Способ параметрического излучения акустических колебаний Советский патент 1992 года по МПК B06B1/06 

Изобретение относится к гидроакустике, а именно к способам параметрического излучения, и может быть использовано при создании технических систем для акустического зондирования толщины и дна океана.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к изобретению является способ параметрического излучения, реализованный в параметрическом излучателе на поверхностных волнах.

Этот способ включает формирование двух высокочастотных полей накачки с частотами ш и ип посредством возбуждения в твердотельном волноводе двух поверхностных рэлеевских волн с фазовыми скоростями, превышающими скорость звука в среде.

Недостатками этого способа являются:

невозможность осуществления управлением диаграммой направленности, что

связано с постоянством угла излучения накачки и является прямым следствием отсутствия дисперсии у рэлеевских волн;

сложность реализации, состоящая во введении дополнительного элемента - периодически неровного участка на поверхности волновода для обеспечения трансформации объемных волн в поверхностные, и снижение при этом эффективности в результате потери энергии при трансформации.

Целью изобретения является упрощение способа и обеспечение возможности управления диаграммой направленности.

Способ реализуется с помощью твердотельного волновода (фиг.1), выполненного в форме пластины толщиной h и длиной Ц в котором сосредоточенным источником возбуждают колебания,бигармонические во времени.

Материал и толщина h пластины выбираются из условия возбуждения в пластине

(Л

С

vj о

00

00

ю

изгибных волн в заданном диапазоне частот с фазовыми скоростями Cph, превышающими скорость звука в жидкости С0. А длина L и ширина пластины S должны быть много больше длин возбуждаемых изгибных волн.

В пластине при воздействии на нее сосредоточенным источником возбуждаются волны, описываемые уравнениями Тимошенко - Миндлина,

При этом благодаря дисперсии изгиб- ных волн и дисперсии их фазовой скорости не могут выполняться условия фазового (пространственного и временного) синхронизма.

0)1 - 0)2 WBp4, К1-К2 Квр4,(1)

При выполнении этих условий происходит эффективная перекачка энергии из волн, накачки в волну разностной частоты.

Задача о нахождении звукового поля разностной частоты решается методом последовательных приближений. Волны первого приближения - волны накачки предполагаются при этом слабозатухающими и не учитываются дифракционные эф- фекты. В дальней зоне (KaR 1) звуковое поле давления волн разностной частоты имеет следующее выражение:

Ј FiF2Koi Ko2 .( .

2(2яуро&

R

Я/4 l(v)/

Vi(v )V2(v)sin v dv;

о +| Кй(СОЗУСОЗУ-1)2+К2ггз п2У51 П2 /

При этом выражение (3) определяет диаграмму направленности параметрического излучателя. Под интегралом стоит произве- дение трех острых функций : Vi(v),V2(v) - диаграммы направленности накачки и 1/V7... Острота последнего сомножителя

связана с возникновением фазового синхронизма между волнами накачки и волной

разностной частоты, распространяющихся в направлении излучения v. Очевидно, что такое резонансное поведение имеет место при условии, когда на длине затухания укладывается много длин волн сг«К и в наиболее типичном для реальных ситуаций случае не очень острых диаграмм на1фав- ленности волн накачки и слабого затухания а« КЈ, результат выглядит

Р ЈQFrF2-KorKo2 V1 (v) w (v) e «Kf -ад

R

(4)

G

5

1015

20 25

30

35

4ч

50

На фиг.2 приведены численные расчеты диаграммы направленности параметрического излучателя конкретного материала пластины - стали. Вычислялась величина (e QKoi Ko2 h2/2/CbCo3}l Vi V21, иллюстрирующая угловое распределение волны разностной частоты в зависимости от частот накачки.

Вычисления проводились при частоте ,5 и частоте Ш2, изменяющейся от СУС до

1,9 с ( 4 0 Co2/Ci2) (1 - Со2/ С22) ггсл

пороговая частота, отвечающая возникновению направленного излучения из пластины в среду). При (графики 1,2) направление максимума излучения слабо зависит от частоты, а при 0% а)- (графики 3,4) угол излучения заметно увеличивается. Такое поведение объясняется тем, что поскольку с ростом ш значение и острота функции V( CD, v) увеличиваются, направление излучения и его уровень определяется тем из сомножителей V(o), v), который отвечает большей частоте со. Поскольку при изменении wi (ш аи) частота 0)- оставалась фиксированной, изменений в диаграмме направленности не возникало. Когда же частота ад стала больше йл, поведение диаграммы направленности стало определяться величиной V( одг, vJ.T.o. полученный результат подтверждает возможность управления диаграммой направленности параметрического излучателя путем изменения частот накачки. Расчеты подтверждают также наличие узкой диаграммы направленности параметрического излучения, так для рассматриваемого случая стальной пластины она может составлять 2-4°.

Амплитуда волны разностной частоты пропорциональна произведению амплитуд взаимодействующих волн. Основным фактором, ограничивающиЕм предельно допустимый уровень излучения волны разностной частоты ( а значит и КПД) параметрической антенны, является кавитаци- онный порог,

Формула изобретения Способ параметрического излучения акустических колебаний, включающий формирование двух взаимодействующих высокочастотных полей накачки посредством возбуждения в твердотельном волноводе упругих волн, отличающийся тем, что, с целью его /прощения и обеспечения возможности управления диаграммой направленности, в качестве твердотельного волновода используют пластину, в которой

возбуждают изгибные волны и изменяют параметры возбуждения в соответствии с выражением

Л, eQFrF2-KorKQ2Vi(0)V2(0)

Р (С01,,0)

V4яСоро

г2 iiEv

Vu

{. ,(Л-

где Р( , о&, с) - амплитуда звукового давления в дальней зоне, приведенная к расстоянию 1м от источника для волновода в форме пластины;

в- угол между нормалью к поверхности волновода и направлением излучения;

ол.2 -частоты возбуждения;

Fi,2 - амплитуды возбуждающих сосредоточенных сил;

Q |u)i - разностная частота; 5Ко 1,2 ал,2/Со - волновые числа Б среде;

Со - скорость звука в среде;

РО - плотность среды;

е- нелинейный параметр среды;

h - толщина волновода;

10С Eh/{m(1- о2))17 - скорость квазипродольной волны в пластине, находящейся

в вакууме;.,„

С2 Eh/(2m(1 + 0} r)1/z - модифицированная скорость сдвиговой волны; 15Е - модуль Юнга;

а-коэффициент Пуассона;

m - масса пластины, приходящаяся на единицу площади;

т - поправочный коэффициент.

20

Изобретение относится к гидроакустике, а именно к способам параметрического излучения звука, и может быть использовано при создании систем акустического зондирования толщи и дна океана. Способ заключается в возбуждении двумя сосредоточенными силами в твердотельном волноводе в форме пластины изгибных колебаний. За счет изменения частот возбуждения при обеспечении соответствия приведенного значения амплитуды звукового давления в дальней зоне указанному математическому выражению реализуется управление диаграмммой направленности параметрического излучателя. 2 ил.

2.0SШ по i.M

02&