СПОСОБ ПОДАВЛЕНИЯ НЕЛИНЕЙНОГО ПОГЛОЩЕНИЯ ЗВУКА Российский патент 1994 года по МПК G10K11/16 

Изобретение относится к методам излучения интенсивных волн и передачи звуковой энергии на большие расстояния и может быть использовано в технике активной локации - гидролокаторах дальнего действия, параметрических акустических приборах различного назначения.

Известен способ подавления нелинейного поглощения звука путем помещения в поле источника звуковых волн плоского отражателя из акустически мягкого материала. Известно, что по мере распространения первоначально синусоидальной волны конечной амплитуды (ВКА) наблюдается искажение ее формы, приводящее к увеличению крутизны передних фронтов, и далее - к образованию пилообразной волны. Увеличение крутизны волновых фронтов приводит к возрастанию поглощения волны. Со спектральной точки зрения этот процесс соответствует передаче энергии полезной волны в ее высшие гармоники, генерирующиеся по мере распространения в среде ВКА и сильно поглощаемые вследствие более высокой частоты (см.Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Под ред. И.П.Голяминой. М. : Советская энциклопедия, 1979, с.230, 232). Отражение пилообразной ВКА от акустически мягкого отражателя приводит к изменению ее фазы на 180^о, т. е. к образованию неустойчивой пилообразной волны, которая по мере распространения от отражателя подвергается "обратному" искажению, т.е. превращается снова в синусоидальную. При этом большая часть энергии, занесенной в высших гармонических составляющих искаженной ВКА, регенерирует в основную гармонику - сигнальную волну. Таким образом, изменение фазы на 180^о сохраняет энергию в сигнальной волне, которая в противном случае перекачивается в высшие гармоники и диссипирует за счет их повышенного линейного поглощения (см.Muir T.C., Mellenbruch L.L., Lockwood I.C. Reflection of finite amplitude waves in a parametric array. - I.Acoust. Soc.Am., 1977, v.62, N 2, р.271-276.; Дюдин Б.В., Панченко П.В., Фирсов И.П. Повышение эффективности параметрических излучателей - в Межведомств. тематич.сб. Прикладная акустика. Таганрог, ТРТИ, вып. 10, 1983, с.97).

Недостатками описанного способа являются неполная регенерация энергии высших гармонических составляющих в основную гармонику, связанная с дополнительными дифракционными фазовыми набегами, которые появляются в спектре искаженной ВКА при ее распространении от источника до отражателя (см. Robert H. Mellen, D. G.Browning J.Acouts. Soc. Am., 1968, vol.44, N 2, рр. 646-647); сложность технической реализации, связанная с необходимостью изготовления плоского отражателя, близкого по своим акустическим свойствам к идеально мягкой границе; использование отражателя приводит к увеличению габаритов, а элементы его крепления усложняют конструкцию устройства, реализующего способ.

Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ, который заключается в помещении в среду распространения звуковых волн резонансных поглотителей, настроенных на частоту второй гармоники исходной волны. Известно, что процессы генерации высших гармоник в квадратично-нелинейной среде, каковыми является большинство реальных сред, происходят с участием второй гармоники, например 3ω_o= 2ω_o+ω_o , 4ω_o=2ω_o+2ω_o и т.д. Поэтому, подавив с помощью резонансных поглотителей генерацию второй гармоники, можно значительно ослабить и генерацию высших гармонических составляющих, а следовательно, и нелинейное поглощение исходной волны. (Руденко О.В. К проблеме искусственных нелинейных сред с резонансными поглотителями. Акустический журнал, 1983, т.ХХ1Х вып.3; Андреев В.Г., Руденко О.В. О процессах неискаженного распространения и эффективного удвоения частоты интенсивной акустической волны в нелинейных селективно-поглощающих средах. - В кн.: Прикладная акустика. Таганрог: ТРТИ, 1983, вып.1Х, с.3-7).

Рассмотренный способ не позволяет подавлять нелинейное поглощение волн, частота второй гармоники которых не совпадает с частотой резонансного поглощения поглотителей. Кроме того, необходимость введения в среду резонансных поглотителей затрудняет практическую реализацию способа в реальных средах и условиях, приводит к усложнению конструкции, увеличению габаритов устройств, в которых реализуется способ.

Целью изобретения является расширение частотного диапазона подавления нелинейного поглощения, упрощение реализации способа в реальных средах.

Цель достигается тем, что подавление нелинейно генерируемой в среде второй гармоники сигнальной волны, в отличие от прототипа, происходит путем излучения в среду в направлении распространения сигнальной волны дополнительно волны с удвоенной частотой с фазой 180^о и амплитудой 1/4 относительно частоты, фазы и амплитуды сигнальной волны.

Наличие отличительных признаков обуславливает соответствие заявляемого технического решения критерию "новизна". Заявляемый способ соответствует также критерию "существенные отличия", поскольку не обнаружено решений с признаками, отличающими заявляемый способ от прототипа.

