Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Нелинейные волновые процессы. Учебное пособие
.pdf
5.5. Задания по расчету акустического тракта нелинейных параметрических…
101
сохраняет постоянство ширины характеристики направленности в широком
диапазоне рабочих частот.
При необходимости полного (а не только по уровню 0,7, как это сделано в данном подразд. 5.4) расчета характеристики направленности нелинейной параметрической антенны (т.е. пространственного распределения
поля излучения) можно воспользоваться приведенными аналитическими соотношениями (118), (119), (120) или более подробными номограммами [38].
5.5. Задания по расчету акустического тракта
нелинейных параметрических излучателей
В подразд. 5.5 представлены варианты заданий по расчету основных
характеристик нелинейных параметрических антенн. Задания следует рассматривать как ориентировочные. По указанию преподавателя задание может быть сокращено, конкретизировано для определенной области использования параметрического излучателя и дополнено соответствующими
пунктами по конструированию или экспериментальному исследованию характеристик соответствующих моделей параметрических приборов, имеющихся на кафедре ЭГАиМТ. Для облегчения конструирования и конкретизации расчетов почти во всех заданиях приведены ссылки на приборы-аналоги (см. табл. 2).
При оформлении заданий студенты обязаны давать комментарии к
результатам расчетов, а также дополнять их подробными описаниями
назначения, области использования и кратким технико-экономическим
обоснованием использования устройства.
Задание 1. Рассчитать основные характеристики измерительного па-
раметрического акустического излучателя.
Исходные данные: диапазон рабочих (разностных) частот 0,3–50 кГц,
средняя частота исходных волн кГц, диаметр исходного преобразо-
вателя 50 мм (аналог: прибор НАП-3).
При выполнении расчетного задания необходимо:
1) определить амплитуды звуковых давлений, акустическую мощ-
ность и интенсивность исходных волн, необходимые для получения ампли-
туды звукового давления Па на расстоянии 3,5 м от исходного пре-
образователя на разностной частоте 10 кГц;
5. Задачи по расчету основных характеристик параметрической акустической…
102
2) рассчитать и построить распределение звукового давления ВРЧ
10 кГц вдоль оси излучателя для амплитуд исходных волн, найденных в п. 1;
3) рассчитать амплитуды звуковых давлении ВРЧ для ; 1,0 и
50 кГц на расстоянии
. Построить зависимость амплитуды давления
ВРЧ, приведенной к расстоянию 1 м, от величины разностной частоты (амплитудно-частотную характеристику ПИ);
4) рассчитать и построить зависимость ширины диаграммы направ-
ленности ВРЧ по уровню –3 дБ от частоты. Расчеты провести для разностных частот 0,3; 1,0; 10,0; 50 кГц.
Задание 2. Рассчитать основные характеристики измерительного па-
раметрического акустического излучателя.
Исходные данные: диапазон рабочих частот 0,3–80 кГц, средняя ча-
стота исходных волн 1 МГц, диаметр преобразователя 50 мм (аналог: прибор НАП-3).
Для расчета необходимо выполнить пп. 1–4 задания 1.
Задание 3. Рассчитать основные характеристики измерительных па-
раметрических излучателей с исходными данными задания 1 (пп. 1, 2, 3).
Провести те же расчеты для следующих диаметров исходных излучателей:
30, 40 и 50 мм. Проанализировать зависимость основных характеристик
ПИ от диаметра исходного преобразователя.
Задание 4. Рассчитать основные характеристики измерительного па-
раметрического излучателя.
Исходные данные: диапазон рабочих частот 30–500 кГц, средняя ча-
стота исходных волн МГц, диаметр преобразователя 20 мм (ана-
лог: прибор НАП-4).
При выполнении расчетного задания необходимо:
1) определить амплитуду звукового давления, акустическую мощ-
ность и интенсивность исходных волн, необходимые для получения ампли-
туды звукового давления Па, приведенного к расстоянию 1 м, на
разностной частоте 50 кГц;
2) рассчитать и построить распределение звукового давления на раз-
ностной частоте 50 кГц вдоль оси излучателя;
3) рассчитать амплитуды звуковых давлений ВРЧ в точках ;
100; 300 и 500 кГц на расстоянии
. Построить зависимость амплитуды
давления ВРЧ, приведенной к расстоянию 1 м, от разностной частоты;
5.5. Задания по расчету акустического тракта нелинейных параметрических…
103
4) рассчитать и построить зависимость ширины диаграммы направ-
ленности ВРЧ по уровню –3 дБ от разностных частот ; 100; 300 и
500 кГц.
