СПОСОБ АКТИВНОГО ЗВУКОГАШЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК G10K11/16 

Способ активного звукогашения относится к технике активного подавления звуковых полей и может быть использован в акустических системах для необратимого гашения мешающих акустических излучений различных источников, в устройствах акустического противодействия для подавления эхо-сигналов от защищаемых объектов, в частности в военном деле для предотвращения обнаружения подводных аппаратов и различных объектов.

Известен способ активного звукогашения, состоящий в следующем. В среде, где распространяется подавляемая сигнальная волна с частотой ω, коллинеарною и совместно с нею излучается низкочастотная интенсивная волна накачки с частотой Ω. При этом выполняется условие Ω≪ω. Взаимодействие сигнальной волны с интенсивной волной накачки в нелинейной среде (например, в воде, воздухе и др.) приводит к генерации волн с комбинационными частотами ω±kΩ, где k= 1, 2, 3,... Перераспределение энергии сигнальной волны в продукты ее взаимодействия с накачкой (в комбинационные волны) является причиной повышенного поглощения сигнальной волны (см. Красильников В.А., Крылов В.В. Введение в физическую акустику. - М., Наука, 1984, с. 91-93; Moffet М.В., Konrad W. L. , Carlton L.F. Experimental demonstration of the absorption of sound by sound in water. - Journal of the Acoustical Society of America, 1978, vol.63, p.1048-1051).

Общим признаком аналога с заявляемым способом является излучение в направление распространения подавляемой сигнальной волны и совместно с нею интенсивной волны накачки.

Недостатками этого способа являются:
- попадание образовавшихся в процессе нелинейного взаимодействия сигналов с частотами ω±kΩ в полосу пропускания приемного тракта поискового локатора (из-за условия Ω≪ω), поскольку по своему абсолютному значению эти частоты близки к частоте подавляемой сигнальной волны. Поэтому вместо подавленной сигнальной волны приемником поискового локатора будут приняты эхо-сигналы с частотами ω±kΩ, что в конечном счете приводит к обнаружению защищаемого объекта;
- пространственное распределение амплитуды подавляемой сигнальной волны с частотой ω имеет сложный осциллирующий характер (см. Красильников В.А., Крылов В.В. Введение в физическую акустику, с. 93), в котором наряду с областями с сильным ослаблением амплитуды сигнальной волны присутствуют области, где подавление практически отсутствует;
- сложность технической реализации способа, связанная с необходимостью использования низкочастотных излучателей, имеющих большие весогабаритные показатели, для направленного излучения волны накачки;
- низкая эффективность подавления низкочастотных волн, т.к. при понижении частоты сигнальной волны снижается и частота накачки, что приводит к значительному удлинению области взаимодействия, в то время как объективно протяженность этой области нужно уменьшать, чтобы сигнальная волна не могла дойти до приемника.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу активного звукогашения является способ, реализованный в системе подавления звука (пат. США 4255797, кл. Н 04 К 3/00, G 01 S 3/80. Опубл. БИ 9, 1982 г.), заключающийся в том, что в направление распространения подавляемой сигнальной волны совместно и коллинеарно с нею излучают волну накачки достаточно большой интенсивности, частота которой ω_н близка к частоте сигнальной волны ω_c, но вместе с тем отличается от нее не менее чем на 10%. Благодаря нелинейному взаимодействию с интенсивной волной накачки часть энергии подавляемой сигнальной волны переносится в продукты взаимодействия, т.е. в комбинационные волны с частотами nω_c±mω_н, где n, m=1, 2, 3, ..., что ведет к поглощению сигнальной волны.

Общим признаком прототипа с заявляемым способом является излучение в направление распространения подавляемой сигнальной волны и совместно с нею интенсивной волны накачки.

К недостаткам прототипа следует отнести:
- низкая эффективность подавления сигнальной волны при нелинейном взаимодействии сигнальной волны и волны накачки, имеющих близкие частоты;
- низкие защитные свойства способа в устройствах противодействия, обусловленные тем, что пришедшая к локатору волна накачки, имеющая большую амплитуду и частоту, близкую к частоте сигнальной волны, может быть зарегистрирована приемным трактом облучающего локатора из-за конечной ширины полосы пропускания и неидеальности его амплитудно-частотной характеристики, что демаскирует защищаемый объект;
- низкая эффективность подавления низкочастотных сигналов, т.к. при понижении частоты сигнальной волны снижается и частота накачки, что приводит к значительному удлинению области взаимодействия, в то время как объективно протяженность этой области нужно уменьшать, чтобы сигнальная волна не могла дойти до приемника.

