Способ параметрического излучения акустических колебаний
Изобретение относится к гидроакустике , а именно к способам параметрического излучения звука, и может быть использовано при создании систем акустического зондирования толщи и дна океана. Способ заключается в возбуждении двумя сосредоточенными силами в твердотельном волноводе в форме пластины изгибных колебаний. За счет изменения частот возбуждения при обеспечении соответствия приведенного значения амплитуды звукового давления в дальней зоне указанному математическому выражению реализуется управление диаграмммой направленности параметрического излучателя. 2 ил.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (s>)s В 06 В 1/06
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4725851/10 (22) 05,07.89 (46) 15.10,92.Бюл,N. 38 (71) Тихоокеанский океанологический институт Дальневосточного отделения
АН СССР (72) Л.И.Казаков, А,О,Максимов и B.Ã.Ïàíфилов (56) Дюдин Б,В.,Цирульников С.А. Параметрический излучатель на поверхностных волнах, Прикладная акустика. Таганрог, 1983,с,102-107. (54)СПОСОБ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ
Изобретение относится к гидроакустике, а именно к способам параметрического излучения, и может быть использовано при создании технических систем для акустического зондирования толщины и дна океана.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к изобретению является способ параметрического излучения, реализованный в параметрическом излучателе на поверхностных волнах, Этот способ включает формирование двух высокочастотных полей накачки с частотами в и с02 посредством возбуждения в твердотельном волноводе двух поверхностных рэлеевских волн с фазовыми скоростями, превышающими скорость звука в среде.
Недостатками этого способа являются; невозможность осуществления управлением диаграммой направленности, что Ц 1768319 А1 (57) Изобретение относится к гидроакустике, а именно к способам параметрического излучения звука, и может быть использовано при создании систем акустического зондирования толщи и дна океана, Способ заключается в возбуждении двумя сосредоточенными силами в твердотельном волноводе в форме пластины изгибных колебаний. Ва счет изменения частот возбуждения при обеспечении соответствия приведенного значения амплитуды звукового давления в дальней зоне указанному математическому выражению реализуется управление диаграмммой направленности параметрического излучателя. 2 ил, связано с постоянством угла излучения накачки и является прямым следствием отсутствия дисперсии у рэлеевских волн; сложность реализации, состоящая во введении дополнительного элемента — периодически неровного участка на поверхности волновода для о,беспечения трансформации объемных волн в поверхностные, и снижение при этом эффективности в результате потери энергии при трансформации.
Целью изобретения является упрощение способа и обеспечение возможности управления диаграммой направленности.
Способ реализуется с помощью твердотельного волновода (фиг.1), выполненного в форме пластины толщиной h и длиной L, в котором сосредоточенным источником возбуждают колебания,бигармонические во времени.
Материал и толщина hп,ластины выбираются из условия возбуждения в пластине изгибных волн в заданном диапазоне частот с фазовыми скоростями Срь, превышающими скорость звука в жидкости Со. А длина (и ширина пластины S должны быть много больше длин возбуждаемых изгибных волн, В пластине при воздействии на нее сосредоточенным источником возбуждаются вол н ы, описы ваем ые,уравнениями Тимошенко — Миндлина, При этом благодаря дисперсии изгибных волн и дисперсии их фаэовой скорости не могут выполняться условия фазового (пространственного и временного) синхрон изма.
Г01 ОФ = Говр4 К1 К2 = Квр4, (1) При выполнении этих условий происходит эффективная перекачка энергии из волн, накачки в волну разностной частоты.
