ИМПУЛЬСНЫЙ МНОГОЧАСТОТНЫЙ ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ

Полезная модель может быть использована в устройствах эхолокации, гидроакустики, дефектоскопии и т.д., обеспечивая ультразвуковое излучение с высокой пространственной избирательностью в широкой полосе частот, в частности, и волны разностной частоты.
Расширение частотного диапазона излучаемых ультразвуковых сигналов при обеспечении стабильности работы устройства в широкой полосе частот достигается за счет применения акустической трубы, состоящей из каналов-резонаторов двух различных как продольных, так и поперечных волновых размеров и акустического вентиля, коэффициент звукопрозрачности диафрагмы которого регулируется оператором. Режим «акустически мягкой» диафрагмы акустического вентиля позволяет в объемах каналов-резонаторов, заполненных некавитирующей средой, формировать стоячие волны конечной амплитуды при интерференции ультразвуковых воли малой амплитуды, излучаемых электроакустическим преобразователем на нечетных модах нормальных колебаний пьезокерамического элемента, а режим звукопрозрачного состояния диафрагмы - обеспечивает импульсное излучение накопленной акустической энергии волн накачки в среду лоцирования.
В качестве первого аналога выбран 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 (см. пат. США №3964013, опубл. 15.06.1976), содержащий два генератора электрических колебаний, хронизатор-модулятор, усилитель мощности, электроакустический преобразователь.
Причинами, препятствующими достижению заявляемого технического результата, являются:
1) в интенсивной ультразвуковой волне кавитационные пузырьки образуются в областях разрежения, во время полупериода сжатия они резко захлопываются, порождая сильные гидродинамические возмущения и интенсивное акустическое излучение - кавитационный шум, вызывающие разрушение поверхностей твердых тел, граничащих с кавитирующей жидкостью, в частности, поверхностей диафрагм (звукопроводов) излучающих систем, сокращая срок службы электроакустического преобразователя (см. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Глав. ред. И.П. Голямина. - М.: «Сов. Энциклопедия», 1979. С. 154-161);
4
2
4
2
2) задача обеспечения надежности и стабильности функционирования электроакустических преобразователей накачки параметрических излучателей находится в противоречии с необходимостью формирования в среде распространения интенсивных ультразвуковых пучков, способных вызвать проявление нелинейности ее упругих свойств, что и приводит к проявлению нелинейных эффектов в акустическом поле - генерации «новых» спектральных составляющих - сигналов разностной и суммарной частот (взаимодействие), высших гармоник накачки (самовоздействие). В частности, пьезоактивный материал электроакустического преобразователя должен обеспечить высокую эффективность преобразования электрической энергии в акустическую, что обусловливает работу пьезокерамики 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, приводя к смещению резонансных частот электроакустического преобразователя накачки и уменьшению частотного диапазона генерации волны разностной частоты за счет появления нелинейной зависимости деформации пьезоэлемента от величины приложенного к нему электрического поля (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);
1
2
3) в кавитирующем импульсном параметрическом источнике отсутствует блок, устанавливаемый между электроакустическим преобразователем и средой распространения, - акустическая труба, представляющая собой резонатор-накопитель акустической энергии плоских волн накачки: f=21,5 кГц, f=22,5 кГц;
4) интенсивное акустическое излучение - кавитационный шум имеет сплошной спектр в полосе от нескольких сотен герц до тысяч килогерц, что создает мощную маскирующую помеху при регистрации эхосигналов.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: два генератора электрических колебаний, усилитель мощности, электроакустический преобразователь.
В качестве второго аналога выбран акустический параметрический излучатель со стоячей бигармонической волной накачки (см. пат. США №3872421, МКИ H04b 13/00, опубл. 18.03.1975), содержащий два генератора электрических колебаний, сумматор, усилитель мощности, электроакустический преобразователь, тонкостенную акустическую трубу, заполненную жидкостью и «акустически мягкий» отражатель.