Излучение в среду волны удвоенной частоты с относительной фазой 180^о препятствует развитию каскадных процессов генерации высших гармоник сигнальной волны, а следовательно, и нелинейному поглощению сигнальной волны. Происходит это за счет подавления генерации 2-й гармоники сигнальной волны, синфазной с сигнальной волной (см.М.Б.Виноградова и др. Теория волн. М.: Наука, 1979, с.189, формула 2.2), так как ее появлению препятствует излучаемая волна, имеющая равную со 2-й гармоникой частоту, но противоположная ей по фазе. С другой стороны, относительно малая амплитуда дополнительно излучаемой волны по отношению к сигнальной волне (1/4) не позволяет развиться процессам генерации комбинационных волн от взаимодействия сигнальной волны и излучаемой волны удвоенной частоты. Таким образом, заявляемый способ, в отличие от прототипа, позволяет подавлять нелинейное затухание сигнальной волны конечной амплитуды любой частоты, для этого необходимо только, чтобы дополнительно излучаемая волна имела вдвое большую частоту и указанные выше амплитуду и фазу. Кроме того, заявляемый способ не требует для своего осуществления создания искусственных нелинейных сред, как в прототипе, и, следовательно, может использоваться в реальных условиях, например, в морской воде, в воздухе или в других средах.

Фазовый сдвиг волны удвоенной частоты относительно сигнальной волны является оптимальным для проявления эффекта вырожденного параметрического усиления (см.О.В.Руденко. О параметрическом взаимодействии бегущих звуковых волн. Акустический журнал, 1974, т.20, вып.1, с.108-111), при котором энергия из волны накачки (в данном случае излучаемой волны удвоенной частоты) перекачивается в сигнальную волну, приводя к ее усилению. Таким образом, помимо замедления нелинейного поглощения сигнальной волны при излучении в среду волны удвоенной частоты с относительной фазой 180^о будет наблюдаться даже некоторое увеличение ее амплитуды. Приведем строгое доказательство возможности подавления нелинейного поглощения, когда вместе с сигнальной волной в среду излучается волна удвоенной частоты с относительной фазой 180^о. В этом случае граничное условие для колебательной скорости в волне будет иметь вид
V_x=o=V₁ sin ωτ +V₂ sin(2ωτ+π ), (1) где V₁ и V₂ - амплитуды колебательной скорости в сигнальной волне и в волне удвоенной частоты соответственно;
τ= t - Х/С_o - время в сопровождающей системе координат. Распространение плоских волн в идеальной квадратично-нелинейной среде описывается уравнением Римана
- = 0, (2) где ε - параметр нелинейности;
С_о - скорость распространения волн в невозмущенной среде. Его решение при указанном граничном условии имеет вид неявной функции
v = v₁sin + x + v₂sin2ωτ + x+. (3)
Введем обозначения: А=v₂/v₁; u=v/v₁, Z = x = , где Хр - расстояние образования разрыва в волновом профиле распространяющейся отдельно сигнальной волны, тогда выражение (3) запишется в виде u = sin( ωτ+Zu)+A sin (2 ωτ+2 Zu+π ). (4)
Выражение для компонент ряда Фурье
C_n= sin{ωτ+Zu)+Asin(2ωτ+2Zu+Π)}e^-jnωτd(ωτ) нелинейно искажающейся ВКА, задаваемой граничным условием (1) после взятия интеграла, позволяет получить формулу для амплитуды n-й гармонической составляющей ВКА в виде ряда по функциям Бесселя
u_n= 2C = I_n+2l(nZ)I_e(AnZ), (5) которая при А=о переходит в известное выражение для одиночной монохроматической волны (см.М.Б.Виноградова и др. Теория волн. М.: Наука, 1979, с.191).

На фиг.1 показано поведение амплитуды первой гармоники ВКА (сигнальной волны) в зависимости от расстояния для двух случаев: 1) А=о, т.е. волна удвоенной частоты с относительной фазой 180^о не излучается, в среде распространяется только сигнальная волна (кривая 1 на фиг.1); 2) A = 1/4, что означает излучение в среду вместе с сигнальной волной также волны удвоенной частоты с относительной фазой 180^о и амплитудой 1/4 от амплитуды сигнальной волны (кривая 2 на фиг.1). Видно, что уменьшение амплитуды сигнальной волны, связанное с нелинейным поглощением, во втором случае гораздо меньше, чем в первом, а на начальном участке во втором случае (кривая 2) наблюдается даже небольшое увеличение амплитуды сигнальной волны, что в общем подтверждает приведенные выше качественные рассуждения.

На фиг.2 приведена зависимость расстояния образования разрыва в профиле волны от амплитуды дополнительно излучаемой волны; на фиг.3 приведена структурная схема устройства, технически реализующего заявляемый способ.

