Способ повышения эффективности параметрической акустической излучающей антенны и устройство для его реализации

Использование: изобретение относится к области гидроакустики, а именно к способам и устройствам активной локации. Сущность: способ повышения эффективности параметрической акустической излучающей антенны основан на размещении электроакустического преобразователя с пьезоэлементом с заданной резонансной частотой /2 = и полосой пропускания, соответствующей диапазону волны разностной частоты в среде лоцирования, подаче на пьезоэлемент электроакустического преобразователя с выхода излучающего тракта электрических сигналов, формировании в среде лоцирования пространственной области коллинеарного распространения и нелинейного взаимодействия интенсивных ультразвуковых волн накачки, генеррации волны разностной частоты с циклической частотой . Новым является то, что формируют многокомпонентный сигнал возбуждения, генерируя в излучающем тракте колебаний одинаковой амплитуды и с одинаковой начальной фазой в момент времени (, с частотами , последовательно отличающимися одна от другой на и находящимися в полосе пропускания пьезоэлемента, и подают с выхода излучающего тракта на пьезоэлемент с резонансной циклической частотой электрический многокомпонентный сигнал возбуждения, представляющий собой сумму колебаний, а регулировку эффективности генерации и корректировку параметров поля компонентной волны разностной частоты с циклическими частотами , формируемого параметрической излучающей антенной, осуществляют путем отключения или противофазного включения заданного набора составляющих. Способ реализуется с помощью устройства, включающего опорный генератор, формирователь задержанных импульсов, схем совпадения, делителей частоты, аналоговый ключ, сумматор, амплитудный модулятор, импульсный генератор, усилитель мощности, электроакустический преобразователь, блок управления и регулировки. Технический результат: повышение эффективности за счет обеспечения возможности управления генерацией волны разностной частоты параметрической излучающей антенной и корректировки параметров формирующего ультразвукового поля. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 13 ил.

 

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к способам и устройствам активной локации, которые позволяют формировать в гидроакустическом канале низкочастотное ультразвуковое излучение в заданном телесном угле, в частности, использующих режим параметрического излучения (РПИ).

Генерирование низкочастотных сигналов и их излучение являются сложной научно-технической проблемой, поскольку эффективная работа интерференционной антенны имеет место при ее достаточных волновых размерах. Следовательно, гидроакустические интерференционные антенны для осуществления направленного излучения на частотах в единицы и десятки герц должны иметь значительные весогабаритные характеристики.

Данного недостатка лишена параметрическая излучающая антенна (ПИА) (см. Гидроакустика за 20 лет (по материалам 80-го съезда Акустического общества США). Пер. с англ. под редакцией Ю.Ф.Тарасюка, Л., Судостроение, 1975, 176 с. глава 4. Корабельные гидроакустические антенны, §17 Новые направления разработок низкочастотных гидроакустических излучателей, с.161 -167), функционирование которой основано на нелинейном взаимодействии ультразвуковых волн конечной амплитуды – накачки с частотами , которые, распространяясь в реальной водной среде, обладающей нелинейностью упругих свойств, формируют гидродинамические возмущения комбинационных частот, в частности, волну разностной частоты (ВРЧ) . Однако вследствие того, что нелинейные явления являются эффектами второго порядка, задача повышения эффективности «энергетической перекачки» волн накачки в ВРЧ является актуальной.

Пространственное распределение амплитуд звукового давления ВРЧ, формирующегося в области взаимодействия ПИА, определяется характеристиками как среды распространения (нелинейный параметр , плотность , скорость звука и коэффициенты затухания волн накачки и ВРЧ ), так и параметрами электроакустического преобразователя (ЭАП) - (амплитуды звукового давления волн накачки с частотами у поверхности ЭАП, его полоса пропускания, т.е. значение циклической ВРЧ и расстояние дифракции для ВРЧ). Причем, если величина амплитуд звукового давления ВРЧ прямо пропорциональна значениям нелинейного параметра и характеристикам ЭАП, то плотность и скорость звука – обратно пропорциональны. В этой связи, повышение эффективности генерации ВРЧ ПИА может быть достигнуто несколькими путями: 1) увеличение амплитуд звукового давления волн накачки за счет искусственного изменения геометрических параметров зоны взаимодействия; 2) заполнение зоны нелинейного взаимодействия ультразвуковых волн конечной амплитуды твердой или жидкой промежуточной средой, которая в сравнении с водой, обладает повышенной величиной нелинейного параметра и дисперсией скорости ультразвука. 3) выбор вида модуляции и соответствующих схем формирования электрических сигналов в излучающем тракте для возбуждения ЭАП. Отметим, что если два первых направления в управлении эффективностью генерации ВРЧ ПИА могут найти применение в сфере гидроакустических бассейновых или полигонных измерений, но имеют ограниченную применимость при конструировании антенных конструкций гидроакустических систем активной локации, размещаемых на мобильных носителях, то третье – может оказаться универсальным.

Однако в настоящее время из уровня техники в гидроакустической аппаратуре с ПИА для ВРЧ не известна реализация возможности как управления эффективностью генерации, так и корректировки параметров формирующего ультразвукового поля низкочастотной ВРЧ за счет применения многокомпонентных фазосвязанных сигналов накачки в схемах формирования.

Из уровня техники известен способ повышения эффективности генерации ВРЧ ПИА за счет «управления» квадратичной нелинейностью среды распространения при размещении дискретно-слоистой вещественной среды в области нелинейного взаимодействия (см. «Нелинейные взаимодействия в слоистых и неоднородных средах» / Заграй Н.П., Таганрог: Изд-во ТРТУ, 1998, с. 36 – 55, 111 – 217). В этом же источнике сведений раскрыто устройство для реализации способа, содержащее два генератора электрических сигналов с частотами и ( < < и /2 = ), последовательно соединенные через линейный сумматор, импульсный модулятор, управляющий вход которого соединен с выходом импульсного генератора, усилитель мощности, режекторный фильтр и ЭАП, снабженный пьезоэлементом, и элементами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции, пьезоэлемент которого колеблется на основной толщиной моде (резонансная частота ) в режиме одностороннего поршневого излучения в среду лоцирования, а также систему из дискретных плоскопараллельных слоев веществ в области нелинейного взаимодействия, расположенных перпендикулярно по отношению к направлению распространения волн накачки.

