Содержание к диссертации
Введение
Анализ вопросов нелинейного взаимодействия акустических волн с учетом влияния отражающих гарниц 10
1.1. Проблемы отражения звуковых волн в гидроакустике 10
1.2. Отражение волн конечной амплитуды от границы раздела 15
1.3. Нелинейные эффекты, связанные с границами раздела . 19
1.4. Выводы по главе 1 24
Теоретические исследования пространственных характеристик параметрических излучателей с учетом влияния импедансных границ раздела 26
2.1. Акустическое поле волны разностной частоты параметрического излучателя при наличии в области взаимодействия волн накачки границы раздела 26
2.2. Исследование влияния импедансных границ раздела на поле параметрического излучателя 41
2.3. Исследование влияния частотной зависимости коэффициента отражения на поле звукового давления волны разностной частоты параметрического излучателя 60
2.4. Исследование влияния нелинейности, коэффициента отражения границы раздела, находящейся в области взаимодействия волн накачки на характеристики параметрического излучателя 95
2.5. Выводы 1
Экспериментальные исследования пространственных характеристик параметрических излучателей при наличии в области взаимодействия волн накачки границ раздела 110
3.1. Структура лабораторной установки. Методика проведения экспериментальных исследований 110
3.2. Исследование поля волны разностной частоты параметрического излучателя в свободном поле. Погрешности измерений 115
3.3. Результаты экспериментальных исследований влияния границ раздела на поле звукового давления волны разностной частоты 123
3.4. Выводы по главе 3 142
Использование параметрических излучателей звука для исследования импеданса границ раздела 144
4.1. Разработка системы дистанционного измерения импеданса донных осадков 144
4.2. Структура лабораторного стенда для измерения коэффициента отражения образцов 152
Заключение 161
Литература 163
- Отражение волн конечной амплитуды от границы раздела
- Исследование влияния импедансных границ раздела на поле параметрического излучателя
- Исследование поля волны разностной частоты параметрического излучателя в свободном поле. Погрешности измерений
- Структура лабораторного стенда для измерения коэффициента отражения образцов
Введение к работе
В последнее время широкое распространение получили гидроакустические приборы, работа которых основана на нелинейном взаимодействии мощных волн накачки - параметрические излучатели (ПИ) и приемники- звука. Наиболее эффективны такие системы при профилировании донных осадков, что обусловлено высокой направленностью при излучении низких частот и широкополосностью. При решении подобных задач гидроакустики с помощью параметрических излучателей, в области взаимодействия мощных волн накачки зачастую оказываются всевозможные границы раздела, которые в значительной степени изменяют характеристики поля волны разностной частоты (ВРЧ), образованной в результате нелинейного взаимодействия волн накачки. В качестве таких границ раздела могут выступать как элементы конструкции антенн, так и границы раздела, находящиеся в акустическом канале: дно и поверхность при распространении в мелком море, различные подводные объекты. Свойства отражающих границ могут быть самыми разнообразными, что в большинстве случаев определяется их импедансом. Дно, представляющее собой слоистую структуру, в качестве первого слоя которой могут выступать различные составы донных наносов, типа глины, песка, ила и т.д. является импедансной границей, с характеристиками, определяемыми верхним слоем донных отложений. По составу (и соответственно по акустическому импедансу) верхнего слоя можно судить о: химическом составе воды (донные отложения аккумулируют в себе химические элементы, находящиеся в воде); активности биологических объектов в данном районе и т.д. Детально изучить отражающие свойства дна удается только при близком расположении к нему антенной системы для получения высокого разрешения по пространству [5]. При применении параметрических антенн поверхность дна оказывается внутри области нелинейного взаимодействия, что обязательно скажется на ее пространственных характеристиках.
