ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ ГЕНЕРАЦИИ УЛЬТРАЗВУКА
ELECTROACOUSTIC TRANSDUCER FOR PARAMETRIC GENERATION OF ULTRASOUND

Изобретение относится к области акустических измерений, в частности к измерительным излучателям звукового давления, которые в условиях гидроакустического бассейна используются в качестве источника звуковых колебаний, причем, их спектральный состав определяется как собственной резонансной полосой пропускания, так и перераспределением по спектру акустической энергии мощных сигналов накачки им излучаемых, т.е. эффектами как самовоздействия, так и взаимодействия, возникающими при распространении акустических волн конечной амплитуды за счет нелинейности упругих свойств водной среды.
В настоящее время в гидроакустических измерениях в качестве измерительных излучателей звукового давления применяются в основном цилиндрические и дисковые слабонаправленные пьезоэлектрические преобразователи, перспективно применение малогабаритных устройств, формирующих в измерительном объеме остронаправленное излучение в широкой полосе частот - параметрических излучателей звука. Измерительные излучатели звукового давления должны отвечать специальным эксплуатационным требованиям: 1) высокая стабильность работы во времени при различных климатических условиях (атмосферное давление, температура, влажность);
2) большой динамический диапазон амплитуд градуировочного звукового давления;
3) широкий диапазон рабочих частот; 4) характеристика направленности измерительного излучателя должна содержать минимальное число добавочных лепестков в сформированном градуировочном акустическом поле (см. Клюкин И.И., Колесников А.Е. Акустические измерения в судостроении. - Л.: Судостроение, 1966, с. 5 -14).
1
2
Известен кавитирующий импульсный параметрический источник, применяемый в гидроакустических устройствах, который обладает в режиме излучения высокой пространственной избирательностью на генерируемой в водной среде низкочастотной компоненте спектра - волне разностной частоты (пат. США №3964013 "Cavitating parametric underwater acoustic source", William L. Konrad, IntCl Ho4b 11/00, G01S 9/66, опубл. 15.06.1976), содержащий два генератора электрических колебаний с частотами ƒ, ƒ, выходы которых через двойной балансный модулятор, импульсный модулятор, управляемый импульсным генератором, и усилитель мощности соединены со входом пьезоэлектрического преобразователя, снабженного элементами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции.
К недостаткам аналога следует отнести невысокие надежность и стабильность функционирования пьезоэлектрического преобразователя параметрического источника, кроме того недостаточна помехозащищенность измерений, осуществляемых в условиях гидроакустического бассейна, что приводит к неполному соответствию эксплуатационным требованиям.
Ниже рассмотрим более подробно некоторые как причины, так и последствия указанного несоответствия аналога эксплуатационным требованиям:
- интенсивное акустическое излучение - кавитационный шум имеет сплошной спектр в полосе от нескольких сотен герц до тысяч килогерц (см. Колесников А.Е. Акустические измерения. - Л.: Судостроение, 1983, с. 40 -41), что создает мощную маскирующую помеху, в результате чего при проведении количественных измерений снижается отношение сигнал/помеха на входе приемника;
- кавитационные явления, порождая сильные гидродинамические возмущения (см. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Глав. ред. И.П. Голямина. - М.: «Сов. Энциклопедия», 1979. С. 154-161), вызывают разрушение излучающей поверхности пьезоэлектрического преобразователя устройства, сокращая срок его эксплуатации;
4
2
4
- снижена надежность и стабильность функционирования пьезоэлектрического преобразователя параметрического излучателя, так как пьезоактивный материал преобразователя, обеспечивая высокую эффективность преобразования электрической энергии в акустическую, работает в условиях повышенных механических и электрических нагрузок. Так, например, для параметрических излучателей типа НАИ в штатном режиме удельная акустическая мощность коллимированных ультразвуковых пучков достигает 5×10 Вт/м, что соответствует напряженности электрического поля возбуждающего сигнала на пьезокерамике ~ 2,5×10 В/м (см. Василовский В.В., Лепендин Л.Ф., Тарасова Г.Б. Об амплитудной нестабильности свойств пьезокерамики в параметрических гидроакустических излучателях. - Труды 2-го Всесоюзного научно-технического совещания «Нелинейная гидроакустика 76». Таганрог, ТРТИ, 1976, С. 82-85), приводя к смещению резонансной частоты пьезоэлектрического преобразователя и уменьшению частотного диапазона генерации волны разностной частоты за счет появления нелинейной зависимости деформации пьезоэлемента от величины приложенного к нему электрического поля;
- в кавитирующем импульсном параметрическом источнике отсутствует блок режекторных фильтров, устанавливаемый между усилителем мощности и пьезоэлектрическим преобразователем (см. Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика - Л.: Судостроение, 19811. - с. 154 -156)., что приводит к «прямому» излучению сигнала разностной частоты, формирующегося в электронном тракте устройства, искажая характеристики рабочего градуировочного акустического поля
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: два генератора электрических колебаний, усилитель мощности, пьезоэлектрический преобразователь, снабженный элементами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции.
