необитаемых подводных аппаратов (ГАНПА), оборудованных векторно-скалярными приемниками (ВСП) звука для решения задач оперативного мониторинга подводной шумовой обстановки в заданной акватории. КАНПА должен обеспечивать координированное управление движением группы ГАНПА в заданный район и обратно, расстановку аппаратов в заданные географические координаты донной поверхности для образования распределенной антенной системы ВСП, а также сбор результатов обработки сигналов шумового звукового поля по гидроакустическому каналу связи и передачу их на удаленный пост управления в реальном времени по радиоканалу. Предложена модель применения КАНПА, определен состав оборудования, обеспечивающий его целевое использование, обоснован и сформирован конструктивный облик аппарата. При этом особое внимание было уделено унификации бортовых систем комплекса КАНПА и ГАНПА. Отмечены перспективы применения такого комплекса, определяющие возможность решения задач назначения в реальном времени и повышение эффективности его использования.
Издательство
- Издательство
- ИПМТ ДВО РАН
- Регион
- Россия, Владивосток
- Почтовый адрес
- 690091, г.Владивосток, ул.Суханова, д.5а
- Юр. адрес
- 690091, г.Владивосток, ул.Суханова, д.5а
- ФИО
- Коноплин Александр Юрьевич (Руководитель)
- E-mail адрес
- imtp@marine.febras.ru
- Контактный телефон
- +7 (423) 2432416