Указанный способ реализуется следующим образом:

- размещают ЭАП, снабженный пьезоэлементом и элементами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции, в среде лоцирования, таким образом, чтобы в пространстве его акустическая ось была направлена в заданном направлении;

- обеспечивают работоспособность ЭАП за счет использования обратного пьезоэлектрического эффекта, который проявляется в возникновении деформации (сжатие, растяжение) пьезоэлемента под воздействием приложенного к нему переменного электрического поля:

- применяют пьезоэлемент простой геометрической формы (стержень, пластина, диск) с заданными резонансной частотой и расположением сплошных электродов («сигнальный», «общий»);

- подают на поверхность сплошного «сигнального» электрода пьезоэлемента с резонансной частотой с выхода излучающего тракта электрический двухкомпонентный сигнал возбуждения, в виде биений колебаний двух генераторов с частотами и , амплитуды которых изменяются по гармоническому закону;

- обеспечивают режим односторонней передачи колебаний в среду лоцирования для пьезоэлемента и, соответственно, поршневое (равномерное) распределение амплитуды смещения его излучающей поверхности, т.е. сплошного «общего» электрода, и за счет передачи частицам среды энергии осуществляют распространение ультразвуковых волн с циклическими частотами и волновыми векторами ;

- формируют в среде лоцирования общую пространственную область как коллинеарного распространения, так и нелинейного взаимодействия интенсивных ультразвуковых волн с частотами и , включающую в себя ближнюю (еще плоские волновые поверхности) и дальнюю (уже сферические волновые поверхности) зоны образовавшейся ПИА;

- генерируют за счет квадратичной нелинейности среды распространения и при выполнении временного и пространственного согласования интенсивных ультразвуковых волн спектральные компоненты комбинационных частот, соответствующие условиям синхронизма и (например, образованию ВСЧ соответствует знак «+», а ВРЧ – знак «-», , - волновые векторы взаимодействующих ультразвуковых волн и волн комбинационных частот соответственно);

- перестраивают в пределах полосы пропускания пьезоэлемента ЭАП величины частот и электрических сигналов генераторов и, соответственно, параметры выходного сигнала излучающего тракта, обеспечивая генерацию ВРЧ в необходимом диапазоне частот;

- размещают в области нелинейного взаимодействия в направлении от ЭАП набор дискретных однородных веществ (1, 2, 3, ), образующих многослойную систему различных сред;

- подбирают для системы из дискретных плоскопараллельных слоев веществ в области нелинейного взаимодействия, расположенных перпендикулярно по отношению к направлению распространения ультразвуковых волн накачки, различные как волновые резонансные толщины, так и сочетания их физических параметров (плотность , скорость звука , нелинейный параметр ), что позволяет их рассматривать как совокупность нелинейных акустических резонаторов, влияющих на протекание нелинейных явлений;

- осуществляют заданное повышение эффективности нелинейного взаимодействия за счет «управления» квадратичной нелинейностью среды распространения, в частности, генерацией ВРЧ. Общее выражение для амплитуды формирующегося поля ВРЧ с дискретно-слоистой вещественной средой в области нелинейного взаимодействия может быть представлено в виде

, (1)

где - выражения, описывающие поперечные и продольные апертурные множители в каждом отдельном -том слое, - модуль переменного вектора, соединяющий начало координат (), расположенное внутри области нелинейного взаимодействия, с точкой наблюдения (), удаленной на большое расстояние.

Однако, указанный способ повышения эффективности генерации ВРЧ ПИА за счет «управления» квадратичной нелинейностью среды распространения при размещении дискретно-слоистой вещественной среды в области нелинейного взаимодействия обладает рядом недостатков:

1) наличие в области нелинейного взаимодействия последовательности из дискретных однородных слоев веществ с резонансными толщинами приводит к уменьшению результирующей полосы пропускания «слоистой» пространственной структуры, приводя к снижению широкополосности режима параметрического излучения ВРЧ, обусловленного соответствующим изменением частот волн накачки, что снижает практическую применимость способа при конструировании гидроакустических антенных систем;

2) для генерации волн комбинационных частот в области нелинейного взаимодействия необходимо выполнение условий синхронизма для сигналов накачки, т.е. выполнение их временного и пространственного согласования внутри объема ПИА. Между тем, наличие в области нелинейного взаимодействия многослойной системы различных вещественных сред, физические параметры которых изменяются «скачкообразно», вносит искажения в фазировку непрерывно генерирующихся спектральных компонент, снижая возможность практической осуществимости способа;

3) ЭАП, снабженный набором из дискретных однородных слоев веществ (1, 2, 3, ) с резонансными толщинами, которые образуют многослойную систему различных сред в прилегающей к нему области нелинейного взаимодействия ПИА, не может эффективно функционировать в режиме приема эхосигналов от обнаруженных объектов;

4) как следует из соотношения (1), амплитуда формирующегося поля ВРЧ с дискретно-слоистой вещественной средой в области нелинейного взаимодействия прямо пропорциональна квадрату циклической ВРЧ , откуда следует, что для режима параметрического излучения (РПИ) в низкочастотном диапазоне значительно снижается эффективность ПИА;

5) в устройстве, реализующем данный способ, затруднена для ВРЧ практическая возможность как управления эффективностью генерации, так и оперативной корректировки параметров формирующегося ультразвукового поля вследствие применения двухкомпонентного сигнала накачки.

Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического результата, является отсутствие возможности для ПИА на ВРЧ как управления эффективностью генерации, так и корректировки параметров формирующего ультразвукового поля за счет применения многокомпонентных фазосвязанных сигналов накачки в схемах формирования.

Признаки, совпадающие с заявляемым способом:

- размещают ЭАП, снабженный пьезоэлементом и элементами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции, в среде лоцирования;

- применяют пьезоэлемент простой геометрической формы (стержень, пластина, диск) с заданными резонансной частотой и расположением сплошных электродов («сигнальный», «общий»);

- подают на поверхность сплошного «сигнального» электрода пьезоэлемента с резонансной частотой с выхода излучающего тракта электрические сигналы возбуждения, амплитуды которых изменяются по гармоническому закону, а величины частот находятся в полосе пропускания пьезоэлемента;

- обеспечивают для пьезоэлемента режим односторонней передачи колебаний в среду лоцирования и, соответственно, поршневое (равномерное) распределение амплитуды смещения его излучающей поверхности, обеспечивая распространение интенсивных ультразвуковых волн за счет передачи частицам среды энергии;

- формируют в среде лоцирования общую пространственную область как коллинеарного распространения, так и нелинейного взаимодействия интенсивных ультразвуковых волн с частотами и , включающую в себя ближнюю (еще плоские волновые поверхности) и дальнюю (уже сферические волновые поверхности) зоны образовавшейся ПИА;

Известен способ управления эффективностью генерации ВРЧ ПИА за счет формирования насыщенной парогазовыми пузырьками среды, обладающей повышенной нелинейностью в сочетании с дисперсией скорости звука в области неколлинеарного распространения и нелинейного взаимодействия волн накачки, (пат. США 6704247 High efficiency parametric sonar, G01S 15/00, G01S 7/52, опубл. 9. 03. 2004). В данном патенте раскрыто устройство, реализующее способ, которое содержит два генератора электрических сигналов с частотами и ( < < и /2 = ) последовательно соединенные через линейный сумматор, импульсный модулятор, управляющий вход последнего соединен с выходом импульсного генератора, усилитель мощности, режекторный фильтр и два ЭАП, снабженные каждый пьезоэлементом и элементами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции, а также дополнительный излучающий тракт, содержащий последовательно подключенные высокочастотный генератор, усилитель мощности и третий высокочастотный ЭАП, также снабженный пьезоэлементом и узлами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции, который функционирует в непрерывном режиме, образуя за счет кавитации в области неколлинеарного распространения и нелинейного взаимодействия насыщенную парогазовыми пузырьками среду.