Перед авторами стояли задачи:
- увеличить эффективность звукогашения;
- предотвратить возможность попадания волны накачки в полосу пропускания приемного тракта локатора;
- обеспечить подавление низкочастотного сигнала высокочастотной накачкой с целью уменьшения протяженности области эффективного звукогашения.

Техническим результатом изобретения является улучшение защитных свойств способа активного звукогашения для акустических систем противодействия и обеспечение возможности подавления низкочастотного сигнала высокочастотной накачкой.

Технический результат достигается тем, что в направление распространения подавляемой сигнальной волны совместно с нею излучают интенсивную волну накачку, частота и начальная фаза которой больше в два раза частоты и начальной фазы подавляемой сигнальной волны.

Изобретение соответствует критерию изобретательский уровень, новизна и промышленная применимость, поскольку не обнаружено решений с признаками, отличающими заявляемый способ от прототипа.

Возможность достижения технического результата подтверждается следующими теоретическими выводами.

Рассмотрим задачу поглощения звука звуком в рамках плосковолновой модели в квадратично-нелинейной среде в доразрывной области. Волновые процессы в такой среде описываются уравнением простых волн

где ν - колебательная скорость в волне; х - пространственная координата, вдоль которой распространяется волна; τ = (t-x/c₀)- время в сопровождающей системе координат; с₀ - скорость звука в среде распространения; ε - параметр нелинейности среды (кн. : Виноградова М.Б., Руденко О.В., Сухоруков А.П. Теория волн - М.: Наука, 1990, с.317) имеет точное решение в виде

где f - произвольная функция, определяемая граничными условиями.

Решение (2) описывает трансформацию исходного возмущения в нелинейной среде с расстоянием. Выражение (2) имеет физический смысл вплоть до расстояния x_p, начиная с которого в профиле волны происходит формирование разрыва - участка волны с бесконечно большим градиентом колебательной скорости (кн. : Виноградова M. Б. и др. Теория волн). Считая, что х≤х_p, получим для простой волны , имеющей период, равный 2π, выражение комплексного спектра

где ω - круговая частота; пространственная координата, нормированная на расстояние образования разрыва в основной гармонике исходной волны; u = ν/ν₀₁, где ν₀₁- начальная амплитуда (при x=0) основной гармоники. Выберем начало отсчета на оси (ωτ) так, чтобы выполнялось условие

произведем замену ξ = ωτ+zu и, проинтегрировав дважды по частям, получим

Для решения задачи подавления слабой сигнальной волны интенсивной волной накачки зададим граничное условие в виде

где ν_c0 и ν_н0- начальные амплитуды, ω_c и ω_н- частоты, ϕ_c и ϕ_н- начальные фазы сигнальной волны и накачки, соответственно. Решение уравнения (1) для граничного условия (4) имеет вид

Для упрощения дальнейших преобразований будем считать, что
ω_н= nω₀;
ω_c= mω₀,
тогда ω_c/ω_н= m/n = B, где m, n ∈ N. Поэтому, там, где необходимо в дальнейшем переходить к континууму, следует ω_н и ω_c рассматривать как пределы


Введем обозначения

u = ν/ν_н0;
A = ν_c0/ν_н0,
где, из постановки задачи всегда следует условие А<<1. С учетом новых обозначений решение (5) принимает вид

Для нахождения комплексного Фурье-спектра этого решения введем в (6) новую переменную
ξ = ω₀τ+z₀u
и подставим полученное выражение в интеграл (3) вместо f(ξ). Получим

Далее будем рассматривать ту компоненту спектра, которая соответствует сигнальной волне, т.е. примем k=m

Воспользуемся известными формулами


(см. кн. : Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров - М.: Наука, 1984, с. 781), получим

или

где
m - pn - sm = 0 (7)
Если переобозначить

тогда получим

Выразим из соотношения (7)

где m/n - несократимая дробь (т.к. интегрирование производилось по наибольшему периоду) и перейдем к вещественной форме записи. Тогда для сигнальной волны получим

Учитывая, что порядок функций Бесселя J_k(z) является целым числом, удобно ввести новый индекс суммирования l - s = in, где i = N, тогда

Поскольку амплитуда сигнальной волны много меньше амплитуды накачки (А<<1), то выражение (9) описывает поведение сигнальной волны в области z<1, где z=1 соответствует расстоянию формирования разрыва в волне накачки.

