Нелинейный параметрический акустический приемник

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ .:К ПАТЕНТУ 42 й физики РАНРА МЕТРИЧЕСКИЙМНИКтся к гидроакустике и моСР М ЬЭ Э 3 Комитет Российской Фелерации по патентам и товарным знакам(54) НЕЛИНЕЙНЫЙ ПААКУСТИЧЕСКИЙ ПРИЕ(Я) Б НО 41 4жет быть использовано для приема звуковых волн распространяюцихся в жидкости. Изобретение направлено на повышение коэффициента преобразования. Параметрический приемник содержит нели - нейный элемент, выполненный в виде параболоида вращения, в вершине которого установлен излучатель накачки. 1 ил.Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано для приема звуковых волн, распространяющихся в жидкости,Известен параметрический гидрофон для приема низкочастотной (НЧ) волны, содержащий расположенные в водной среде на расстояниидруг от друга высокочастотные (ВЧ) излучатель и приемник звуковых волн, В таком гидрофоне, представляющем собой антенну бегущей волны, происходит нелинейное взаимодействие сигнальной волны низкой частоты Ои высокочастотной волны накачки в в результате чего образуются волны комбинационных частот в+ Й.Недостатком такого гидрофона является низкая эффективность, обусловленная малым значением параметра акустической нелинейности воды,Известны технические решения, свободные от этого недостатка, например, апертурный параметрический приемник, который содержит последовательно располокенные на одной оси два высокочастотных излучателя накачки, плоскопараллель, ый слой нелинейной среды, импеданс которой сс 1 впадает с импедансом окружающей жидкости, и отстоящий на расстояние О от слоя гидрофон, Расстояние О определяется расстояниями о 1, о 2 между излучателями накачки и слоем, а также частотами в 1, в 2, излучателей накачки и частотой Йпринимаемой НЧ волны О = Й (ай 2 - ии й 1), где =в- в + Й.Недостатком такого параметрическогоприемника является сложность конструкции, связанная с наличием двух излучателей накачки и нелинейного слоя, разнесенных на большое расстояние,Известен нелинейный параметрический акустический приемник, который содержит акустический излучатель накачки .продольных волн цилиндрической формы, установленный в центре круглой пластины из твердого материала, коаксиально ей, На расстоянии 0 от пластины (ОВф, где Вф - расстояние Эраунгофера для пластины на частоте во=2 в+ Й установлен приемный гидрофон. Радиус пластины Яо и ее толщина Ь определены, соответственно, соотношениямилС(гп + 3С, ю- скорость продольных волн и коэффициент Пуассона для материала пластины;щ, и =-1, 2,3 - целые числа;Л - длина волны низкой частоты Й вокружающей среде;Ь - длина волны комбинационной частоты вз.Недостатком такого приемника является низкий коэффициент. преобразования, "0 что обусловлено необходимостью расположения гидрофона на большом расстоянии .О от пластины, где формируется диаграмма направленности (ДН) пластины, как излучатели.15 Целью изобретения является повышение коэффициента преобразования,Поставленная цель достигается тем, чтов нелинейном параметрическом акустичег и"0 ском приемнике, содержащем аксиальносимметричный нелинейный элемент из твердого материала, в котором соосно ему, установлен излучатель накачки в форме цилиндра, а также установленный на одной 25 оси с ними приемный гидрофон, нелинейный элемент выполнен в виде параболоида вращения, а излучатель накачки установлен в его вершине, при этом радиус раскрыва ро параболоида определен в соответствии с соотношением/ову 1 - 175 2 ) (12 Р, (3 вр 11- Г где С, и - скорость продольных волн и коэффициент Пуассона для материала параболов - частота возбуждения излучения накачки;Гп = 1,2,3Р - фокальный параметр параболоида, а приемный гидрофон расположен от вершины параболоида на расстоянии 45 й 50 Й,о=1,2,3а принимаемой звуковой де вз=2 в Й- част ны.Изобретательская идея заключается вфокусировке ВЧ-волны, образовавшейся при взаимодействии акустических волн в резонаторе, При этом и преобразование частоты НЧ сигнала, и фокусировка образовавшейся ВЧ комбинационной волны осуществляется с(5) помощью одного конструктивного элемента - выполненного определенным образом параболоида вращения, являющимся акустическим резонатором. Радиус раскрыва параболоида выбран в соответствии с соотношением (3) (радиус раскрыва параболоидэ это радиус окружности, образующейся при сечении параболоида плоскостью, перпендикулярной ее оси и проведенной на расстоянии Н = р 3/2 р от его вершины). Поэтому при возбуждении расположенного в вершине параболоида (его акустическом центре) излучателя накачки нэ его резонансной частоте в в объеме параболоида возникают бегущие от центра и к центру цилиндрически волны, образующие стоячую цилиндрическую волну, При падении на параболоиду НЧ волны в частотой Й, вследствие нечетной нелинейности материала параболоида происходит взаимодействие этих волн (накачки и сигнала). Результатом такого взаимодействия является рождение волны с комбинационной частотой вз =2 вр+.Й (р = 1, 2, 3), которая излучается в окружающую среду. Таким образом, параболоид представляет собой излучатель волны комбинационной частоты вз = 2 в р + Й,Поле давления такого излучателя определяется фазовым распределением источников комбинационной частоты вз по его апертуре, которое, в свою очередь, определяется НЧ волной. При падении НЧ волны вдоль оси параболоида источники комбинационной частоты будут распределены по поверхности нелинейного элемента по параболическому закону, поэтому в точке на оси параболоида (со стороны его вогнутой поверхности), находящейся на расстоянии, определяемым соотношением (4) будет осуществляться фокусировка волны иа (см. мат, приложение). В результате фокусировки волны вз давление Рз в этой точке, где находится гидрофон, сильно возрастает, что и обеспечивает повышение коэффициента преобразования (см, мат. приложение).