Нелинейный параметрический акустический приемник

 

Изобретение относится к гидроакустике и мо жет быть использовано для приема звуковых волн распространяющихся в жидкости Изобретение направлено на повышение коэффициента преобразования Параметрический приемник содержит нелинейный элемент, выполненный в виде параболоида вращения, в вершине которого установлен излучатель накачки 1 ил

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ 1,и

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 5012503/10 (22) 01.0?.91 (46) 15.11.93 Бюл. Мя 41 — 42 (75) Назаров В.E. (73) Институт прикладной физики PAH (54) НЕЛИНЕЙНЫЙ ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ

АКУСТИЧЕСКИЙ ПРИЕМНИК (57) Изобретение относится к гидроакустике и мо(в) RU (и) 2003237 С1 (S>)S НО4К1М жет быть использовано для приема звуковых волн распространяющихся в жидкости. Изобретение направлено на повышение коэффициента преобразования. Параметрический приемник содержит нели— нейный элемент, выполненный в виде параболоида вращения, в вершине которого установлен излучатель накачки. 1 ил.

2003237

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано для приема звуковых волн, распространяющихся в жидкости, Известен параметрический гидрофон для приема низкочастотной (НЧ) волны, содержащий расположенные в водной среде на расстоянии друг от друга высокочастотные (ВЧ) излучатель и приемник звуковых волн, В таком гидрофоне, представляющем собой антенну бегущей волны, происходит нелинейное взаимодействие сигнальной волны низкой частоты Ои высокочастотной волны накачки в в результате чего образуются волны комбинационных частот cr> +. Q.

Недостатком такого гидрофона является низкая эффективность, обусловленная малым значением параметра акустической нелинейности воды, Известны технические решения. свободные от этого недостатка, например, апертурный параметрический приемник, который содержит последовательно располо>кенные на одной оси два высокочастотных излучателя накачки, плоскопараллель, ый слой нелинейной среды, импеданс которой сс1впадает с импедансом окружающей жидкости, и отстоящий на расстояние D от слоя гидрофон, Расстояние D определяется расстояниями

d<, dz между излучателями накачки и слоем, а также частотами в1, в2, излучателей накачки и частотой Йпринимаемой НЧ волны

О =-9 (ez/й — иц/d<), где =в -в + g.

Недостатком такого параметрического

flpHt. MllMKG является сложность конструкции, связанная с наличием двух излучателей накачки и нелинейного слоя, разнесенных на большое расстояние, Известен нелинейный параметрический акустический приемник, который содержит акустический излучатель накачки .продольных волн цилиндрической формы, установленный в центре круглой пластины из твердого материала, коаксиально ей, На расстоянии О от пластины (О > Rq», где Вф— расстояние Фраунгофера для пластины на частоте в =2в+. Q установлен приемный гидрофон. Радиус пластины R< и ее толщина

h определены, соответственно, соотношениями

m + 3/ и

Rо= — — =

cuv> — Р

h = -,- и с с Л (2)

Лз где в-частота возбуждения излучателя накачки;

С, v- скорость продольных волн и коэффициент Пуассона для материала пластины;

m, n =-1,?, 3... — целые числа;

Л вЂ” длина волны низкой частоты Q в окружающей среде;

ib — длина волны комбинационной частоты вз.

Недостатком такого приемника является низкий коэффициент. преобразования, "0 что обусловлено необходимостью расположения гидрофона на большом расстоянии .О от пластины, где формируется диаграмма направленности (ДН) пластины, как излучатели.

Целью изобретения является повышение коэффициента преобразования.

Поставленная цель достигается тем, что в нелинейном параметрическом акустичеи ском приемнике, содержащем аксиально симметричный нелинейный элемент из твердого материала, в котором соосно ему, установлен излучатель накачки в форме цилиндра, а также установленный на одной

25 оси с ними приемный гидрофон, нелинейный элемент выполнен в виде параболоида вращения, а излучатель накачки установлен в его вершине, при этом радиус раскрыва ро параболоида определен в соответствии с

30 соотношением

NV 1j7 р,ЭД) врй т. где С, и — скорость продольных волн и коэффициент Пуассона для материала параболоида; в — частота возбуждения излучения накачки;

m=1,2,3...