Известен акустический параметрический излучатель, уровень излучения которого по накачке ограничен насыщением, (пат. США №4320474 "Saturation limited parametric sonar source", Huckabay et al, МКИ H04b 1/02, опубл. 16.03.1982), содержащий последовательно соединенные генератор бигармонических электрических колебаний, импульсный модулятор, управляемый импульсным генератором, и усилитель мощности, с выхода которого мощный электрический сигнал подается на входы двух идентичных пьезоэлектрических преобразователей с плоским дисковым пьезоэлементом радиусом (d/2) каждый, апертуры которых находятся в одной плоскости, причем, их фазово-геометрические центры смещены на расстояние 2d друг от друга, а также снабжены элементами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции.
Известный акустический параметрический излучатель также имеет недостаточное соответствие эксплуатационным требованиям, в частности, низка надежность и стабильность функционирования пьезоэлектрического преобразователя параметрического источника, невелика эффективность генерации градуировочных звуковых колебаний звукового давления в небольшом диапазоне рабочих сигналов разностной частоты
.
Ниже рассмотрим более подробно некоторые как причины, так и последствия указанного несоответствия аналога эксплуатационным требованиям:
- мала эффективность генерации градуировочных звуковых колебаний за счет «поперечно-пространственного» разнесения центров апертур двух пьезоэлектрических преобразователей с плоскими дисковыми пьезоэлементами радиусом (d/2) за счет уменьшения как области «плосковолнового» взаимодействия сигналов накачки, так и амплитуды звуковых давлений взаимодействующих сферических волн (см. Воронин В.А., Тарасов С.П., Тимошенко В.И. Гидроакустические параметрические системы. - Ростов н/Д: Ростиздат, 2004. - 400 с);
- в устройстве не предусмотрена возможность изменения взаимного расположения двух идентичных пьезоэлектрических преобразователей с плоским дисковым пьезоэлементом радиусом (d/2) каждый, что не позволяет регулировать эффективность генерации градуировочных сигналов, уровни звуковых давлений которых прямо пропорциональны как произведению амплитуд, так и количеству длин волн накачки, укладывающихся на «общей протяженности» области взаимного наложения (см. Волощенко В.Ю., Тимошенко В.И. Параметрические гидроакустические средства ближнего подводного наблюдения (часть1) - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009.-294 с);
2
- снижена надежность и стабильность функционирования пьезоэлектрического преобразователя акустического параметрического излучателя, так как эффективность преобразования электрической энергии в акустическую, ограничена усталостно-прочностными свойствами пьезокерамики (в аналоге удельная акустическая мощность сигналов конечной амплитуды составляет (5-6) Вт/см, что соответствует верхней допустимой границе (см. Орлов Л.В., Шабров А.А. Расчет и проектирование гидроакустических рыбопоисковых станций -М., Пищ. Пром., 1974), так и эффектом насыщения (saturation) в водной среде мощных волн накачки (см. Мюир Т.Дж. Нелинейная акустика и ее роль в геофизике морских осадков//Акустика морских осадков/ Пер. с англ.; Под ред. Ю.Ю. Житковского. - М.: Мир, 1977. - с. 227 - 273).