Причинами, препятствующими достижению заявляемого технического результата, являются следующие:
0
1
2
f0
1) при значительных уровнях возбуждения меняются пьезоэлектрические и диэлектрические характеристики пьезокерамических материалов, возрастают механические и диэлектрические потери, что вызывает перегрев и располяризацию пьезоэлемента, уменьшаются как механоакустический, так и электромеханический коэффициенты полезного действия электроакустического преобразователя (резонансная частота f=(f+f)/2=100 кГц, λ=15 мм) (см. Василовский В.В., Тарасова Г.Б. Временная нестабильность свойств пьезокерамики. - В кн.: «Прикладная акустика», Вып.5, Таганрог, ТРТИ, 1977, С. 147-154);
ст
2) в тонкостенной трубе (длина L - от 76 мм до 178 мм, толщина стенки d - от 0,4 мм до 0,8 мм) с «акустически мягким» отражателем, представляющей собой резонатор-накопитель акустической энергии, находится водная среда, обладающая низкой кавитационной прочностью за счет наличия в ней микроскопических пузырьков, твердых частиц с трещинами, заполненными газом, и т.д., что может способствовать возникновению кавитации. В данном случае для электроакустического преобразователя снижается сопротивление излучения, что приводит к возрастанию силы тока, его возбуждающего, и соответствующему увеличению создаваемых им механических напряжений, вследствие чего может произойти разрушение пьезоактивного элемента (см. Терминологический словарь-справочник по гидроакустике / Р.Х. Бальян, Э.В. Батаногов, А.В. Богородский и др. - Л.: Судостроение, 1989. С. 104-105);
тр
f0
3) используемый в устройстве диапазон значений внутреннего диаметра акустической трубы-резонатора - (51÷130) мм превышает необходимое для плосковолнового распространения накачки условие d≤0,61λ, в результате чего эффективность процесса накопления акустической энергии с течением времени снижается за счет нарастания расфазировки излучаемых в объем трубы «новых» дифрагирующих волн накачки и уже существующего волнового процесса - квазистоячей вынужденной волны;
4) тонкостенная труба с торцевым «акустически мягким» отражателем волн накачки не дает возможности осуществлять эхопоиск на данных сигналах в водной среде;
1
2
5) в объеме акустической трубы происходит генерация «противофазных» волн разностной частоты (F=|f-f|=1 кГц) во встречных пучках накачки - первый - от электроакустического преобразователя к отражателю, второй - от отражателя к преобразователю, причем, во втором случае волны накачки приобретают фазовый сдвиг на 180° за счет «акустической мягкости» (см. Б.К. Новиков, С.П. Тарасов, В.И. Тимошенко Формирование характеристик параметрического излучателя вблизи отражающей границы. - Акуст. журн., АН СССР, 1983, т. 29, Вып. 2, С. 240-246);
5) в устройстве не предусмотрен импульсный режим работы.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: два генератора электрических колебаний, усилитель мощности, электроакустический преобразователь, отражатель, акустическая труба.
В качестве прототипа выбран «Акустический импульсный параметрический излучатель» по а. с. СССР №1258196, опубл. 20.12.1999, Бюл. №35, содержащий генератор электрического бигармонического сигнала, электроакустический преобразователь, акустическую трубу с продольными каналами, заполненными некавитирующей средой, акустический вентиль, блок управления и импульсный генератор.
Причинами, препятствующими достижению заявляемого технического результата, являются следующие:
g
0
0
1) звуковое давление p для дискретных наборов колебаний в одномерной стоячей волне в продольном канале длиной L, заполненном средой с плотностью ρ и скоростью с, если на конце х=0 имеется «жесткая крышка», а на конце x=L расположена «мягкая крышка», описывается соотношением (см. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Глав. ред. И.П. Голямина. - М.: «Сов. Энциклопедия», 1979. С. 336-337)
g
где A - амплитуда звукового давления g-ого обертона (g=3, 5, 7, … номер обертона) стоячей волны основного тона (g=1), [(2g-1)π/2L]=2π/λ=ω/c=k - волновое число, определяемое граничными условиями на концах трубы x=0 и x=L, λ, ω=2π·f - длина и циклическая частота монохроматической бегущей волны; I - текущее время. В данном случае собственные частоты находятся в отношениях 1:3:5…, образуя неполный гармонический ряд, а на длине продольного канала в каждой из стоячих волн (фиг. 1) укладывается нечетное число четвертей длин волн основного тона (g=1) или обертонов (g=3, 5, 7, …), что определяет длину канала
1
1
2
2
Как следует из вышесказанного, для эффективности работы резонатора - накопителя акустической энергии рассматриваемого устройства необходимо, чтобы отношение частот накачки также было равно 1:3:5:…, что не может быть осуществлено при возбуждении электроакустического преобразователя электрическими сигналами с близкими частотами f=ω/2π, f=ω/2π колебаний, находящимися в его полосе пропускания. Данный «традиционный» режим параметрического возбуждения обусловливает то, что для одного сигнала накачки или сразу для обоих не будет выполняться условие резонанса, задаваемое в прототипе соотношением между длиной трубы L и параметрами излучаемых сигналов
0
где с - скорость звука в среде, заполняющей трубу,
τ - длительность излучаемого импульса,
1
0
1
2
0
2
0
λ=с/f, λ=с/f, Λ=с/F - длины волн сигналов накачки и
разностной частоты в среде, заполняющей трубу;
l, m, p - целые числа.
