Experimental and numerical investigation of sound emission and scattering of shells in water

Capa

Citar

Texto integral

Acesso aberto Acesso aberto
Acesso é fechado Acesso está concedido
Acesso é fechado Acesso é pago ou somente para assinantes

Resumo

Methods for studying the characteristics of sound waves emitted and scattered by shells in an aqueous medium in a low frequency range are presented. The results of comparing these characteristics obtained by numerical modeling and measurements in an open water area are shown. The experimental study was carried out using the original methodology, and the calculations were carried out using the author's software. The results obtained allow us to better understand the mechanism of sound emission and scattering in water and optimize the design of shells for various applications.

Texto integral

Acesso é fechado

Sobre autores

A. Ivanenkov

Federal Research Center “Institute of Applied Physics of the Russian Academy of Sciences named after A.V. Gaponov-Grekhov”

Email: mikesalin@ipfran.ru
Rússia, Uljanov st. 46, Nizhny Novgorod, 603950

N. Kutuzov

Federal Research Center “Institute of Applied Physics of the Russian Academy of Sciences named after A.V. Gaponov-Grekhov”

Email: mikesalin@ipfran.ru
Rússia, Uljanov st. 46, Nizhny Novgorod, 603950

O. Potapov

Federal Research Center “Institute of Applied Physics of the Russian Academy of Sciences named after A.V. Gaponov-Grekhov”

Email: mikesalin@ipfran.ru
Rússia, Uljanov st. 46, Nizhny Novgorod, 603950

A. Rodionov

Federal Research Center “Institute of Applied Physics of the Russian Academy of Sciences named after A.V. Gaponov-Grekhov”

Email: mikesalin@ipfran.ru
Rússia, Uljanov st. 46, Nizhny Novgorod, 603950

M. Salin

Federal Research Center “Institute of Applied Physics of the Russian Academy of Sciences named after A.V. Gaponov-Grekhov”

Autor responsável pela correspondência
Email: mikesalin@ipfran.ru
Rússia, Uljanov st. 46, Nizhny Novgorod, 603950

I. Usacheva

Federal Research Center “Institute of Applied Physics of the Russian Academy of Sciences named after A.V. Gaponov-Grekhov”

