Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к способам и устройствам активной локации, которые позволяют формировать в гидроакустическом канале низкочастотное ультразвуковое излучение в заданном телесном угле, в частности, использующих режим параметрического излучения (РПИ).The invention relates to the field of hydroacoustics, and in particular to methods and devices for active location, which allow the formation of low-frequency ultrasonic radiation in a hydroacoustic channel in a given solid angle, in particular, using the parametric radiation mode (PIR).
Генерирование низкочастотных сигналов и их излучение являются сложной научно-технической проблемой, поскольку эффективная работа интерференционной антенны имеет место при ее достаточных волновых размерах. Следовательно, гидроакустические интерференционные антенны для осуществления направленного излучения на частотах в единицы и десятки герц должны иметь значительные весогабаритные характеристики.The generation of low-frequency signals and their radiation is a complex scientific and technical problem, since the effective operation of an interference antenna takes place with sufficient wave sizes. Consequently, hydroacoustic interference antennas for the implementation of directional radiation at frequencies of units and tens of hertz must have significant weight and size characteristics.
Данного недостатка лишена параметрическая излучающая антенна (ПИА) (см. Гидроакустика за 20 лет (по материалам 80-го съезда Акустического общества США). Пер. с англ. под редакцией Ю.Ф.Тарасюка, Л., Судостроение, 1975, 176 с. глава 4. Корабельные гидроакустические антенны, §17 Новые направления разработок низкочастотных гидроакустических излучателей, с.161 -167), функционирование которой основано на нелинейном взаимодействии ультразвуковых волн конечной амплитуды – накачки с частотами , которые, распространяясь в реальной водной среде, обладающей нелинейностью упругих свойств, формируют гидродинамические возмущения комбинационных частот, в частности, волну разностной частоты (ВРЧ) . Однако вследствие того, что нелинейные явления являются эффектами второго порядка, задача повышения эффективности «энергетической перекачки» волн накачки в ВРЧ является актуальной.The parametric radiating antenna (PIA) is free of this drawback (see Hydroacoustics for 20 years (based on the materials of the 80th Congress of the Acoustic Society of the USA). Translated from English, edited by Yu.F. Tarasyuk, L., Shipbuilding, 1975, 176 s chapter 4. Shipborne hydroacoustic antennas, §17 New directions in the development of low-frequency hydroacoustic emitters, pp.161 -167), the operation of which is based on the nonlinear interaction of ultrasonic waves of finite amplitude - pumping with frequencies , which, propagating in a real aquatic environment with nonlinear elastic properties, form hydrodynamic perturbations of combination frequencies, in particular, a difference frequency wave (DFR) . However, due to the fact that nonlinear phenomena are second-order effects, the problem of increasing the efficiency of "energy pumping" of pump waves in the RFG is relevant.
Пространственное распределение амплитуд звукового давления ВРЧ, формирующегося в области взаимодействия ПИА, определяется характеристиками как среды распространения (нелинейный параметр , плотность , скорость звука и коэффициенты затухания волн накачки и ВРЧ ), так и параметрами электроакустического преобразователя (ЭАП) - (амплитуды звукового давления волн накачки с частотами у поверхности ЭАП, его полоса пропускания, т.е. значение циклической ВРЧ и расстояние дифракции для ВРЧ). Причем, если величина амплитуд звукового давления ВРЧ прямо пропорциональна значениям нелинейного параметра и характеристикам ЭАП, то плотность и скорость звука – обратно пропорциональны. В этой связи, повышение эффективности генерации ВРЧ ПИА может быть достигнуто несколькими путями: 1) увеличение амплитуд звукового давления волн накачки за счет искусственного изменения геометрических параметров зоны взаимодействия; 2) заполнение зоны нелинейного взаимодействия ультразвуковых волн конечной амплитуды твердой или жидкой промежуточной средой, которая в сравнении с водой, обладает повышенной величиной нелинейного параметра и дисперсией скорости ультразвука. 3) выбор вида модуляции и соответствующих схем формирования электрических сигналов в излучающем тракте для возбуждения ЭАП. Отметим, что если два первых направления в управлении эффективностью генерации ВРЧ ПИА могут найти применение в сфере гидроакустических бассейновых или полигонных измерений, но имеют ограниченную применимость при конструировании антенных конструкций гидроакустических систем активной локации, размещаемых на мобильных носителях, то третье – может оказаться универсальным.The spatial distribution of the TCG sound pressure amplitudes, which is formed in the FIA interaction region, is determined by the characteristics as a propagation medium (nonlinear parameter , density , sound speed and damping coefficients of the pump waves and TCG ), and the parameters of the electroacoustic transducer (EAP) - (amplitudes of sound pressure pump waves with frequencies at the EAP surface, its bandwidth, i.e. cyclic TCG value and diffraction distance for HRC). Moreover, if the magnitude of the amplitudes of the sound pressure of the TCG is directly proportional to the values of the nonlinear parameter and the characteristics of the EAP, then the density and speed of sound are inversely proportional. In this regard, an increase in the efficiency of TCG FIA generation can be achieved in several ways: 1) an increase in the amplitudes of the sound pressure of pump waves due to an artificial change in the geometric parameters of the interaction zone; 2) filling the zone of nonlinear interaction of ultrasonic waves of finite amplitude with a solid or liquid intermediate medium, which, in comparison with water, has an increased value of the nonlinear parameter and dispersion of the ultrasound velocity. 3) the choice of the type of modulation and the corresponding circuits for generating electrical signals in the radiating path for excitation of the EAP. It should be noted that if the first two directions in controlling the generation efficiency of TCG FIDs can find application in the field of hydroacoustic basin or polygon measurements, but have limited applicability in the design of antenna structures of active location hydroacoustic systems placed on mobile carriers, then the third one may turn out to be universal.
Однако в настоящее время из уровня техники в гидроакустической аппаратуре с ПИА для ВРЧ не известна реализация возможности как управления эффективностью генерации, так и корректировки параметров формирующего ультразвукового поля низкочастотной ВРЧ за счет применения многокомпонентных фазосвязанных сигналов накачки в схемах формирования.However, at present, the implementation of the possibility of both controlling the generation efficiency and adjusting the parameters of the forming ultrasonic field of a low-frequency TCG through the use of multicomponent phase-coupled pump signals in the formation circuits is not known from the state of the art in hydroacoustic equipment with FIA for TCG.