5 Существующие до настоящего времени работы не в полной мере описывают процессы влияния границ раздела на общее поле звукового давления волны разностной частоты в случае, когда они находятся в области взаимодействия волн накачки. Многими авторами рассматривались только крайние случаи: влияние абсолютно мягкой и абсолютно жесткой; границ раздела. Однако изменение фазы на границе раздела может существенным образом изменять пространственные характеристики звукового давления волны разностной частоты параметрического излучателя при наличии в области взаимодействия волн накачки, границы раздела. Изменение пространственных характеристик звукового давления волны разностной частоты может использоваться как для построения более эффективных параметрических излучателей (различные конструкции рефлекторных антенн), так и как дополнительный классификационный; признак (модуль и фаза коэффициента отражения объектов исследования). В последнее время параметрические излучатели звука стали использовать и в условиях мелкого моря, что приводит к необходимости учета системы отражающих границ раздела, в качестве которых выступают дно и поверхность моря. Импедансные характеристики дна в значительной мере будет влиять на структуру звукового поля в образованном таким образом волноводном канале. Знание импеданса донных осадков позволит предсказывать структуру звукового поля и повысить точность измерения: координат обнаруженных в звуковом канале объектов,-
Исходя из выше сказанного, в настоящей работе ставится задача теоретически и экспериментально исследовать пространственные характеристики параметрического излучателя при наличии в зоне взаимодействия волн накачки импедансных границ раздела.
Целью настоящей работы является: исследование пространственных характеристик акустического поля, отраженного импедансной границей, расположенной в зоне нелинейного взаимодействия волн накачки параметриче- ской антенны, разработка методик расчета и методов дистанционной оценки; импеданса отражающих границ.
Для достижения поставленной цели в работе проведены теоретические и экспериментальные исследования. На основе существующей математической и физической моделей, получены выражения, описывающие поле звукового давления ВРЧ после импедансной гарницы, учитывающее модуль и фазу коэффициента отражения, а также их частотные зависимости. Показана необходимость оценки нелинейных эффектов на границе раздела и влияние их на общее поле звукового давления волны разностной частоты после отражения от импедансной границы раздела..
Практическая значимость работы заключается в том, что развитые в работе теория и методы расчета могут быть использованы при создании гидроакустических приборов, работа которых основана на нелинейном взаимодействии волн большой амплитуды. Предложенная методика позволяет с достаточно высокой степенью точности проводить измерения акустического импеданса, что может быть использовано как дополнительная информация при донном профилировании с помощью параметрического профилографа.
На защиту выносятся следующие положения:
Методика расчета характеристик параметрического излучателя при наличии импедансной границы в зоне взаимодействия волн накачки.
Методика расчета отраженного поля волны разностной частоты, учитывающая вклад нелинейных явлении на импедансной границе раздела..
Результаты экспериментальных исследований акустического поля волны разностной частоты при расположении импедансной границы раздела в области взаимодействия волн накачки.
7 4. Метод дистанционной оценки импеданса отражающих границ по пространственным распределениям звукового давления волны разностной частоты. Научная значимость работы -. состоит в том, что проведенная работа расширила представления о процессах, происходящих в поле звукового давления волны. разностной частоты параметрического излучателя после отражения от импедансной границы раздела, находящейся в области взаимодействия волн накачки. На основе построенных физических и математических моделей были объяснены эффекты, наблюдаемые при наличии в области взаимодействия волн: накачки импедансной: границы раздела. Предложен способ учета влияния нелинейных эффектов на границе раздела на поле параметрического излучателя,-
Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами и заключения. В конце диссертационной работы приведен список используемых литературных источников, состоящий из 96 наименований. Диссертация содержит 72 рисунка.
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы задачи исследований, направленные на достижение поставленной цели.
В первой главе проведен обзор литературных источников, посвященных обзору работ по нелинейному взаимодействию акустических волн, влиянию отражающих границ на их распространение, а также практической реализации аппаратуры, работающей на принципе нелинейной, гидроакустики. Кроме того, проведен обзор работ, посвященных нелинейным; эффектам, наблюдаемым на границе раздела.