При падении НЧ-волны на слой под углом к его оси появляется расфазировка вторичных источников по апертуре параболоида, в результате его амплитуда сигнала принимаемого гидрофоном падает. Это является механизмом формирования ДН предлагаемого приемника; ширина О, его ДН (как антенны апертурного типа) определяется радиусом ро раскрыва парэболоида и связана с ним соотношением Несомненным достоинством предложенного устройства являются его небольшие, посравнению с прототипом, размеры. Этообеспечивается за счет более близкого рас 5 положения приемного гидрофона к нелинейному элементу. Следует отметить, чтотрадиционное(без накачки) использованиеодного параболоида, как фокусирующегоустройства, не приведет к увеличению коэф 10 фициента преобразования, потому что: вопервых, НЧ-волна проходит через тонкийслой (ЬЛ) практически без отражения, и,во-вторых, фокусировка НЧ волны (вследствие большой длины волны Л) неэффектив 15 на,В предлагаемом же устройстве сначалав обьеме параболического слоя происходитпреобразование частоты вверх (щ 8Ц,после чего фокусировка осуществляется по20 высокой частоте вЗ.На чертеже изображена блок схема одного из вариантов предлагаемого устройства.Нелинейный параметрический акусти 25 ческий приемник содержит нелинейныйэлемент иэ твердого материала, выполненный в виде параболоида 1 вращения, В конкретном варианте исполнения параболоид1 выполнен из меди(С=3,510, и=0,3),5 смсекТолщина и и радиус раскрыва р, параболоида 1 выбраны в соответствии с соотношениями (2, 3) и равны, соответственно вконкретном варианте 1,15 см и 24 см. Фо 35 кальный параметр параболоида 1 Р = 1 м,В вершине параболоида 1 коаксиальноему установлен излучатель 2 продольныхволн, выполненный в виде сплошного цилиндра. Для обеспечения эффективного40 взаимодействия волн накачки и сигнала необходимо, чтобы радиус г излучателя и радиус раскрыва ро параболоида удовлетворялисоотношению рг, В конкретном варианте исполнения радиус излучателя г равен 145 см, его высота совпадает с толщиной и иравна 1,15 см, Частота излучателя выбирается в соответствии с соотношением (3). Вконкретном варианте исполнения она совпадает с резонансной частотой восьмой мо 50 ды(а =8) и равна 1=в/2 к=70 кГц.На акустической оси нелинейного параметрического приемника на расстоянии Оот вершины параболоида, выбранном в соответствии с соотношением (4) со стороныего вогнутой поверхности (в конкретном варианте О = 1,14 м) установлен гидрофон 32003237 Параметрический приемник работает следующим образом,При возбуждении излучателя 2 на резонансной частоте параболоида в его объеме возбуждается стоячая волна на этой же частоте, При падении на параболоид 1 распространяющейся в воде НЧ волны с частотой Г = Й 2 л:= 10 кГц в объеме его происходит взаимодействие этих волн, в результате чего в нем возбуждаются толщинные колебаЖЗ ния на комбинационной частоте 1 з = -= =150 кГц, На этой частоте длина волны в меди составляет Ь = 2,3 см, Толщина параболоида, как указано выше, выбрана равной 1,15 см, т,е, половине длины волны (и = 1). . Таким образом, параболоид 1 излучает в окружающую среду акустическую волну с частотой 1 з = 150 кГц, которая фокусируется в точку, где расположен приемный гидрофон 3, Ширина ОО,ЦН параметрического приемника определяется соотношением (5), и Ф ормула,изобретения НЕЛИНЕЙНЫЙ ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ АКУСТИЧЕСКИЙ ПРИЕМНИК, содержащий аксиально симметричный нелинейный элемент из твердого материала и установленные соосно с ним излучатель накачки в форме цилиндра и приемный гидрофон, отличающийся тем, что нелинейный элемент выполнен в виде параболоида вращения, а излучатель накачки установлен в его вершине, при этом радиус раскрыва р парао болоида вращения определен соотношениемд с(гп+ ЖР,=- .хл 121 т с (п+ 4) 1 --- - - ,2 Р,2 вР 1/1 - 2 в конкретном варианте составляет Оо -15,Поворот ДН осуществляется синхроннымвращением всей системы, например, вокругвершины параболоида, Заметим, что в уст 5 ройстве-прототипе расстояние между излучателем накачки и гидрофоном составлялобы О -Вф=юд 4/Яве=20 м(Ь=1 см-длинаволны частотой 1 в = 150 кГц в воде), а уро 0 вень поля на гидрофоне был бы Вф/О 20/1,14 = 17,5 раз меньше, чем в предлагаемом устройстве, т,е, коэффициент преобразования предлагаемого приемника (приравной апертуре) выШе коэффициента преобразования приемника-прототипа в 17,5раз,(56) Авторское свидетельство СССРМ 422197, кл, В 06 В 1/00.Назаров В, Е Сути н А, М, Теория параметрического приемника звука с нелинейным слоем. Акустический журнал, 1989, т.35,М 5, с,877 - 881,25где с,- скорость продольных волн и коэффициент Пуассона для материала параболоида соответственно;о - частота возбуждения излучателя на качки;а - целое число;Р - фокальный параметр параболоидавращения,а приемный гидрофон расположен от вер шины параболоида на расстоянииО=Р 1.ф. - 1где в,= 2 юц + й;40 Ц=1,2,3, ;0 - частота принимаемой звуковой волны.2003237 Составитель В, НазаровТехред М,Моргентал Редактор Н. Семенова Корректор О. Густит Тираж Подписное НПО "Поиск" Роспатента113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4(5 Заказ 3238 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101