Способ по указанному патенту осуществляется следующим образом:

- в среде лоцирования в угломестной плоскости рядом друг с другом размещают два одинаковых ЭАП, снабженные каждый пьезоэлементом и элементами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции так, чтобы в пространстве пересечение их акустических осей составляло острый угол , причем, проекции их акустических осей на азимутальную плоскость были направлены в общем направлении;

- применяют пьезоэлемент простой геометрической формы (стержень, пластина, диск) с заданными резонансной частотой и сплошными электродами («сигнальный», «общий»);

- подают на поверхности сплошного «сигнального» электрода обоих пьезоэлементов с резонансной частотой с выхода излучающего тракта электрический сигнал возбуждения, например, двухкомпонентный с частотами и , амплитуды которых изменяются по гармоническому закону;

- обеспечивают для обоих пьезоэлементов режим односторонней передачи колебаний в среду лоцирования и, соответственно, поршневое (равномерное) распределение амплитуды смещения его излучающей поверхности, т.е. сплошного «общего» электрода, что за счет передачи частицам среды энергии вызывает распространение ультразвуковых волн с циклическими частотами и волновыми векторами ;

- формируют в среде лоцирования общую пространственную область неколлинеарного распространения и нелинейного взаимодействия двух волн, например, с циклическими частотами и волновыми векторами , имеющую сложную двухпучково-пересеченную форму, включающую в себя ближнюю (еще плоские волновые поверхности) и дальнюю (уже сферические волновые поверхности) зоны образовавшейся ПИА;

- генерируют за счет квадратичной нелинейности среды распространения и при выполнении временного и пространственного согласования интенсивных ультразвуковых волн спектральные компоненты комбинационных частот, соответствующие условиям синхронизма и (например, образованию ВСЧ соответствует знак «+», а ВРЧ – знак «-», , - волновые векторы взаимодействующих ультразвуковых волн и волн комбинационных частот соответственно;

- располагают в среде под областью неколлинеарного распространения и нелинейного взаимодействия двух волн с частотами и волновыми векторами третий высокочастотный ЭАП, акустическая ось которого проходит через середину области неколлинеарного распространения и нелинейного взаимодействия;

создают в области неколлинеарного распространения и нелинейного взаимодействия двух волн насыщенную парогазовыми пузырьками среду за счет излучения вверх непрерывного ультразвукового сигнала третьим высокочастотным ЭАП в кавитирующем режиме, позволяя изменять эффективность генерации ВРЧ.

Принцип функционирования аналога определяется процессом генерации ВРЧ в жидкости с пузырьками газа с радиусом при нелинейном взаимодействии двух волн накачки с циклическими частотами и амплитудами звукового давления волн накачки у поверхности ЭАП. Для случая <<, близости концентраций резонансных пузырьков для волн накачки () и условии << ( - добротность пузырька) параметр нелинейности среды определяется соотношением (см. Кобелев Ю.А., Островский Л.А. Модели газожидкостной смеси, как нелинейной диспергирующей среды. – В кн.: Нелинейная акустика. Горький, ИПФ АН СССР, 1980, с. 143 -160)

, (2)

где - длина волны на частоте , 8. Соотношение, описывающее осевое распределение амплитуды звукового давления ВРЧ, формируемого после прохождения волн накачки через пузырьковый слой длиной в области нелинейного взаимодействия, имеет вид

, (3)

где - площадь излучателя, - расстояние до гидрофона, - коэффициент затухания волны с циклической частотой , - радиус пузырьков, резонансная частота которых равна .

Однако рассмотренный способ повышения эффективности ПИА за счет формирования насыщенной парогазовыми пузырьками среды обладает рядом недостатков:

1) работоспособность способа ограничена тем, что отсутствует возможность изменения взаимного расположения в угломестной плоскости двух одинаковых ЭАП, приводящее к невозможности регулировки как длины, так и ширины области взаимного пересечения и, соответственно, нелинейного взаимодействия интенсивных ультразвуковых волн накачки, которая попадает в область насыщенную парогазовыми пузырьками;

2) практическая реализация способа затруднительна, поскольку в реальной системе практически всегда имеются резонансные пузырьки, что оказывает влияние не только на нелинейность, но и на диссипацию энергии, внося искажения в фазировку непрерывно генерирующихся спектральных компонент;

3) в способе область неколлинеарного распространения и нелинейного взаимодействия имеет сложную двухпучково-пересеченную форму, причем, результирующая ХН ПИА может иметь «трехдольный» основной лепесток ХН (две «доли» в направлениях распространения двух мощных монохроматических сигналов накачки с частотами , которые составляет острый угол друг относительно друга, что при практической реализации способа может внести неоднозначность в угловые координаты при обнаружении цели;

4) указанный способ касается синтеза только продольной составляющей пространственной структуры поля ПИА, в то время как поперечные (краевые) эффекты не учитываются, в частности, влияние различных поперечных распределений амплитуд смещения по поверхности пьезоэлемента ЭАП, излучающего два мощных монохроматических сигнала накачки с частотами ;

Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического результата, является отсутствие возможности для ПИА на ВРЧ как управления эффективностью генерации, так и корректировки параметров формирующего ультразвукового поля за счет применения многокомпонентных фазосвязанных сигналов накачки в схемах формирования ПИА.

Признаки, совпадающие с заявляемым способом:

- размещают ЭАП, снабженный пьезоэлементом и элементами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции, в среде лоцирования, таким образом, чтобы в пространстве его акустическая ось была направлена в заданном направлении;

- подают на поверхность сплошного «сигнального» электрода пьезоэлемента с резонансной частотой с выхода излучающего тракта электрические сигналы возбуждения, амплитуды которых изменяются по гармоническому закону, а величины частот находятся в полосе пропускания пьезоэлемента;

- обеспечивают для пьезоэлемента режим односторонней передачи колебаний в среду лоцирования и, соответственно, поршневое (равномерное) распределение амплитуды смещения его излучающей поверхности, т.е. сплошного «общего» электрода;

- формируют в среде лоцирования общую пространственную область как коллинеарного распространения, так и нелинейного взаимодействия интенсивных ультразвуковых волн с частотами и , включающую в себя как ближнюю (еще плоские волновые поверхности), так и дальнюю (уже сферические волновые поверхности) зоны образовавшейся ПИА;

- генерируют за счет квадратичной нелинейности среды распространения и при выполнении временного и пространственного согласования интенсивных ультразвуковых волн «новые» спектральные компоненты - волны комбинационных частот, соответствующие условиям синхронизма и (например, образованию ВСЧ соответствует знак «+», а ВРЧ – знак «-», , - волновые векторы взаимодействующих ультразвуковых волн и волн комбинационных частот соответственно);

Наиболее близким аналогом заявляемого способа является способ повышения эффективности генерации ВРЧ для ПИА за счет использования трехкомпонентной (амплитудно-модулированной) волны накачки (см. Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика – Л.: Судостроение, 1981. § 10.1. Схемы формирования сигналов. с.138 – 154), распространяющейся в области нелинейного взаимодействия. В этом же источнике описано устройство, с помощью которого он реализуется, содержащее генераторы электрических колебаний высокой частоты и частоты модуляции, выходы которых через последовательно соединенные амплитудный модулятор, импульсный модулятор, управляющий вход которого соединен с выходом импульсного генератора, усилитель мощности, режекторный фильтр и ЭАП, снабженный пьезоэлементом и элементами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции, причем пьезоэлемент колеблется на основной толщиной моде (резонансная частота ) в режиме одностороннего поршневого излучения в среду лоцирования.