Анализ литературных источников показал, что публикаций по вопросам влияния отражающих: импедансных границ на процесс формирования нелинейного взаимодействия волн практически нет. Этот пробел можно считать существенным, учитывая важность вопросов отражения акустических волн для разработки и эксплуатации гидроакустической аппаратуры.
Вторая глава посвящена теоретическому исследованию пространственных характеристик параметрического излучателя с учетом влияния импе-дансных границ раздела. Рассмотрена динамика изменения пространственных характеристик звукового давления волны разностной частоты, отраженной от абсолютной границы раздела в широком частотном диапазоне, а так же показана динамика изменения поля звукового давления волны разностной частоты, отраженного от абсолютной границы раздела, от расстояния до границы раздела.
На основе существующих ранее решений, получено выражение, описывающее пространственное распределение звукового поля волны разностной частоты с учетом импедансных границ раздела.
Исследована зависимость звукового давления волны разностнй частоты от фазы и модуля коэффициента отражения. Рассмотрен случаи, при которых амплитуда звукового давления волны разностной частоты после отражения от импедансной границы раздела может превышать амплитуду звукового давления в свободном пространстве, а также наличие нулевых минимумов амплитуды звукового давления в пространственном распределении волны разностной частоты после границы раздела.
Исследовано влияние частотной зависимости коэффициента отражения на поле звукового давления волны разностной частоты, образованное после импедансной границы раздела. Было оценено влияние нелинейных эффектов; на поле звукового давления волны разностной частоты после границы раздела. Показано, что нелинейные процессы, возникающие на границе раздела, вносят существенный вклад в поле волны разностной частоты.
Отражение волн конечной амплитуды от границы раздела
В рассмотренных выше работах считалось, что при отражении волн конечной амплитуды нелинейные процессы проявляются только в объеме.. А нелинейные свойства границ раздела не учитывались. Однако на границе раздела могут наблюдаться нелинейные эффекты, вносящие в поле комбинационных частот и вторичных гармоник свои вклад. Целью данного параграфа является анализ нелинейных эффектов наблюдаемых на границе раздела двух сред. Все нелинейные эффекты обычно разделяют на пять основных групп [39]: - параметрические явления; - эффекты самовоздействия; - вынужденное рассеяние звука; - обращение звукового фронта в акустике; - активная акустическая спектроскопия. Раздел параметрических явлений в акустике остается пока, одной из немногих областей нелинейных волновых эффектов, в теоретическом и, соответственно в практическом исследовании которых, акустика опережает оптику, нелинейные эффекты, в которой, изучены намного глубже. Однако практически все известные параметрические эффекты (параметрическое усиление, модуляция звука звуком, акустическое фазовое эхо и т.д.) основаны на объемных механизмах взаимодействия І [39]. Хотя параметрическое взаимодействие может наблюдаться и на поверхности, что подтверждается существованием поверхностного параметрического механизма обращения волнового фронта.
Исследования эффектов самовоздействия в акустике имеют два основных аспекта. Один из них - это установление предельных возможностей передачи звуковой энергии в толстые слои жидкости или газа - в особенности для целей акустического зондирования. Другая связана с кинетикой разрушения вещества; речь здесь идет не только о кавитации и химической диссо 20 циации, но и о новых физических процессах - как в аналогичных исследованиях в оптике.
Наиболее исследованными в этом разделе акустики являются эффекты самофокусировки и самодефокусировки звуковых пучков [39-44]. Феноменологическим механизмом самофокусировки звуковых пучков является тепловой механизм,. который полностью аналогичен тепловой самофокусировке света. Поглощение звука ведет к росту температуры в области, занятой звуковым пучком, а так как в большинстве жидкостей скорость звука уменьшается (т.е. показатель преломления растет) при повышении температуры пучок сжимается к оси благодаря полному отражению от собственных краев. Подобный объемный механизм теплового само воздействия было предложено перенести на границу раздела двух твердых тел [45]. Эффект самофокусировки звукового пучка на границе жидкости исследовался теоретически [39, 46] и наблюдался на практике. Под действием радиационного давления жидкость выгибается, образуя тем самым фокусирующее зеркало. В [39] описывается эксперимент по наблюдению данного эффекта, причем отмечается, что существует определенный порог мощности падающего звукового пучка, при: превышении которого наблюдается эффект самоконцентрации звука. При наблюдении этого эффекта лучи, отражаясь от вздутой поверхности жидкости, устремляются вверх, образуя фонтанчик на вершине вздутия.