Email: mikesalin@ipfran.ru
Rússia, Uljanov st. 46, Nizhny Novgorod, 603950

Bibliografia

  1. Crighton D.G. The 1988 Rayleigh medal lecture: fluid loading — the interaction between sound and vibration // J. Sound Vibr. 1989. V. 133. No l. P. 1–27.
  2. Шендеров Е.Л. Анализ методов расчета звуковых полей, рассеянных цилиндрическими оболочками // Научно-технический сборник “Гидроакустика”. 2002. Т. 3. С. 49–80.
  3. Waterman P.C. T-matrix methods in acoustic scattering // J. Acoust. Soc. Am. 2009. V. 125. P. 42–51.
  4. Ионов А.В., Майоров В.С. Гидролокационные характеристики подводных объектов. Санкт-Петербург: ЦНИИ им. А.Н. Крылова, 2011. 325 с.
  5. Yang Zhang, Qiang Gui, Yuzheng Yang, Wei Li. A Study of Combined Graphical Acoustic Computing and the Depth Peeling Technique on Acoustic Backscattering of Multiple-Layered Structures // J. Marine Science and Engineering, 2023. V. 11. Art. No 1801. https://doi.org/10.3390/jmse11091801
  6. Wilkes D., Duncan A., and Marburg S. A parallel and broadband Helmholtz FMBEM model for large-scale target strength modeling // J. Theoretical and Computational Acoustics. 2020. V. 28. № 3. 2050001.
  7. Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация: Пер. с англ. М.: Мир, 1986. 318 с. (Ориг. Zienkiewicz O.C., Morgan K. Finite elements and approximation. A Wiley-Interscience Publicaton, John Wiley & Sons, New York, 1983.)
  8. Hutton D.V. Fundamentals of Finite Element Analysis. New York: McGraw-Hill Compa-nies, 2004. 505 p.
  9. Suvorov A., Korotin P., Sokov E. Finite Element Method for Simulating Noise Emisson Generated by Inhogeneties of Bodies Moving in a Turbulent Fluid Flow // Acoust. Phys. 2018. V. 64. № 6. P. 778–788.
  10. Скобельцын С.А., Пешков Н.Ю. Рассеяние звука неоднородным упругим эллиптическим цилиндром в акустическом полупространстве // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2018. № 7. С. 183–200.
  11. Salin M.B., Smirnov S.A., Suvorov A.S., Usacheva I.A., V’yushkina I.A. Integral Absorbing Boundary Conditions Optimized for Modelling of Acoustic Radiation of Elongated Bodies // J. Applied Mathematics. V. 2022. Art. ID 9524376. 10 p. https://doi.org/10.1155/2022/9524376
  12. Коняев Д.А., Делицын А.Л. Метод конечных элементов с учетом парциальных условий излучения для задачи дифракции на рассеивателях сложной структуры // Математическое моделирование. 2014. Т. 26. № 8. С. 48–64.
  13. Коротин П.И., Лебедев А.В. Излучение звука неоднородными механическими системами // Виброакустические поля сложных объектов и их диагностика. Сб. науч. тр. ИПФ АН СССР. Горький, 1989. С. 8–34.
  14. Суворов А.С., Артельный В.В., Артельный П.В., Вьюшкина И.А., Коротин П.И., Шлемов Ю.Ф. Верификация численной модели в задаче исследования характеристик направленности звукового излучения неоднородных оболочек // Акуст. журн. 2018. Т. 64. № 2. С. 266–272.
  15. Годзиашвили Г.Ю. Определение полей отражений по измерениям в ближней зоне // Труды X всероссийской конференции “Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики”. Спб.: Наука, 2010. С. 386–389.
  16. Homm A., Ehrlich J., Peine H., Wiesner H. Experimental and Numerical Investigation of a Complex Submerged Structure. Part II: Sound Radiation // Acta Acustica united with Acustica. 2003. V. 89. P. 71–77.
  17. Бармак А.С., Коротин П.И., Слижов А.Б., Турчин В.И., Чащин А.С. Комплекс измерения параметров гидроакустического поля СИ ГАП “Нева ИПФ” // Морская радиоэлектроника. 2011. Т. 35. № 1. С. 20–24.
  18. Зверев В.А. Обращение волнового фронта для снижения влияния многолучевости на результат активной локации // Акуст. журн. 2003. Т. 49. № 6. С. 814–819.
  19. Салин М.Б., Соков Е.М., Суворов А.С. Расчет бистатической силы цели сложных многорезонансных оболочек методом конечных элементов // Акуст. журн. 2011. Т. 57. № 5. С. 709–716.
  20. Li W., Chai Y., Zhang Q., Ji R. Vibration and radiation from underwater structure in shallow water // Proc. of OCEANS 2016. Shanghai, 2016, Apr 10. P. 1–5.
  21. Suvorov A.S., Sevriukov O.F., Zaitseva S.G. etc. Highperformance CATEC software for computational acoustics // J. Applied Mathematics and Physics. 2023. V. 11. P. 2515-2522. https://doi.org/10.4236/jamp.2023.118162
  22. Севрюков O., Соков E., Суворов A. и др. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2022663702 “САТЕС ДК”, 2022.
  23. Van Trees H.L. Detection, Estimation, and Modulation Theory. Part IV. Optimum Array Processing. New York, Wiley, 2002.
  24. Турчин В.И. Введение в современную теорию оценки параметров сигналов. Нижний Новгород: ИПФ РАН, 2005. 116 с.
  25. Урик Р.Дж. Основы гидроакустики. Л.: Судостроение, 1978.
  26. Zhang Ting, Yang T.C. and Xu Wen. Channel distortion on target scattering amplitude in shallow water // J. Acoust. Soc. Am. 2019. V. 146. № 6. EL470-EL476.
  27. Krim H., Viberg M. Two decades of array signal processing research: the parametric approach // IEEE Signal Processing Magazine. 1996. V. 13. № 4. P. 67–94.
  28. Зверев В.А., Коротин П.И., Матвеев А.Л., Митюгов В.В., Орлов Д.А., Салин Б.М., Турчин В.И. Экспериментальные исследования дифракции звука на движущихся неоднородностях в мелководных условиях // Акуст. журн. 2001. Т. 47. № 2. С. 227–237.
  29. Салин Б.М., Коморская О.Н., Салин М.Б. Ближнепольное измерение характеристик рассеяния движущегося объекта, основанное на доплеровской фильтрации сигнала // Акуст. журн. 2010. Т. 56. № 6. С. 802–812.
  30. Суворов А.С., Соков Е.М., Артельный П.В. Численное моделирование излучения звука с использованием акустических контактных элементов // Акуст. журн. 2014. Т. 60. № 6. С. 663–672.
  31. Салин М.Б., Соков Е.М., Суворов А.С. Численный метод исследования акустических характеристик сложных упругих систем на основе суперэлементов и аналитических граничных условий // Научно-технический сборник “Гидроакустика”, 2011. Вып. 14. № 2. С. 36–56.