Данный способ основан на следующем:

- размещают электроакустический преобразователь, включающий пьезоэлемент с заданной резонансной частотой /2 = и полосой пропускания соответствующей диапазону волны разностной частоты в среде лоцирования,

- подают на пьезоэлемент электроакустического преобразователя с выхода излучающего тракта электрические сигналы, амплитуды которых изменяются по гармоническому закону, а величины частот колебаний находятся в полосе пропускания пьезоэлемента,

- формируют в среде лоцирования пространственную область коллинеарного распространения и нелинейного взаимодействия интенсивных ультразвуковых волн накачки, включающую в себя ближнюю и дальнюю зоны образованной параметрической излучающей антенны,

- генерируют за счет квадратичной нелинейности среды распространения первую НЧ - гармонику ВРЧ, частота которой совпадает с частотой модуляции.

Сигнал гармонической однотонной амплитудной модуляции имеет вид где и - мгновенное и амплитудное значение электрического сигнала, - коэффициент модуляции, причем, максимально возможное значение боковых спектральных составляющих при равно , а фазы симметричны относительно фазы несущего колебания, - несущая частота, - частота модуляции, /2 = . Режим параметрического излучения при таком методе формирования позволяет генерировать величину амплитуды звукового давления первой НЧ – гармоники ВРЧ на 3 дБ большую, чем при любой другой схеме формирования. Средняя мощность на ВРЧ-компоненте составляет 33% от пиковой мощности монохроматического сигнала.

Однако рассмотренный способ повышения эффективности ПИА за счет использования амплитудно-модулированной (АМ) волны накачки обладает рядом недостатков:

1) для создания ПИА с использованием трехкомпонентной (амплитудно-модулированной) волны накачки полоса пропускания электронного тракта и ЭАП должна быть равна удвоенной частоте модулирующего колебания, что создает определенные трудности при реализации электронных схем формирования и конструкции антенной системы;

2) реализация схемы формирователя с амплитудно-модулированными колебаниями (АМК) обусловливает наличие высокого уровня генерации второй НЧ – гармоники с частотой , которая образуется в водной среде при взаимодействии двух боковых составляющих;

3) эффективность ПИА снижена за счет «паразитной» генерации второй НЧ гармоники ВРЧ с частотой , амплитуда которой при стопроцентной модуляции (=1) всего в раз отличается от амплитуды первой гармоники ВРЧ;

4) в способе повышения эффективности ПИА за счет реализация схемы формирователя с АМК ограничены возможности как управления эффективностью ПИА, так и оперативной корректировки параметров формирующего ультразвукового поля низкочастотной ВРЧ, при нелинейном взаимодействии трех дискретных спектральных составляющих накачки с частотами отсутствует как учет влияния фазовых соотношений, так и анализ возможности повышения эффективности ПИА при использовании многокомпонентного сигнала накачки.

Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического результата, является отсутствие возможности для ПИА на ВРЧ как управления эффективностью ПИА, так и корректировки параметров формирующего ультразвукового поля при использовании многокомпонентного сигнала накачки в схемах формирования ПИА.

Признаки, совпадающие с заявляемым способом:

- размещают электроакустический преобразователь, включающий пьезоэлемент с заданной резонансной частотой /2 = и полосой пропускания соответствующей диапазону волны разностной частоты в среде лоцирования,

- подают на пьезоэлемент электроакустического преобразователя с выхода излучающего тракта электрические сигналы, амплитуды которых изменяются по гармоническому закону, а величины частот колебаний находятся в полосе пропускания пьезоэлемента,

- формируют в среде лоцирования пространственную область коллинеарного распространения и нелинейного взаимодействия интенсивных ультразвуковых волн накачки, включающую в себя ближнюю и дальнюю зоны образованной параметрической излучающей антенны,

- генерируют волну разностной частоты с циклической частотой ,

Основной задачей изобретения является улучшение эксплуатационных качеств гидроакустической аппаратуры с параметрическим режимом излучения (РПИ).

Технический результат заключается в повышении эффективности за счет обеспечения возможности управления генерацией волны разностной частоты параметрической излучающей антенной и корректировки параметров формирующего ультразвукового поля.

Заявляемый результат достигается тем, что в известном способе управления эффективностью генерации волны разностной частоты параметрической излучающей антенной, основанном на том, что

размещают электроакустический преобразователь, включающий пьезоэлемент с заданной резонансной частотой /2 = и полосой пропускания соответствующей диапазону волны разностной частоты в среде лоцирования,

подают на пьезоэлемент электроакустического преобразователя с выхода излучающего тракта электрические сигналы, амплитуды которых изменяются по гармоническому закону, а величины частот колебаний находятся в полосе пропускания пьезоэлемента,

формируют в среде лоцирования пространственную область коллинеарного распространения и нелинейного взаимодействия интенсивных ультразвуковых волн накачки, включающую в себя ближнюю и дальнюю зоны образованной параметрической излучающей антенны,

генерируют волну разностной частоты с циклической частотой

дополнительно формируют многокомпонентный сигнал возбуждения, генерируя в излучающем тракте колебаний одинаковой амплитуды и с одинаковой начальной фазой в момент времени , с частотами , последовательно отличающимися одна от другой на , и находящимися в полосе пропускания пьезоэлемента,

подают с выхода излучающего тракта на пьезоэлемент с резонансной циклической частотой электрический многокомпонентный сигнал возбуждения, представляющий собой сумму колебаний, имеющую вид

, (5)

где - средняя частота возбуждения, - промежуток времени , необходимый для формирования сигнала ,

формируют в среде лоцирования пространственную область коллинеарного распространения и нелинейного взаимодействия интенсивной компонентной ультразвуковой волны накачки, включающую в себя ближнюю и дальнюю зоны образовавшейся параметрической излучающей антенны,

генерируют в параметрической излучающей антенне компонентную волну разностной частоты с циклическими частотами , определяемую нелинейными взаимодействиями в среде распространения заданного количества из спектральных компонент волны накачки с циклическими частотами , , ,…;

осуществляют регулировку эффективности генерации и корректировку параметров поля компонентной волны разностной частоты с циклическими частотами , формируемого параметрической излучающей антенной путем отключения или противофазного включения заданного набора составляющих из спектральных компонент волны накачки.

Предпочтительно, чтобы регулировка эффективности генерации и корректировка параметров поля первой компоненты волны разностной частоты с циклической частотой осуществлялась путем противофазного включения относительно остальных центральных составляющих из спектральных компонент волны накачки.

Оптимально, чтобы регулировка эффективности генерации и корректировка параметров поля второй компоненты волны разностной частоты с циклической частотой осуществлялась путем противофазного включения центральных составляющих из спектральных компонент волны накачки относительно других, например, при шестикомпонентном сигнале накачки используют спектральные составляющие с номерами 3 и 4 с отрицательными амплитудами, сохраняя положительную амплитуду составляющих 1, 2, 5, 6.

