Нелинейный параметрический акустический приемник

 

Использование: для приема звуковых волн четырехволнового взаимодействия в акустическом резонаторе. Акустическим резонатором является круглая тонкая пластина 1, выполненная из твердого материала. В центре пластины, коаксиально ей установлен цилиндрический излучатель 2 накачки продольных волн. Пластина представляет собой излучатель комбинационной частоты. Диаграмма направленности излучателя (пластины) формируется в волновой зоне, т.е. на расстоянии, где расположен гидрофонный приемник 3. Поворот диаграммы направленности осуществляется синхронным вращением всей системы, например, вокруг центра пластины. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 Н 04 R 1/44

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4847579/10 (22) 04.05.90 (46) 07.06.92. Бюл. ¹ 21 (71) Институт прикладной физики АН СССР (72) В.Е.Назаров (53) 534.232(088,8) (56) Авторское свидетельство СССР № 422197, кл. В 06 В 1/00.

Назаров B.Е., Сутин А.М. Теория параметрического приемника звука с нелинейным слоем. — Акустический журнал, 1989, т.35, ¹5,,с.877-881. (54) НЕЛИНЕЙНЫЙ ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ

АКУСТИЧЕСКИЙ ПРИЕМНИК (57) Использование: для приема звуковых

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано для приема звуковых волн, распространяющихся в жидкости.

Известен параметрический гидрофон для приема низкочастотной (НЧ) звуковой волны, содержащий расположенные в водной среде на расстоянии L 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 Q u высокочастотной. волны накачки в, в результате чего образуются волны комбинационных частот со + Q

Недостатком такого гидрофона является низкая эффективность, обусловленная малым значением параметра ) акустической нелинейности воды.

Известен апертурный параметрический акустический приемник, содержащий последовательно расположенные на одной. Ж,, 1739507 А1 волн четырехволнового взаимодействия в акустическом резонаторе. Акустическим резонатором является круглая тонкая пластина 1, выполненная из твердого материала. В центре пластины, коаксиально ей установлен цилиндрический излучатель 2 накачки продольных волн. Пластина представляет собой излучатель комбинационной частоты. .Диаграмма направленности излучателя (пластины) формируется в волновой зоне, т,е. на расстоянии, где расположен гидрофонный приемник 3. Поворот диаграммы направленности осуществляется синхронным вращением всей системы, например, вокруг центра пластины. 1 ил. оси два высокочастотных излучателя накачки, плоскопараллельный слой нелинейной среды, импеданс которой совпадает с импедансом окружающей жидкости, и отстоящий на расстояние R< от слоя приемник. Расстояние R<, определяется расстояниями d1, б2 между излучателями накачки и слоем, а также частотами а 1, е 2 излучателей накачки и частотой Q принимаемой низкочастотной

ВОЛ н ы (Ro = K (C02d2 ц 1/d1) гДЕ К = В1 — а2 Q.)

Недостатком такого параметрического приемника является сложность конструкции, связанная с наличием двух излучателей накачки и нелинейного слоя, разнесенных на большое расстояние.

Целью изобретения является упрощение конструкции.

Поставленная цель достигается тем, что в нелинейном параметрическом акустическом приемнике, содержащем соосно установленные слой нелинейной среды и

1739507

В = Л/26 (3) 20

h = — n((A и

2 (2) акустические излучатель накачки продольных волн и приемный гидрофон, слой нелинейной среды выполнен в виде круглой пластины из твердого материала, в которой коаксиальноустановлен излучатель накачки в виде цилиндра, причем произведение плотности и скорости продольных волн в материале пластины отличается от произведения плотности и скорости звука в окружающей среде, а радиус R пластины определяется соотношением где а) — частота возбуждения излучателя накачки, с, v — скорость продольных волн и коэффициент Пуассона для материала пластины, m — целое число, толщина пластины h определяется соотношением где А — длина волны низкой частоты Ив окружающей среде;

А — длина волны комбинационной частоты ыз = 2в + Q в материале пластины; п — целое число, расстояние между приемником и пластиной

D Вф, где Яф — расстояние Фраунгофера на частоте в, для пластины.

Изобретение основано на использовании для приема звуковых волн четырехволнового взаимодействия в акустическом резонаторе. Акустическим резонатором является круглая тонкая пластина, выполненная из твердого материала, импеданс для продольных волн которого (т,е. произведение плотности материала на скорость продольных волн в нем) отличен.от импеданса окружающей среДы (жидкости). B центре пластины, коаксиально ей, установлен цилиндрический излучатель накачки продольных волн, частота в которого выбирается в соответствии с соотношением (1). При возбуждении излучателя в пластине возникает бегущая цилиндрическая (расходящаяся) волна с волновым вектором К. Поскольку излучатель находится в центре пластины-резонатора, в ней возникает также отраженная от края резонатора бегущая к центру (с>.одящаяся) цилиндрическая волна стой же частотой в и волновым вектором — К, При падении на пластину низкочастотной волны с частотой

Й и волновым вектором К в ней вследствие кубичной нелинейности материала пласти25

55 ны происходит взаимодействие трех указанных волн. Результатом этого взаимодействия является рождение четвертой волны с частотой в, = а + в + Яи волновым вектором Кз = К вЂ” К К = Ы, которая излучается в окружающую пластину среду.