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: генератор электрических колебаний, усилитель мощности, пьезоэлектрический преобразователь, снабженный элементами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции.
Известен принятый за прототип параметрический измерительный излучатель для гидроакустических бассейнов (см. Тимошенко В.И. Расчет и проектирование параметрических акустических преобразователей. Часть 1. Учебное пособие. - Таганрог, ТРТИ, 1978, 91 с), содержащий два генератора электрических колебаний, выходы которых через линейный сумматор, импульсный модулятор, управляемый импульсным генератором, а также усилитель мощности и режекторный фильтр соединены со входом пьезоэлектрического преобразователя, снабженного элементами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции, причем, излучающая апертура последнего является участком выпуклой сферической поверхности.
Недостатком измерительного излучателя по прототипу является недостаточное соответствие эксплуатационным требованиям, в частности, ограничен диапазон рабочих частот градуировочных сигналов низкочастотной областью, снижен коэффициент преобразования генерируемого сигнала разностного сигнала из ультразвуковых сигналов накачки, не обеспечена в водной среде удельная акустическая мощность сигналов накачки и т.д.
Ниже рассмотрим более подробно некоторые как причины, так и последствия указанного несоответствия прототипа эксплуатационным требованиям:
0
0
- мала эффективность генерации градуировочных звуковых колебаний за счет использования пьезоэлектрического преобразователя, излучающая апертура которого является участком выпуклой сферической поверхности. Так, в описании прототипа (см. Тимошенко В.И. Расчет и проектирование параметрических акустических преобразователей. Часть 1. Учебное пособие. - Таганрог, ТРТИ, 1978, 91 с. ) представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований, а также испытаний различных конструкций параметрических гидроакустических преобразователей как с плоской (диаметр 15 мм, резонансная частота ƒ=1,98 МГц, длина области насыщения ~ 0,3 м; сферическое распространение ~ 1,5 м), так и выпуклой (диаметр 20 мм, радиус кривизны 23,7 мм, резонансная частота ƒ=2,03 МГц, длина области насыщения ~ 0,04 м, сферическое распространение ~ 0,5 м) излучающими апертурами, в частности, графики осевых распределений амплитуд звукового давления для волны разностной частоты F=100 кГц. Из сопоставления графиков следует, что при одинаковых амплитудах сигналов накачки (уровень звукового давления волн накачки 78 дБ относительно 1 Па на расстоянии 1 м) за счет различной их коллимации (угловая ширина по уровню 0,7 ~ 6° и 15° соответственно) относительно акустической оси в диапазоне дальностей (0,5 м - 3м) амплитуды звукового давления для генерируемой в водной среде волны разностной частоты (F=100 кГц) для плоской апертуры превышают на 8 дБ (~2,5 раз) значения аналогичной величины для выпуклой апертуры;
- не обеспечена в водной среде удельная акустическая мощность, необходимая для проявления в полной мере нелинейности ее упругих свойств вследствие применения излучающей апертуры пьезоэлектрического преобразователя в виде участка выпуклой сферической поверхности и, соответственно, расходимости волнового фронта (см. Новиков Б.К., Тимошенко В.И. Параметрические антенны в гидролокации. - Л.: Судостроение, 1989. -256 с;
- ограничен энергетический потенциал, характеризуемый акустической мощностью его излучения с единицы площади выпуклой сферической апертуры. Так, для увеличения данной эксплуатационной способности прототипа за счет увеличения излучаемой акустической энергии ультразвукового сигнала накачки необходимо увеличение площади пьезоэлектрического преобразователя (см. Справочник по гидроакустике / А.П. Евтютов, A.П. Ляликов, В.Б. Митько, В.И. Пономаренко, А.Л. Простаков, Г.М. Свердлин, М.Д. Смарышев, Ю.Ф. Тарасюк, А.Е. Колесников - Л.: Судостроение, 1982.-344 с.), т.е. увеличение его геометрических размеров, что в свою очередь приведет к уменьшению протяженности рабочей области сферического распространения сформировавшихся градуировочных сигналов;
