Нелинейный параметрический акустический приемник Советский патент 1992 года по МПК H04R1/44 

со

С

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

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

Известен параметрический гидрофон для приема низкочастотной (НЧ) звуковой волны, содержащий расположенные в водной среде на расстоянии L друг от друга высокочастотные (ВЧ) излучатель и приемник звуковых волн. В таком гидрофоне, представляющем собой антенну бегущей волны, происходит нелинейное взаимодействие сигнальной волны низкой частоты Я и высокочастотной.волны накачки со , в результате чего об разуются волны комбинационных частот о) ± О.

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

Известен апертурный параметрический акустический приемник, содержащий последовательно расположенные на одной

оси два высокочастотных излучателя накачки, плоскопараллельный слой нелинейной среды, импеданс которой совпадает с импедансом окружающей жидкости, и отстоящий на расстояние R0 от слоя приемник. Расстояние RO определяется расстояниями eh, d2 между излучателями накачки и слоем, а также частотами (1)1,0)2 излучателей накачки и частотой Q принимаемой низкочастотной волны (Ro Оэ ( - )1 где QO - - ftJ2 ± Q.)

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

Целью изобретения является упрощение конструкции.

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

VJ

СО

о ел о

акустические излучатель накачки продольных волн и приемный гидрофон, слой нелинейной среды выполнен в виде круглой пластины из твердого материала, в которой коаксиальноустановлен излучатель накачки в виде цилиндра, причем произведение плотности и скорости продольных волн в материале пластины отличается от произведения плотности и скорости звука в окружающей среде, а радиус R пластины определяется соотношением

R .л(т +3/4) , (1)

где со - частота возбуждения излучателя накачки,

с, v- скорость продольных волн и коэффициент Пуассона для материала пластины,

m - целое число,

толщина пластины h определяется соотношением

(2)

где Д.-длина волны низкой частоты QB окружающей среде;

/Ц - длина волны комбинационной частоты «Из 2ш ± QB материале пластины;

п - целое число,

расстояние между приемником и пластиной D Рф, где РФ - расстояние Фраунгофера на частоте (ik для пластины.

Изобретение основано на использовании для приема звуковых волн четырехвол- нового взаимодействия в акустическом резонаторе. Акустическим резонатором является круглая тонкая пластина, выполненная из твердого материала, импеданс для продольных волн которого (т.е. произведение плотности материала на скорость продольных волн в нем) отличен от импеданса окружающей среды (жидкости). В центре пластины, коаксиально ей, установлен цилиндрический излучатель накачки продольных волн, частота ш которого выбирается в соответствии с соотношением (1). При возбуждении излучателя в пластине возникает бегущая цилиндрическая (расходящаяся) волна с волновым вектором К. Поскольку излучатель находится в центре пластины-резонатора, в ней возникает также отраженная от края резонатора бегущая к центру (сходящаяся) цилиндрическая волна с той же частотой и и волновым вектором -К, При падении на пластину низкочастотной волны с частотой Q и волновым вектором К в ней вследствие кубичной нелинейности материала пластины происходит взаимодействие трех указанных волн. Результатом этого взаимодействия является рождение четвертой волны с частотой (Ds (i) + (i)± QH волновым векто- - --S--.

ром Кз К - К ± К ±К, которая излучается в окружающую пластину среду. Таким образом, пластина представляет собой излучатель комбинационной частоты % 2со ± Q . Для эффективного излучения пластиной волны частоты УЗ необходимо обеспечить акустическое согласование пластины с окружающей средой, для чего толщина h пластины выбирается в соответствии с соотношением (2). Радиус R

пластины определяется необходимой шириной 6b диаграммы направленности и связан с ней соотношением

20

R«A/20b

(3)

5

0

5

0

5

0

5

Как известно, поле давления такого излучателя определяется фазовым распределением источников комбинационной частоты 0s по апертуре (плоской) пластины, которое, в свою очередь определяется низкочастотной волной(Q, К). При нормальном падении волны (Q, К) на пластину источники комбинационной частоты ш$ синфазным го апертуре пластины, и она создает пучок(Шз, Кь) вдоль акустической оси. Диаграмма направленности излучателя (пластины) формируется в волновой зоне, т.е. на расстоянии, определяемом соотношением (3), где расположен приемник.