Из уровня техники известен способ повышения эффективности генерации ВРЧ ПИА за счет «управления» квадратичной нелинейностью среды распространения при размещении дискретно-слоистой вещественной среды в области нелинейного взаимодействия (см. «Нелинейные взаимодействия в слоистых и неоднородных средах» / Заграй Н.П., Таганрог: Изд-во ТРТУ, 1998, с. 36 – 55, 111 – 217). В этом же источнике сведений раскрыто устройство для реализации способа, содержащее два генератора электрических сигналов с частотами и ( < < и /2 = ), последовательно соединенные через линейный сумматор, импульсный модулятор, управляющий вход которого соединен с выходом импульсного генератора, усилитель мощности, режекторный фильтр и ЭАП, снабженный пьезоэлементом, и элементами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции, пьезоэлемент которого колеблется на основной толщиной моде (резонансная частота ) в режиме одностороннего поршневого излучения в среду лоцирования, а также систему из дискретных плоскопараллельных слоев веществ в области нелинейного взаимодействия, расположенных перпендикулярно по отношению к направлению распространения волн накачки.From the prior art, a method is known to increase the efficiency of generating TCG FIA due to the "control" of the quadratic nonlinearity of the propagation medium when placing a discrete-layered material medium in the region of nonlinear interaction (see "Nonlinear interactions in layered and inhomogeneous media" / Zagray N.P., Taganrog : TSURE Publishing House, 1998, pp. 36 - 55, 111 - 217). The same source of information discloses a device for implementing the method, containing two generators of electrical signals with frequencies and ( < < and /2 = ), connected in series through a linear adder, a pulse modulator, the control input of which is connected to the output of a pulse generator, a power amplifier, a notch filter and an EAP equipped with a piezoelectric element, and screening elements, hydro-, electrical and noise insulation, the piezoelectric element of which oscillates on the main mode thickness (resonant frequency ) in the mode of one-way piston radiation into the ranging environment, as well as a system of discrete plane-parallel layers of substances in the region of nonlinear interaction, located perpendicular to the direction of propagation of pump waves.
Указанный способ реализуется следующим образом:This method is implemented as follows:
- размещают ЭАП, снабженный пьезоэлементом и элементами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции, в среде лоцирования, таким образом, чтобы в пространстве его акустическая ось была направлена в заданном направлении;- place the EAP, equipped with a piezoelectric element and elements of shielding, hydro-, electrical and noise insulation, in the ranging environment, so that in space its acoustic axis is directed in a given direction;
- обеспечивают работоспособность ЭАП за счет использования обратного пьезоэлектрического эффекта, который проявляется в возникновении деформации (сжатие, растяжение) пьезоэлемента под воздействием приложенного к нему переменного электрического поля:- ensure the efficiency of the EAP by using the reverse piezoelectric effect, which manifests itself in the occurrence of deformation (compression, tension) of the piezoelectric element under the influence of an alternating electric field applied to it:
- применяют пьезоэлемент простой геометрической формы (стержень, пластина, диск) с заданными резонансной частотой и расположением сплошных электродов («сигнальный», «общий»);- use a piezoelectric element of a simple geometric shape (rod, plate, disk) with a given resonant frequency and the location of solid electrodes ("signal", "common");
- подают на поверхность сплошного «сигнального» электрода пьезоэлемента с резонансной частотой с выхода излучающего тракта электрический двухкомпонентный сигнал возбуждения, в виде биений колебаний двух генераторов с частотами и , амплитуды которых изменяются по гармоническому закону;- served on the surface of a solid "signal" electrode of the piezoelectric element with a resonant frequency from the output of the radiating path, an electric two-component excitation signal, in the form of beats of oscillations of two generators with frequencies and , whose amplitudes change according to the harmonic law;
- обеспечивают режим односторонней передачи колебаний в среду лоцирования для пьезоэлемента и, соответственно, поршневое (равномерное) распределение амплитуды смещения его излучающей поверхности, т.е. сплошного «общего» электрода, и за счет передачи частицам среды энергии осуществляют распространение ультразвуковых волн с циклическими частотами и волновыми векторами ;- provide a mode of one-sided transmission of oscillations to the ranging environment for the piezoelectric element and, accordingly, a piston (uniform) distribution of the displacement amplitude of its radiating surface, i.e. solid "common" electrode, and for due to the transfer of energy to the particles of the medium, they propagate ultrasonic waves with cyclic frequencies and wave vectors ;
- формируют в среде лоцирования общую пространственную область как коллинеарного распространения, так и нелинейного взаимодействия интенсивных ультразвуковых волн с частотами и , включающую в себя ближнюю (еще плоские волновые поверхности) и дальнюю (уже сферические волновые поверхности) зоны образовавшейся ПИА;- form in the ranging environment a common spatial region of both collinear propagation and nonlinear interaction of intense ultrasonic waves with frequencies and , which includes the near (still flat wave surfaces) and far (already spherical wave surfaces) zones of the formed FIA;
- генерируют за счет квадратичной нелинейности среды распространения и при выполнении временного и пространственного согласования интенсивных ультразвуковых волн спектральные компоненты комбинационных частот, соответствующие условиям синхронизма и (например, образованию ВСЧ соответствует знак «+», а ВРЧ – знак «-», , - волновые векторы взаимодействующих ультразвуковых волн и волн комбинационных частот соответственно);- generate due to the quadratic nonlinearity of the propagation medium and when performing temporal and spatial matching of intense ultrasonic waves, the spectral components of the combination frequencies corresponding to the conditions of synchronism and (for example, the formation of high frequency corresponds to the sign "+", and the sign "-", , - wave vectors of interacting ultrasonic waves and waves of combination frequencies, respectively);
- перестраивают в пределах полосы пропускания пьезоэлемента ЭАП величины частот и электрических сигналов генераторов и, соответственно, параметры выходного сигнала излучающего тракта, обеспечивая генерацию ВРЧ в необходимом диапазоне частот;- rebuild within the bandwidth of the piezoelectric element EAP frequency values and electrical signals of generators and, accordingly, the parameters of the output signal of the radiating path, providing the generation of TCG in the required frequency range;
- размещают в области нелинейного взаимодействия в направлении от ЭАП набор дискретных однородных веществ (1, 2, 3, ), образующих многослойную систему различных сред;- a set of discrete homogeneous substances (1, 2, 3, ) forming a multilayer system of various media;
