CN103575377A - 测量参量声场中差频波空间分布特性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种测量参量声场中差频波空间分布特性的方法。首先通过两列高频声波f₁和f₂组成参量声场，测得参量声场的作用区域并将参量声场均匀划分为n个测量网格，在任一网格点A处测得差频波幅值

再单独发射低频声波f₃，使其在A点的幅值与差频波幅值相等；最后同时发射三列声波f₁、f₂和f₃，得到功率谱值

根据功率谱最小值

对应的f₁初始相位可以得到该点位置处差频波的相位；重复以上步骤测得其它点的差频波幅度以及相位信息。本发明同时描绘出了差频波幅度以及相位在参量声场的分布特性，解决了现有的实验方法以及工程技术难以描述水下参量声场中差频波相位变化规律的问题，为分析声参量场的特性奠定了基础。

Description

测量参量声场中差频波空间分布特性的方法

技术领域

本发明涉及的是非线性声学领域的一种利用三波声互作用测量参量声场中差频波空间分布特性的实验方法。

背景技术

两列大振幅声波在介质中传播时会产生其它频率的声波，包括二倍频、和频以及差频等等，其中以差频波的应用最为广泛。众所周知，声参量阵是非线性声学领域中的重要应用之一，近年来在水声工程和超声医学领域取得了较大的进展，并被广泛应用到水声通讯、鱼群探测、隐蔽水雷探测以及超声成像等方面。它是指利用声波互作用生成差频波以实现在小的基阵尺寸条件下获得低频波束，由于指向性尖锐、频带宽，故能提高空间分辨率、抗混响并可以获得较高的信号处理增益，因此研究参量声场中差频波的空间分布特性至关重要。

文献“不同波束形成的参量阵近场比较，声学技术，2000，vol.2,p81-p83”公开了一种计算声参量场中差频波幅度分布规律的方法。该方法是通过对KZK方程进行数值求解，得到了均匀平面阵、聚焦阵及非衍射阵形成的参量阵波束近场声场,然后比较了不同波束声轴上的差频声压级的分布规律。文献“利用反射的差频声波测量媒质非线性参量B/A，科学通报,2003，vol.21,p27-p28”给出了一种两波非线性互作用产成的差频波幅度的计算方法，其中考虑了媒质对声波的吸收作用。但以上文献只给出了计算差频波幅度的方法，并未涉及到差频波相位的提取方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可实现对差频波相位特征参数提取的利用三波声互作用测量参量声场中差频波空间分布特性的方法。

本发明的利用三波声互作用测量参量声场中差频波空间分布特性的方法为：

（1）利用高频发射换能器同时发射两个频率分别为f₁和f₂的声波以组成参量声场，通过两波生成的差频波声压级随距离的变化曲线得到参量声场的作用区域，并均匀划分测量网格；

（2）利用低频发射换能器发射频率为f₃的声波，频率关系应满足f₃=f₂-f₁，并保证低频换能器到高频换能器的距离满足远场条件L>>d²/λ，其中，L为低频发射换能器与高频发射换能器的距离，λ为低频声波的波长，d为低频发射换能器辐射面的直径；

（3）在任意一个网格点A处利用声压水听器测得同时发射f₁和f₂时的差频波幅值

然后单独发射低频声波f₃，使其在A点的幅值与差频波幅值相等，并记录对应的发射工况；

（4）同时发射三列声波f₁、f₂和f₃，并保证f₁、f₂、f₃的幅度以及f₁、f₂初始相位与步骤（3）中的发射工况一致，并以

为间隔改变f₃的初始相位一周并记录其在网格点A处的功率谱值

根据功率谱最小值

所对应的f₁初始相位得到该点位置处差频波的相位；

（5）测量其它点的差频波幅度以及相位信息，重复步骤（3）～（4），最终得出差频波幅度以及相位在参量声场的分布特性。

本发明的利用三波声互作用测量参量声场中差频波空间分布特性的方法，同时描绘出了差频波幅度以及相位在参量声场的分布特性，解决了现有的实验方法以及工程技术难以描述水下参量声场中差频波相位变化规律的问题，为分析声参量场的特性奠定了基础。