Таким образом, в продольных каналах заданной длины акустической трубы прототипа не уложится необходимое целое число четвертей длин волн накачки малой амплитуды, вследствие чего накопление акустической энергии в резонаторе будет малоэффективным (каждой частоте ультразвукового сигнала должен соответствовать продольный канал акустической трубы «своей» длины);
0
0
1
3
5
2) диапазон изменения значений частот ультразвуковых сигналов накачки в прототипе определяется полосой пропускания электроакустического преобразователя, однако, как следует из фиг. 1 при одинаковой длительности излучения устройства τ=2L/с, определяемой как длиной L акустической трубы, так и скоростью звука с в заполняющей ее некавитирующей среде, каждому номеру g=3, 5, 7, … обертона стоячей волны основного тона (g=1) может соответствовать разное по количеству полуволн его гармоническое заполнение: g=1⇒λ/2; g=3⇒3λ/2; g=5⇒5λ/2; при условии их возбуждения. Таким образом, электроакустический преобразователь целесообразно возбуждать на кратных модах толщинных нормальных колебаний полуволновых стержневых систем - пьезоэлементов (продольные нормальные колебания тонкого стержня со свободными концами), собственные частоты которых определяются соотношением (см. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Глав. ред. И.П. Голямина. - М.: «Сов. Энциклопедия», 1979. С. 238)
q
q
q
q
g
где q - номер моды нормального колебания (1, 3, 5, 7,); c - скорость продольных волн в пьезокерамическом стержне; z=qλ/2=qc/2f - резонансный размер (толщина) пьезоэлемента, на которой укладывается нечетное число половин длин λ продольных волн (q=1, основная мода, q=3, 5, 7… высшие моды), причем, акустическая труба-резонатор будет усиливать только определенные спектральные составляющие, излучаемые электроакустическим преобразователем: для моды q=3 акустическая труба резонирует при g=5, для q=5-g=9, для q=7 g=13 и т.д., т.к. частоты кратных мод толщинных нормальных колебаний пьезоэлементов и обертонов резонатора - накопителя акустической энергии должны совпадать, т.е. f=f;
3) в объеме акустической трубы во встречных пучках накачки (бигармонические сигналы как падающие на, так и отраженные от «акустически мягкой» диафрагмы) происходит генерация противофазных компенсирующих друг друга волн разностной частоты, что снижает эффективность накопления акустической энергии волн накачки, в связи, с чем ограничивающее условие из (3)
L=l·Λ/2
для сигнала разностной частоты является излишним;
4) наложение двух когерентных волн - падающей и отраженной, бегущих навстречу друг другу в продольном канале акустической трубы, формирует стабильные области интерференционного усиления и ослабления колебаний частиц некавитирующей среды, что позволяет при небольшой подкачке энергии извне за счет резонансной длины продольного канала «раскачать» некавитирующую среду до возникновения стоячей волны конечной амплитуды, т.е. накопить акустическую энергию волны накачки. Следует подчеркнуть, что представленное выше описание справедливо для монохроматической гармонической волны, в то время как используемый в прототипе бигармоиический сигнал накачки существенно искажает формирование интерференционной картины в объеме продольных каналов акустической трубы, снижая эффективность накопления энергии волн накачки - движение каждой частицы некавитирующей среды следует рассматривать как результат наложения двух стоячих волн, которое приводит к снижению эффективности накопления акустической энергии.
Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности устройства вследствие малости частотного диапазона излучаемых ультразвуковых сигналов.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: генератор электрических колебаний, электроакустический преобразователь, акустическую трубу с продольными каналами, заполненными некавитирующей средой, акустический вентиль, блок управления и импульсный генератор.
Задачей полезной модели является расширение частотного диапазона излучаемых ультразвуковых сигналов при обеспечении стабильности работы импульсного параметрического излучателя.