Воспользуемся выражением (9) для сравнения прототипа с заявляемым решением. Прототипу в (9) соответствует случай, когда В≈1, т.е. m≈n>>1. Поэтому, переходя к пределу в выражении (9) при В-->1 (m,n_→∞), получим

где z' - координата, нормированная на расстояние образования разрыва в волне накачки при условии, что B≈1. При выводе (10) использовался тот факт, что при Bz≤1, ABz≤1 (что имеет место при z<1) и i≠0 справедливы пределы:
lim_m→∞J_im(Bz) = 0;
lim_n→∞J_1-in(ABz) = 0.
Таким образом, при взаимодействии волн с близкими частотами (в прототипе В≈1) амплитуда сигнальной волны уменьшается с расстоянием по закону (10) и не зависит от соотношения начальных фаз сигнальной волны и накачки.

В заявляемом способе B= 1/2 (при m=1, n=2), подставляя которое в (9), получим

где z" - координата, нормированная на расстояние образования разрыва в волне накачки при B=1/2. Члены ряда в последнем выражении быстро убывают с ростом i, поскольку z"/2≤1 и Az"/2≤1. Поэтому слагаемые при i>1 и i<0 можно отбросить (при этом погрешность составит не более 3%) и получим

Из анализа полученного выражения следует, что в данном случае поведение сигнальной волны зависит от соотношения начальных фаз сигнальной волны ϕ_c и накачки ϕ_н, причем максимальное ее подавление будет при
ϕ_н-2ϕ_c= 0. (12)
При этом выражение (11) примет вид

Таким образом, взаимодействие слабой сигнальной волны с интенсивной волной накачки при ω_н= 2ω_c и ϕ_н= 2ϕ_c сопровождается поглощением первой по закону (13).

Для сравнения эффективности подавления сигнальной волны в прототипе и в заявляемом способе необходимо учесть разницу пространственных масштабов в (10) и (13), т.к. z"=2z'. На фиг.1 приведены графики зависимости нормированной амплитуды сигнальной волны ν_c/ν_c0 от расстояния для двух рассматриваемых режимов подавления, рассчитанные по (10) и (13) при А=0,1 и приведенные к общему масштабу z=z"=2z'. Видно, что подавление сигнальной волны в заявляемом решении (кривая 1) более эффективно, чем в прототипе (кривая 2). Так, например, при z=1 выигрыш составляет 1,36 раза, имея тенденцию к увеличению при z>1 (фиг.1).

Для точного решения задачи при z>1 необходимо учитывать образующиеся в волне накачки разрывы, однако качественная картина от этого не изменится (см. , например, Руденко О.В., Солуян С.И. Теоретические основы нелинейной акустики. М.: Наука, 1975, с.162, рис.VI.6, кривая при ϕ=0) в силу того, что при z>1 продолжает действовать тот же физический механизм подавления звука.

Физический механизм поглощения сигнальной волны в заявляемом способе и прототипе можно объяснить, используя метод возмущений. Воспользуемся уравнением (1), заменив в нем производную ∂ν/∂x отношением достаточно малых, но конечных приращений, тогда величину

можно рассматривать как малую добавку к полю исходных волн, обусловленную их взаимодействием на малом расстоянии Δx. Вводя новые переменные

получим:

При граничном условии (4), представленном с учетом введенных переменных в виде
u(z = 0) = sin(ω_нτ+ϕ_н)+Asin(ω_cτ+ϕ_c),
поправка первого порядка к полю исходных волн, описывающая результат взаимодействия исходных волн, содержит компоненты с частотами ω_н±ω_c,