Оптимально регулировку эффективности генерации и корректировку параметров поля третьей компоненты волны разностной частоты с циклической частотой осуществлять путем одновременного противофазного включения групп составляющих из спектральных компонент волны накачки относительно других, например, при шестикомпонентном сигнале накачки использовать спектральные составляющие 1, 2 и 3 с положительными амплитудами, а спектральные составляющие с номерами 4, 5 и 6. с отрицательными амплитудами.

Компоненты волны разностной частоты с циклическими частотами оптимально формировать с учетом квадратичной нелинейности среды локации, и значений ее свойств - нелинейного параметра , плотности , скорости звука и коэффициентов затухания и многокомпонентных волн накачки и разностной частоты, с обеспечением временного и пространственного согласования интенсивных ультразвуковых многокомпонентных волн накачки.

Предпочтительно использовать электроакустический преобразователь, содержащий заданное количество пьезоэлементов, образующих излучающую апертуру.

Оптимально использовать пьезоэлемент, выполненный из пьезокерамики, в форме стержня резонансного размера , где - скорость звука в стержне, - резонансная частота его колебаний.

Поставленная задача решается устройством для реализации способа, которое содержит опорный генератор, формирователь задержанных импульсов, схем совпадения, делителей частоты, аналоговый ключ, сумматор, амплитудный модулятор, импульсный генератор, усилитель мощности, электроакустический преобразователь, блок управления и регулировки, при этом первый выход опорного генератора через формирователь задержанных импульсов соединен со вторыми входами схем совпадения, выходы которых через делители частоты соединены с сигнальными входами аналогового ключа, а схемы совпадения и делители частоты образуют параллельно включенных звеньев, выходы схем совпадения из предыдущих звеньев соединены с первыми входами схем совпадения из последующих звеньев, первый сигнальный вход аналогового ключа через делитель частоты соединен с выходом опорного генератора, подключенного к входу схемы совпадения первого звена из схем совпадения, выход аналогового ключа через сумматор, амплитудный модулятор и усилитель мощности соединен со входом электроакустического преобразователя, управляющий вход амплитудного модулятора соединен с управляющим выходом импульсного генератора, управляющий вход аналогового ключа соединен со вторым выходом блока управления и регулировки, а его первый и третий выходы соединены соответственно с управляющими входами опорного генератора, и импульсного генератора.

Электроакустический преобразователь содержит пьезоэлемент и элементы экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции.

Заявляемые способ и устройство связаны единым изобретательским замыслом и позволяют решить техническую проблему повышения эффективности генерации и улучшения эксплуатационных характеристик, за счет создания в схеме формирования ПИА электрического многокомпонентного сигнала возбуждения, представляющего собой сумму колебаний, вызывающую распространение компонентной волны накачки в водной среде.

Заявляемый способ и устройство для его реализации поясняются следующими чертежами.

На фиг.1 изображена структурная схема устройства для реализации способа;

на фиг.2 представлены эпюры электрических напряжений в устройстве; на фиг.3 и 4 изображены временная форма и соответствующий спектр для многокомпонентного сигнала накачки (при =5);

на фиг.5 представлен экспериментальный график изменения эффективности ПИА от числа используемых спектральных составляющих в многокомпонентном сигнале накачки;

на фиг.6 изображены экспериментальные осевые распределения уровней звуковых давлений первой компоненты ВРЧ = 16,5 кГц для различных наборов спектральных составляющих в сигнале накачки: кривая 1 - шесть сфазированных компонент, кривая 2 – две несфазированные компоненты (метод биений исходных частот);

на фиг.7 представлены экспериментальные осевые распределения уровней звуковых давлений компонент ВРЧ = 16,5 кГц, 2=33 кГц, 3=49,5 кГц, 4=66 кГц и 5=82,5 кГц (кривые 1 – 5, соответственно) для шестикомпонентного сигнала накачки;

на фиг.8 представлены экспериментальные угловые распределения уровней звуковых давлений для первой компоненты ВРЧ = 16,5 кГц при сфазированном шестикомпонентном сигнале накачки (кривая 1) и двух несфазированных компонентах (метод биений исходных частот, кривая 2);

на фиг.9 и фиг.10 представлена информация для сопоставления результатов экспериментов, в частности представлены два набора осевых распределений уровней звуковых давлений ВРЧ, генерируемых ПИА при разных режимах формирования компонент сигнала накачки и прочих равных условиях: фиг.9 - шесть сфазированных компонент (заявляемый способ) ВРЧ = 16,5 кГц, 2=33 кГц, 3=49,5 кГц, 4=66 кГц и 5=82,5 кГц (кривые 1 – 5, соответственно), фиг.10 - две несфазированные компоненты (метод биений исходных частот), ВРЧ = 16,5 кГц, 2=33 кГц, 3=49,5 кГц, 4=66 кГц и 5=82,5 кГц (кривые 1 – 5, соответственно);

на фиг.11 представлены две диаграммы, иллюстрирующие степень ослабления уровня первой компоненты ВРЧ = 16,5 кГц для сфазированного шестикомпонентного сигнала накачки от номера «манипулируемой» спектральной компоненты, которая в ходе эксперимента: или отключалась ( - пунктирная линия), или включалась в противофазе ( - сплошная линия);

на фиг.12 и фиг.13 представлена информация, иллюстрирующая возможность как управления эффективностью ПИА, так и корректировки параметров формирующего ультразвукового поля ВРЧ за счет «групповой» манипуляции спектральных составляющих шестикомпонентного сигнала накачки: фиг.12 – спектр сигнала накачки (третья и четвертая спектральные составляющие включены в противофазе) и фото экспериментальной спектрограммы для компонент ВРЧ в водной среде для ПИА, фиг.13 - спектр сигнала накачки (четвертая, пятая и шестая спектральные составляющие включены в противофазе) и фото экспериментальной спектрограммы для компонент ВРЧ в водной среде для ПИА.

Устройство для реализации способа (фиг.1, 2) содержит опорный генератор 1, первый выход которого через формирователь задержанных импульсов 2 подключен к вторым входам схем совпадения 3, выходы которых через делители частоты 4 соединены с сигнальными входами аналогового ключа 5. Схемы совпадения 3 и делители частоты 4 образуют такое же количество параллельно включенных звеньев, причем, выходы схем совпадения 3 из предыдущих звеньев соединены с первыми входами схем совпадения 3 из последующих звеньев. Выход опорного генератора 1 соединен с первым сигнальным входом аналогового ключа 5 через делитель частоты 4, и с первым входом схемы совпадения 3 из самого первого звена. Выход аналогового ключа 5 через сумматор 6, импульсный модулятор 7, усилитель мощности 9 соединен со входом ЭАП 10, вход управления импульсного модулятора 7 соединен с управляющим выходом импульсного генератора 8. Управляющие выходы блока управления и регулировок 11 соединены со входами управления аналогового ключа 5, опорного генератора 1 и импульсного генератора 8.

