Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Нелинейные волновые процессы. Учебное пособие
.pdf
4.4. Влияние плоских отражающих границ
71
частоте F− = l50 кГц с преобразователем накачки диаметром 18 мм и f0 =
= 2,06 МГц. Непосредственно после отражения (кривые а) в диаграмме
появляется провал на оси, затем провал увеличивается (кривые б). На некотором расстоянии (кривые в) амплитуда ВРЧ образуется от взаимодействия волн после отражения, превышает отраженную (но повернутую по
фазе) амплитуду ВРЧ, поэтому на оси диаграммы направленности появляется максимум (кривые в). В дальнейшем (кривые г, д) происходит рост P−
на оси при одновременном уменьшении боковых лепестков, и диаграмма
направленности постепенно приобретает характерный для ПА вид.
r, см
r, см
r, см
r, см
r, см
−5
−5
−5
−5
−5−10
−10
−10
100
200
300
−10
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
P−, Па
а
б
в
г
д
Рис. 25. Экспериментальные (сплошные кривые) и расчетные (штриховые кривые)
поперечного распределения амплитуды ВРЧ при различных расстояниях
от отражающей мягкой границы: а – z = 0,04 м; б – z = 0,08 м; в – z = 0,14 м;
г – z = 0,2 м; д – z = 0,28 м (f0 = 2,06 МГц, F− = l50 кГц, α = 45°, h = 0,28 м)
При расположении луча ПА параллельно границе раздела или под
малыми углами к ней () происходит комбинационное взаимодей-
ствие всех падающих и отраженных волн в соответствии с (108). Диа-
грамма направленности D(θ) в дальней зоне ПА для случая при ма-
лых углах наклона к поверхности принимает вид
. (110)
4. Параметрические антенны
72
Здесь знак «плюс» соответствует , знак «минус» – ;
θ
0
– угол поворота оси ПА относительно оси z; ;
φ – угол между осью пучка и направлением на точку наблюдения в плоскости, параллельной границе раздела.
Расчеты и измерения показали, что наличие и жесткой, и мягкой границы вблизи пучка приводит к асимметричному искажению диаграммы
направленности и появлению боковых лепестков в последней. Уровень и
степень пространственных осцилляций этих лепестков существенно зависят от заглубления ПА под поверхностью раздела и от угла θ0.
Боковые лепестки, появляющиеся в диаграммах направленности
(см. рис. 25), обусловлены взаимодействием волн в «ограниченной» ПА на
участке от преобразователя накачки до границы отражения, что особенно
ярко проявляется в случае отражения луча ПА от импедансной границы
раздела с коэффициентом отражения . Для иллюстрации на рис. 26
показаны записи на самописце поперечного распределения на расстоянии
0,2 м при отражении луча ПА от границ раздела «вода–воздух» (кривая а),
от плоского листа пенопласта (кривая б) с и от ненамокшей деревянной поверхности с . Видно, что с ростом импеданса отража-
ющей поверхности уровень сигнала ВРЧ падает, резко изменяется вид диаграммы направленности отраженного сигнала. Эти признаки демонстрируют дополнительную возможность (помимо получения частотной зависимости V) использования ПА для классифик ации (распознавания) материала отражающего объекта [1, 7, 11–25, 27, 35].
0,05 м
5 дБ
а б в
Рис. 26. Записи на самописце поперечного распределения звукового давления Р
на расстоянии z = 0,2 и при отражении луча параметрической антенны от границ
раздела вода–воздух (кривая а, ), от плоского листа пенопласта (кривая б,
) и от ненамокшей деревянной поверхности (кривая в, )
4.5. Устройство излучающих параметрических антенн и некоторые…
73
4.5. Устройство излучающих параметрических антенн
и некоторые особенности измерения их характеристик
Преобразователи накачки чаще всего выполняются в виде многоэле-
ментных мозаичных структур, содержащих значительное число (до нескольких сотен) пьезокерамических элементов с резонансными частотами
накачки. Характерные частоты накачки лежат в диапазоне от единиц до тысяч кГц. Для иллюстрации на рис. 27 показан внешний вид многоэлементного (544 элемента) преобразователя накачки параметрического профилографа со средней частотой накачки около 150 кГц, обеспечивающего прецизионное эхолоцирование дна на глубину до нескольких километров.