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares
Ação
1. JATS XML
Baixar
2. Fig. 1. Experimental scheme; (a) — in the vertical plane, (b) — top view and (c) — position of the internal emitter in the model body

Baixar (845KB)
Metadados
3. Fig. 2. Result of vertical AP phasing as a function of time. Rotator is off. The result is shown for a tone at 1 kHz.

Baixar (1MB)
Metadados
4. Fig. 3. An example of the uncertainty function F(θ1) in expression (6), constructed depending on the sine of the angular coordinates of the direct (sin(θ1,1)) and reflected (sin(θ2,1)) signals. The marker indicates the maximum value

Baixar (1MB)
Metadados
5. Fig. 4. Directional patterns of the measured source at different frequencies, obtained using incoherent averaging of power by elements (black), phasing (blue) and the method of adaptation to the reflected signal.

Baixar (1MB)
Metadados
6. Fig. 5. Dependence of the direction-finding relief on the rotation angle of the model object for two processing methods: (a) — Bartlett and (b) — MUSIC. The frame shows the reflection region from the model

Baixar (1MB)
Metadados
7. Fig. 6. (a) — Dependence of the signal from a single hydrophone on the time (relative delay) and the rotation angle of the model object; (b) — dependence of the adaptively focused signal on the time (relative delay) and the rotation angle of the model after synchronization; the pulse boundaries for the reflection model from shiny points on the edge of the model are also shown; (c) — the red and blue lines show the dependence of the target strength in dB on the rotation angle for two independent measurements (the scale is arbitrary), the black line is the background level (the response obtained by focusing on a point without sound sources).

Baixar (2MB)
Metadados
8. Fig. 7. Visualization of the numerical model: (a) — general view of the grid model; (b) — the same in another projection, green shows the nodes in which the boundary conditions are specified; (c) — calculation scheme for the analysis of the scattered hydroacoustic field: on the left — monopole sources, on the right — plane wave sources

Baixar (1MB)
Metadados
9. Fig. 8. Distribution of the external acoustic field: (a) — radiated and (b) — scattered by the object by frequencies (along the X axis) and scattering angles (along the Y axis). The color shows the modulus of the complex pressure amplitude in dB

Baixar (4MB)
Metadados
10. Fig. 9. Calculated (blue curves) and measured (red curves) RP of the radiated hydroacoustic field of the model under consideration. The results are presented for radiation frequencies of (a) — 0.5, (b) — 1 and (c) — 1.5 kHz.

Baixar (1MB)
Metadados
11. Fig. 10. Calculated (blue and black curves) and measured (red curves) RP of the scattered hydroacoustic field of the model under consideration. Results for radiation frequencies (a) — 3, (b) — 3.75 and (c) — 4.5 kHz.

Baixar (1MB)
Metadados

Declaração de direitos autorais © The Russian Academy of Sciences, 2025