- снижен коэффициент преобразования генерируемого сигнала разностного сигнала (см. Гидроакустическая энциклопедия. /Под ред. В.И.Тимошенко.- 1-е изд.- Таганрог: ТРТУ, 1999.- 788 с. ) из ультразвуковых сигналов накачки вследствие применения излучающей апертуры пьезоэлектрического преобразователя в виде участка выпуклой сферической поверхности;
- ограничен диапазон рабочих частот градуировочных сигналов низкочастотной областью, так как используются только спектральные составляющие разностной частоты, в то время как в нелинейной водной среде формируются и спектральные компоненты высокой частоты - акустические сигналы кратных частот (гармоники) (см. Волощенко B.Ю., Тимошенко В.И. Параметрические гидроакустические средства ближнего подводного наблюдения (часть1)- Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009.-294 с).
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: два генератора электрических колебаний, линейный сумматор, импульсный модулятор, импульсный генератор, усилитель мощности, режекторный фильтр, пьезоэлектрический преобразователь, снабженный элементами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции, излучающая апертура которого является участком выпуклой сферической поверхности.
Таким образом, к общим недостаткам прототипа и приведенных аналогов можно отнести недостаточное соответствие эксплуатационным требованиям, в частности, пониженный коэффициент преобразования генерируемого сигнала разностного сигнала из ультразвуковых сигналов накачки, ограниченный диапазон рабочих частот градуировочных сигналов низкочастотной областью, так как используются только спектральные составляющие разностной частоты, недостаточный энергетический потенциал, характеризуемый акустической мощностью его излучения с единицы площади выпуклой сферической апертуры, мала надежность и стабильность функционирования пьезоэлектрического преобразователя.
Задачей заявляемого изобретения является расширение эксплуатационных возможностей устройства, заключающееся в способности генерации в нелинейной водной среде градуировочных звуковых колебаний в широком диапазоне изменения рабочих амплитуд их звукового давления при малом уровне акустических помех в условиях измерительного гидроакустического бассейна.
Технический результат изобретения заключается в повышении амплитуды звукового давления компонент полигармонического сигнала результирующего ультразвукового градуировочного поля в гидроакустическом бассейне, что позволяет повысить достоверность результатов измерений и снизить трудности их получении за счет снижения уровня маскирующего шума.
Технический результат изобретения обеспечивается повышением уровня амплитуды звукового давления компонент полигармонического сигнала результирующего градуировочного ультразвукового поля за счет сфазированного сложения в заданной области нелинейной водной среды акустической мощности двухчастотных сигналов накачки, излучаемых пьезоэлектрическими преобразователями как с выпуклой, так и вогнутой сферическими поверхностями апертур, с помощью несущей конструкции, обеспечивающей совмещение в пространстве акустических осей пьезоэлектрических преобразователей, и, соответственно, прохождение волн накачки от второго преобразователя, апертура которого вогнута, через сквозное отверстие в центральной части первого преобразователя с выпуклой апертурой, причем, расстояние на общей акустической оси между фазово-геометрическими центрами сферических апертур пьезоэлектрических преобразователей устанавливается равным фокусному, в результате чего фокальная область от второго преобразователя располагается в сквозном отверстии центральной части первого преобразователя.