P — фокальный параметр параболоида, а приемный гидрофон расположен от вершины параболоида на расстоянии

D= Р1 +.—

5О где вз =2 в q - Q, q = 1, 2, 3„„

Q- частота принимаемой звуковой волны.

Изобретательская идея заключается в фокусировке ВЧ-волны, образовавшейся при взаимодействии акустических волн в резонаторе. При этом и преобразование частоты НЧ сигнала, и фокусировка образовавшейся ВЧ комбинационной волны осуществляется с

2003237

0о Л/2р. (5) помощью одного конструктивного элемента — выполненного определенным образом параболоида вращения, являющимся акустическим резонатором. Радиус раскрыва параболоида выбран в соответствии с соотношением (3) (радиус раскрыва параболоидэ это радиус окружности, образующейся при сечении параболоида плоскостью, перпендикулярной ее оси и проведенной на расстоянии Н = р3/2р от его вершины). Поэтому при возбуждении расположенного в вершине параболоида (его акустическом центре) излучателя накачки нэ его резонансной частоте в в объеме параболоида возникают бегущие от центра и к центру цилиндрически волны, образующие стоячую цилиндрическую волну. При падении на параболоиду НЧ волны с частотой Q вследствие нечетной нелинейности материала параболоида происходит взаимодействие этих волн (накачки и сигнала).

Результатом такого взаимодействия является рождение волны с комбинационной частотой вз =2в q + Q (q = 1, 2, 3...), которая излучается в окружающую среду. Таким образом, параболоид представляет собой излучатель волны комбинационной частоты вз = 2в q + Q,Ïîëå давления такого излучателя определяется фазовым распределением источников комбинационной частоты вз по его апертуре, которое, в свою очередь, определяется НЧ волной. При падении НЧ волны вдоль оси параболоида источники комбинационной частоты будут распределены по поверхности нелинейного элемента по параболическому закону, поэтому в точке на оси параболоида (со стороны его вогнутой поверхности), находящейся на расстоянии, определяемым соотношением (4) будет осуществляться фокусировка волны иа (см. мат. приложение). В результате фокусировки волны вз давление Ps в этой точке, где находится гидрофон, сильно возрастает, что и обеспечивает повышение коэффициента преобразования (см. мат. приложение).

При падении НЧ-волны на слой под углом к его оси появляется расфазировка вторичных источников по апертуре параболоида, в результате его амплитуда сигнала принимаемого гидрофоном падает.

Это является механизмом формирования

ДН предлагаемого приемника; ширина

О, его ДН (как антенны апертурного типа) определяется радиусом ро раскрыва парэболоида и связана с ним соотношением

Несомненным достоинством предложенного устройства являются его небольшие, по сравнению с прототипом, размеры. Это обеспечивается за счет более близкого рас5 положения приемного гидрофона к нелинейному элементу. Следует отметить, что традиционное(без накачки) использование одного параболоида, как фокусирующего устройства, не приведет к увеличению коэф10 фициента преобразования, потому что: вопервых, НЧ-волна проходит через тонкий слой (h«A) практически без отражения, и, во-вторых, фокусировка НЧ волны (вследствие большой длины волны Л) неэффектив15 на, 8 предлагаемом же устройстве сначала в обьеме параболического слоя происходит преобразование частоты вверх (щз » Й), после чего фокусировка осуществляется по

20 высокой частоте cos.

На чертеже изображена блок схема одного из вариантов предлагаемого устройства.

Нелинейный параметрический акусти25 ческий приемник содержит нелинейный элемент иэ твердого материала, выполненный в виде параболоида 1 вращения. В конкретном варианте исполнения параболоид

1 выполнен из меди (С= 3,510 —, v--0,3).