Настройку режимов работы ПИА можно осуществлять как автоматически, так и вручную с помощью оператора.

Работа устройства для реализации способа управления эффективностью генерации ВРЧ ПИА происходит следующим образом. По команде оператора через блок управления и настройки 11 запускается опорный генератор 1, вырабатывающий электрические сигналы , представляющие собой непрерывную последовательность импульсов с частотой при заданной полярности и фазовых соотношениях. Для осуществления набора необходимого числа компонент сигнала накачки и простоты перестройки необходимого значения сигнала разностной частоты электрический сигнал поступают на первый вход схемы совпадения 3, в то время как на второй вход схемы совпадения 3 поступает электрический сигнал с выхода формирователя задержанных импульсов 2. Если обозначить количество импульсов опорного генератора 1, помещающихся в периоде вырезания, числом , а количество вырезанных импульсов числом , то частота искомого спектра будут соотноситься следующим образом: при этом , где - частота опорного генератора, - коэффициент деления, - число делений на два. В данной схеме шаг спектра многокомпонентного сигнала накачки или «разностная» частота определяется как . Электрический сигнал с выхода формирователя задержанных импульсов подают на вторые входы (-1) схем совпадения 3, выходы которых через делители частоты 4 соединены с сигнальными входами аналогового ключа 5, причем, схемы совпадения 3 и делители частоты 4 образуют такое же количество параллельно включенных звеньев. Соединения первых входов схем совпадения 3 в параллельно включенных звеньях осуществлены исходя из того, что в каждом звене должно осуществиться понижение частоты опорного генератора 1. В этой связи выходы схем совпадения 3 из предыдущих звеньев соединены с первыми входами схем совпадения 3 из последующих звеньев. На первый сигнальный вход аналогового ключа 5 через делитель частоты 4 подается электрический сигнал с опорного генератора 1, причем, этот электрический сигнал также поступает на первый вход схемы совпадения 3 из самого первого звена из описанных выше. Итак, колебаний одинаковой амплитуды (и с одинаковой начальной фазой (в момент времени для формирования многокомпонентного сигнала возбуждения поступают на сигнальных входов аналогового ключа 5, управляющий вход которого соединен со вторым выходом блока управления и настройки 11, первый и третий выходы последнего соединены с управляющими входами опорного генератора 1, и импульсного генератора 8 ( эта связь позволяет выбрать импульсный или непрерывный режим работы ПИА). По соответствующей команде оператора 12, поступающей через блок управления и настройки 11 на управляющий вход аналогового ключа 5, устанавливается количество колебаний, необходимое для формирования заданной реализации многокомпонентного сигнала возбуждения. Заданная реализация электрического многокомпонентного сигнала возбуждения S (t), образующегося на выходе сумматора 6, представляет собой сумму колебаний, имеющую общий вид ,

где , ,

что позволяет осуществлять манипуляции с отдельными из спектральных компонент сигнала возбуждения , заключающиеся или в отключении или в противофазном включении любого набора спектральных компонент в излучающем тракте.

При все колебания находятся в фазе и при сложении образуют максимум. Но с течением времени вследствие различия их частот образуется система максимумов, и первый нуль получается в момент времени , определяемый из равенства , откуда . Нули знаменателя определяют главный максимум, период биений определяется числом главных максимумов в единицу времени, т.е. нулевыми значениями знаменателя, где =0, 1, 2, Откуда ; . На фиг. 3 и 4 изображены временная форма и спектр для многокомпонентного сигнала накачки (при =5). Из фиг.3 видно, что форма огибающей пятикомпонентного сигнала достаточна сложна, циклическая частота заполнения равна , период главных максимумов равен , а период промежуточных нулей - . Из фиг.4 видно, что в полосе пропускания пьезоэлемента расположены пять спектральных компонент сигнала накачки с частотами , каждая из которых разнесена на частотной оси на величину циклической ВРЧ . С выхода сумматора 6 многокомпонентный сигнал накачки поступает на импульсный модулятор 7, управляющий вход которого соединен с управляющим выходом импульсного генератора 8. Далее сигнал после усилителя мощности 9 поступает на пьезоэлемент электроакустического преобразователя 10. Функционирование электроакустического преобразователя 10 происходит следующим образом. Пьезоэлемент состоит целиком из пьезокерамики, которая может иметь форму, например, стержня резонансного размера , где - скорость звука в стержне, - резонансная частота его колебаний (см. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Глав. ред. И.П. Голямина. – М.: Сов. Энциклопедия, 1979. – 400 с. Нормальные колебания, с.237 -238, Пьезоэлемент, пьезоэффект, с.288 - 289). Из тракта излучения по кабелю через элементы гидро-, электро- изоляции поступает мощный импульсный электрический многокомпонентный сигнал возбуждения, частоты колебаний, например, , …, которого находятся в полосе пропускания полуволнового пьезоэлемента, причем, в силу пьезоэлектрических свойств он будет изменять свои размеры, т.е. будет совершать колебания. Эти колебания передаются в среду лоцирования, обладающую нелинейным параметром , плотностью , скоростью звука и коэффициентами затухания и многокомпонентных волн накачки и разностной частоты соответственно, и распространяются в виде импульсов , содержащих сгущения и разряжения среды. Таким образом, в протяженном участке среды, включающем ближнюю и дальнюю зоны электроакустического преобразователя 10, формируется пространственная область коллинеарного распространения и нелинейного взаимодействия интенсивных компонент накачки с частотами, например, , …. Таким образом, за счет квадратичной нелинейности среды распространения и при выполнении как временного, так и пространственного согласования интенсивных компонент накачки генерируют спектральные компоненты комбинационных ВРЧ с частотами …. Многокомпонентный сигнал накачки представляет собой последовательность сфазированных спектральных составляющих, частоты которых отличаются между собой на малую величину циклической ВРЧ , причем, в ближней зоне электроакустического преобразователя 10 их можно рассматривать как синфазно распространяющиеся колебания, так как <<1. Синфазность распространения взаимодействующих интенсивных компонент накачки эквивалентна росту плотности энергии в объеме параметрической излучающей антенны, что, соответственно, приводит к росту амплитуды компонент ВРЧ, причем, плотность энергии возрастает с ростом числа взаимодействующих компонент накачки. Основная перекачка энергии накачки идет в первую компоненту ВРЧ , что связано с тем, что ее генерируют наибольшее количество спектральных составляющих из многокомпонентного сигнала накачки, например, при пятикомпонентной накачке – ее источники образуются за счет четырех пар нелинейных взаимодействий компонент: 1 – 2, 2 – 3, 3 – 4, 4 – 5; для второй компоненты ВРЧ - за счет трех пар нелинейных взаимодействий компонент : 1 – 3, 3 – 5, 2 – 4, и т.д. Таким образом, для параметрической излучающей антенны увеличение эффективности генерации спектральных компонент комбинационных ВРЧ с частотами … наиболее существенно для наиболее низкочастотной компоненты . По команде через с блока управления и настройки 11 управляется аналоговый ключ 5, обеспечивающий поступление на вход сумматора 6 необходимого количества используемых спектральных составляющих в заданной реализации многокомпонентного сигнала накачки. На фиг.5 представлен экспериментальный график изменения в дальней зоне эффективности ПИА на первой компоненте ВРЧ от числа используемых спектральных составляющих в заданных реализациях многокомпонентных сигналов накачки. Из представленного графика следует, что увеличение количества спектральных компонент накачки приводит к росту эффективности параметрической излучающей антенны (при 3 и 4), причем, при шести компонентах накачки начинается перекачка в более высокочастотные компоненты ВРЧ и динамика прироста эффективности генерации на первой компоненте ВРЧ снижается. Таким образом, по команде через блок управления и настройки 11 с помощью, например, оператора осуществляется возможность управления эффективностью генерации первой компоненты ВРЧ для параметрической излучающей антенны.