Среди специфических механизмов самофокусировки звука достоин быть отмечен концентрационный: поперечный градиент давления в звуковом пучке создает избыток более "акустически плотной" компоненты раствора, скорость звука в приосевой части уменьшается, т.е. формируется распределенная акустическая линза [39].
Изучение эффектов самовоздействия звука в пузырьковой среде движется по стопам оптики. Наиболее изучен резонансный механизм самовоздействия, обусловленный нелинейностью колебаний пузырька [39]. Оптическим аналогом этого явления является самофокусировка или дефокусировка при резонансном поглощении света, которые практически всегда малозамет 21 ны на фоне сильных эффектов типа светоиндуцированной самопрозрачности и др. Эту аналогию продолжает эффект смещения резонансной частоты осциллятора (пузырька) пропорционально интенсивности звуковых колебаний..
Экспериментально уже обнаружен эффект самопросветления пузырьковой или вязкой среды (жидкости) под действием интенсивной звуковой волны. Он проявляется в уменьшении поглощения звука с ростом интенсивности.
Все виды: вынужденного рассеяния обусловленны взаимодействием волн с тем или иным движением в среде. Акустическое поле "охотно" вступает во взаимодействие с собственным движением среды, а список "партнеров" акустической накачки потенциально даже более длинный, чем в оптике.
Универсальные механизмы, вынужденного рассеяния звука выявляет анализ основной системы гидродинамических уравнений, включающей уравнение неразрывности, уравнение баланса сил (Навье-Стокса) и уравнение теплопроводности. Соответствующее этой системе дисперсионное уравнение имеет пять решений, два из которых отвечают звуковым модам со взаимно-противоположными направлениями распространения. Три другие моды -диффузного типа; им соответствует три возможных вида вынужденного рассеяния звука в однородной вязкой среде. Возможность наблюдения вынужденного рассеяния:на вихревой моде (первого из трех) обсуждается в [39]. Второй вид вынужденного рассеяния звука имеет в своей основе температурный механизм подобный вынужденному механизму рассеяния света (вынужденное температурное рассеяние звука). В этом случае волна накачки и рассеянная волна нагревают среду, создавая в ней температурную решетку, которая и отвечает за рассеяние.
Исследование влияния импедансных границ раздела на поле параметрического излучателя
Согласно принятой выше физической модели, поле параметрического излучателя (ПИ), при наличии в области взаимодействия границы раздела, представляет собой суперпозицию полей давления волн разностной частоты (ВРЧ) двух ПИ: поля ПИ ВРЧ, сформировавшейся до границы раздела, далее — первый ПИ, и поля давления ВРЧ вторичной антенны накачки, образованной пятном засветки на границе раздела двух сред, далее - второй ПИ. Амплитудно-фазовые соотношения в полях давлений этих двух антенн будут влиять на общее акустическое поле. Авторы большинства работ, посвященных изучению влияния границ раздела на поле ПИ [18, 38], рассматривают два случая. Первый случай: в области взаимодействия волн накачки находится абсолютно жесткая граница раздела. В этом случае акустические поля двух параметрических антенн складываются в фазе и общее поле ПИ, не отличается от поля параметрического излучателя в безграничной среде. Второй случай: наличие в области взаимодействия волн накачки абсолютно мягкой границы раздела. В этом случае акустические поля двух параметрических излучателей находятся в противофазе. Для этого случая общее поле параметрического излучателя значительным образом изменятся: в поле появляются дополнительные экстремумы.