0
0
0
0×
0
0
0
Технический результат достигается тем, что в известный параметрический измерительный излучатель для гидроакустических бассейнов, содержащий два генератора электрических колебаний, выходы которых через линейный сумматор, импульсный модулятор, управляемый импульсным генератором, а также усилитель мощности и режекторный фильтр, выход которого соединен с входом пьезоэлектрического преобразователя с выпуклой сферической поверхностью апертуры, дополнительно введены подключенный к выходу режекторного фильтра второй пьезоэлектрический преобразователь с вогнутой сферической поверхностью апертуры, и несущая конструкция цилиндрической формы, объединяющая первый и второй пьезоэлектрические преобразователи, выполненная с возможностью обеспечения осецентрированного изменения расстояния между ними, причем, для обоих пьезоэлектрических преобразователей диаметры D апертур, средняя длина волны λ для диапазона излучаемых сигналов накачки, радиусы кривизны R, фокусные расстояния F, радиусы фокальных пятен г одинаковы и связаны соотношением rR=0,61×λ×F, первый пьезоэлектрический преобразователь выполнен со сквозным осевым отверстием радиусом r=(2÷3)×r в центральной части выпуклой сферической поверхности апертуры, вход второго пьезоэлектрического преобразователя с вогнутой сферической поверхностью апертуры соединен с выходом режекторного фильтра.
Указанные существенные отличия обеспечивают фазировку акустических пучков волн накачки первого и второго пьезоэлектрических преобразователей при их распространении в водной среде в областях как насыщения, так и сферического распространения сформировавшихся градуировочных сигналов.
Рационально в электроакустическом преобразователе для параметрической генерации ультразвука несущую конструкцию цилиндрической формы выполнять преимущественно с возможностью обеспечения изменения расстояния между первым и вторым пьезоэлектрическими преобразователями.
В электроакустическом преобразователе для параметрической генерации ультразвука первый и второй пьезоэлектрические преобразователи снабжены элементами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции.
Отличительные существенные признаки в совокупности с описанными связями расширяют как эксплуатационные требования, так и возможности применения электроакустического преобразователя для параметрической генерации ультразвука, что заключается в увеличении амплитуды звукового давления формирующихся в нелинейной среде акустических сигналов рабочих частот, используемых в качестве градуировочных при проведении гидроакустических измерений.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана структурная схема электроакустического преобразователя для параметрической генерации ультразвука; на фиг. 2.- распределение амплитуд звукового давления для сигнала разностной частоты F=25 кГц на акустической оси электроакустического преобразователя для параметрической генерации ультразвука; на фиг. 3.- поперечное распределение амплитуд звукового давления для сигнала разностной частоты F=50 кГц электроакустического преобразователя для параметрической генерации ультразвука.
0
0
0
0×
0
0
0
Электроакустический преобразователь для параметрической генерации ультразвука содержит (фиг. 1) первый 1 и второй 3 генераторы электрических колебаний, выходы которых через линейный сумматор 2, импульсный модулятор 4, управляемый импульсным генератором 5, а также усилитель мощности 6 и режекторный фильтр 7 соединены с входами первого пьезоэлектрического преобразователя 8 с выпуклой сферической поверхностью апертуры и второго пьезоэлектрического преобразователя 9 с вогнутой сферической поверхностью апертуры, и несущую конструкцию цилиндрической формы 10, объединяющую в единое целое пьезоэлектрические преобразователи 8 и 9. Несущая конструкция 10 обеспечивает возможность осецентрированного изменения расстояния между пьезоэлектрическими преобразователями 8 и 9, причем, для обоих пьезоэлектрических преобразователей диаметры D апертур, средняя длина волны λ для диапазона излучаемых сигналов накачки, радиусы кривизны R, фокусные расстояния F, радиусы фокальных пятен r одинаковы и связаны соотношением rR=0,6l×λ×F (см. Розенберг Л.Ф. Фокусирующие излучатели ультразвука. В кн.: Источники мощного ультразвука. Ч. 3. - М.: Наука, 1967. -321 с), а первый пьезоэлектрический преобразователь 8 с выпуклой сферической поверхностью апертуры выполнен со сквозным осевым отверстием радиусом r=(2÷3)×r в его центральной части. Вход второго пьезоэлектрического преобразователя 9 с вогнутой сферической поверхностью апертуры соединен с выходом режекторного фильтра 7. Для фазировки обоих акустических пучков мощных волн накачки при их распространении в водной среде как в области насыщения (ближняя зона, расстояние стабилизации), так и в рабочей области сферического распространения сформировавшихся градуировочных сигналов, несущая конструкция цилиндрической формы 10 обеспечивает возможность изменения расстояния между первым 8 и вторым 9 пьезоэлектрическими преобразователями (принцип построения несущих конструкций, обеспечивающих юстировку акустической системы, и способы прецизионного изменения расстояния между преобразователями известны и применяются в методах ультразвуковой интерферометрии (см. Специальный физический практикум, ч. 1 3-е изд., М, Изд-во Моск. ун-та, 1977, с. 309-317, Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Глав. ред. И.П. Голямина. -М.: «Сов. Энциклопедия», 1979. С. 151-153), причем, последние снабжены элементами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции.