1
2
q1
q2
q1
q2
q1
1
q1
2
f1
gf1
f2
gf2
gf1
0
1
gf2
0
2
gf1
0
1
gf2
0
2
1
2
q1
1
q2
2
Технический результат полезной модели заключается в возможности расширения частотного диапазона ультразвуковых сигналов как излучаемых в нелинейную среду распространения - мощной бигармонической накачки (fq, fq) так и формирующихся при распространении за счет нелинейных эффектов взаимодействия |f±f| (суммарная и разностная компоненты) и самовоздействия (nf, nf) (n=2, 3, 4, 5, … - номера высших гармоник сигналов накачки; q=1, 3, 5, 7, … - номер моды нормальных колебаний пьезоэлементов электроакустического преобразователя как стержневых систем с резонансами f=qc/2z, f=qc/2z: -q=1, основная мода, q=3, 5, 7 высшие моды). Стабильность работы импульсного параметрического излучателя достигается за счет исполнения акустической трубы с акустическим вентилем как совокупности одинакового количества соосных и параллельных ее оси однотипных каналов двух видов, образующих две группы резонаторов (при g=1 длины L=λ/4 и L=λ/4, поперечные размеры не более 0,61 от наименьшей из длин волн λ=c/gf, λ=c/gf, g=5, 9, 13, …, первый и второй виды соответственно) для монохроматических плоских ультразвуковых волн малой амплитуды с разными длинами волн λ=с/gf, λ=c/gf, что позволяет постепенно накопить их акустическую энергию перед импульсным излучением в водную среду. В объемы резонаторов монохроматические ультразвуковые волны малой амплитуды излучаются секционировано-многоэлементным электроакустическим преобразователем, обе секции которого включают в себя по шесть групп параллельно включенных одинаковых полуволновых стержневых пьезоэлементов; полуволновые стержневые пьезоэлементы в разных секциях имеют длины z, z и возбуждаются как колебательные системы с резонансами f=qc/2z, f=qc/2z на модах нормальных колебаний (q=3, 5, 7, …) соответственно, площади поверхностей излучения обоих секций одинаковы и образуют на плоской апертуре секционировано-многоэлементного электроакустического преобразователя по шесть равновеликих секторов с центральным углом 30° сдвинутых друг относительно друга.
1
2
q1
1
q2
2
gf1
0
1
gf2
0
2
f1
gf1
f2
gf2
gf1
0
1
gf2
0
2
gf1
0
1
gf2
0
2
f1
f2
1
2
1,2
q1
1
q2
2
0
1
2
1
2
q1
1
q2
2
f1
gf1
f2
gf2
q1
1
q2
2
q1
q2
Технический результат достигается тем, что в импульсный параметрический излучатель, содержащий генератор электрических колебаний, электроакустический преобразователь, акустическую трубу с продольными каналами, заполненными некавитирующей средой, акустический вентиль, блок управления и импульсный генератор, дополнительно введены генератор электрических колебаний, (q-1) умножителей частоты (q=3, 5, 7, …), два аналоговых ключа, два усилителя мощности, что в совокупности образует двухканальный излучающий тракт устройства: - в каждом канале выход генератора электрических колебаний соединен как напрямую с первым входом аналогового ключа, так и через (q-1)/2 умножителей частоты с (q-1)/2 входами аналогового ключа, выход которого через усилитель мощности соединен со входом одной из двух секций круглого и многоэлементного электроакустического преобразователя, включающей по шесть групп параллельно включенных полу во л новых стержневых пьезоэлементов, причем, в каждом канале полуволновые стержневые пьезоэлементы имеют длины z, z и возбуждаются как колебательные системы с резонансами f=qc/2z, f=qc/2z на модах нормальных колебаний (q=3, 5, 7, …), площади поверхностей излучения обоих секций одинаковы и образуют на плоской апертуре секционировано-многоэлементного электроакустического преобразователя по шесть равновеликих секторов с центральным углом 30° сдвинутых друг относительно друга. Секционировано-многоэлементный электроакустический преобразователь, поверхность которого можно считать «акустически жесткой», установлен в одном из торцов акустической трубы, выполненной как совокупность одинакового количества соосных и параллельных ее оси однотипных каналов двух видов (см. фиг. 3), которые отличаясь друг от друга как продольным, так и поперечным волновым размером, образуют группы резонаторов для монохроматических плоских ультразвуковых волн малой амплитуды с разными длинами волн λ=c/gf, λ=c/gf, (g=5, 9, 13, …, первый и второй виды соответственно). Длины L=λ(2g-1)/4 и L=λ(2g-1)/4 продольных каналов-резонаторов выбраны такими, чтобы на них укладывалось нечетное число четвертей длин волн λ=c/gf, λ=c/gf соответственно, а поперечные размеры каналов составляют не более 0,61 от наименьшей из длин волн λ=c/gf, λ=c/gf распространяющихся ультразвуковых колебаний. Другие торцы каналов-резонаторов