Ниже представлены возможности корректировки параметров формирующего ультразвукового поля компонент ВРЧ … .

Преимущества предлагаемого способа подтверждены экспериментальными исследованиями, выполненными в лабораторных условиях, приведенными в примере осуществления способа.

Пример

Использовался ЭАП 10 с круглым плоским пьезоэлементом диаметром 20 мм с резонансной частотой 1,98 МГц и полосой пропускания 200 кГц, что позволяло оператору в эксперименте использовать от двух до шести спектральных составляющих (последовательно отстоящих друг от друга на = 16,5 кГц с жесткой связью по фазе, согласно фиг.3, 4) при формировании многокомпонентного сигнала накачки для ПИА. На фиг. 6 представлены экспериментальные осевые распределения уровней звуковых давлений для первой гармоники ВРЧ = 16,5 кГц для двух заданных реализаций многокомпонентных сигналов накачки: кривая 1 - шесть сфазированных компонент, кривая 2 – две компоненты (метод биений исходных частот). Для обоих исследований излучаемая средняя мощность сигналов накачки, заданная оператором, оставалась неизменной.

Из сопоставления кривых видно, что уровень звукового давления первой гармоники ВРЧ = 16,5 кГц на оси электроакустического преобразователя 10 для шестикомпонентного сигнала на 5 дБ больше уровня звукового давления ВРЧ для двухкомпонентного. Результаты измерений позволяют сделать вывод об увеличении эффективности преобразования энергии волн накачки при применении многокомпонентного сигнала с жесткой связью по фазе между его частотными составляющими. Предлагаемый способ позволяет сформировать оператору в среде лоцирования широкополосный сигнал ВРЧ, содержащий низкочастотные гармоники, что является актуальным для некоторых практических приложений, например, для классификации целей, обнаруженных в гидроакустическом канале. С этой целью оператор подает команду через блок управления и настройки 11 на вход управления аналогового ключа 5, обеспечивая поступление на вход сумматора 6 необходимого количества =6 используемых спектральных составляющих в заданной реализации многокомпонентного сигнала накачки. На фиг.7 представлены экспериментальные осевые распределения уровней звуковых давлений спектральных составляющих широкополосного сигнала, содержащего гармоники ВРЧ = 16,5 кГц, 2=33 кГц, 3=49,5 кГц, 4=66 кГц и 5=82,5 кГц (кривые 1 – 5, соответственно) для шестикомпонентного сигнала накачки, измеренные гидрофоном в дальней зоне параметрической излучающей антенны. Из кривых видно, что все пять кривых имеют максимумы различных величин (от 64 дБ до 54 дБ) на одинаковом удалении (0,18 м) от электроакустического преобразователя 10, причем, наибольшая величина максимума соответствует первой гармонике ВРЧ = 16,5 кГц, а наименьшая – пятой гармонике ВРЧ 5=82,5 кГц. Физическая причина возникновения указанной зависимости описана выше. Таким образом, в результате нелинейного взаимодействия шести спектральных составляющих сигнала накачки формируется широкополосный многокомпонентный сигнал ВРЧ, что важно как при управлении эффективностью ПИА, так и при корректировке параметров формирующего ультразвукового поля ВРЧ. Режим классификации целей, обнаруженных в гидроакустическом канале, предполагает наличие возможности регулировки угловой разрешающей способности антенных систем. На фиг.8 представлены экспериментальные угловые распределения уровней звуковых давлений для первой гармоники ВРЧ = 16,5 кГц при шестикомпонентном сигнале накачки (кривая 1) и ВРЧ той же частоты, полученного при нелинейном взаимодействии двух несфазированных компонентах (метод биений исходных частот, кривая 2). Сопоставление графиков позволяет сделать вывод о том, что как угловая ширина основного лепестка, так и уровень бокового поля ПИА с многокомпонентным сигналом накачки меньше, чем в двухчастотном режиме. Таким образом, обеспечивается возможность корректировки параметров пространственных характеристик формирующего ультразвукового поля ВРЧ.

На фиг.9 и фиг.10 отображена дополнительная информация для сопоставления возможностей корректировки оператором параметров пространственных характеристик формирующего ультразвукового поля ВРЧ за счет применения команд через блок управления и настройки 11. На них представлены результаты экспериментальных измерений семейств двух наборов осевых распределения уровней звуковых давлений ВРЧ одних и тех же частот, генерируемых ПИА при разных режимах формирования компонент сигнала накачки и прочих равных условиях: - фиг.9 - шесть сфазированных компонент накачки (предлагаемый способ, гармоники ВРЧ = 16,5 кГц, 2=33 кГц, 3=49,5 кГц, 4=66 кГц и 5=82,5 кГц (кривые 1 – 5, соответственно), фиг.10 - две компоненты накачки (метод биений исходных частот, ВРЧ = 16,5 кГц, 2=33 кГц, 3=49,5 кГц, 4=66 кГц и 5=82,5 кГц (кривые 1 – 5, соответственно). Анализ представленных данных говорит о том, что имеется возможность в соответствии с предлагаемым способом формировать в среде лоцирования широкополосный многокомпонентный сигнал ВРЧ, в спектре которого одновременно существуют пять гармоник ВРЧ = 16,5 кГц, 2=33 кГц, 3=49,5 кГц, 4=66 кГц и 5=82,5 кГц (фиг.9, кривые 1 – 5, соответственно), в то время как при двух компонентах накачки (биения двух частот) – можно генерировать в среде лоцирования по одному узкополосному сигналу ВРЧ тех же частот (фиг.10, кривые 1 – 5, соответственно). Отметим также, что различие количества взаимодействующих в среде лоцирования спектральных составляющих (фиг.9 – шесть компонент сигнала накачки, фиг.10 – две компоненты сигнала накачки) приводит к тому, что, например, уровень звукового давления ВРЧ с частотой 16,5 кГц при шестикомпонентной накачке (фиг.9, кривая 1) превышает на 15 дБ (ближняя зона) и на 6 дБ (дальняя зона) аналогичную величину при двухкомпонентной накачке (фиг.10, кривая 1).