При наклонном падении волны (О, К) на пластину появляется расфазировка вторичных источников частоты ufe по апертуре пластины и она излучает волну (Шв, Ks) под углом к акустической оси, в результате чего амплитуда сигнала принимаемого гидрофоном падает. Это и является механизмом формирования ДН предлагаемого параметрического гидрофона.

Поскольку в устройстве используется только один излучатель накачки, который расположен в твердотельной пластине (нелинейном слое) и представляет с ней одно целое, то конструкция предлагаемого устройства проще, чем известного,

Следует отметить, что параметрический приемник обладает высокой эффективностью вследствие как сильной акустической нелинейности материала пластины, так и возможностью создания более интенсивной волны накачки в твердотельном резонаторе- пластине, чем в воде, где интенсивность накачки ограничена порогом кавитации.

На чертеже изображена схема одного из вариантов устройства.

Нелинейный параметрический акустический приемник содержит круглую металлическую пластину 1 из твердого материала. В конкретном варианте исполнения пластина 1 выполнена из меди (С 3,5- 105см/с, ,3). Радиус пластины R, ее толщина h выбраны в соответствии с соотношениями (1, 2) и равны, соответственно 25 и 2,3, см. В центре пластины 1, коаксиально ей, жестко закреплен цилиндрический излучатель 2 продоль- ных волн. Цилиндрический излучатель 2 установлен в центре пластины 1 и является сплошным цилиндром. Для обеспечения эффективного взаимодействия волн накачки и сигнала необходимо, радиус г излуча- теля и радиус R пластины удовлетворяли соотношению . В конкретном варианте исполнения радиус г равен 1,5 см, его высота h равна 2,3 см. Частота излучателя выбрана в соответствии с соотношением (1) и совпадает с резонансной частотой четвертой моды () пластины 1, равной f а) /2 ТЕ 33 кГц. На акустической оси пластины 1 на расстоянии D, выбранном в соответствии с соотношением D Ј/Рф(в кон- кретном варианте D 10 м), установлен гидрофон 3 (например, гидрофон типа 8103, 8100 фирмы Брюль и Къер).

Параметрический приемник работает следующим образом.

При возбуждении цилиндрического изт лучателя на указанной частоте в пластине 1 возбуждаются резонансные колебания на этой же частоте. При падении на пластину 1 распространяющейся в воде низкоча- стотной волны с частотой F Q/27T 10 кГц ( Л 15 см) в пластине возбуждаются тол- щинные колебания на комбинационной частоте fs Ok /2 п 76 кГц. На этой частоте длина волны AS в медной пластине состав- ляет 4,6 см. Толщина пластины, как указано выше, выбрана равной 2,3 см, т.е. половине длины волны (). Таким образом, пластина 1 излучает в окружающую среду акустическую волну с частотой fs 76 кГц.

Диаграмма направленности пластины 1, как излучателя, формируется на расстоянии Вф, где и установлен гидрофон 3. Ширина диаграммы ЭЬ направленности параметрического гидрофона определяется соотношением (3) и в конкретном варианте составляет 6b 15°. Поворот диаграммы направленности осуществляется синхронным вращением всей системы, например, вокруг центра пластины 1. Формула изобретения Нелинейный параметрический акустический приемник, содержащий соосно уста- новленные акустический излучатель накачки продольных ,волн, нелинейный элемент и приемный гидрофон, отличающийся тем. что, с целью упрощения конструкции, нелинейный элемент выполнен в виде круглой пластины из твердого материала, а излучатель накачки выполнен цилиндрической формы и установлен коаксиально пластине, при этом радиус R пластины определен соотношением:

R -

л(т + 3/4)

где о) - частота возбуждения излучателя накачки;

с, V- скорость продольных волн и коэффициент Пуассона для материала пластины;

m - целое число,

толщина h пластины определена соотношением:

где Л- длина волны низкой частоты Q в окружающей среде;

As - длина волны комбинационной частоты 2л ± QB материале пластины;

п - целое число,

а расстояние между приемным гидрофоном и пластиной D 6ф, где Рф - расстояние Фраунгофера на частоте ah 5 для пластины.

Л