Заявляемое изобретение позволяет расширить функциональные возможности электроакустического преобразователя для параметрической генерации ультразвука, что заключается в увеличении амплитуды звукового давления формирующихся в нелинейной водной среде акустических сигналов рабочих частот, используемых в качестве градуировочных при проведении гидроакустических измерений. При этом повышается достоверность результатов измерений и снижается трудоемкость их получения за счет уменьшения уровня маскирующего шума при увеличении амплитуд звукового давления, формирующихся в нелинейной водной среде градуировочных сигналов.
x
2
x
2
0
0
0
Электроакустический преобразователь для параметрической генерации ультразвука (фиг. 1) работает следующим образом. Генераторы 1, 3 вырабатывают электрические сигналы с частотами ƒ, ƒ, поступающие через линейный сумматор 2 на вход импульсного модулятора 4, управляемого импульсным генератором 5. С выхода импульсного модулятора 4 радиоимпульс с бигармоническим заполнением (биения электрических колебаний близких частот ƒ, ƒ, находящихся в полосе пропускания пьезоэлектрических преобразователей 8, 9 с выпуклой и вогнутой сферическими поверхностями апертур), через усилитель мощности 6 и режекторный фильтр 7 поступает на входы пьезоэлектрических преобразователей 8, 9 как с выпуклой, так и вогнутой сферическими поверхностями апертур, снабженных элементами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции. Полуволновые пьезокерамические активные элементы -апертуры пьезоэлектрических преобразователей 8, 9 являются участками выпуклой (вогнутой) сферической поверхности, которые формируют в водной среде 11 характеристику направленности для акустических волн накачки, имеющую круговую симметрию относительно оси, проходящей через ее центр и перпендикулярно к середине выпуклой (вогнутой) поверхности. В силу пьезоэлектрических свойств пьезокерамические апертуры пьезоэлектрических преобразователей 8, 9 будут изменять свои полуволновые толщины с частотами, равными частотам приложенного напряжения, т.е. будут совершать колебания. Все точки поверхностей колеблются синфазно и с одинаковой амплитудой. Эти колебания передаются в водную среду 11 и распространяются в виде сгущений и разряжений, причем, в некоторых направлениях результирующая амплитуда когерентных колебаний с частотами сигналов накачки увеличивается (фазы колебаний совпадают), в других - в той или иной степени ослабляются (фазы колебаний не совпадают). Данные возмущения создают распределение уровня звукового давления мощных сигналов накачки в пространстве, имеющее круговую симметрию относительно оси, проходящей через центр и перпендикулярно к середине выпуклой (вогнутой) поверхностей и определяемое направлением на точку наблюдения из места расположения преобразователя, которое называется его характеристикой направленности. Взаимное расположение пьезоэлектрических преобразователей 8, 9 с выпуклой и вогнутой сферическими поверхностями апертур зафиксировано несущей конструкцией 10 цилиндрической формы, причем, выбрано таким образом, что электроакустический преобразователь 8 с выпуклой апертурой находится на акустической оси электроакустического преобразователя 9 с вогнутой апертурой на фокусном расстоянии F от него, причем, фокальное пятно располагается в сквозном отверстии радиусом r=(2×3)×r в центральной части электроакустического преобразователя 8 с выпуклой сферической поверхностью апертуры. При таком размещении преобладающая часть сфокусированной излученной акустической энергии волн накачки проходит главный дифракционный максимум фокального пятна радиусом r, в результате чего расположенный в фокальной плоскости пьезоэлектрический преобразователь 8 с выпуклой сферической поверхностью апертуры практически не оказывает влияния на режим излучения и параметры пьезоэлектрического преобразователя 8 с выпуклой апертурой.