Задача о нахождении звукового поля разностной частоты решается методом последовательных приближений. Волны первого и риближения — волны накачки предполагаются при этом слабозатухающими и не учитываются дифракционные эффекты. В дальней зоне (K2R» 1) звуковое поле давления волн разностной частоты имеет следующее выражение, (. /
i(v)= f
Ч1(i/2 г1 чс ч
o (CI+iK (COSVCGSV 1)) -гК sin v SIR ч (3) При этом выражение (3) определяет диаграмму направленности параметрического излучателя. Под интегралом стоит произве( дение трех острых функций: ч1(ч),v2(v)— диаграммы направленности накачки и
1/К... Острота последнего сомножителя связана с возникновением фазового синхронизма между волнами накачки и волной разностной частоты, распространяющихся в направлении излучения v, Очевидно, что такое резонансное поведение имеет место и ри условии, когда на длине затухания укладывается много длин волн Q«К12 и в наиболее типичном для реальных ситуаций случае не очень острых диаграмм направленности волн накачки и слабо о затухания
Q«K<, результат выглядит
Р Е Я F1 Ег К01 К02 Ч () Ч () i(KP — Ж)
4 СЗ,R (4) ленности, в качестве твердотельного волновода используют пластину, в которой
E N FiFzKoi Ион exp(i(K zR -Я Я
2(2л) р,я4
4Д
На фиг.2 приведены численные расчеты диаграммы направленности параметрического излучателя конкретного латериала пластины — стали, Вычислялась величина (е Q K01 К02 h /2PoCo ) V1 Ч2 I, иллюстРи РУю2 3 щая угловое распределение волны разностной частоты в зависимости от частот накачки.
Вычисления проводились при частоте в1=1,5 и частоте N2, изменяющейся от ас до
19г0,(в, = —,(1-Со /С1)(1-С /Сг)—
2 12 Со 2 2 2 2
„г г пороговая частота, отвечающая возникновению направленного излучения иэ пластины в среду). При са < в1 (графики 1,2) направление максимума излучения слабо зависит от частоты, а при вг > в1 (графики
3,4) угол излучения заметно увеличивается.
Такое поведение объясняется тем, что поскольку с ростом в значение и "острота" функции Ч(йА V) увеличиваются, направление излучения и его уровень определяется тем из сомножителей Ч(в, v), который отвечает большей частоте o), Поскольку при изменении вг (са < в1) частота ж1 оставалась фиксированной, изменений в диаграмме направленности не возникало.
Когда же частота аг стала больше в„поведение диаграммы направленности стало определяться величиной Ч(cuz, v).Т.о, полученный результат подтверждает возможность управления диаграммой направленности параметрического излучателя путем изменения частот накачки, Расчеты подтверждают также наличие узкой диаграммы направленности параметрического излучения, так для рассматриваемого ñëóчая стальной пластины она может состав2,1о
Амплитуда волны разностной частоты пропорциональна произведению амплитуд взаимодействующих волн, Основным фактором, ограничивающим предельно допустимый уровень излучения волны разностной частоты (a значит и КПД) параметрической антенны, является кавитационный порог, Формула изобретения
Способ параметрического излучения акустических колебаний, включающий формирование двух взаимодействующих высокочастотных полей накачки посредством возбуждения в твердотельном волноводе упругих волн, отличающийся тем, что, с целью его упрощения и обеспечения возможности управления диаграммой направ1768319 и)),2 — частоты возбуждения;
Р2 z — амплитуды возбуждающих сосредоточенных сил;
О= (с()) - Nz I — разностная частота;
5 Ко),2 = N),2/Сс — волновые числа в среде;
Со — скорость звука в среде;
pc, — плотность среды;
e — нелинейный параметр среды, h — толщина волновода;
10 С1 =-(Eh/(m(1- о )))" — скорость квазипродольной волны в пластине, находящейся в вакууме;
С =(Eh/(2m(1+ о) r)) — модифицированная скорость сдвиговой волны;
15 Š— модуль Юнга; и — коэффициент Пуассона;
m — масса пластины, приходящаяся на единицу площади;
20 т =л /12 — поправочный коэффициент. возбуждают изгибные волны и изменяют параметры возбуждения в соответствии с выражением д, E Q F1 F2 К01 K0241(9} V2ф)
Р > (®23)
4ЛСO рр (1-о. = (sin  — — 2),сео 9
12Ñs С2 С1 (1 + — 1 — (s1n о - вЂ,) — †„ (1 — — — 1 (sin 8 в †) (sin 8 в †),I 12Со С2 С1 PnCо 12С1 C) С2 2, где Р(в, (а, Я - амплитуда звукового давления в дальней зоне, приведенная к расстоянию 1м от 1источника для волновода в форме пластины; с - угол между нормалью к поверхности волновода и направлением излучения; 0.52 (2 26 О iп гС SO Ы $12 Ы 70 йг.2 Составитель Л. Казаков Техред M.Mîpãåêòýë Корректор П. Гереши Редактор B. Бер Заказ 3606 Тира>к Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.. 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагаоина, 101