ограничены «ступенчато-секционированной» поверхностью диафрагмы акустического вентиля, высота «ступеньки» (L-L) определяется различием длин продольных каналов-резонаторов, причем, коэффициент звукопрозрачности диафрагмы акустического вентиля регулируется оператором с помощью блока управления. Звукоиепрозрачное состояние акустического вентиля (полость диафрагмы заполнена газом и является «акустически мягкой») позволяет в каналах как первого, так и второго вида, заполненных некавитирующей средой, формировать за счет резонансного усиления «монохроматические» стоячие волны конечной амплитуды при интерференции плоских «встречных» ультразвуковых волн как малой амплитуды, так и разной частоты - gf (первый вид) и gf (второй вид) (g=5, 9, 13, …). Ультразвуковые волны малой амплитуды излучаются в соответствующие объемы резонаторов обоих видов полуволновыми стержневыми пьезоэлементами с толщинами z, возбуждаемыми как колебательные системы (см. соотношение 4) с резонансами f=qc/2z, f=qc/2z на нечетных модах нормальных толщинных колебаний (q=3, 5, 7, …), причем, выбор частот возбуждения колебательных систем определяется оператором путем переключения с помощью блока управления соответствующих аналоговых ключей в обоих каналах генераторных трактов. Задаваемое оператором кратковременное звукопрозрачное состояние (газовая прослойка устранена) диафрагмы вентиля обеспечивает прохождение в водную среду лоцирования накопленной в каналах-резонаторах обоих видов акустической энергии обертонов (g=5, 9, 13,.) интерферирующих ультразвуковых волн, т.е. излучение длительностью τ=2L/с коллимированных ультразвуковых сигналов конечной амплитуды - пучков накачки с частотами от gf, (первый вид резонатора) до gf (второй вид резонатора), где q=3, 5, 7, … - моды нормальных колебаний полуволновых стержневых пьезоэлементов с толщинами z, и z, возбуждаемых на частотах от f=qc/2z до f=qc/2z (задаются оператором устройства посредством управляющих сигналов с блока управления) с помощью соответствующих генераторных трактов. В поперечном сечении акустическая труба имеет «сотовую» структуру (фиг. 1), т.е. ее объем разделен как радиальными, так и концентрическими перегородками, образуя осесимметричное распределение «накрест лежащих» равновеликих секторов (30°), образованных совокупностями каналов-резонаторов как первого (L=λ(2g-1)/4), так и второго вида (L=λ(2g-1)/4), которое должным образом совпадает с распределением на круглой плоской апертуре секционировано-многоэлементного электроакустического преобразователя двенадцати групп параллельно включенных колебательных систем с резонансами как f=qc/2z, так и f=qc/2z соответственно. Дополнительное разделение радиальными перегородками (по 10°) в пределах «накрест лежащих» равновеликих секторов обеспечивает для каждого сформированного канала-резонатора выполнение условия распространения плоских акустических волн малой амплитуды с частотами как f, так и f, (q=3, 5, 7, …), где q - моды нормальных толщинных колебаний полуволновых стержневых пьезоэлементов электроакустического преобразователя.
Введенные блоки в совокупности с описанными связями позволят расширить эксплуатационные возможности устройства за счет увеличения частотного диапазона излучаемых ультразвуковых сигналов при обеспечении стабильности работы устройства.
0
0
1,2
q1
1
q2
2
f1
f2
На фиг. 1 показан набор колебаний в одномерной стоячей волне в канале длиной L, заполненном средой с плотностью ρ и скоростью с, (на конце х=0 имеется «жесткая крышка», а на конце x=L - «мягкая крышка»); на фиг. 2 изображены продольный (А-А) и поперечный (Б-Б) разрезы акустической трубы с «сотовой» структурой из каналов-резонаторов, торцы которых ограничены: - снизу - «акустически жесткой» поверхностью круглого многоэлементного электроакустического преобразователя, состоящего из полуволновых стержневых пьезоэлементов длин z, которые образуют на излучающей поверхности 12 одинаковых секторов из колебательных систем с резонансами f=qc/2z, f=qc/2z на модах нормальных колебаний (q=3, 5, 7, …), - сверху - ступенчатой поверхностью звукопрозрачной неподвижной мембраны акустического вентиля-отражателя (L-L - высота ступеньки); на фиг. 3 - изображена структурная схема заявляемого устройства; на фиг. 4 - фотография большого мозаичного электроакустического преобразователя, разработанного в Лаборатории прикладных исследований Техасского университета, г. Остин (см. Garrett G.S., Tjotta S. Nearfield of a large acoustic transducer. Pt. 2. Parametric radiation // J. Acoust. Soc. Amer., 1983, v. 74, №3, Р. 1013-1020.