- подбирают для системы из дискретных плоскопараллельных слоев веществ в области нелинейного взаимодействия, расположенных перпендикулярно по отношению к направлению распространения ультразвуковых волн накачки, различные как волновые резонансные толщины, так и сочетания их физических параметров (плотность , скорость звука , нелинейный параметр ), что позволяет их рассматривать как совокупность нелинейных акустических резонаторов, влияющих на протекание нелинейных явлений;- are selected for the system from discrete plane-parallel layers of substances in the region of nonlinear interaction, located perpendicular to the direction of propagation of ultrasonic pump waves, different as wave resonant thicknesses, and combinations of their physical parameters (density , sound speed , non-linear parameter ), which allows them to be considered as a set of nonlinear acoustic resonators that affect the course of nonlinear phenomena;
- осуществляют заданное повышение эффективности нелинейного взаимодействия за счет «управления» квадратичной нелинейностью среды распространения, в частности, генерацией ВРЧ. Общее выражение для амплитуды формирующегося поля ВРЧ с дискретно-слоистой вещественной средой в области нелинейного взаимодействия может быть представлено в виде- carry out a given increase in the efficiency of the nonlinear interaction due to the "management" of the quadratic nonlinearity of the propagation medium, in particular, the generation of the TCG. The general expression for the amplitude of the emerging TCG field with a discrete-layered real medium in the region of nonlinear interaction can be represented as
, (1) , (one)
где - выражения, описывающие поперечные и продольные апертурные множители в каждом отдельном -том слое, - модуль переменного вектора, соединяющий начало координат ( ), расположенное внутри области нелинейного взаимодействия, с точкой наблюдения ( ), удаленной на большое расстояние.where - expressions describing the transverse and longitudinal aperture factors in each individual - that layer, - module of the variable vector connecting the origin ( ) located inside the region of nonlinear interaction, with an observation point ( ) at a great distance.
Однако, указанный способ повышения эффективности генерации ВРЧ ПИА за счет «управления» квадратичной нелинейностью среды распространения при размещении дискретно-слоистой вещественной среды в области нелинейного взаимодействия обладает рядом недостатков:However, this method of increasing the efficiency of TCG FIA generation by “controlling” the quadratic nonlinearity of the propagation medium when placing a discrete-layered real medium in the region of nonlinear interaction has a number of disadvantages:
1) наличие в области нелинейного взаимодействия последовательности из дискретных однородных слоев веществ с резонансными толщинами приводит к уменьшению результирующей полосы пропускания «слоистой» пространственной структуры, приводя к снижению широкополосности режима параметрического излучения ВРЧ, обусловленного соответствующим изменением частот волн накачки, что снижает практическую применимость способа при конструировании гидроакустических антенных систем;1) the presence in the region of nonlinear interaction of a sequence of discrete homogeneous layers of substances with resonant thicknesses leads to a decrease in the resulting bandwidth of the "layered" spatial structure, leading to a decrease in the broadband mode of the parametric radiation of the TCG, due to the corresponding change in frequencies pump waves, which reduces the practical applicability of the method in the design of hydroacoustic antenna systems;
2) для генерации волн комбинационных частот в области нелинейного взаимодействия необходимо выполнение условий синхронизма для сигналов накачки, т.е. выполнение их временного и пространственного согласования внутри объема ПИА. Между тем, наличие в области нелинейного взаимодействия многослойной системы различных вещественных сред, физические параметры которых изменяются «скачкообразно», вносит искажения в фазировку непрерывно генерирующихся спектральных компонент, снижая возможность практической осуществимости способа;2) to generate waves of combination frequencies in the region of nonlinear interaction, it is necessary to satisfy the synchronism conditions for the pump signals, i.e. implementation of their temporal and spatial coordination within the scope of the PIA. Meanwhile, the presence in the region of nonlinear interaction of a multilayer system of various material media, the physical parameters of which change "jumps", introduces distortions in the phasing of continuously generated spectral components, reducing the possibility of the practical feasibility of the method;
3) ЭАП, снабженный набором из дискретных однородных слоев веществ (1, 2, 3, ) с резонансными толщинами, которые образуют многослойную систему различных сред в прилегающей к нему области нелинейного взаимодействия ПИА, не может эффективно функционировать в режиме приема эхосигналов от обнаруженных объектов;3) EAP equipped with a set of discrete homogeneous layers of substances (1, 2, 3, ) with resonant thicknesses that form a multilayer system of various media in the adjacent area of nonlinear interaction of the FIA, cannot function effectively in the mode of receiving echo signals from detected objects;
4) как следует из соотношения (1), амплитуда формирующегося поля ВРЧ с дискретно-слоистой вещественной средой в области нелинейного взаимодействия прямо пропорциональна квадрату циклической ВРЧ , откуда следует, что для режима параметрического излучения (РПИ) в низкочастотном диапазоне значительно снижается эффективность ПИА;4) as follows from relation (1), the amplitude of the emerging TCG field with a discrete-layered real medium in the region of nonlinear interaction is directly proportional to the square of the cyclic TCG , whence it follows that for the regime of parametric radiation (PIR) in the low-frequency range, the efficiency of the FIA is significantly reduced;
5) в устройстве, реализующем данный способ, затруднена для ВРЧ практическая возможность как управления эффективностью генерации, так и оперативной корректировки параметров формирующегося ультразвукового поля вследствие применения двухкомпонентного сигнала накачки.5) in the device that implements this method, it is difficult for TCG to be able to both control the generation efficiency and quickly adjust the parameters of the emerging ultrasonic field due to the use of a two-component pump signal.
Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического результата, является отсутствие возможности для ПИА на ВРЧ как управления эффективностью генерации, так и корректировки параметров формирующего ультразвукового поля за счет применения многокомпонентных фазосвязанных сигналов накачки в схемах формирования.The reason that hinders the achievement of the claimed technical result is the inability for the FIA on the TCG to both control the generation efficiency and adjust the parameters of the forming ultrasonic field through the use of multicomponent phase-coupled pump signals in the formation circuits.