Рис. 27. Внешний вид многоэлементного преобразователя накачки
параметрического профилографа [37]
На преобразователь накачки от электронной схемы формирования
через усилитель мощности подаются два или несколько электрических
ВЧ-сигналов, частоты которых отличаются на величину F. В электронных
схемах формирования сигналов накачки в настоящее время используется
амплитудно-модулированные колебания (АМК), различные системы подачи колебаний двух частот, а также сложные сигналы. Электрические
мощности сигналов накачки в зависимости от назначения прибора варьируются от десятков Вт до сотен кВт. Особое внимание уделяется вопросу
линейности излучающего тракта.
Гидроакустические измерения в области взаимодействия мощных
волн накачки имеют определенную специфику. К измерительному тракту в
этих условиях предъявляются требования: малого собственного коэффициента нелинейных искажений (менее 1 %) для предотвращения образования
комбинационных частот в приемном тракте; значительного динамического
4. Параметрические антенны
74
диапазона, подавления сигналов волн накачки на 40–50 дБ, обеспечиваемого
с помощью электрических полосовых и акустических фильтров.
Всегда при измерениях нелинейных эффектов необходимо убедиться в том, что наблюдаемый нелинейный сигнал возник в среде, а не в
излучающем или приемном трактах. Это достигается рядом разработанных
методов, использующих акустические фильтры и другие устройства.
Измерения характеристик ПА проводятся в соответствии с методиками обычных гидроакустических измерений. Используются заглушенные
бассейны или натурные измерительные станции, обеспечивающие условия
«свободного» поля. Чаще всего измерения проводятся в импульсном режиме. При исследовании отражений и локации объектов используются
схемы стробирования принимаемых сигналов. Фазовая картина полей ПА
измеряется обычно с помощью миниатюрных гидрофонов по методу двух
точечных приемников. При использовании ПА в режиме излучения сложных сигналов особое внимание уделяется схемам измерения огибающей, а
также спектральных и корреляционных характеристик исходных и принимаемых сигналов [1, 7, 11–25, 27, 35].
4.6. Приемные параметрические антенны
Принцип действия приемной ПА изложен в п. 4.1. Роль приемного
элемента играет сама среда. Основным достоинством приемных ПА и создаваемых на их основе антенных решеток является «бестелесность».
Расчет характеристик приемной ПА можно провести, используя систему уравнений, аналогичную (86), (87). Соответственно и поведение генерирующих гармоник будет описываться уравнением, аналогичным (95).
Для разностной гармоники оно имеет вид
. (111)
Правая часть уравнения, т.е. функция Q, определяется произведе-
нием и для суммарной или разностной гармоники.
Решение уравнения (111) проводится так же, как и (95). Но поскольку функ-
ция Q не обладает аксиальной симметрией, решение следует искать не с
помощью преобразования Ханкеля, а воспользоваться пространственным
4.6. Приемные параметрические антенны
75
Фурье-разложением. Общее решение уравнения (111) для разностной гармоники имеет вид
, (112)
где – Фурье-представление функции Q.
Для гауссова поперечного распределения амплитуды дифрагирую-
щей волны накачки, если пренебречь затуханием на длине базы L, для звукового давления ВРЧ приемной ПА получим
, (113)
где
;
p0 – амплитуда накачки, P0 – амплитуда сигнала.
При достаточно узкой характеристике направленности
и ширина ее так же, как и в случае излучающей антенны
, где те-
перь
– число длин НЧ-волн сигнала, укладывающихся на длине
базы. Характеристика ориентирована в направлении, противоположном излучению волн накачки.
При приеме и обработке разностной и суммарной гармоники существенное значение имеет отношение амплитуд этих гармоник и волн
накачки. Чем больше это отношение, тем легче принять и проанализировать генерируемые гармоники. При учете нелинейных и дифракционных
эффектов это отношение линейно зависит от L и определяется также амплитудой сигнала и свойствами среды:
. (114)
Из выражения (113) видно, что диаграмма направленности прием-
ной ПА не зависит от диаграммы направленности преобразователя
накачки. Направленные свойства приемной ПА существенно отличаются
от аналогичных свойств излучающей: в отличие от излучающей уровень
4. Параметрические антенны
76
боковых лепестков приемной ПА существенно выше, такой же как в линейных антеннах бегущей волны.