q1
q2
1,2
f1
f2
q1
1
q2
2
q1
1
q2
2
f1
f2
gf1
0
1
gf2
0
2
gf1
0
1
gf2
0
2
1
2
gf1
gf2
Импульсный многочастотный параметрический излучатель (фиг. 3) содержит двухканальный излучающий тракт - два генератора 1 электрических гармонических сигналов с частотами колебаний f, f (q=1) соединены как напрямую, так и через умножители частоты 2 (×3, ×5, …, ×q) с соответствующим числом входов двух аналоговых ключей 3, выходы которых через два усилителя мощности 4 соединены со входами обоих половин круглого многоэлементного электроакустического преобразователя 5, состоящего из полуволновых стержневых пьезоэлементов длин z, которые образуют на излучающей поверхности 12 одинаковых секторов из колебательных систем 5, 5 с резонансами f=qc/2z, f=qc/2z на модах нормальных колебаний (q=3, 5, 7, …). Электроакустический преобразователь 5 установлен в акустическую трубу 6, таким образом, что секторам из колебательных систем с резонансами f=qc/2z, f=qc/2z соответствует ее поперечная «сотовая» структура из продольных каналов-резонаторов 7 и перегородок 8, длины L и L которых выбраны такими, чтобы на них укладывалось нечетное число четвертей длин волн λ=c/gf, λ=c/gf соответственно, а поперечные размеры каналов составляли не более 0,61 от наименьшей из возбуждаемых длин волн λ=c/gf, λ=c/gf ультразвуковых колебаний (f<f, λ>λ) в некавитирующей среде 9. Акустический вентиль 10 (А. с. 533864 СССР МКИ G01N 29/04 Ультразвуковая диафрагма / Ермаченко В.П., Косолапов Н.Г., Трахтенберг Л.И. (СССР). - №2038822/28; Заявлено 28.06.74. Опубл. 30.10.1976; Бюл. 40. - 2 с.) обеспечивает последовательно как накопление акустической энергии волн (звукопрозрачные неподвижная 11 и подвижная 12 мембраны акустического вентиля-отражателя разделены газовым зазором), так и импульсное излучение результирующих волновых процессов (звукопрозрачные неподвижная 11 и подвижная 12 мембраны акустического вентиля-отражателя приведены в непосредственный контакт) в окружающую водную среду 13 в соответствии с сигналом, поступающим через блок управления 14 с выхода импульсного генератора 15, причем, два дополнительных выхода блока управления 14 соединены с управляющими входами аналоговых ключей 3.
q1
q2
1,2
f1
f2
q1
1
q2
2
0
0
Излучатель работает следующим образом. Непрерывные электрические сигналы с частотами колебаний f, f (q=1) с генераторов 1 через умножители частоты 2 (×3, ×5, …, ×q), аналоговые ключи 3 и усилители мощности 4 подаются на входы обоих половин круглого многоэлементного электроакустического преобразователя 5, состоящего из полуволновых стержневых пьезоэлементов длин z, которые образуют на излучающей поверхности 12 одинаковых секторов из колебательных систем 5, 5 с резонансами f=qc/2z, f=qc/2z на модах нормальных колебаний (q=3, 5, 7, …), вследствие чего в трубе 6 распространяются акустические колебания. Рассмотрим физические основы функционирования режима накопления акустической энергии в продольном канале-резонаторе 7 при наличии газового зазора между неподвижной 11 и подвижной 12 мембранами акустического вентиля 10 («мягкая крышка», координата x=L вдоль трубы) и электроакустического преобразователя 5 («жесткая крышка», координата x=0) (см. выше соотношение (1) на стр. 5 описания, а также - Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Глав. ред. И.П. Голямина. - М.: «Сов. Энциклопедия», 1979. С. 336-337). Когда бегущая гармоническая волна от электроакустического преобразователя 5 достигает преграды, от которой она может отразиться, то появляется отраженная волна, распространяющаяся в обратном направлении. В данном случае движение каждой частицы некавитирующей среды с волновым сопротивлением ρс можно рассматривать как результат интерференции двух волн - падающей и отраженной
0
0
m