Признаки, совпадающие с заявляемым способом:Signs that match the claimed method:
- размещают ЭАП, снабженный пьезоэлементом и элементами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции, в среде лоцирования;- place the EAP equipped with a piezoelectric element and shielding elements, hydro-, electrical and noise insulation, in the location environment;
- применяют пьезоэлемент простой геометрической формы (стержень, пластина, диск) с заданными резонансной частотой и расположением сплошных электродов («сигнальный», «общий»);- use a piezoelectric element of a simple geometric shape (rod, plate, disk) with a given resonant frequency and the location of solid electrodes ("signal", "common");
- подают на поверхность сплошного «сигнального» электрода пьезоэлемента с резонансной частотой с выхода излучающего тракта электрические сигналы возбуждения, амплитуды которых изменяются по гармоническому закону, а величины частот находятся в полосе пропускания пьезоэлемента;- served on the surface of a solid "signal" electrode of the piezoelectric element with a resonant frequency from the output of the radiating path, electrical excitation signals, the amplitudes of which change according to a harmonic law, and the frequency values are in the bandwidth of the piezoelectric element;
- обеспечивают для пьезоэлемента режим односторонней передачи колебаний в среду лоцирования и, соответственно, поршневое (равномерное) распределение амплитуды смещения его излучающей поверхности, обеспечивая распространение интенсивных ультразвуковых волн за счет передачи частицам среды энергии;- provide for the piezoelectric element a mode of one-sided transmission of vibrations to the ranging medium and, accordingly, a piston (uniform) distribution of the displacement amplitude of its radiating surface, ensuring the propagation of intense ultrasonic waves due to the transfer of energy to the particles of the medium;
- формируют в среде лоцирования общую пространственную область как коллинеарного распространения, так и нелинейного взаимодействия интенсивных ультразвуковых волн с частотами и , включающую в себя ближнюю (еще плоские волновые поверхности) и дальнюю (уже сферические волновые поверхности) зоны образовавшейся ПИА;- form in the ranging environment a common spatial region of both collinear propagation and nonlinear interaction of intense ultrasonic waves with frequencies and , which includes the near (still flat wave surfaces) and far (already spherical wave surfaces) zones of the formed FIA;
Известен способ управления эффективностью генерации ВРЧ ПИА за счет формирования насыщенной парогазовыми пузырьками среды, обладающей повышенной нелинейностью в сочетании с дисперсией скорости звука в области неколлинеарного распространения и нелинейного взаимодействия волн накачки, (пат. США 6704247 High efficiency parametric sonar, G01S 15/00, G01S 7/52, опубл. 9. 03. 2004). В данном патенте раскрыто устройство, реализующее способ, которое содержит два генератора электрических сигналов с частотами и ( < < и /2 = ) последовательно соединенные через линейный сумматор, импульсный модулятор, управляющий вход последнего соединен с выходом импульсного генератора, усилитель мощности, режекторный фильтр и два ЭАП, снабженные каждый пьезоэлементом и элементами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции, а также дополнительный излучающий тракт, содержащий последовательно подключенные высокочастотный генератор, усилитель мощности и третий высокочастотный ЭАП, также снабженный пьезоэлементом и узлами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции, который функционирует в непрерывном режиме, образуя за счет кавитации в области неколлинеарного распространения и нелинейного взаимодействия насыщенную парогазовыми пузырьками среду.A known method of controlling the efficiency of the generation of TCG FIA due to the formation of a medium saturated with vapor-gas bubbles, which has increased nonlinearity in combination with the dispersion of the sound speed in the region of non-collinear propagation and nonlinear interaction of pump waves, (U.S. Pat. US 6704247 High efficiency parametric sonar, G01S 15/00, G01S 7/52, published on March 9, 2004). This patent discloses a device that implements the method, which contains two generators of electrical signals with frequencies and ( < < and /2 = ) connected in series through a linear adder, a pulse modulator, the control input of the latter is connected to the output of the pulse generator, a power amplifier, a notch filter and two EAP, each equipped with a piezoelectric element and shielding elements, hydro-, electrical and noise insulation, as well as an additional radiating path containing serially connected high-frequency generator, power amplifier and the third high-frequency EAP, also equipped with a piezoelectric element and shielding units, hydro-, electrical and noise insulation, which operates in a continuous mode, forming a medium saturated with vapor-gas bubbles due to cavitation in the region of non-collinear propagation and nonlinear interaction.