Наиболее интересным является случай наличия в области взаимодействия волн накачки абсолютно мягкой границы раздела [18]. В этом случае суммарное: поле будет обуславливаться амплитудно-фазовыми соотношениями полей первого и второго ПИ. В зависимости от расстояния от излучателя накачки до границы раздела будет доминировать поле звукового давления ВРЧ, образованной до границы; раздела; или поле звукового давления ВРЧ образованной взаимодействием отраженных волн накачки. Это доминирование и будет определять характер суммарного поля.
На рисунке 2.2 приведены осевые распределения. ПИ (сплошная:кривая) и его составляющих антенн: первой антенны, образованной ВРЧ сформировавшейся до границы раздела (кривая 1), и второго ПИ ВРЧ, образованного отраженными волнами накачки (кривая 2). В приведенном случае граница раздела находится на сравнительно небольшом расстоянии от излучателя (h=0,05-Id). Видно, что доминирующее влияние на суммарное поле ПИ вносит поле второй ПИ. При малых расстояниях до границы раздела амплитуда первой ВРЧ мала, и поэтому ее вклад в общее поле незначителен.
Обратная ситуация характерна для случая, когда граница раздела находится на достаточно большом расстоянии от излучателя. В этом случае ВРЧ первого ПИ в значительной мере может влиять на суммарное поле. В случае, когда расстояние до границы раздела близко к расстоянию длины зоны затухания, влияние ВРЧ второго ПИ (возникшей в результате взаимодействия отраженных волн накачки) ничтожно мало, и суммарное поле давления определяется характером поля ВРЧ первого ПИ. На рисунке 2.3 приведено осевое распределение звукового давления ВРЧ при наличии в области взаимодействия абсолютно мягкой границы раздела (кривая 3), находящейся на большом расстоянии от преобразователя накачки. Видно, что характер суммарного поля давления ПИ будет также стремиться к характеру поля давления ПИ в безграничной среде, т.е. доминирующей в этом случае является ВРЧ первого ПИ.
Выше были рассмотрены два крайних случая: абсолютно мягкая граница раздела находится на малом расстоянии до излучателя, и на значительном расстоянии. Рассмотрим, что же происходит на расстояниях Ld z l3. Очевидно, что в этом случае трудно говорить о доминировании амплитуды одного поля над другим. Общее поле будет являться суперпозицией этих двух полей. Допустим, что расстояние до абсолютно мягкой границы раздела равно 7-/ . На этом расстоянии наблюдается максимум в осевом распределении звукового давления ПИ в безграничной среде. На рисунке 2.4 представлена зависимость амплитуды звукового давления ВРЧ (кривая 3) на оси преобразователя накачки, и составляющие суммарного поля: кривая 1 — ВРЧ, сформированного до границы раздела; кривая 2 - ВРЧ, сформировавшаяся в результате взаимодействия отраженных волн накачки. Для расчетов были использованы параметры, которые обеспечивали расстояние затухания 13 большее расстояния зоны дифракции ldi/=1.5 МГц; d=20 мм; F_=100 кГц (ld=0.304 м, а длина зоны затухания - 13я75.7 м). Волна разностной частоты, сформированная до границы раздела после отражения уменьшается по амплитуде, что видно на рисунке 2.4. После отражения от границы раздела волны накачки, еще имея достаточную энергию, для того чтобы в результате их взаимодействия появилась ВРЧ, образуют новую параметрическую излучающую антенну, осевое распределение давления которой полностью совпадает с осевым распределением давления ПИ в безграничной среде (кривая 2). В этом распределении наблюдается область быстрого увеличения амплитуды разностной частоты (и максимум соответствует расстоянию яіj) и область постепенного спада амплитуды ВРЧ, за счет дифракционной расходимости звукового пучка. В результате такого поведения кривых осевого распределения давления существует область пересечения кривых осевого распределения давления полей первого и второго ПИ. В этой области, в случае абсолютно мягкой границы раздела, за счет противофазного сложения этих волн, появляется минимум в осевом распределении звукового давления суммарного поля ВРЧ.