Способ подавления нелинейного поглощения звука заключается в том, что в среду, где распространяется сигнальная волна частоты ω в направлении ее распространения дополнительно излучают волну удвоенной частоты 2 ω. Причем фаза этой волны составляет 180^о относительно фазы сигнальной волны, а амплитуда 1/4 от амплитуды сигнальной волны.

Если фаза дополнительно излучаемой волны отличается от значения 180^о, то полной компенсации нелинейно генерируемой второй гармоники сигнальной волны не произойдет и, следовательно, возрастет ее нелинейное поглощение, причем в тем большей степени, чем больше это отличие.

Отличие амплитуды дополнительно излучаемой волны от указанного выше значения также приведет к усилению нелинейного поглощения, в чем легко убедиться, рассмотрев зависимость расстояния образования разрыва Z_р в профиле волны от относительной амплитуды дополнительно излучаемой волны А. Эту зависимость можно определить из условия ∞, где v определяется выражением (3). Ее график приведен на фиг.2. Видно, что при A = 1/4 имеет место максимум Z_p= , что говорит о наименьшем нелинейном поглощении при таком значении амплитуды дополнительно излучаемой волны.

Структурная схема устройства, технически реализующего заявляемый способ, приведена на фиг.3. Устройство содержит генератор гармонического сигнала 1 изменяемой частоты ω , выход которого подключен к входу первого усилителя 2 мощности, выход которого соединен с входом первого электромеханического преобразователя 3. К выходу генератора 1 также последовательно подключены удвоитель 4 частоты, фазовращатель 5, второй усилитель 6 мощности и второй электромеханический преобразователь 7.

Работает устройство следующим образом. Сигнал частоты ω, вырабатываемый генератором 1, усиливается усилителем 2 мощности и излучается в среду преобразователем 3 в виде сигнальной волны частоты ω. С выхода генератора 1 сигнал поступает также на вход удвоителя 4 частоты, с выхода которого сигнал удвоенной частоты 2 ω проходит через фазовращатель 5 и усилитель 6 мощности, где, соответственно, приобретает относительный сдвиг фазы 180^о и усиливается. С выхода усилителя 6 мощности сигнал поступает на вход второго преобразователя 7, который излучает его в среду в виде волны удвоенной частоты 2 ω с относительным сдвигом фазы 180^о и амплитудой 1/4 от амплитуды сигнальной волны. Таким образом, описываемое устройство позволяет излучать в среду сигнальную волну конечной амплитуды, нелинейное поглощение которой ослаблено благодаря одновременному с ней излучению волны удвоенной частоты с указанными выше амплитудой и фазой. Причем подавление нелинейного поглощения возможно практически на любой частоте ω, задаваемой генератором 1.

Известно, что нелинейное поглощение звука является амплитудно-зависимым и растет с увеличением амплитуды акустической волны (см. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Под ред. И. П.Голяминой. М.: Советская энциклопедия, 1979, с. 230), что препятствует передаче акустических сигналов на большие расстояния. Поэтому использование способа в гидролокационной технике дальнего действия позволит существенно увеличить реальную дальность действия гидролокационных устройств. Кроме того, заявляемый способ может найти широкое применение в параметрических гидроакустических устройствах различного назначения, работающих, как правило, в режиме излучения интенсивных волн накачки. Здесь уменьшение нелинейного поглощения волн накачки позволит увеличить длину области их взаимодействия, что повысит эффективность преобразования их энергии в волну разностной частоты (см.статью: Дюдин Б.В.. и др. Повышение эффективности параметрических излучателей. - В кн.: Прикладная акустика. - Таганрог, ТРТИ, 1983, вып. V, с.97-104).

Использование: техническая акустика, в частности методы излучения и передачи звуковой энергии, техника активной локации, методы параметрического возбуждения волн. Сущность изобретения: способ заключается в подавлении второй гармоники генерируемой волны путем излучения в одном с ней направлении дополнительной волны. Частота, фаза и амплитуда этой волны выбраны в соотвествии с соотношениями приведенными в описании. 3 ил.

СПОСОБ ПОДАВЛЕНИЯ НЕЛИНЕЙНОГО ПОГЛОЩЕНИЯ ЗВУКА, заключающийся в подавлении второй гармоники генерируемой волны, отличающийся тем, что, с целью расширения частотного диапазона и повышения технологичности, подавление второй гармоники осуществляют путем излучения в направлении генерируемой волны дополнительной волны, частоту f₂, фазу ϕ₂ и амплитуду A₂ которой выбирают в соответствии со следующими соотношениями:
f₂ = 2f₁ ;
ϕ₂ = 2ϕ₁ + 180^о;
A₂ = A₁,
где f₁ , ϕ₁ , A₁ - соответственно частота, фаза и амплитуда основной гармоники генерируемой волны.