Способ по указанному патенту осуществляется следующим образом:The method according to this patent is carried out as follows:
- в среде лоцирования в угломестной плоскости рядом друг с другом размещают два одинаковых ЭАП, снабженные каждый пьезоэлементом и элементами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции так, чтобы в пространстве пересечение их акустических осей составляло острый угол , причем, проекции их акустических осей на азимутальную плоскость были направлены в общем направлении;- in the ranging environment in the elevation plane, two identical EAPs are placed next to each other, each equipped with a piezoelectric element and elements of shielding, hydro-, electrical and noise insulation so that in space the intersection of their acoustic axes makes an acute angle , moreover, the projections of their acoustic axes on the azimuth plane were directed in the general direction;
- применяют пьезоэлемент простой геометрической формы (стержень, пластина, диск) с заданными резонансной частотой и сплошными электродами («сигнальный», «общий»);- use a piezoelectric element of a simple geometric shape (rod, plate, disk) with a given resonant frequency and solid electrodes ("signal", "general");
- подают на поверхности сплошного «сигнального» электрода обоих пьезоэлементов с резонансной частотой с выхода излучающего тракта электрический сигнал возбуждения, например, двухкомпонентный с частотами и , амплитуды которых изменяются по гармоническому закону;- served on the surface of a solid "signal" electrode of both piezoelectric elements with a resonant frequency from the output of the radiating path, an electrical excitation signal, for example, a two-component signal with frequencies and , whose amplitudes change according to the harmonic law;
- обеспечивают для обоих пьезоэлементов режим односторонней передачи колебаний в среду лоцирования и, соответственно, поршневое (равномерное) распределение амплитуды смещения его излучающей поверхности, т.е. сплошного «общего» электрода, что за счет передачи частицам среды энергии вызывает распространение ультразвуковых волн с циклическими частотами и волновыми векторами ;- provide for both piezoelectric elements the mode of one-sided transmission of vibrations to the ranging medium and, accordingly, a piston (uniform) distribution of the displacement amplitude of its radiating surface, i.e. solid “common” electrode, which, due to the transfer of energy to the particles of the medium, causes the propagation of ultrasonic waves with cyclic frequencies and wave vectors ;
- формируют в среде лоцирования общую пространственную область неколлинеарного распространения и нелинейного взаимодействия двух волн, например, с циклическими частотами и волновыми векторами , имеющую сложную двухпучково-пересеченную форму, включающую в себя ближнюю (еще плоские волновые поверхности) и дальнюю (уже сферические волновые поверхности) зоны образовавшейся ПИА;- form in the ranging environment a common spatial region of non-collinear propagation and non-linear interaction of two waves, for example, with cyclic frequencies and wave vectors , which has a complex two-beam-crossed shape, including the near (still flat wave surfaces) and far (already spherical wave surfaces) zones of the formed FIA;
- генерируют за счет квадратичной нелинейности среды распространения и при выполнении временного и пространственного согласования интенсивных ультразвуковых волн спектральные компоненты комбинационных частот, соответствующие условиям синхронизма и (например, образованию ВСЧ соответствует знак «+», а ВРЧ – знак «-», , - волновые векторы взаимодействующих ультразвуковых волн и волн комбинационных частот соответственно;- generate due to the quadratic nonlinearity of the propagation medium and when performing temporal and spatial coordination of intense ultrasonic waves, the spectral components of combination frequencies corresponding to the conditions of synchronism and (for example, the formation of high frequency corresponds to the sign "+", and the sign "-", , - wave vectors of interacting ultrasonic waves and waves of combination frequencies, respectively;
- располагают в среде под областью неколлинеарного распространения и нелинейного взаимодействия двух волн с частотами и волновыми векторами третий высокочастотный ЭАП, акустическая ось которого проходит через середину области неколлинеарного распространения и нелинейного взаимодействия;- located in the medium under the area of non-collinear propagation and non-linear interaction of two waves with frequencies and wave vectors the third high-frequency EAP, the acoustic axis of which passes through the middle of the region of non-collinear propagation and nonlinear interaction;
создают в области неколлинеарного распространения и нелинейного взаимодействия двух волн насыщенную парогазовыми пузырьками среду за счет излучения вверх непрерывного ультразвукового сигнала третьим высокочастотным ЭАП в кавитирующем режиме, позволяя изменять эффективность генерации ВРЧ.create in the area of non-collinear propagation and nonlinear interaction of two waves a medium saturated with vapor-gas bubbles due to the upward emission of a continuous ultrasonic signal by the third high-frequency EAP in the cavitating mode, allowing you to change the efficiency of TCG generation.
Принцип функционирования аналога определяется процессом генерации ВРЧ в жидкости с пузырьками газа с радиусом при нелинейном взаимодействии двух волн накачки с циклическими частотами и амплитудами звукового давления волн накачки у поверхности ЭАП. Для случая << , близости концентраций резонансных пузырьков для волн накачки ( ) и условии << ( - добротность пузырька) параметр нелинейности среды определяется соотношением (см. Кобелев Ю.А., Островский Л.А. Модели газожидкостной смеси, как нелинейной диспергирующей среды. – В кн.: Нелинейная акустика. Горький, ИПФ АН СССР, 1980, с. 143 -160)The principle of operation of the analogue is determined by the process of generation of the TCG in a liquid with gas bubbles with a radius in the case of nonlinear interaction of two pump waves with cyclic frequencies and amplitudes of sound pressure pump waves near the EAP surface. For the occasion << , the proximity of the concentrations of resonant bubbles for pump waves ( ) and condition << ( - quality factor of the bubble) parameter of medium nonlinearity is determined by the ratio (see Kobelev Yu.A., Ostrovsky L.A. Models of a gas-liquid mixture as a nonlinear dispersive medium. - In the book: Nonlinear acoustics. Gorky, IAP USSR Academy of Sciences, 1980, pp. 143 -160)
, (2) , (2)
где - длина волны на частоте , 8. Соотношение, описывающее осевое распределение амплитуды звукового давления ВРЧ, формируемого после прохождения волн накачки через пузырьковый слой длиной в области нелинейного взаимодействия, имеет вид where - wavelength at frequency , 8. Relation describing the axial distribution of the amplitude of the TCG sound pressure formed after the passage of pump waves through a bubble layer of length in the region of nonlinear interaction has the form
, (3) , (3)
где - площадь излучателя, - расстояние до гидрофона, - коэффициент затухания волны с циклической частотой , - радиус пузырьков, резонансная частота которых равна .where - emitter area, - distance to the hydrophone, is the attenuation coefficient of a wave with a cyclic frequency , is the radius of the bubbles whose resonant frequency is equal to .