Положение этого минимума (на кривой осевого распределения) в пространстве, в основном, обуславливается амплитудами осевых распределений: давления ВРЧ первого и второго ПИ. В свою очередь амплитуды этих характеристик могут зависеть от различных факторов.. Так, например, амплитуда указанных выше характеристик зависит от расстояния от излучателя накачки до границы раздела. Происходит смещение минимума в осевом распределении звукового давления ВРЧ. Динамика смещения минимумов в осевом распределении хорошо просматривается по кривым, представленным на рисунке 2.5. На рисунке 2.5 кривая 1 - отображает осевое распределение амплитуды звукового давления ВРЧ после границы раздела, находящейся на расстоянии h=0.1-l/, кривая 2 — для расстояния до границы раздела h-0.5ij\ кривая 3 -h l-ld\ кривая 4 - h=2-ld\ кривая 5 — h-3-ld- Амплитуда давления ВРЧ первого ПИ, на границе раздела, будет полностью совпадать с амплитудой звукового давления ВРЧ ПИ, находящегося в безграничной среде на расстоянии, равном расстоянию до границы раздела от излучателя накачки. Таким образом, для расстояний до границы раздела меньше ld будет наблюдаться рост амплитуды ВРЧ первого ПИ, для расстояний больше / - монотонное уменьшение. После границы раздела амплитуда звукового давления ВРЧ первого ПИ уменьшается, вследствие дифракционной расходимости пучка (см. рис. 2.4).
Исследование поля волны разностной частоты параметрического излучателя в свободном поле. Погрешности измерений
Динамика изменения кривых поперечного распределения звукового давления ВРЧ, представленная на рисунке 2.11 может быть объяснена следующим образом. Результирующее поле ВРЧ представляет собой сумму двух полей ВРЧ (см. рисунок 2.12). Вследствие дифракции, апертуры вторичных преобразователей (вторичного источника ВРЧ первого ПИ: и вторичного источника волн накачки) будут различны, а, следовательно, будут различны поперечные распределения звуковых давлений этих антенн. Причем поперечное распределение звукового давления ВРЧ первого ПИ (кривая 3 на рисунке 2.12) будет шире поперечного распределения звукового давления волн накачки, в результате взаимодействия которых; происходит генерация ВРЧ второго ПИ (кривая 2 на рисунке 2.12). В случае, когда граница раздела абсолютно мягкая (фаза коэффициента отражения равна к), пространственные характеристики обеих антенн ВРЧ складываются в противофазе. Когда амплитуда звукового давления ВРЧ второго ПИ меньше амплитуды звукового давления ВРЧ первого ПИ, то в суммарном поперечном распределении поля давления ВРЧ в осевом направлении будет наблюдаться провал. Чем меньше амплитуда звукового давления ВРЧ второго ПИ, тем меньше амплитуда провала в поперечном распределении суммарного поля давления ВРЧ, и наоборот.. В случае, когда амплитуда звукового давления второй ВРЧ превышает амплитуду звукового давления ВРЧ первого ПИ, в поперечном распределении суммарного звукового давления ВРЧ будет наблюдаться центральный максимум, который может иметь достаточно большую амплитуду (см. кривую 1 на рисунке 2.12). Таким образом, по наличию и величине провала в поперечном распределении звукового давления суммарной ВРЧ, и наличию и величине центрального максимума, можно судить о доминировании одного поля ВРЧ над другим.