附图说明

图1是本发明的差频波声压级随距离的变化规律图；

图2是本发明的水下测量差频波声场的俯视图；

图3是本发明的系统装置连接示意图；

图4是本发明的同时发射中频和高频声波时在A点处的声压级图；

图5是本发明的单独发射低频声波时在A点处的声压级图；

图6是本发明的改变Δ(x=0)对低频声波能量的影响图；

图7是本发明的低频初始相位为350°时三波合发在A点的声压级图。

具体实施方式

下面以测量高频40kHz和45kHz生成的差频波5kHz空间分布特性为例，结合附图对本发明做更详细地描述。

（1）本次实验在消声水池中进行，使高频发射换能器同时发射两个频率分别为f₁和f₂的声波以组成参量声场。其中f₁=40kHz，f₂=45kHz，则生成的差频波f_d=5kHz。

通过行车控制水听器以2m/min的速度匀速运动，采集5min的数据并处理得出差频波声压级随距离变化的曲线如图1所示。由于水池的背景噪声在100dB附近，因此判断出参量声场截止的位置为6m处，并根据已知高频发射换能器的辐射角可以得出参量声场的作用区域。按照具体的工程要求选择一定的步长划分测量网格，设网格的个数为n。图2为水下差频波声场的俯视图。A为任意一个网格点。在水介质中，差频波声压随距离的衰减规律与线性声学不同：在S₁区域内，差频波不断生成，与此同时吸收也逐渐增加，但是差频波随距离增加的效应超过介质对它的吸收效应，此时认为非线性作用大于声吸收作用，参量声场的起始阶段差频波幅值随距离线性增加。在S₂区域内，由于中频声波和高频声波能量被吸收，生成的差频波越来越小，此时非线性作用小于声吸收作用，差频波幅值随距离增加而减小。在S₃区域内，差频波幅值已经接近背景噪声，视为声参量场的截止区。

（2）利用低频发射换能器发射频率为f₃的声波，使频率关系满足f₃=f₂-f₁=f_d=5kHz。

系统装置连接示意图如图3所示。在布放收发系统的过程中，应保证低频与高频发射换能器的声中心处于同一水平直线上；将水听器与接收支架刚性连接，使连接的实验仪器共地。低频发射换能器与高频发射换能器的距离L应满足下列关系：L>>d²/λ，其中，λ为低频声波的波长，d为低频发射换能器辐射面的直径。

（3）同时发射f₁和f₂，在任意一个网格点A处利用声压水听器测得此位置的差频波幅值A∈n。然后单独发射低频声波f₃，通过调节发射端的信号源和功放使其在网格A点的幅值与测得的差频波幅值

相等。图4为同时发射40kHz和45kHz的声波，生成声压级为128.5dB的差频波。图5为单发5kHz低频声波时，在A点处产生的128.6dB声压级。并记录对应的发射工况。

（4）同时发射三列声波f₁、f₂和f₃，保证f₁、f₂、f₃的幅度以及f₁、f₂初始相位与步骤（3）中的发射工况一致。由于三波的相位关系对实验测量过程十分重要，因此必须使用同步的信号源发射三列声波。然后以为间隔改变f₃的初始相位一周，并通过数据采集仪实时观察功率谱读值，记录其在网格点A的功率谱值m=1,2…表示初始相位的序号。

表1改变初始相位时5kHz声波的功率谱值

初始相位（°）	0	20	40	60	80
						功率谱值（dB）	-66.4	-59.7	-56.1	-53.7	-52.1
初始相位（°）	100	120	140	160	180
						功率谱值（dB）	-51	-50.3	-49.7	-49.5	-49.5
初始相位（°）	200	220	240	260	280
						功率谱值（dB）	-49.8	-50.5	-51.3	-52.9	-54.7
初始相位（°）	300	320	340
						功率谱值（dB）	-57.4	-62.2	-73.5

已知中频40kHz和高频45kHz合发时产生的差频波5kHz功率谱读值为-55.6dB。表1中的功率谱值表明在某些初始相位条件下，三波互作用后5kHz声波的功率谱值会大于或者小于差频波值。这是由于低频声波叠加到了差频声波上，若低频声波相位与差频波同向则会实现差频波的放大；若低频声波相位与差频波相反则会降低差频波的幅度。因此可以通过功率谱最大值