Сходящаяся акустическая волна от пьезоэлектрического преобразователя 9 с вогнутой сферической поверхностью апертуры трансформируется в фокусе в расходящуюся сферическую волну, фаза которой отличается от фазы первоначальной волны на величину к (см. Розенберг Л.Ф. Фокусирующие излучатели ультразвука. В кн.: Источники мощного ультразвука. ч.3. - М.: Наука, 1967. - 321 с.). Поэтому фронт волны после фокусировки совпадает с фронтом волны, излучаемой пьезоэлектрическим преобразователем 8 с выпуклой сферической поверхностью апертуры, а при совпадении начальных фаз колебаний происходит сложение акустических колебаний обоих расходящихся сферических волн, что в свою очередь, приводит к увеличению уровня амплитуды звукового давления разностного сигнала, используемого для градуировки в водной среде 11.
x
2
+
2
1
x
2
Водная среда 11 обладает нелинейностью своих упругих свойств, что приводит к появлению нелинейных эффектов как самовоздействия, так и взаимодействия при распространении импульса интенсивной ультразвуковой волны (см. Мюир Т.Дж. Нелинейная акустика и ее роль в геофизике морских осадков // Акустика морских осадков / Пер. с англ.; Под ред. Ю.Ю. Житковского. - М.: Мир, 1977. - с. 227 - 273). Данные эффекты можно рассматривать как результат воздействия нелинейного изменения упругих свойств воды 11 на характеристики мощного импульсного сигнала накачки в области распространения, в результате чего, в частности, происходит взаимодействие сигналов накачки с частотами ƒ, ƒ, результатом которого является параметрическая генерация градуировочных ультразвуковых сигналов как разностной , так и суммарной ƒ=ƒ+ƒ частот, вторых гармоник 2ƒ, 2ƒ волн накачки.
и
0
Заявляемая конструкция, реализующая способ сложения акустической мощности с сохранением первоначальных характеристик электроакустических преобразователей 8, 9 с выпуклой и вогнутой сферическими поверхностями апертур имеет особенности. Поскольку в данном случае используются два электроакустических преобразователя 8, 9 достаточных волновых размеров D/λ>10, где D- диаметр апертуры, λ- длина волны излучаемого сигнала накачки, то при выборе конкретного расстояния между ними следует использовать в качестве сигнала накачки биения двух частот и осуществлять фазировку сигналов накачки механическим путем, результат которой фиксируется несущей конструкцией 10. Работа в импульсном режиме при данном методе сложения акустических сигналов разностной частоты накладывает условие на величину длительности излучаемого импульса τ=F/c, где с - скорость звука.
0
0
Изложенный принцип построения электроакустического преобразователя для параметрической генерации ультразвука был реализован в конструкции преобразователя накачки для нелинейного акустического излучателя НАИ-9 (резонансная частота ƒ=1380 кГц, фокусное расстояние F=47 мм, диаметр сегмента 2а=47 мм, глубина излучателя h=6 мм), получены результаты экспериментальных измерений как для низко-, так и высокочастотных компонент спектра.