Расчетные (сплошные липни) и экспериментальные (крестики) зави-
симости ширины характеристики направленности приемной антенны от частоты принимаемого сигнала приведены на рис. 28 для размеров базы приемника L = 0,5; 1,0; 2,0 м (соответственно кривые 1, 2 и 3) при частоте
накачки 1,25 МГц.
1
2
3
10 2 4 6 10
Fс, кГц
20
40
60
80
100
2θ
0,7
, град
Рис. 28. Расчетные (сплошные кривые) и экспериментальные
(крестики) зависимости ширины характеристики направленности
по уровню 0,7 приемной параметрической антенны в функции от частоты
принимаемого сигнала для размеров базы приемника:
1 – L = 0,5 м; 2 – L = 1,0 м; 3 – L = 2,0 м при частоте накачки 1,25 МГц
Основным процессом в приемной ПА является нелинейное взаимодействие волн накачки и сигнала, поэтому чувствительность параметрического приемника прямо зависит от амплитуды волн накачки (см. (113)).
Кроме того, она должна зависеть от длин области взаимодействия, дифракции и затухания накачки. Можно создавать параметрические приемные системы с длиной базы порядка единиц и десятков километров. Для получения достаточно высоких значений чувствительности оптимальным является такое соотношение длины базы, диаметра преобразователя и частоты
накачки, при котором
. Отношение сигнал/шум приемной ПА
по сравнению с традиционными приемными антеннами всегда меньше.
Амплитудно-частотная характеристика и полоса пропускания параметрического приемника звука полностью определяются АЧХ приемного
ВЧ-пьезопреобразователя накачки и АЧХ приемной части электронной
схемы [1, 7, 11–25, 27, 35].
4.7. Применение параметрических антенн
77
4.7. Применение параметрических антенн
Узкая диаграмма направленности ПИ позволяет существенно увели-
чить точность и угловое разрешение на малых и средних дистанциях работы современных гидроакустических приборов. Малые размеры первичных излучателей накачки создают возможность использования этих приборов на малотоннажных судах. Отсутствие боковых лепестков сводит к минимуму (часто практически полностью устраняет) реверберационную помеху от поверхности моря и дна, что позволяет создавать на базе параметрических антенн прецизионные приборы для гидроакустики.
Широкополосность параметрических антенн дает возможность из-
лучать очень короткие импульсы и импульсы со сложным спектром, что
позволяет существенно повысить разрешение по дальности, уменьшает
«мертвею зону» и увеличивает объем информации о лоцируемом объекте.
Частотно-независимая диаграмма направленности в сочетании с широкополосностью параметрических приборов может быть использована для
определения импеданса отражающей поверхности, для снятия частотной
характеристики цели. Последнее обстоятельство дает новое информационное качество гидроакустическим средствам и расширяет области использования параметрических приборов активной локации. В частности, появляется возможность использования подобных приборов не только в гидроакустике, но и для диагностики в медицине, биологии и др.
Все перечисленные выше качества ПА привели к тому, что она
нашла достаточно широкое применение в гидроакустике и исследовании
океана. Созданы серийные параметрические рыбопоисковые станции высокого разрешения, которые к тому же хорошо работают в условиях мелководья. Малое поглощение низкочастотного звука в осадочных породах
позволяет эффективно использовать излучение ПА в морской геологии и
археологии не только для поиска инородных тел в осадочных породах, но
и исследовать внутренние слои на глубинах более 100 м. Использование
ПА для этих целей позволяет получить существенно большее разрешение
по углу. Параметрические эхолоты и приборы в настоящее время используются в океанологии для прецизионного профилирования дна, а также при
производстве дноуглубительных работ, при прокладке нефте- и газопроводов по дну и пр. [1, 7, 11–25, 27, 35].
4. Параметрические антенны
78
ПА находят все большее применение в океанологии как эффективное средство исследования океана. Чрезвычайно эффективно использование ПА для контрольно-измерительных целей в подводной акустике. Нелинейные эффекты появления вторых гармоник излучения (2f1), а также из-
лучения сигналов комбинационных волн с частотой, например , в
некоторых случаях могут быть использованы как дополнительный информационный канал.