Задание 5. Рассчитать основные характеристики параметрического
излучателя.
Исходные данные: диапазон рабочих частот 1–150 кГц, средняя ча-
стота исходных волн МГц, диаметр исходного преобразователя
мм (аналог: прибор НАИ-6).
При выполнении расчетного задания необходимо:
1) определить акустическую мощность, интенсивность и амплитуду
звукового давления исходных волн, необходимые для получения уровня
разностного давления Па, приведенного к расстоянию 1 м, на раз-
ностной частоте кГц;
2) рассчитать и построить распределение амплитуды звукового дав-
ления ВРЧ с кГц вдоль оси излучателя;
3) рассчитать и построить зависимость амплитуды звукового давле-
ния ВРЧ, приведенной к расстоянию 1 м, от разностной частоты ; 10;
50; 100 и 150 кГц;
4) рассчитать и построить зависимость ширины диаграммы направ-
ленности по уровню −3 дБ от разностных частот ; 10; 50; 100
и 150 кГц.
Задание 6. Рассчитать основные характеристики параметрического
излучателя дли повышенных гидростатических давлений.
Исходные данные: диапазон рабочих частот 10–100 кГц, средняя ча-
стота исходных волн МГц, диаметр исходного преобразователя
30 мм (аналог: прибор НАИ-6М).
При выполнении расчетного задания необходимо:
1) определить акустическую мощность, интенсивность и амплитуду
звукового давления исходных волн, необходимые для получения на
кГц уровня Па, приведенного к расстоянию 1 м;
2) рассчитать и построить амплитудно-частотную зависимость раз-
ностного сигнала для диапазона кГц;
3) рассчитать и построить распределение амплитуды звукового дав-
ления ВРЧ с кГц вдоль оси излучателя;
5. Задачи по расчету основных характеристик параметрической акустической…
104
4) рассчитать и построить зависимость ширины характеристики
направленности по уровню −3 дБ от разностных частот в диапазоне
.
Задание 7. Рассчитать основные характеристики параметрического
излучателя для натурных условий.
Исходные данные: диапазон рабочих частот 0,5–10 кГц, средняя ча-
стота исходных волн кГц, диаметр излучателя 30 см (аналог: при-
бор НАИ-7).
При выполнении расчетного задания необходимо:
1) определить максимально возможную акустическую мощность,
интенсивность и амплитуду звукового давления исходных волн;
2) рассчитать и построить амплитудно-частотную зависимость раз-
ностного сигнала для диапазона 0,5–10 кГц;
3) рассчитать и построить распределение амплитуды давления ВРЧ
с кГц вдоль оси излучателя;
4) рассчитать и построить зависимость ширины диаграммы направ-
ленности по уровню −3 дБ для диапазона 0,5–10 кГц.
Задание 8. Рассчитать основные характеристики: амплитудно-ча-
стотную, осевое распределение излучения, ширину диаграммы направленности параметрической антенны для эхолота с рабочими (разностными) ча-
стотами и 3,5 кГц, с апертурой исходного излучателя 0,225 м и с
исходной частотой 200 кГц (близкий аналог: параметрический эхолот, описанный Уолшем [38]).
Задание 9. Рассчитать основные характеристики измеритель-
ного параметрического излучателя для повышенных гидростатических
давлений.
Исходные данные: диапазон рабочих частот 1–10 кГц, средняя ча-
стота исходных волн кГц, диаметр исходного преобразователя
мм (аналог: прибор НАИ-8).
При выполнении расчетного задания необходимо:
1) определить акустическую мощность, интенсивность и амплитуду
звукового давления исходных волн, необходимые для получения уровня
5.5. Задания по расчету акустического тракта нелинейных параметрических…
105
разностного давления Па, приведенного к расстоянию 1 м, на раз-
ностной частоте 5 кГц;
2) рассчитать и построить распределение амплитуды звукового дав-
ления ВРЧ с кГц вдоль оси излучателя;
3) рассчитать и построить амплитудно-частотную зависимость раз-
ностного сигнала для диапазона кГц;
4) рассчитать и построить зависимость ширины диаграммы направ-
ленности ВРЧ по уровню −3 дБ для диапазона 1–10 кГц.
Задание 10. Рассчитать основные характеристики параметрического
излучателя.