或最小值

对应的低频声波相位得出差频波的相位信息。下面通过对三波互作用方程进行数值计算得出更容易获得准确差频波相位信息的方式。

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{dB}}_1\left(x\right)}{\mathrm{dx}}+{\mathrm{\α}}_1{B}_1\left(x\right)=-\frac{{\mathrm{\ω}}_1\mathrm{\β}}{c_0^2}{B}_3\left(x\right)B_2\left(x\right)\sin \mathrm{\Δ}\left(x\right)\\ \frac{{\mathrm{dB}}_2\left(x\right)}{\mathrm{dx}}+{\mathrm{\α}}_2{B}_2\left(x\right)=\frac{{\mathrm{\ω}}_2\mathrm{\β}}{c_0^2}{B}_3\left(x\right)B_1\left(x\right)\sin \mathrm{\Δ}\left(x\right)\\ \frac{{\mathrm{dB}}_3\left(x\right)}{\mathrm{dx}}+{\mathrm{\α}}_3{B}_3\left(x\right)=-\frac{{\mathrm{\ω}}_3\mathrm{\β}}{c_0^2}{B}_1\left(x\right)B_2\left(x\right)\sin \mathrm{\Δ}\left(x\right)\\ \frac{\mathrm{d\Δ}\left(x\right)}{\mathrm{dx}}+\frac{\mathrm{\β}}{c_0^2}({\mathrm{\ω}}_3\frac{B_1\left(x\right)B_2\left(x\right)}{B_3}+{\mathrm{\ω}}_1\frac{B_3\left(x\right)B_2\left(x\right)}{B_1}-{\mathrm{\ω}}_2\frac{B_3\left(x\right)B_1\left(x\right)}{B_2})\cos \mathrm{\Δ}\left(x\right)=0\end{array}\right.$

其中，B₁(x)、B₂(x)、B₃(x)分别为中频声波、高频声波以及低频声波随距离x变化的振速幅值；α₁、α₂以及α₃分别为对应各列声波在水中的声吸收系数；ω₁、ω₂和ω₃为对应声波的角频率；β为纯水介质的非线性参量；c₀为介质中的声速；Δ(x)=s₂(x)-s₁(x)-s₃(x)为三波的相位差，s₁(x)、s₂(x)、s₃(x)分别为对应声波的相位。

根据实验测量选择数值计算的声源参数为：中频声波频率f₁=40kHz，声源级spl₁=190dB；高频声波频率f₂=45kHz，声源级spl₂=190dB；低频声波频率f₃=5kHz，其声源级为spl₃=120dB；初始相位差Δ(x=0)变化范围为0～π。图6为改变Δ(x=0)时低频声波能量ΔSPL₁随距离s的变化量。可以得出

对应的相位区域较窄且尖锐，因此更容易找到准确的相位值点；而对应的相位区域较宽，若想找到较为准确的相位点需要更大的工作量。

根据以上规律，进而寻找5kHz能量下降最大的点。在表1中找出下降最大的点对应的角度

在这个相位点附近进行以10°为间隔的扫描（根据工程需要可以适当的调整扫描间隔），得到330°时的功率谱值为-65.5dB，350°的功率谱值为-88dB。由于350°的功率谱值与背景噪声相近，因此可以认为低频5kHz的声波相位与在A点处的差频波相位完全相反。图7为低频声波的初始相位为350°时的三波声压级图，分析其结果与实时观测一致。

根据球面波扩展规律，计算得到的f₃的初始相位传播到网格点A时的相位值：

其中

为低频初始相位值，k₃=2πf₃/c₀为低频的波数，x_A为等效声中心到A点的距离，

为传播至A点低频声波的相位。

根据以上的测量结果得到

x_A=0.7m，k₃=20.94，代入式

中计算得出

取反向即为声参量场中该点差频波的相位信息，得到A点差频波的相位信息为-364°。

Claims (1)

1.一种测量参量声场中差频波空间分布特性的方法，其特征是：

（1）利用高频发射换能器同时发射两个频率分别为f₁和f₂的声波以组成参量声场，通过两波生成的差频波声压级随距离的变化曲线得到参量声场的作用区域，并均匀划分测量网格；

（2）利用低频发射换能器发射频率为f₃的声波，频率关系应满足f₃=f₂-f₁，并保证低频换能器到高频换能器的距离满足远场条件L>>d²/λ，其中，L为低频发射换能器与高频发射换能器的距离，λ为低频声波的波长，d为低频发射换能器辐射面的直径；

（3）在任意一个网格点A处利用声压水听器测得同时发射f₁和f₂时的差频波幅值

然后单独发射低频声波f₃，使其在A点的幅值与差频波幅值相等，并记录对应的发射工况；

（4）同时发射三列声波f₁、f₂和f₃，并保证f₁、f₂、f₃的幅度以及f₁、f₂初始相位与步骤（3）中的发射工况一致，并以

为间隔改变f₃的初始相位一周并记录其在网格点A处的功率谱值

根据功率谱最小值

所对应的f₁初始相位得到该点位置处差频波的相位；

（5）测量其它点的差频波幅度以及相位信息，重复步骤（3）～（4），最终得出差频波幅度以及相位在参量声场的分布特性。

Images