Изменение амплитуды коэффициента отражения (его модуля) приводит к изменению амплитудных соотношений между полями звуковых давлений первой и второй ВРЧ, что приводит к изменению характера пространственных характеристик ПИ. При этом происходит изменение амплитуды поля звукового давления ВРЧ. Изменение второго параметра, характеризующего импедансную границу раздела, - фазы не приводит к значительным изменениям поля амплитуды звукового давления ВРЧ. Однако, оказывает влияние на характер пространственных характеристик ПИ, как будет показано ниже. Теоретически фаза коэффициента отражения может изменяться от О до 2 ж (или от -л-до ж). На рисунке 2.13 а) представлены кривые осевого распределения давления ВРЧ для различных фаз коэффициента отражения. Приведенные кривые осевых распределений звуковых давлений ВРЧ соответствуют различным фазам коэффициента отражения. Кривая 1 соответствует фазе коэффициента отражения = 0 =360; кривая 2 — фазе = 40; кривая 3 - фазе ф = 90; кривая 4 — фазе ф = 135; кривая 5 - фазе ф = 180; кривая 6 — фазе -220; кривая 7 — фазе = 270; кривая 8 — фазе = 315. Здесь при расчетах предполагалось, что граница раздела с модулем коэффициента отражения V\ l, находится на расстоянии 14d от излучателя накачки.
Видно, что величина фазы коэффициента отражения в значительной мере влияет на характер кривой осевого распределения звукового давления ВРЧ. При фазах коэффициента отражения близких к 4(f амплитуда звукового давления ВРЧ на оси ПИ после отражения от границы раздела возрастает и превышает амплитуду звукового давления ВРЧ ПИ в свободном пространстве (см. кривую 1 на рисунке 2ЛЗ а). Это объясняется тем, что в области пересечения кривых осевых распределений звуковых давлений амплитуды. ВРЧ: первого и второго ПИ (см. рисунок 2.4), для случая отражения от границы раздела с фазой коэффициента отражения близкой к 4(f, оказались в фазе. При изменении фазы коэффициента отражения на 180, т.е. для границы раздела с фазой коэффициента отражения ф « 220 = -140 , в осевом распределении звукового давления ВРЧ ПИ наблюдается нулевой минимум (см, кривую 6 на рисунке 2.13 а). В этом случае первая и вторая ВРЧ компенсируют друг друга, за счет противофазного сложения.
Влияние соотношения фаз в полях звуковых давлений ВРЧ обоих ПИ можно наблюдать и на поперечных распределениях звукового давления ВРЧ ПИ. На рисунке 2.13 б) представлены поперечные распределения: поля ПИ для различных фаз коэффициента отражения на расстоянии, соответствующему расстояншо минимума в осевом распределении звукового давления ПИ при наличии границы раздела на расстоянии / -ld от излучателя. В рассматриваемой точке пространства амплитуды давлений первой и второй ВРЧ равны. На характер поля звукового давления ВРЧ здесь будет влиять соотношения фаз ВРЧ, составляющих поле звукового давления ВРЧ ПИ.
Структура лабораторного стенда для измерения коэффициента отражения образцов
Измерения основных характеристик параметрического излучателя звука при наличии в области взаимодействия границ раздела проводились в соответствии с правилами и методиками, которые используются для акустических измерений в линейной акустике [79 - 83]..Кроме того, в процессе исследований учитывался ряд особенностей, присущих акустическим измерениям в нелинейной акустике [31,18].
Большая часть исследований поля ПИ, при наличии в области взаимодействия волн накачки границ раздела, проводились в заглушённом измери-тельном бассейне размерами 2х 1 0.7 м с отстоявшейся в течение длительного времени пресной водой. Это обеспечивало создание контролируемых условий при проведении экспериментов. Измерительный гидроакустический бассейн был оборудован координатными устройствами, обеспечивающими требуемую точность измерений и позволяющими автоматизировать процесс измерений пространственных характеристик ПИ звука..
Для повышения качества измерений и снижения; погрешности получаемых результатов [79, 83] использовалась разработанная автором автоматизированная экспериментальная установка [89]. На рисунке 3.1 приведена структурная схема автоматизированной экспериментальной установки. Функционально ее можно разбить на две основные части: 1- устройство формирования, усиления и излучения сигналов накачки (излучающий тракт); 2 -устройство приема, обработки, регистрации и измерения характеристик (приемный тракт). ЭВМ осуществляет электронное управление кареткой (изменением координат измерительного гидрофона) и сбор измеренной информации (ввод информации производится через последовательный порт с выхода цифрового вольтметра).