Исходные данные: диапазон рабочих частот 0,5–10 кГц, средняя ча-
стота исходных волн кГц, ширина диаграммы направленности по
уровню −3 дБ
(близкий аналог: прибор НАИ-8).
При выполнении расчетного задания необходимо:
1) определить акустическую мощность, интенсивность и амплитуду
звукового давления исходных волн, необходимые для получения уровня
разностного давления Па, приведенного к расстоянию 1 м, на раз-
ностной частоте 5 кГц;
2) рассчитать и построить распределение амплитуды звукового дав-
ления ВРЧ с кГц вдоль оси излучателя;
3) рассчитать и построить амплитудно-частотную зависимость раз-
ностного сигнала для диапазона кГц;
4) рассчитать и построить зависимость ширины диаграммы направ-
ленности ВРЧ по уровню −3 дБ для диапазона 1–10 кГц.
Задание 11. Рассчитать основные характеристики параметриче-
ского нелинейного гидроакустического излучателя для локационных
целей.
Исходные данные: диапазон рабочих (разностных) частот 5–50 кГц,
частота исходных волн 500 кГц, ширина характеристики направленности
исходных волн 6° (близкий аналог: прибор, созданный в отделе электрорадиотехники Бирмингемского университета [38]).
Необходимо рассчитать амплитудно-частотную характеристику, осевое распределение ВРЧ и частотную зависимость ширины характеристики
направленности.
5. Задачи по расчету основных характеристик параметрической акустической…
106
Таблица 2
Технические характеристики нелинейных параметрических
приборов, созданных на кафедре Электрогидроакустической
и медицинской техники института Нанотехнологий, электроники
и приборостроения Южного федерального университета совместно
с ООО «НЕЛАКС»
Тип прибора
НАП
-3
НАП
-4
НАИ
-5
НАИ
-6
НАИ
-6М
НАИ
-7
НАИ
-8
Диапазон рабочих частот, кГц
0,3–100
30–500
2–300
1–150
10–100
0,1 – 10
1 – 10
Уровень звуко-
вого давления
частоте (кГц)
10
10
3
10
2
50
15
1
5
5
3
10
5
3
10
10
100
1
5
3
5
Ширина харак-
теристики
направленности
3,5 ± 0,5
2,5 ± 0,5
1,5 ± 0,5
30 ± 1
3,5 ± 0,5 3,5 ± 0,5 2,5 ± 0,5
5 ± 0,5
Собственные
МГц
0,5 и 1
4,75
1,014 и 2,03
1,19 1,43
0,136 0,480
Диаметр, мм
форма исход-
ного преобразо-
вателя
50 и 50 плоский
20
плоский
40 и 30
слабовогнутый
слабовыпуклый
30
плоский
30
плоский
300
плоский
многоэлементный
50
плоский
Длина зоны ди-
фракции, м
0,65 и 0,8
0,35
0,5 и 0,04
0,56 0,67
6,4
0,63
Зона сфериче-
ского распро-
странения (экс-
перимент), м
15 и 5
0,5
0,5 и 3
3
3
180
15
5.5. Задания по расчету акустического тракта нелинейных параметрических…
107
Окончание табл. 2
Тип прибора
НАП
-3
НАП
-4
НАИ
-5
НАИ
-6
НАИ
-6М
НАИ
-7
НАИ
-8
Эффективная
имодействия, м
80 и 20
0,8
20 и 5
18
14
1000
86
Коэффициент
перекрытия по
частоте
330
16,6
150
150
10
100
10
Коэффициент
отклонения по
частоте
1660
160
600
1190
143
1360
480
сигналов
DSB
двухканальный
биения биения биения
двухканальный
DSB
Назначение,
атации
Макет для лабораторных и
натурных исследований
Макет для лабораторных ис-
следований
Измерительный излучатель
для гидроакустичес
-ких бас-
сейнов
Измерительный излучатель
для гидроакустических бассей-
нов
Измерительный излучатель
для гидро
акустических бассей-
нов для высоких давлений
Излучатель для натурных ис-
следований
Измерительный излучатель
для гидроакус
-тических бас-
сейнов для высоких давлений
5. Задачи по расчету основных характеристик параметрической акустической…
108
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В первом разделе изложены уравнения гидродинамики и законы сохранения: уравнение Навье − Стокса, уравнение непрерывности, уравнение
состояния, закон сохранения импульса.