Однако рассмотренный способ повышения эффективности ПИА за счет формирования насыщенной парогазовыми пузырьками среды обладает рядом недостатков:However, the considered method for increasing the efficiency of FIA due to the formation of a medium saturated with vapor-gas bubbles has a number of disadvantages:
1) работоспособность способа ограничена тем, что отсутствует возможность изменения взаимного расположения в угломестной плоскости двух одинаковых ЭАП, приводящее к невозможности регулировки как длины, так и ширины области взаимного пересечения и, соответственно, нелинейного взаимодействия интенсивных ультразвуковых волн накачки, которая попадает в область насыщенную парогазовыми пузырьками;1) the operability of the method is limited by the fact that there is no possibility of changing the relative position in the elevation plane of two identical EAP, leading to the impossibility of adjusting both the length and width of the region of mutual intersection and, accordingly, the nonlinear interaction of intense ultrasonic pump waves, which falls into the region saturated with vapor-gas bubbles;
2) практическая реализация способа затруднительна, поскольку в реальной системе практически всегда имеются резонансные пузырьки, что оказывает влияние не только на нелинейность, но и на диссипацию энергии, внося искажения в фазировку непрерывно генерирующихся спектральных компонент;2) the practical implementation of the method is difficult, since in a real system there are almost always resonant bubbles, which affects not only the nonlinearity, but also the energy dissipation, introducing distortions into the phasing of continuously generated spectral components;
3) в способе область неколлинеарного распространения и нелинейного взаимодействия имеет сложную двухпучково-пересеченную форму, причем, результирующая ХН ПИА может иметь «трехдольный» основной лепесток ХН (две «доли» в направлениях распространения двух мощных монохроматических сигналов накачки с частотами , которые составляет острый угол друг относительно друга, что при практической реализации способа может внести неоднозначность в угловые координаты при обнаружении цели;3) in the method, the region of noncollinear propagation and nonlinear interaction has a complex two-beam-crossed shape, moreover, the resulting CI FIA can have a “trilobal” main CI lobe (two “lobes” in the directions of propagation of two powerful monochromatic pump signals with frequencies , which makes up an acute angle relative to each other, which, in the practical implementation of the method, can introduce ambiguity into the angular coordinates when a target is detected;
4) указанный способ касается синтеза только продольной составляющей пространственной структуры поля ПИА, в то время как поперечные (краевые) эффекты не учитываются, в частности, влияние различных поперечных распределений амплитуд смещения по поверхности пьезоэлемента ЭАП, излучающего два мощных монохроматических сигнала накачки с частотами ;4) this method concerns the synthesis of only the longitudinal component of the spatial structure of the FIA field, while the transverse (edge) effects are not taken into account, in particular, the influence of various transverse distributions of the displacement amplitudes over the surface of the EAP piezoelectric element emitting two powerful monochromatic pump signals with frequencies ;
Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического результата, является отсутствие возможности для ПИА на ВРЧ как управления эффективностью генерации, так и корректировки параметров формирующего ультразвукового поля за счет применения многокомпонентных фазосвязанных сигналов накачки в схемах формирования ПИА.The reason that hinders the achievement of the claimed technical result is the inability for the FIA on the TCG to both control the generation efficiency and adjust the parameters of the forming ultrasonic field through the use of multicomponent phase-coupled pump signals in the FIA formation circuits.
Признаки, совпадающие с заявляемым способом:Signs that match the claimed method:
- размещают ЭАП, снабженный пьезоэлементом и элементами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции, в среде лоцирования, таким образом, чтобы в пространстве его акустическая ось была направлена в заданном направлении;- place the EAP, equipped with a piezoelectric element and elements of shielding, hydro-, electrical and noise insulation, in the ranging environment, so that in space its acoustic axis is directed in a given direction;
- подают на поверхность сплошного «сигнального» электрода пьезоэлемента с резонансной частотой с выхода излучающего тракта электрические сигналы возбуждения, амплитуды которых изменяются по гармоническому закону, а величины частот находятся в полосе пропускания пьезоэлемента;- served on the surface of a solid "signal" electrode of the piezoelectric element with a resonant frequency from the output of the radiating path, electrical excitation signals, the amplitudes of which change according to a harmonic law, and the frequency values are in the bandwidth of the piezoelectric element;
- обеспечивают для пьезоэлемента режим односторонней передачи колебаний в среду лоцирования и, соответственно, поршневое (равномерное) распределение амплитуды смещения его излучающей поверхности, т.е. сплошного «общего» электрода;- provide for the piezoelectric element the mode of one-sided transmission of oscillations to the ranging medium and, accordingly, the piston (uniform) distribution of the displacement amplitude of its radiating surface, i.e. solid "common" electrode;
- формируют в среде лоцирования общую пространственную область как коллинеарного распространения, так и нелинейного взаимодействия интенсивных ультразвуковых волн с частотами и , включающую в себя как ближнюю (еще плоские волновые поверхности), так и дальнюю (уже сферические волновые поверхности) зоны образовавшейся ПИА;- form in the ranging environment a common spatial region of both collinear propagation and nonlinear interaction of intense ultrasonic waves with frequencies and , which includes both the near (still flat wave surfaces) and the far (already spherical wave surfaces) zones of the formed FIA;
- генерируют за счет квадратичной нелинейности среды распространения и при выполнении временного и пространственного согласования интенсивных ультразвуковых волн «новые» спектральные компоненты - волны комбинационных частот, соответствующие условиям синхронизма и (например, образованию ВСЧ соответствует знак «+», а ВРЧ – знак «-», , - волновые векторы взаимодействующих ультразвуковых волн и волн комбинационных частот соответственно);- generate due to the quadratic nonlinearity of the propagation medium and when performing temporal and spatial coordination of intense ultrasonic waves, "new" spectral components - waves of combination frequencies corresponding to the conditions of synchronism and (for example, the formation of high frequency corresponds to the sign "+", and the sign "-", , - wave vectors of interacting ultrasonic waves and waves of combination frequencies, respectively);
Наиболее близким аналогом заявляемого способа является способ повышения эффективности генерации ВРЧ для ПИА за счет использования трехкомпонентной (амплитудно-модулированной) волны накачки (см. Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика – Л.: Судостроение, 1981. § 10.1. Схемы формирования сигналов. с.138 – 154), распространяющейся в области нелинейного взаимодействия. В этом же источнике описано устройство, с помощью которого он реализуется, содержащее генераторы электрических колебаний высокой частоты и частоты модуляции, выходы которых через последовательно соединенные амплитудный модулятор, импульсный модулятор, управляющий вход которого соединен с выходом импульсного генератора, усилитель мощности, режекторный фильтр и ЭАП, снабженный пьезоэлементом и элементами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции, причем пьезоэлемент колеблется на основной толщиной моде (резонансная частота ) в режиме одностороннего поршневого излучения в среду лоцирования.The closest analogue of the proposed method is a method for increasing the efficiency of TCG generation for FIA through the use of a three-component (amplitude-modulated) pump wave (see Novikov B.K., Rudenko O.V., Timoshenko V.I. Nonlinear hydroacoustics - L .: Shipbuilding, 1981. § 10.1 Schemes of signal formation, pp. 138 – 154) propagating in the region of nonlinear interaction. The same source describes a device with which it is implemented, containing generators of high frequency electrical oscillations and frequency modulation, the outputs of which are through a series-connected amplitude modulator, a pulse modulator, the control input of which is connected to the output of a pulse generator, a power amplifier, a notch filter and an EAP equipped with a piezoelectric element and shielding elements, hydro-, electrical and noise insulation, and the piezoelectric element oscillates on the main thickness mode (resonant frequency ) in the mode of one-sided piston radiation into the ranging medium.