Излучающий тракт состоит из формирователя, усилителя мощности (УМ) и преобразователя накачки (параметрического излучателя) (ПИ). Формирователь может формировать радиоимпульсы с различными длительностями и периодами следования. В формирователе реализована возможность фазовой привязки к переднему фронту импульса. Имеется возможность формирования зондирующих сигналов типа «биения» [31 у 18]. Зондирующие сигналы, синтезированные формирователем, усиливаются УМ до требуемой мощности. Выходные каскады: УМ согласуются с ПИ через трансформатор, обеспечивающий малые нелинейные искажения и широкую полосу пропускания (малое время: переходных процессов). Усиленный до необходимой мощности электрический сигнал поступает на электроакустический преобразователь (77//), в котором электрическая энергия преобразуется в акустическую. В качестве излучателя акустических сигналов (ПИ) использовался круглый преобразователь, диаметром SO мм, резонансная частота, которого, составляла 863 кГц. Для визуализации и контроля формы подаваемого на ПИ электрического сигнала использовался осциллограф С7-73.
Приемный тракт состоит из пьезоэлектрического приемника (Я/7), пассивного фильтра нижних частот (ФНЧ)У приемного усилителя (77У), временных ворот (ВВ), пикового детектора (ПД) и цифрового вольтметра ЩВ) (см. рисунок 3.1).
Акустический сигнал принимается 1111, где преобразуется в электрический сигнал. В качестве ПП использовался измерительный гидрофон 1ІЇ5Г, предназначенный для проведения измерений до 200 кГц. Полученный электрический сигнал поступает на вход ФНЧ, где происходит частотная селекция сигнала ВРЧ. Отфильтрованный сигнал поступает на вход ПУ, в качестве которого использовался резонансный усилитель, настроенный на разностную частоту. Отфильтрованный и усиленный таким образом сигнал поступал на вход блока ВВ, где производится временная селекция. Для визуального наблюдения за формой принятого сигнала используется измерительный осциллограф С1-65 А. Для преобразования аналоговых величин в цифровые, в экспериментальной установке, используется ПД и ЦВ Protek 506. В лабораторной установке контролировалась высокочастотная составляющая — волны накачки. Для этого использовался блок приемных усилителей, сигнал на который поступал непосредственно с измерительного гидрофона. В качестве индикатора в лабораторной установке использовался стандартный измерительный осциллограф С1-65А,При необходимости в установке предусмотрена возможность автоматического измерения пространственного распределения звукового давления волн накачки.
Блок управления выполняет несколько функций: фиксация команды управления процессом измерений - команды включения и выключения двигателей координатных устройств; формирование команд позиционирования координатных устройств. Конструкция координатных устройств позволяет дистанционно управлять продольной и поперечной координатой ПП при измерениях продольных и поперечных распределений акустического поля.
Управление процессом измерения осуществляется ЭВМ с помощью специально разработанной; программы. В алгоритм программы заложены операции контроля достоверности измерений, исключающие грубые промахи.
При проведении измерений поля ПИ накладываются дополнительные требования к линейности приемного тракта [31, 18]. Проверка линейности излучающего тракта проводилась с помощью акустического фильтра [31]. Для проверки выполнялись измерения амплитуды ВРЧ при двух положениях акустического фильтра. Сначала акустический фильтр помещался около измерительного гидрофона (ПП). При этом амплитуда волн накачки уменьшалась примерно на 30 дБ, а подавление ВРЧ не превышало 3 дБ. В случае расположения акустического фильтра около ПИ, вследствие уменьшения области взаимодействия волн накачки, амплитуда ВРЧ резко уменьшалась, вплоть до уровня собственных шумов измерительного тракта.