5 CM сек

Толщина h и радиус раскрыва р, параболоида 1 выбраны в соответствии с соотношениями (2, 3) и равны, соответственно в конкретном варианте 1,15 см и 24 см. Фо35 кальный параметр параболоида 1 P = 1 м, В вершине параболоида 1 коаксиально ему установлен излучатель 2 продольных волн, выполненный в виде сплошного цилиндра. Для обеспечения эффективного

40 взаимодействия волн накачки и сигнала необходимо, чтобы радиус г излучателя и радиус раскрыва f4 параболоида удовлетворяли соотношению »r, В конкретном варианте исполнения радиус излучателя r равен 1

45 см, его высота совпадает с толщиной h u равна 1,15 см. Частота излучателя выбирается в соответствии с соотношением (3). В конкретном варианте исполнения она совпадает с резонансной частотой восьмой мо50 ды (m = 8) и равна f=в/2к=70 кгц.

На акустической оси нелинейного параметрического приемника на расстоянии О от вершины параболоида, выбранном в соответствии с соотношением (4) со стороны его вогнутой поверхности (в конкретном варианте 0 = 1,14 M) установлен гидрофон 3 (например, гидрофон типа 8103, 8100 фирмыы Б рюл ь и Кьер).

2003237

Параметрический приемник работает следующим образом, При возбуждении излучателя 2 на резонансной частоте параболоида в его объеме возбуждается стоячая волна на этой же частоте. При падении на параболоид 1 распространяющейся в воде НЧ волны с частотой

Г = & 2л:= 10 кГц в объеме его происходит взаимодействие этих волн, в результате чего в нем возбуждаются толщинные колебаO)S ния на комбинационной частоте fa = -=

=150 кГц, На этой частоте длина волны в меди составляет it = 2,3 см, Толщина параболоида, как указано выше, выбрана равной

1,15 см, т.е, половине длины волны (и = 1). . Таким образом, параболоид 1 излучает в окружающую среду акустическую волну с частотой fs .= 150 кГц, которая фокусируется в точку, где расположен приемный гидрофон 3. Ширина 0>,ЦН параметрического приемника определяется соотношением (5), и

Ф ормула.изобретения

НЕЛИНЕЙНЫЙ ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ

АКУСТИЧЕСКИЙ ПРИЕМНИК, содержащий аксиально симметричный нелинейный элемент из твердого материала и установленные соосно с ним излучатель накачки.в форме цилиндра и приемный гидрофон, отличающийся тем, что нелинейный элемент выполнен в виде параболоида вращения, а излучатель накачки установлен в его вершине, при этом радиус раскрыва р парао болоида вращения определен соотношением л c (m+ 3 4)

Р0 о

1 т с (m+ Ъ4)

1 — — — - —, « iUP, вР /1 — > 2 в конкретном варианте составляет 6,15, Поворот ДН осуществляется синхронным вращением всей системы, например, вокруг вершины параболоида, Заметим, что в уст5 ройстве-прототипе расстояние между излучателем накачки и гидрофоном составляло бы 0 Вф = +/Яве= 20 м (Ъ* = 1 см — длина волны частотой fs = 150 кГц в воде), а уро„0 вень поля на гидрофоне был бы Ry/О20/1,14 = 17,5 раз меньше, чем в предлагаемом устройстве, т.е, коэффициент преобразования предлагаемого приемника (при равной апертуре) выШе коэффициента преобразования приемника-прототипа в 17,5 раз, (56) Авторское свидетельство СССР

М 422197, кл, В 06 В 1/00.

Назаров В, Е „Сути н A, M, Теория параметрического приемника звука с нелинейным слоем. Акустический журнал, 1989, т.35, М 5, с.877 — 881, 25 где с, - скорость продольных волн и коэффициент Пуассона для материала параболоида соответственно; о> - частота возбуждения излучателя на30 качки;

m - целое число;

P - фокальный параметр параболоида вращения, а приемный гидрофон расположен от вер35 шины параболоида на расстоянии

D=P 1— где и,= 2юц Я;

40 q=1,2,3, ...;

0 - частота принимаемой звуковой волны.

2003237

Составитель В. Назаров

Техред M.Ìîðãåíòàë

Редактор Н. Семенова

Корректор О. Густи

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Заказ 3238

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101