где λ=c/f - длина волны, т.е. расстояние, которое проходит волна за один период; k=2π/λ=ω/c - волновое число; ξ - амплитуда плоских бегущих падающей и отраженной волн (смещение относительно положения равновесия). Таким образом, в продольных каналах-резонаторах 7 возникают стоячие волны, в которых различные участки среды колеблются либо синфазно, либо противофазно. Для любой ограниченной области среды существует бесконечный дискретный набор стоячих волн, различающихся частотой (собственные частоты) и характерным расположением узлов и пучностей, образующих фиксированные в пространстве плоскости параллельные отражающей границе. Пучности звукового давления расположены на расстоянии полуволны друг от друга, а узлы давления делят эти расстояния пополам, т.е., в стоячей волне узлы и пучности чередуются через каждые четверть длины волны. Рассмотрим особенности процесса отражения акустической волны от «мягкой крышки», т.е. при наличии газового зазора между неподвижной 11 и эластичной 12 мембранами акустического вентиля 10. Волна сжатия, достигнув правого торца продольного канала, сообщит поступательное движение вперед частицам материала мембраны 11, причем, движение будет передаваться вперед пока не прекратится под воздействием сил упругости мембраны. Таким образом, в волновом процессе сжатие успеет перейти в разрежение, знак деформации изменится и волна звукового давления будет отражаться в противофазе, в результате амплитуды прямой и отраженной волн вычитаются и звуковое давление на мембране 11 падает до нуля. Колебательные скорости частиц в волне разрежения направлены в сторону, противоположную распространению волны, а так как отраженная волна разрежения распространяется противоположно направлению распространения прямой волны сжатия, то колебательные скорости в прямой и отраженной волнах будут в фазе и их амплитуды складываются. Таким образом, для координаты x=L на «мягкой крышке» продольного канала 7 акустической трубы образуется узел звукового давления и пучность колебательной скорости, в то время как для x=0 на «жесткой крышке» (электроакустический преобразователь 5) из аналогичных соображений наблюдается противоположная картина - пучность звукового давления и узел колебательной скорости. Как следует из вышеописанного, в продольных каналах 7 акустической трубы 6 существуют стабильные области интерференционного усиления и ослабления колебаний. Энергия в стоячей волне распределяется так, что в областях, близких к узлам, сосредоточивается, главным образом, энергия потенциальная, а в областях, близких к пучности, - кинетическая, причем, при отсутствии потерь сумма этих двух видов энергии остается постоянной во времени. При прохождении частицами среды в каналах 7 положения равновесия потенциальная энергия становится минимальной, а кинетическая - максимальной, через четверть периода колебаний, когда частицы достигают максимальных смещений, кинетическая энергия убывают до нуля, а потенциальная становится максимальной. Следовательно, в стоячей волне за каждые четверть периода происходит преобразование кинетической энергии в потенциальную и наоборот. Однако средний поток энергии вдоль продольных каналов акустической трубы за период равен нулю: в отличие от бегущей волны стоячая волна не передает энергии, которая только колеблется между соседними пучностями звукового давления и скорости, причем, кинетическая энергия колебаний переходит в упругую (потенциальную) энергию и обратно. Таким образом, каждый участок среды длиной в четверть длины волны не обменивается энергией с соседними участками. Рассчитаем полную энергию Е, равную только потенциальной для момента cosωt=1, на участке среды длиной 0≤x≤λ/4:
f1
gf1
f2
gf2
gf1
0
1
gf2
0
2
1,2
f1
f2
q1
1
q2
2
q1
q2
q1
q2
q1
q2
0
f1
f2
q1
1
q2
2
-3
где ω - циклическая частота колебаний, S - площадь поперечного сечения продольного канала. Из соотношения (6) следует, что накопленная акустическая энергия в канале-резонаторе пропорциональна квадрату амплитуды результирующего волнового процесса. В реальных условиях практически всегда приходится иметь дело либо с вынужденными, либо с затухающими квазистоячими волнами, поскольку даже при отсутствии излучения в водную среду имеет место поглощение колебательной энергии в некавитирующей среде. Незатухающие стоячие волны в продольном канале можно осуществить как вынужденные, в которых потери колебательной энергии компенсируются работой вынуждающих сил, создаваемых действием электроакустического преобразователя 5, причем, совпадение частоты ультразвуковых колебаний малой амплитуды с собственной частотой продольного канала-резонатора, позволяет возбудить резонансные стоячие волны конечной амплитуды. Следует отметить, что отмеченные выше физические процессы происходят в каналах-резонаторах как первого (L=λ(2g-1)/4), так и второго вида (L=λ(2g-1)/4), λ=c/gf, λ=c/gf, (g=5, 9, 13,.) круглый многоэлементный электроакустический преобразователя 5 состоит из полуволновых стержневых пьезоэлементов