На фиг. 2. представлено распределение амплитуд звукового давления для сигнала разностной частоты F=25 кГц на акустической оси электроакустического преобразователя для параметрической генерации ультразвука: 1) - излучает только первый пьезоэлектрический преобразователь 8 с выпуклой сферической поверхностью апертуры;
2) - излучает только второй пьезоэлектрический преобразователь 9 с вогнутой сферической поверхностью апертуры;
3) - излучают совместно как первый, так и второй пьезоэлектрические преобразователи 8, 9 с выпуклой и вогнутой сферическими поверхностями апертур, что приводит в дальней зоне к увеличению амплитуды звукового градуировочного сигнала на (4 - 5) дБ.
На фиг. 3. представлено экспериментальное поперечное распределение амплитуд звукового давления для сигнала разностной частоты F=50 кГц заявляемого электроакустического преобразователя для параметрической генерации ультразвука, где:
1) - излучает только первый пьезоэлектрический преобразователь 8 с выпуклой сферической поверхностью апертуры;
2) - излучает только второй пьезоэлектрический преобразователь 9 с вогнутой сферической поверхностью апертуры
3) - излучают совместно как первый, так и второй пьезоэлектрические преобразователи 8, 9 с выпуклой и вогнутой сферическими поверхностями апертур. Из сопоставления кривых (фиг. 3) следует, что третий вариант приводит в дальней зоне к увеличению амплитуды звукового градуировочного сигнала на 6 дБ.
Анализ представленных выше экспериментальных результатов позволяет сделать следующие выводы - заявляемый электроакустический преобразователь для параметрической генерации ультразвука удовлетворяет как минимум следующим специальным эксплуатационным требованиям: - большой динамический диапазон амплитуд градуировочного звукового давления; - широкий диапазон рабочих частот; -характеристика направленности измерительного излучателя содержит минимальное число добавочных лепестков в сформированном градуировочном акустическом поле. Следует отметить, что как осевые, так и поперечные распределения амплитуд звукового давления (фиг. 2, 3) для акустических полей сигналов разностных частот, формируемых электроакустическим преобразователем для параметрической генерации ультразвука, хорошо соответствуют еще одному эксплуатационному требованию для сформированного градуировочного поля: - монотонности и равномерности изменений амплитуд звукового давления как в продольном, так и поперечном направлениях водного объема гидроакустического бассейна, что позволяет размещать градуируемые приемники достаточно близко к устройству. Исходя из этого, можно предположить, что практическое использование предлагаемого электроакустического преобразователя для параметрической генерации ультразвука в качестве измерительного в условиях гидроакустических бассейнов ограниченных размеров помимо вышеуказанных преимуществ позволит уменьшить весогабаритные параметры гидроакустических бассейнов.
Необходимо подчеркнуть, что увеличение амплитуды звукового давления компонент градуировочного сигнала результирующего ультразвукового поля в измерительном объеме гидроакустического бассейна приводит к повышению достоверности результатов измерений. Следует отметить, при акустических измерениях кроме полезного сигнала, на приемный канал воздействуют сигналы, создающие трудности при проведении измерений, так как они искажают или маскируют полезный сигнал. Так, как правило, при акустических измерениях уровень сигнала (измеряемый вместе с помехой) должен быть на (10-15) дБ больше уровня помехи (измеряемой при отсутствии сигнала), причем, наиболее трудно устранить реверберационную помеху, т.е. шум, создаваемым рассеянным полезным сигналом. Однако заявляемый электроакустический преобразователь для параметрической генерации позволяет и в этом случае получить выигрыш за счет повышения направленности и отсутствия бокового излучения.
Заявляемое изобретение может найти широкое применение в области акустических измерений, в частности в измерительных излучателях звукового давления, которые в условиях гидроакустического бассейна могут быть использованы в качестве источника звуковых колебаний с высокой амплитудой звукового давления, что позволяет повысить достоверность результатов измерений и снизить трудности их получении за счет снижения уровня маскирующего шума.