Взаимодействие этих комбинационных компонент с накачкой (в рамках второго приближения) приводит к генерации волны с частотой, равной частоте сигнальной волны

но находящейся к сигнальной волне в противофазе, см. знак минус в (15). При В≈1 убыль амплитуды сигнальной волны в прототипе на малом расстоянии Δz согласно (15) имеет второй порядок малости относительно Δz (где Δz<<1). Подставив в (14) В=1/2 и ϕ_н= 2ϕ_c убеждаемся, что в заявляемом способе убыль амплитуды сигнальной волны имеет первый порядок малости относительно Δz

т.е. подавление происходит более эффективно, чем в прототипе.

Таким образом, в заявляемом способе подавление сигнала происходит уже на первом этапе взаимодействия с накачкой ( поправка первого порядка малости). В прототипе же подавление сигнальной волны носит "двухступенчатый" характер ( поправка второго порядка малости): вначале идет взаимодействие сигнала и накачки с образованием комбинационных волн, а лишь потом взаимодействие комбинационных волн с накачкой, приводящее к подавлению сигнала.

Дополнительным преимуществом заявляемого способа при использовании в устройствах противодействия является двукратное отличие частот сигнала и накачки, что исключает попадание сигнала накачки в полосу пропускания приемного тракта поискового локатора. Подавление низкочастотного сигнала высокочастотной накачкой значительно упрощает техническую реализацию способа. Все это подтверждает возможность получения заявленного технического результата.

Предлагаемое изобретение поясняется приведенными графическими материалами.

На фиг. 1 показаны зависимости нормированной амплитуды подавляемой сигнальной волны от расстояния для заявляемого способа (кривая 1) и прототипа (кривая 2). На фиг.2 представлена структурная схема устройства, реализующего способ.

Предлагаемый способ активного звукогашения заключается в том, что в направление распространения подавляемой сигнальной волны с частотой ω_c и начальной фазой ϕ_c совместно с нею излучают интенсивную волну накачки с удвоенной частотой ω_н= 2ω_c и удвоенной начальной фазой ϕ_н= 2ϕ_c. Взаимодействие этих волн приводит к поглощению сигнальной волны ν_c.
Структурная схема устройства, реализующего заявляемый способ, представлена на фиг.2. Устройство состоит из приемной антенны 1, к выходу которой последовательно подключены избирательный усилитель 2, удвоитель частоты 3, фазовращатель 4, усилитель мощности 5, излучающая антенна 6.

Работает устройство следующим образом. Подавляемая сигнальная волна ν_c/ с частотой ω_c попадает на приемную антенну 1, где преобразуется в электрический сигнал, который усиливается избирательным усилителем 2 и поступает на вход удвоителя частоты 3. С выхода удвоителя частоты 3 сигнал удвоенной частоты ϕ_н= 2ϕ_c поступает на вход фазовращателя 4, где приобретает такой фазовый сдвиг Δϕ_н, что после усиления усилителем мощности 5 и излучения антенной 6 интенсивная волна накачки ν_н имеет начальную фазу ϕ_н= 2ϕ_c, где ϕ_c- начальная фаза сигнальной волны. Совместное распространение в среде подавляемой сигнальной волны и излучаемой интенсивной волны накачки приводит к поглощению сигнальной волны.

Изобретение относится к технике активного подавления звуковых полей. Способ активного звукогашения заключается в том, что в направление распространения подавляемой сигнальной волны, совместно и коллинеарно с нею излучают волну накачки с амплитудой, значительно большей амплитуды сигнальной волны, а частота и начальная фаза излучаемой волны больше в два раза частоты и начальной фазы подавляемой волны. В результате увеличивается эффективность звукогашения, обеспечивается подавление низкочастотного сигнала высокочастотной накачкой. Предотвращается попадание накачки в полосу пропускания приемного тракта локатора. 2 ил.

Способ активного звукогашения, заключающийся в том, что в направление распространения подавляемой сигнальной волны, совместно и коллинеарно с нею излучают волну накачки с амплитудой, значительно большей амплитуды сигнальной волны, отличающийся тем, что частота и начальная фаза излучаемой волны больше в два раза частоты и начальной фазы подавляемой волны.