5.1. Общие сведения
79
5. ЗАДАЧИ ПО РАСЧЕТУ ОСНОВНЫХ
ХАРАКТЕРИСТИК ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ
АКУСТИЧЕСКОЙ АНТЕННЫ
5.1. Общие сведения
Нелинейные параметрические акустические антенны, использующие явление нелинейного взаимодействия волн и сигналов в ультразвуковых пучках, имеют существенные преимущества перед «традиционными»
«линейными» антеннами. Уникальные свойства нелинейных параметрических акустических излучателей: широкополосность (коэффициент перекрытия по частоте достигает 100 и более), направленность излучения при
отсутствии боковых лепестков, малые размеры исходных преобразователей на низких рабочих (разностных) частотах, позволяют по-новому ставить и решать многие актуальные задачи освоения и исследования Мирового океана [11–25].
Схематически нелинейную параметрическую акустическую излучающую антенну можно представить в виде высокочастотного первичного
акустического излучателя волн накачки и определенного участка среды
(см. рис. 13), который назван областью взаимодействия и в котором в пределах области затухания Lз через нелинейные свойства среды эффективно
взаимодействуют мощные звуковые пучки первичных волн с круговыми
частотами и
, рождая в каждой точке указанной обла-
сти вторичное частотное излучение с комбинационными суммарными и
разностными частотами. Высокочастотные волны исходных частот ω1 и ω2,
а тем более волны с суммарными частотами, быстро затухают в области
взаимодействия (см. рис. 13) из-за квадратичной зависимости вязкого поглощения звука от частоты. В свою очередь вторичные волны разностной
частоты
, возникшие в довольно протяженной области взаимо-
действия за счет энергии первичных волн, в силу малого затухания распро-
страняются на значительные расстояния в виде направленного луча (
и ω
2
;
).
Излучение нелинейных параметрических антенн на частоте Ω возникает в среде распространения. Поэтому параметрические антенны иногда называют «бестелесными» или виртуальными. Среда распространения
5. Задачи по расчету основных характеристик параметрической акустической…
80
первичных волн играет активную роль в создании и формировании излучения параметрических антенн.
В параметрических антеннах в отличие от линейных, традиционных
антенн электроакустический преобразователь отделен от области взаимодействия первичных ультразвуковых пучков или области формирования
основного низкочастотного излучения. Частоты ω1 и ω2 можно изменять и
выбирать достаточно близкими друг к другу, вследствие чего нелинейные
параметрические антенны весьма широкополосны и могут обеспечить
направленное низкочастотное излучение. Направленные свойства параметрической антенны на низкой рабочей частоте определяются в основном
волновой длиной области взаимодействия и направленными свойствами
исходных преобразователей по высокой частоте. Поэтому параметрические антенны имеют малые размеры по сравнению с традиционными.
Основные характеристики полей излучения «бестелесных» параметрических антенн в ближней и дальней зонах рассчитываются на основе решения модифицированного уравнения Хохлова−Заболотской [24], учитывающего расходимость в исходных ультразвуковых пучках:
, (115)
где ρ – возмущение плотности; х – текущая координата в направлении рас-
пространения волн;
– время в сопровождающей системе коор-
динат; t – текущее время; с
0
– скорость звука в невозмущенной среде;
– коэффициент нелинейности;
– диссипативный
коэффициент;
– коэффициент вязкости; η и
η' – сдвиговая и объемная вязкости; χ – коэффициент теплопроводности;
cv, с
р
– удельные теплоемкости при постоянных объеме и давлении;
– лапласиан по поперечной координате r, учитывающий ди-
фракционную расходимость исходного пучка; , 0,5 и 1 соответ-
ственно для плоского, квазицилиндрического и квазисферического приближений.
При в случае бездиссипативной среды уравнение (115) пере-
ходит в уравнение Хохлова − Заболотской, справедливое для плоских излучателей [24]. Уравнение (115) позволяет с достаточной точностью рассчитывать акустический тракт нелинейных параметрических приборов на
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]