Данный способ основан на следующем:This method is based on the following:
- размещают электроакустический преобразователь, включающий пьезоэлемент с заданной резонансной частотой /2 = и полосой пропускания соответствующей диапазону волны разностной частоты в среде лоцирования,- an electroacoustic transducer is placed, including a piezoelectric element with a given resonant frequency /2 = and the bandwidth corresponding to the range of the difference frequency wave in the ranging environment,
- подают на пьезоэлемент электроакустического преобразователя с выхода излучающего тракта электрические сигналы, амплитуды которых изменяются по гармоническому закону, а величины частот колебаний находятся в полосе пропускания пьезоэлемента,- electric signals are supplied to the piezoelectric element of the electroacoustic transducer from the output of the radiating path, the amplitudes of which change according to the harmonic law, and the values of the oscillation frequencies are in the passband of the piezoelectric element,
- формируют в среде лоцирования пространственную область коллинеарного распространения и нелинейного взаимодействия интенсивных ультразвуковых волн накачки, включающую в себя ближнюю и дальнюю зоны образованной параметрической излучающей антенны, - forming in the ranging environment a spatial region of collinear propagation and nonlinear interaction of intense ultrasonic pump waves, which includes the near and far zones of the formed parametric radiating antenna,
- генерируют за счет квадратичной нелинейности среды распространения первую НЧ - гармонику ВРЧ, частота которой совпадает с частотой модуляции.- generate due to the quadratic nonlinearity of the propagation medium the first LF - harmonic of the TCG, frequency which coincides with the modulation frequency.
Сигнал гармонической однотонной амплитудной модуляции имеет вид где и - мгновенное и амплитудное значение электрического сигнала, - коэффициент модуляции, причем, максимально возможное значение боковых спектральных составляющих при равно , а фазы симметричны относительно фазы несущего колебания, - несущая частота, - частота модуляции, /2 = . Режим параметрического излучения при таком методе формирования позволяет генерировать величину амплитуды звукового давления первой НЧ – гармоники ВРЧ на 3 дБ большую, чем при любой другой схеме формирования. Средняя мощность на ВРЧ-компоненте составляет 33% от пиковой мощности монохроматического сигнала.The harmonic monotone amplitude modulation signal has the form where and - instantaneous and amplitude value of the electrical signal, - modulation coefficient, and, the maximum possible value of the side spectral components at equals , and the phases are symmetrical with respect to the phase of the carrier wave, - carrier frequency, - modulation frequency, /2 = . The parametric radiation mode with this shaping method makes it possible to generate the amplitude of the sound pressure amplitude of the first LF - TCG harmonic by 3 dB greater than with any other shaping scheme. Average power on the TCG component is 33% of the peak power monochromatic signal.
Однако рассмотренный способ повышения эффективности ПИА за счет использования амплитудно-модулированной (АМ) волны накачки обладает рядом недостатков:However, the considered method for increasing the FIA efficiency by using an amplitude modulated (AM) pump wave has a number of disadvantages:
1) для создания ПИА с использованием трехкомпонентной (амплитудно-модулированной) волны накачки полоса пропускания электронного тракта и ЭАП должна быть равна удвоенной частоте модулирующего колебания, что создает определенные трудности при реализации электронных схем формирования и конструкции антенной системы;1) to create a FIA using a three-component (amplitude-modulated) pump wave, the bandwidth of the electronic path and the EAP must be equal to twice the frequency of the modulating oscillation, which creates certain difficulties in the implementation of electronic circuits for the formation and design of the antenna system;
2) реализация схемы формирователя с амплитудно-модулированными колебаниями (АМК) обусловливает наличие высокого уровня генерации второй НЧ – гармоники с частотой , которая образуется в водной среде при взаимодействии двух боковых составляющих;2) the implementation of the shaper circuit with amplitude-modulated oscillations (AMC) determines the presence of a high level of generation of the second LF - a harmonic with a frequency , which is formed in the aquatic environment by the interaction of two side components;
3) эффективность ПИА снижена за счет «паразитной» генерации второй НЧ гармоники ВРЧ с частотой , амплитуда которой при стопроцентной модуляции ( =1) всего в раз отличается от амплитуды первой гармоники ВРЧ;3) the efficiency of the FIA is reduced due to the "parasitic" generation of the second LF harmonic of the TCG with a frequency , whose amplitude at 100% modulation ( =1) in total times different from the amplitude of the first harmonic of the TCG;
4) в способе повышения эффективности ПИА за счет реализация схемы формирователя с АМК ограничены возможности как управления эффективностью ПИА, так и оперативной корректировки параметров формирующего ультразвукового поля низкочастотной ВРЧ, при нелинейном взаимодействии трех дискретных спектральных составляющих накачки с частотами отсутствует как учет влияния фазовых соотношений, так и анализ возможности повышения эффективности ПИА при использовании многокомпонентного сигнала накачки.4) in the method of increasing the efficiency of the FIA due to the implementation of the shaper circuit with the AMC, the possibilities of both controlling the efficiency of the FIA and the operational adjustment of the parameters of the forming ultrasonic field of the low-frequency TCG are limited, with a nonlinear interaction of three discrete spectral components of the pump with frequencies there is neither an allowance for the influence of phase relations, nor an analysis of the possibility of increasing the FIA efficiency when using a multicomponent pump signal.
Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического результата, является отсутствие возможности для ПИА на ВРЧ как управления эффективностью ПИА, так и корректировки параметров формирующего ультразвукового поля при использовании многокомпонентного сигнала накачки в схемах формирования ПИА.The reason hindering the achievement of the claimed technical result is the lack of opportunities for PIA on the TCG, both to control the effectiveness of the PIA, and correction of the parameters of the forming ultrasonic field when using a multicomponent pump signal in FIA formation schemes.