Во втором разделе показаны решения уравнений нелинейной акустики для различных условий и описаны процессы возникновения и распространения нелинейных волн в жидкой среде. Показано упрощение системы нелинейных уравнений методом малого параметра, методом последовательных приближений и методом медленно изменяющегося профиля. Описано уравнение Хохлова – Заболотской − Кузнецова для звуковых пучков. С помощью уравнения Бюргерса показаны основные особенности распространения мощных акустических волн в нелинейной диссипативной среде в случае одномерных (плоских, цилиндрических и сферических) волн. С помощью уравнения Кортевега – де Вриза показаны нелинейные волновые процессы в диспергирующих средах.
В третьем разделе описано параметрическое взаимодействие нелинейных акустических волн в жидкой среде.
В четвертом разделе рассмотрены параметрические антенны, работающие на принципах нелинейной гидроакустики. Описаны модели излучающих и приемных антенн. Подробно рассмотрена теория излучающей
параметрической антенны. Выполнено решение уравнения ХЗК методом
последовательных приближений. Показаны особенности осевого распределения амплитуды и фазы волны разностной частоты и диаграмма направленности. Показана работа параметрической антенны в режиме излучения
сложных сигналов. Описано влияние плоских отражающих границ на акустическое поле параметрической антенны. Приведено устройство излучающих параметрических антенн и некоторые особенности измерения их характеристик. Приведены преимущества применения параметрических антенн относительно «традиционных» антенн.
В пятом разделе даны задачи по расчету основных характеристик
параметрической акустической антенны. Даны соотношения для аналитического расчета акустического тракта параметрического излучателя.
Заключение
109
Изложены основные параметры нелинейного акустического излучателя
и описан порядок их расчета. Приведен пример численного расчета типового задания.
Материал учебного пособия предназначен для обучения как в рам-
ках аудиторных занятий, так и для самостоятельной работы.
5. Задачи по расчету основных характеристик параметрической акустической…
110
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Зарембо, Л. К. Теоретические основы нелинейной акустики [Текст]:
учебное пособие / Л. К. Зарембо. – Таганрог : ТРТИ, 1976. – 89 с.
2. Карпман, В. И. Нелинейные волны в диспергирующих средах [Текст]:
монография / В. И. Карпман. – Москва : Наука, 1973. – 176 с.
3. Багдоев, А. Г. Линейные и нелинейные волны в диспергирующих
сплошных средах [Текст] / А. Г. Багдоев, В. И. Ерофеев, А. В. Шекоян. –
Москва : Физматлит, 2009. – 320 с.
4. Виноградова, М. Б. Теория волн [Текст] / М. Б. Виноградова,
О. В. Руденко, А. П. Сухоруков. – Москва : Наука, 1979. – 384 с.
5. Инфельд, Э. Нелинейные волны, солитоны и хаос [Текст] / Э. Ин-
фельд, Дж. Роуланде : пер. с англ.; под ред. Е. А. Кузнецова. –
Москва : Физматлит, 2006. – 480 с.
6. Корчагин, Г. Е. Физика волновых процессов [Текст] : учебно-мето-
дическое пособие / Г. Е. Корчагин, А. А. Журавлев, Ю. М. Стенин. –
Казань: Изд-во КФУ, 2014. – 77 с.
7. Кузнецов, А. П. Нелинейные колебания [Текст] : учебное пособие для
вузов / А. П. Кузнецов, С. П. Кузнецов, Н. М. Рыскин. – Москва:
Физматлит, 2002. – 292 с.
8. Рыскин, Н. М. Нелинейные волны [Текст] : учебное пособие для сту-
дентов высших учебных заведений, обучающихся по физическим
специальностям / Н. М. Рыскин, Д. И. Трубецков. – Москва : URSS,
2017. – 308 с.
9. Соловьянова, И. П. Теория волновых процессов: Акустические
волны [Текст] : учебное пособие / И. П. Соловьянова, С. Н. Шабу-
нин. – Екатеринбург : ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2004. – 142 с.
10. Уизем, Дж. Б. Линейные и нелинейные волны [Текст] / Дж. Б. Уи-
зем : пер. с англ. В. В. Жаринова ; под ред. А. Б. Шабата. – Москва:
Мир, 1977. – 622 с.
11. Волощенко, В. Ю. Параметрические гидроакустические средства
ближнего подводного наблюдения [Текст] : монография / В. Ю. Волощенко, А. П. Волощенко. – Ростов-на-Дону; Таганрог : Южный федеральный университет, 2018. – 176 с.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]