длин z, образующих на излучающей поверхности двенадцать одинаковых секторов из колебательных систем (5, 5) с резонансами f=qc/2z, f=qc/2z на модах нормальных колебаний (q=3, 5, 7, …). Акустические волны в продольных каналах-резонаторах суммируются в фазе и их энергия в трубе 6 растет до тех пор, пока потери при переотражении волн в трубе не станут равными энергии, излучаемой преобразователем 5. Заполнение внутреннего объема трубы 6 некавитирующим материалом 9 позволяет избежать недостаточной степени накопления энергии за счет возникновения в среде кавитационных явлений. При подаче с импульсного генератора 15 на вход блока управления 14 импульса напряжения длительностью Δt≥τ неподвижная 11 и подвижная 12 мембраны акустического вентиля 10 приводятся в соприкосновение (принцип функционирования с использованием электропневмоклапанов, трубопровода и сосудами высокого и низкого давления описан в прототипе а. с. СССР №1258196, опубл. 20.12.1999, Бюл. №35), акустический вентиль 10 переключается в режим звукопрозрачности, рабочий ход мембран может быть невелик (порядка 10 м), что обеспечивает быстродействие срабатывания. Акустические волны мощной бигармонической накачки (f, f) из трубы 6 проходят через обе мембраны в окружающую среду. При распространении этих волн в водной среде формируются за счет нелинейных эффектов взаимодействия и самовоздействия «новые» спектральные составляющие: - |f±f| - суммарная и разностная компоненты, nf, nf - высшие гармоники сигналов накачки, что расширяет частотный диапазон излучаемых ультразвуковых сигналов при обеспечении стабильности работы импульсного параметрического излучателя. Длительность сигналов равна τ=2L/с Через время τ сигналы накачки с повышенным уровнем перейдут в окружающую среду и уровень излучаемого сигнала резко уменьшается. Поэтому акустический вентиль в режиме звукопрозрачности может находиться и большее время чем τ. Длительность мощного излучаемого сигнала все равно не превышает τ. С помощью блока управления 14 и аналоговых ключей 3 можно возбуждать требуемую моду нормальных колебаний (q=3, 5, 7, …) колебательных систем (5, 5) с резонансами f=qc/2z, f=qc/2z составляющих круглый многоэлементный электроакустический преобразователя 5.
1
2
В качестве многоэлементного электроакустического преобразователя 5 можно использовать конструкцию большого мозаичного электроакустического преобразователя (см. фиг. 4), имеющего диаметр 182 см и состоящего из 364 пьезоэлементов прямоугольной формы (4,8×6,4) см, которые распределены по его плоской поверхности в виде 13 концентрических колец (равномерное поршневое амплитудное распределение по излучающей поверхности преобразователя накачки, см. Garrett G.S., Tjotta J.N., Tjotta S. Nearfield of a large acoustic transducer. Pt. 2. Parametric radiation // J. Acoust. Soc. Amer., 1983, v. 74, №3, Р. 1013-1020). Для параметрической генерации волны разностной частоты в диапазоне (0,5÷5) кГц мозаичный преобразователь излучал акустические волны накачки средней мощности в частотном диапазоне (11÷16) кГц, что сопровождалось формированием и высокочастотных компонент спектра - вторых гармоник и волны суммарной частоты. При проведении эксперимента было использовано два способа излучения в водную среду волн накачки: 1) смешанный - в электронном тракте формировался сигнал бигармонической накачки, который после усилителя мощности поступал на все пьезоэлементы преобразователя накачки одновременно; 2)раздельный - сигнал накачки с более высокой частотой f=16 кГц подавался на пьезоэлементы, образующие нечетные кольца, а с более низкой частотой f=11 кГц - на четные кольца, причем, площади излучения для каждой накачки одинаковы, ширина колец составляет 4,8 см.
После прекращения импульса генератора 15 акустический вентиль 10 переключается в режим звуконепрозрачности и происходит новое накопление энергии акустических волн. При работе данного излучателя в составе, например, эхолокационных систем импульс с генератора 15 может быть использован для синхронизации других блоков. Данный акустический импульсный параметрический излучатель требует для своей раскачки значительно меньших возбуждающих напряжений по сравнению с традиционными (в 5-10 раз) при той же мощности излучаемого акустического сигнала. Это повышает надежность и стабильность работы излучателя за счет уменьшения отказов и удлинения срока службы.