Таким образом, пластина представляет собой излучатель комбинационной частоты ав =2в Й. Для эффективного излучения пластиной волны частоты

ы, необходимо обеспечить акустическое согласование пластины с окружающей средой, для чего толщина h пластины выбирается в соответствии с соотношением (2). Радиус R пластины определяется необходимой шириной Q, диаграммы направленности и связан с ней соотношением

Как известно, поле давления такого излучателя определяется фазовым распределением источников комбинационной частоты и по апертуре (плоской) пластины. которое, в свою очередь, определяется низкочастотной волной(И, К). При нормальном падении волны(Я, К) на пластину исто ники комбинационной частоты а; синфазным г:о апертуре пластины, и она создает пучок (в, К„ вдоль акустической оси. Диаграмма направ-. ленности излучателя (пластины) формируется в волновой зоне, т,е. на расстоянии, определяемом соотношением (3), где расположен приемник, При наклонном падении волны (Я К) на пластину появляется расфазировка вторичных источников частоты в по апертуре пластины и она излучает волну (Ns. Ks) под углом к акустической оси, в результате чего амплитуда сигнала принимаемого гидрофоном падает. Это и является механизмом формирования ДН предлагаемого параметрического гидрофона.

Поскольку в устройстве используется только один излучатель накачки, который расположен в твердотельной пластине (нелинейном слое) и представляет с ней одно целое, то. конструкция предлагаемого устройства проще, чем известного, Следует отметить, что параметрический приемник обладает высокой эффективностью вследствие как сильной акустической нелинейности материала пластины, так и возможностью создания более интенсивной волны накачки в твердотельном резонаторе— пластине, чем в воде, где интенсивность накачки ограничена порогом кавитации, На чертеже изображена схема одного из вариантов устройства.

1739507

Нелинейный параметрический акустический приемник содержит круглую металлическую пластину 1 из твердого материала. В конкретном варианте исполнения пластина 1 выполненаиэмеди(С=3,5.10 см/с, v=0,3).

Радиус пластины R, ее толщина h выбраны в соответствии с соотношениями (1, 2) и равны, соответственно 25 и 2,3 см. В центре пластины 1, коаксиально ей, жестко закреплен цилиндрический излучатель 2 продольных волн. Цилиндрический излучатель 2 установлен в центре пластины 1 и является сплошным цилиндром..Для обеспечения эффективного взаимодействИя волн накачки и сигнала необходимо, чтобы радиус r излучателя и радиус R пластины удовлетворяли соотношению R»r. B конкретном варианте исполнения радиус r равен 1,5 см, его высота h равна 2,3 см. Частота излучателя выбрана в соответствии с соотношением (1) и совпадает с резонансной частотой четвертой моды (m=4) пластины 1, равной

f = а /2 33 кГц. На акустической оси пластины 1 на расстоянии D, выбранном в соответствии с соотношением D >+Ry(e конкретном варианте D = 10 м), установлен гидрофон 3 (например, гидрофон типа 8103, 8100 фирмы Брюль и Къер).

Параметрический приемник работает следующим образом.

При возбуждении цилиндрического из; лучателя на указанной частоте в пластине 1 возбуждаются резонансные колебания на этой же частоте. При падении на пластину 1 распространяющейся в воде низкочастотной волны с частотой F =Q/2ë =10 кГц (Л= 15 см) в пластине возбуждаются толщинные колебания на комбинационной частоте f> = в /2 л = 76 кГц. На этой частоте длина волны Я в медной пластине составляет 4,6 см. Толщина пластины, как указано выше, выбрана равной 2,3 см, т.е, половине длины волны (п=1). Таким образом, пластина 1 излучает в окружающую среду акустическую волну с частотой 4 = 76 кГц, Диаграмма направленности пластины

1, как излучателя, формируется на расстоянии Иф, где и установлен гидрофон 3, Ширина диаграммы С4 направленности параметриче5 ского. гидрофона определяется соотношением. (3) и в конкретном варианте составляет

Q, = 15О.. Поворот диаграммы направленности осуществляется синхронным вращением всей системы, например, вокруг центра пластины 1.

10 Формула изобретения

Нелинейный параметрический акустический приемник, содержащий соосно установленные акустический излучатель накачки продольных. волн, нелинейный

15 элемент и приемный гидрофон, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью упрощения конструкции, нелинейный элемент выполнен в виде круглой пластины из твердого материала, а излучатель накачки выполнен

20 цилиндрической формы и установлен коаксиально пластине, при этом радиус R пластины определен соотношением:

R — л(т + э/4), и 1-р

25 где в — частота возбуждения излучателя накачки; с, — скорость продольных волн и коэффициент Пуассона для материала пластины;

m — целое число, толщина h пластины определена соотношением:

h= — п<(Л

=Д

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

40 i4 — длина волны комбинационной частоты

n — целое число, а расстояние между приемным гидрофоном и пластиной D > Вф, где Вф — расстояние

45 Фраунгофера на частоте в 5 для пластины.

1739507

Составитель В.Н заров

Техред M. Ìoðãåíòàë Корректор М.Демчик

Редактор Н.Гунько

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

Заказ 2010 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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