При этом по команде через блок управления и настройки 11 обеспечивается возможность как управления эффективностью генерации, так и корректировки параметров ультразвукового поля первой компоненты ВРЧ для параметрической излучающей антенны за счет изменения начальной фазы и амплитуды спектральных составляющих шестикомпонентного сигнала накачки. На фиг.11 представлены на одном поле две диаграммы, иллюстрирующие степень ослабления уровня первой компоненты ВРЧ = 16,5 кГц для сфазированного шестикомпонентного сигнала накачки от номера спектральной компоненты, которая в ходе эксперимента: или отключалась ( - пунктирная линия), или включалась в противофазе ( - сплошная линия). Анализ представленных данных показывает: 1) амплитуда первой компоненты ВРЧ в большей степени зависит от противофазного включения спектральных составляющих, чем от ее отсутствия в спектре, например, отсутствие третьей компоненты вызывает ослабление первой компоненты ВРЧ = 16,5 кГц на 4 дБ, а противофазное включение в спектр - ослабляет первую гармонику ВРЧ = 16,5 кГц на 14 дБ; 2) проведение данных действий оператором 12 – отключение или противофазное включение спектральных составляющих накачки – корректирует уровень первой компоненты ВРЧ = 16,5 кГц в различной степени – манипуляции с крайними компонентами (первая, вторая и пятая, шестая) оказывают меньшее влияние, чем те действия с центральными (третья и четвертая).

На фиг.12 и фиг.13 представлена информация, иллюстрирующая возможность управления эффективностью генерации первой компоненты ВРЧ , и корректировки параметров формируемого ультразвукового поля за счет «групповой» манипуляции спектральных составляющих шестикомпонентного сигнала накачки: фиг.12 – спектр многокомпонентного сигнала накачки (третья и четвертая спектральные составляющие включены в противофазе) и фото экспериментальной спектрограммы для всех компонент ВРЧ в среде лоцирования для ПИА, фиг.13 - спектр сигнала накачки (четвертая, пятая и шестая спектральные составляющие включены в противофазе) и фото экспериментальной спектрограммы для всех компонент ВРЧ в среде лоцирования для ПИА.

Заявляемые способ и устройство могут найти широкое применение при проведении дноуглубительных работ, поиске заиленных и затопленных объектов, в частности, трубопроводов, при точном профилировании и эхолотировании дна и придонных слоев, оконтуривании иловых выбросов предприятий и определении толщины их слоев и т.д. В данных условиях актуально применение гидроакустических сигналов диапазона десятки-сотни Герц, формируемых ПИА с повышенной эффективностью генерации ВРЧ.

1. Способ повышения эффективности параметрической акустической излучающей антенны, основанный на том, что

размещают электроакустический преобразователь, включающий пьезоэлемент с заданной резонансной частотой /2 = и полосой пропускания, соответствующей диапазону волны разностной частоты в среде лоцирования,

подают на пьезоэлемент электроакустического преобразователя с выхода излучающего тракта электрические сигналы, амплитуды которых изменяются по гармоническому закону, а величины частот колебаний находятся в полосе пропускания пьезоэлемента,

формируют в среде лоцирования пространственную область коллинеарного распространения и нелинейного взаимодействия интенсивных ультразвуковых волн накачки, включающую в себя ближнюю и дальнюю зоны образованной параметрической излучающей антенны,

генерируют волну разностной частоты с циклической частотой ,

отличающийся тем, что

формируют многокомпонентный сигнал возбуждения, генерируя в излучающем тракте колебаний одинаковой амплитуды и с одинаковой начальной фазой в момент времени , с частотами , последовательно отличающимися одна от другой на и находящимися в полосе пропускания пьезоэлемента,

подают с выхода излучающего тракта на пьезоэлемент с резонансной циклической частотой электрический многокомпонентный сигнал возбуждения, представляющий собой сумму колебаний,

формируют в среде лоцирования пространственную область коллинеарного распространения и нелинейного взаимодействия интенсивной компонентной ультразвуковой волны накачки, включающую в себя ближнюю и дальнюю зоны образовавшейся параметрической излучающей антенны,

генерируют в параметрической излучающей антенне компонентную волну разностной частоты с циклическими частотами , определяемую нелинейными взаимодействиями в среде распространения заданного количества из спектральных компонент волны накачки с циклическими частотами , , ,…,

осуществляют регулировку эффективности генерации и корректировку параметров поля компонентной волны разностной частоты с циклическими частотами , формируемого параметрической излучающей антенной путем отключения или противофазного включения заданного набора составляющих из спектральных компонент волны накачки.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что регулировку эффективности генерации и корректировку параметров поля первой компоненты волны разностной частоты с циклической частотой осуществляют путем противофазного включения относительно остальных центральных составляющих из спектральных компонент волны накачки.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что регулировку эффективности генерации и корректировку параметров поля второй компоненты волны разностной частоты с циклической частотой осуществляют путем противофазного включения центральных составляющих из спектральных компонент волны накачки относительно других, например, при шестикомпонентном сигнале накачки используют спектральные составляющие с номерами 3 и 4 с отрицательными амплитудами, сохраняя положительную амплитуду составляющих 1, 2, 5, 6.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что регулировку эффективности генерации и корректировку параметров поля третьей компоненты волны разностной частоты с циклической частотой осуществляют путем одновременного противофазного включения групп составляющих из спектральных компонент волны накачки относительно других, например, при шестикомпонентном сигнале накачки используют спектральные составляющие 1, 2 и 3 с положительными амплитудами и спектральные составляющие с номерами 4, 5 и 6 с отрицательными амплитудами.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что компоненты волны разностной частоты с циклическими частотами формируют с учетом квадратичной нелинейности среды локации и значений ее свойств - нелинейного параметра , плотности , скорости звука и коэффициентов затухания и многокомпонентных волн накачки и разностной частоты, с обеспечением временного и пространственного согласования интенсивных ультразвуковых многокомпонентных волн накачки.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют электроакустический преобразователь, содержащий заданное количество пьезоэлементов, образующих излучающую апертуру.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют пьезоэлемент, выполненный из пьезокерамики, в форме стержня резонансного размера , где - скорость звука в стержне, - резонансная частота его колебаний.

8. Устройство для реализации способа по п. 1, содержащее опорный генератор, формирователь задержанных импульсов, схем совпадения, делителей частоты, аналоговый ключ, сумматор, амплитудный модулятор, импульсный генератор, усилитель мощности, электроакустический преобразователь, блок управления и регулировки, при этом первый выход опорного генератора через формирователь задержанных импульсов соединен со вторыми входами схем совпадения, выходы которых через делители частоты соединены с сигнальными входами аналогового ключа, а схемы совпадения и делители частоты образуют параллельно включенных звеньев, выходы схем совпадения из предыдущих звеньев соединены с первыми входами схем совпадения из последующих звеньев, первый сигнальный вход аналогового ключа через делитель частоты соединен с выходом опорного генератора, подключенным к входу схемы совпадения первого звена из схем совпадения, выход аналогового ключа через сумматор, амплитудный модулятор и усилитель мощности соединен со входом электроакустического преобразователя, управляющий вход амплитудного модулятора соединен с управляющим выходом импульсного генератора, управляющий вход аналогового ключа соединен со вторым выходом блока управления и регулировки, а его первый и третий выходы соединены соответственно с управляющими входами опорного генератора и импульсного генератора.

9. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что электроакустический преобразователь содержит пьезоэлемент и элементы экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции.