Исследование амплитудно-фазовых характеристик нелинейного акустического излучателя с трехчастотной накачкой

мониторинга, ресурсных и поисковых задач в условиях мелководья на шельфе и во внутренних водоемах.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ермольчев В. А. Эхо-счетные и эхо-интегрирующие системы для количественной оценки рыбных скоплений. М.: Пищевая промышленность, 1979. 193 с.

ИССЛЕДОВАНИЕ АМПЛИТУДНО-ФАЗОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НЕЛИНЕЙНОГО АКУСТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ С ТРЕХЧАСТОТНОЙ НАКАЧКОЙ

А. М. Гаврилов, В. Ю. Медведев

Таганрогский государственный радиотехнический университет

The dependence of amplitudes of the first and second secondary waves of the nonlinear acoustic transmitter with three-frequency by a primary wave from size her phase invariant, is experimentally investigated. Is shown that the first secondary wave tests strong dependence on size invariant, while the second secondary wave is not sensitive to its change. The measurements, which have been carried out in a wide range of frequencies, have shown stability of behavior of the amplitude - phase characteristics and their good conformity to the theoretically received dependences.

Одним из путей увеличения информативности экологического и неразру-шающего контроля, гидролокации и медицинской диагностики является использование фазовых характеристик акустических эхо-сигналов [1, 2]. Для исключения неопределенности, обусловленной пространственным набегом, импульсный метод фазовых измерений предполагает синхронное излучение опорного и информационного сигналов с заранее определенными соотношениями частот и фаз. Перспективным для излучения акустических сигналов с указанными требованиями является использование нелинейных акустических излучателей (НАИ), в которых благодаря нелинейному механизму генерации вторичных волн в среде распространения естественным образом обеспечивается связь их частот и фаз как между собой, так и с исходной волной [3, 4]. В частности, при распространении в квадратично-нелинейной среде ам-плитудно-модулированной (AM) по гармоническому закону первичной волны (накачки) генерируется бигармоническая волна разностной частоты (БВРЧ) с частотами Q и 2Q, начальные фазы компонент которой связаны между собой и фазой модулирующей функции первичной волны [4, 5].

Известно [6], что АМ-сигнал можно представить как частный случай сигнала с тремя спектральными компонентами на частотах Юо и ш0 ± Г2, амплитуды низкочастотной и высокочастотной компонент которого равны, а фазовый спектр произволен. В общем случае такой сигнал можно записать в следующем виде: p(t) = A(t)cos[co0t + а + cp(t)] = р0 cos(cd0 • t + а)+ + рн cos[(a0 - Q)t + а - 9 + р]+ рв cos[(ro0 -Ci)t + a + 8 + p] =

= Р0{ cos(ra0 • t + а)+ у cos[(co0 - fi)t + а - 9 + р]+ ^

+ у cos[(b)0 - Q)t + а + 9 + р] } ,

где A(t) - функция, описывающая амплитудную модуляцию сигнала; cp(t) - функция, описывающая модуляцию фазы высокочастотного заполнения:

А(0 = Р0{ [1 + т-со5(£"М + 9 + р)]2 +2-[1 + т-ав(СМ + е + р)]х ^ х ш • $тр • втф • I + 0) + т2 вт2 Р }0'5;

, ^ т-втР-со^О^)

аГС1ё 1 + т • свф. +

Здесь ш = (рн + РвУРо - параметр, который для случая АМ сигнала численно равен коэффициенту амплитудной модуляции; рн, Рв и р0 - соответственно амплитуды боковых и центральной компонент накачки с частотами ин = (юо - а>в =(Юо+ + О) и со0; ос и 9 - соответственно начальные фазы сигналов несущей и модулирующей функции АМ-сигнала; р - фазовый инвариант трехчастотного сигнала, равный сдвигу фаз между несущей и равнодействующей боковых компонент при векторном представлении сигнала; О=2п¥ - угловая частота модулирующей функции.

Легко убедиться, что при р =0 выражение (1) описывает АМ-сигнал, а при р = 90° - так называемую квадратурную модуляцию, которая в случае ш«1 переходит в фазовую. Под сигналом с квадратурной модуляцией понимается частный случай (1), когда на векторной диаграмме сигнала вектора несущей и равнодействующей боковых компонент ортогональны (находятся в квадратуре).

Использование в качестве накачки НАИ сигнала (1) позволяет проследить зависимость амплитуд 1-й и 2-й ВРЧ от величины фазового инварианта в, т.е. ампли-тудно-фазовые характеристики (АФХ) нелинейного механизма генерации акустических волн разностной частоты. С точностью до множителей, отвечающих за пространственное распределение амплитуд (модель «рупорного» НАИ), процесс образования ВРЧ в НАИ может быть описан соотношением

Рз~—— = РпМ + Р2пМ '

(Л

Здесь и ргп(0 - сигналы 1-й и 2-й ВРЧ на акустической оси в дальнем поле

НАИ, которые связаны с параметрами волны накачки (1) соотношениями

рп=2Ро-т-совОСМ + ф-авр;

р2П -т2-С05[2{П-г + в) ].

Из выражений (5) и (6) следует, что амплитуды 1-й и 2-й ВРЧ по-разному зависят от величины фазового инварианта накачки, т.е. от наличия в исходном сигнале фазовой модуляции. Амплитуда 1 -й ВРЧ максимальна при /? = 0 и 180°, а при р = 90° и 270° принимает нулевые значения. В последнем случае наблюдается эффект, который можно назвать «фазовым запретом» на генерацию 1-й ВРЧ, механизм реализации которого был рассмотрен в [6]. Интересно, что эта волна не образуется в среде с квадратичной нелинейностью, несмотря на существование необходимых для этого предпосылок, а именно распространения в среде волн накачки с частотами, отстоящими друг от друга на величину разностной частоты £1, при этом 2-я ВРЧ, возникающая благодаря взаимодействию между собой верхней и нижней компонент спектра накачки, не испытывает влияние фазового инварианта.

Столь различное поведение АФХ 1 -й и 2-й ВРЧ обусловлено более сложным механизмом формирования акустического поля 1-й ВРЧ. Если в основе образования 2-й ВРЧ лежит только нелинейное взаимодействие рн (0 и рв (1) (дифракционные и диссипативные процессы во внимание не принимаются), то в формировании поля 1-й ВРЧ одновременно участвуют как нелинейные, так и интерференционные процессы.

Компоненты накачки рн(1) и ро(0, р0(^) и Рв(У, попарно взаимодействуя между собой, генерируют две ВРЧ с одинаковыми частотами £2 , распространяющиеся одновременно и коллинеарно. Разность фаз между этими равночастотными волнами определяется величиной фазового инварианта накачки р ив зависимости от его величины может приводить как к их сложению, так и вычитанию (взаимной компенсации). Последнее происходит при равенстве амплитуд генерируемых волн, что имеет место при равенстве амплитуд боковых компонент накачки рн = рв.

Следовательно, для эффективной генерации ВРЧ трехкомпонентной накачкой недостаточно задание частот излучаемых компонент, необходимо также обеспечить выполнение соответствующих амплитудных и фазовых соотношений в ее спектре.

На рис.1 приведены экспериментально полученные нормированные АФХ 1-й ВРЧ для Р = 30, 50, 80, 100, 130, 150 и 200 кГц. Измерения проведены на лабораторной установке со следующими параметрами сигнала накачки: ^ = ш0 /2тг = 1378 кГц; т = 1; длительность излучаемого радиоимпульса ти= 0,5 мс; скважность ц = 4. Диаметр рабочей поверхности излучателя 18 мм; экспериментально измеренный размер ближней зоны для волны накачки 1д = 8,5 см; расстояние между излучателем и миниатюрным сферическим приемником х = 10 1д = 85 см. Измерения выполнены на акустической оси НАИ с использованием разработанной автоматизированной установки на базе персональной ЭВМ. Экспериментальные АФХ для 2-й ВРЧ не приведены, поскольку во всех рассмотренных случаях не отмечено влияния фазового инварианта на ее амплитуду.

На рис. 1, а - г сплошной линией показана теоретическая АФХ (5). Наблюдается достаточно хорошее согласие ее с зкспериментапьными зависимостями, подтверждающее справедливость вышеприведенных рассуждений. Вместе с тем следует отметить, что с увеличением разностной частоты Р наблюдается прогрессирующее расхождение теоретической и экспериментальных зависимостей в виде их взаимного смещения и исчезновения нулевых переходов. Причиной этого, по мнению авторов, является влияние на спектр накачки передаточной характеристики пьезокерамиче-ского излучателя.

50 95 140 1Е5 210 275 320 410 455 /» град.

а) расчетная АФХ - сплошная линия; экспериментальные АФХ - пунктир

Рис. 1. Теоретические и экспериментальные амплитудно-фазовые характеристики НАИ с трехкомпонентной накачкой

Po/f Ъмах i i I !

/f \ 1 -i - / ч i м í ----------

í¡ _SJ ! ¡i S \ ! i

1 ! , 4 Si

} № ¡ fii !___ . ' i i 1\ \ )

\ Jí l¡ \ Л 1 -и л Jl

1 li Л . \ ti //

¡i i \ 1 i V \\ f h

VI i i ¡i Vi V i

Vi( ----\v i ¡i ü---- í ------- — Vi V\ h li Й \\ P

p \\ V

50 95 140 US 140 275 320 365 410 4?5 /?, ¿Род .

б) расчетная АФХ - сплошная линия; экспериментальные АФХ - пунктир

.............. /Г n -' A\ ¿p \ч

/П w \\

» ¡ / ' \ / \ / \ \

Л ! k i \\ / \ 1 /' ^ i :

V ! l V\ / \ \ /1

T ! P Y\ Í! \\ //

%M¡ \\ ¡1 ¡i

ь l It VA

\!i i i í! 77 n

rT ! i V vT

50 <)5 140 ¡85 2Í0 Z75 320 ЗЙ5 410 455 /', грао

в) расчетная АФХ - сплошная линия ; экспериментальные АФХ - пунктир

г) сплошная линия - расчетная АФХ; пунктир - экспериментальная АФХ

Рис.1,

ЛИТЕРАТУРА

1. Телятников В.И. Методы и устройства классификации гидроакустических сигналов // Зарубежная электроника. 1979. № 9. С. 19 - 38.

2. Королев М.В. Ультразвуковой дефектоскоп для обнаружения расслоений // Дефектоскопия. 1972. № 2. С. 85 - 90.

3. Волощенко В.Ю., Максимов В.Н. Экспериментальное исследование параметрического локатора для классификации подводных объектов // Прикладная акустика. 1985. Вып.XI. С. 36- 39.

4 . Гаврилов A.M., Гончаренко В.Р., Тимошенко В.И., Соколов P.A. Экспериментальные исследования параметрического излучателя с амплитудно-модулированной накачкой // Прикладная акустика. Таганрог. Вып. 12. ¡987. С. 40-43.

5. Патент РФ № 2050558 G01S 15/00. Акустический импульсный локатор. Гаврилов A.M., Савицкий O.A. - Опубл. БИ, 1995, № 35.

6. Гаврилов A.M. Зависимость характеристик параметрической антенны от фазовых соотношений в спектре накачки // Акуст. ж. 1994. Т.40. № 2. С. 235 - 239.

ЗАВИСИМОСТЬ АМПЛИТУДНО-ФАЗОВОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕЛИНЕЙНОГО АКУСТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ ОТ АМПЛИТУДНЫХ И ФАЗОВЫХ СООТНОШЕНИЙ В СПЕКТРЕ НАКАЧКИ

A.M. Гаврилов, В.Ю. Медведев, А.К. Батрин

Таганрогский государственный радиотехнический университет

Теоретические и экспериментальные исследования характеристик нелинейного акустического излучателя (НАИ) [1, 2], реализуемого трехчастотной накачкой с симметричным амплитудным спектром, показали наличие существенно различающихся зависимостей амплитуд 1-й и 2-й волн разностной частоты (ВРЧ) от фазовых соотношений в спектре первичной волны. На практике ситуация еще сложнее, т.к. приходится иметь дело с накачкой, в которой не только начальные фазы, но и амплитуды отдельных компонент могут быть произвольными. Источниками, приводящими к нарушению симметрии амплитудного и фазового спектров накачки, являются, как правило, электрический и электроакустический факты НАИ. Поэтому представляет интерес рассмотрение влияния, оказываемого фазовыми и амплитудными соотношениями в спектре трехчастотной накачки на характеристик НАИ, в частности, на ам-плитудно-фазовые характеристики (АФХ).

Сигнал накачки с тремя спектральными компонентами на частотах ш0, н=ю0-Г2 и «в ~(Оо+£2 (шо»П), амплитуды и начальные фазы которых равны соответственно ро, рн, Рв и фо, Фш Фв, можно записать в виде модулированного по амплитуде и фазе колебания

p(t) = p0 cos((ö0t + 90) + pH cos(coHt + 9H) + pB cos(ö>Bt + cpB) =

= A(t)-cos[<o0t + <p0 + cpit)],

где A(t) - огибающая узкополосного сигнала; (pit) - функция, описывающая фазовую модуляцию высокочастотного заполнения; t=(t'-x /с0) - время в сопровождающей системе координат; t' их - текущее время и координата распространения волны накачки. Здесь

А2(Х) = (Ро +Рн +Pb) + 2-PoVph +Рв +2-pHpBcos(2ß)cos(ß-t + a) + + 2-pHpBcos(2il-t + (pB -cpH) = M0 +M1cos(Q-t + a) + M2cos[2(.Q-t + 9)];