Признаки, совпадающие с заявляемым способом:Signs that match the claimed method:
- размещают электроакустический преобразователь, включающий пьезоэлемент с заданной резонансной частотой /2 = и полосой пропускания соответствующей диапазону волны разностной частоты в среде лоцирования,- an electroacoustic transducer is placed, including a piezoelectric element with a given resonant frequency /2 = and the bandwidth corresponding to the range of the difference frequency wave in the ranging environment,
- подают на пьезоэлемент электроакустического преобразователя с выхода излучающего тракта электрические сигналы, амплитуды которых изменяются по гармоническому закону, а величины частот колебаний находятся в полосе пропускания пьезоэлемента,- electric signals are supplied to the piezoelectric element of the electroacoustic transducer from the output of the radiating path, the amplitudes of which change according to the harmonic law, and the values of the oscillation frequencies are in the passband of the piezoelectric element,
- формируют в среде лоцирования пространственную область коллинеарного распространения и нелинейного взаимодействия интенсивных ультразвуковых волн накачки, включающую в себя ближнюю и дальнюю зоны образованной параметрической излучающей антенны, - forming in the ranging environment a spatial region of collinear propagation and nonlinear interaction of intense ultrasonic pump waves, which includes the near and far zones of the formed parametric radiating antenna,
- генерируют волну разностной частоты с циклической частотой ,- generate a difference frequency wave with a cyclic frequency ,
Основной задачей изобретения является улучшение эксплуатационных качеств гидроакустической аппаратуры с параметрическим режимом излучения (РПИ).The main objective of the invention is to improve the performance of hydroacoustic equipment with parametric radiation mode (RPI).
Технический результат заключается в повышении эффективности за счет обеспечения возможности управления генерацией волны разностной частоты параметрической излучающей антенной и корректировки параметров формирующего ультразвукового поля.The technical result consists in increasing the efficiency by providing the possibility of controlling the generation of a difference frequency wave by a parametric radiating antenna and adjusting the parameters of the forming ultrasonic field.
Заявляемый результат достигается тем, что в известном способе управления эффективностью генерации волны разностной частоты параметрической излучающей антенной, основанном на том, чтоThe claimed result is achieved by the fact that in the known method of controlling the efficiency of generating a difference frequency wave by a parametric radiating antenna, based on the fact that
размещают электроакустический преобразователь, включающий пьезоэлемент с заданной резонансной частотой /2 = и полосой пропускания соответствующей диапазону волны разностной частоты в среде лоцирования,an electroacoustic transducer is placed, including a piezoelectric element with a given resonant frequency /2 = and the bandwidth corresponding to the range of the difference frequency wave in the ranging environment,
подают на пьезоэлемент электроакустического преобразователя с выхода излучающего тракта электрические сигналы, амплитуды которых изменяются по гармоническому закону, а величины частот колебаний находятся в полосе пропускания пьезоэлемента,electric signals are fed to the piezoelectric element of the electroacoustic transducer from the output of the radiating path, the amplitudes of which change according to the harmonic law, and the values of the oscillation frequencies are in the passband of the piezoelectric element,
формируют в среде лоцирования пространственную область коллинеарного распространения и нелинейного взаимодействия интенсивных ультразвуковых волн накачки, включающую в себя ближнюю и дальнюю зоны образованной параметрической излучающей антенны,forming in the ranging environment a spatial region of collinear propagation and nonlinear interaction of intense ultrasonic pump waves, which includes the near and far zones of the formed parametric radiating antenna,
генерируют волну разностной частоты с циклической частотой generate a difference frequency wave with a cyclic frequency
дополнительно формируют многокомпонентный сигнал возбуждения, генерируя в излучающем тракте колебаний одинаковой амплитуды и с одинаковой начальной фазой в момент времени , с частотами , последовательно отличающимися одна от другой на , и находящимися в полосе пропускания пьезоэлемента,additionally form a multicomponent excitation signal, generating in the radiating path oscillations of the same amplitude and with the same initial phase at the time , with frequencies , successively differing from one another by , and located in the passband of the piezoelectric element,
подают с выхода излучающего тракта на пьезоэлемент с резонансной циклической частотой электрический многокомпонентный сигнал возбуждения, представляющий собой сумму колебаний, имеющую видserved from the output of the radiating path to the piezoelectric element with a resonant cyclic frequency electrical multicomponent excitation signal, which is the sum fluctuations, having the form
, (5) , (5)
где - средняя частота возбуждения, - промежуток времени , необходимый для формирования сигнала ,where - average excitation frequency, - time interval , necessary for signal formation ,
формируют в среде лоцирования пространственную область коллинеарного распространения и нелинейного взаимодействия интенсивной компонентной ультразвуковой волны накачки, включающую в себя ближнюю и дальнюю зоны образовавшейся параметрической излучающей антенны,form in the ranging environment a spatial region of collinear propagation and nonlinear interaction of intense component ultrasonic pump wave, which includes the near and far zones of the resulting parametric radiating antenna,
генерируют в параметрической излучающей антенне компонентную волну разностной частоты с циклическими частотами , определяемую нелинейными взаимодействиями в среде распространения заданного количества из спектральных компонент волны накачки с циклическими частотами , , ,… ;generated in a parametric radiating antenna difference frequency component wave with cyclic frequencies , determined by nonlinear interactions in the propagation medium of a given amount of spectral components of the pump wave with cyclic frequencies , , ,… ;
осуществляют регулировку эффективности генерации и корректировку параметров поля компонентной волны разностной частоты с циклическими частотами , формируемого параметрической излучающей антенной путем отключения или противофазного включения заданного набора составляющих из спектральных компонент волны накачки.adjust the generation efficiency and adjust the field parameters difference frequency component wave with cyclic frequencies , formed by a parametric radiating antenna by turning off or turning on a given set of components from spectral components of the pump wave.
Предпочтительно, чтобы регулировка эффективности генерации и корректировка параметров поля первой компоненты волны разностной частоты с циклической частотой осуществлялась путем противофазного включения относительно остальных центральных составляющих из спектральных компонент волны накачки. Preferably, the adjustment of the generation efficiency and the correction of the field parameters of the first component of the difference frequency wave with a cyclic frequency was carried out by anti-phase inclusion with respect to the rest of the central components from spectral components of the pump wave .
Оптимально, чтобы регулировка эффективности генерации и корректировка параметров поля второй компоненты волны разностной частоты с циклической частотой осуществлялась путем противофазного включения центральных составляющих из спектральных компонент волны накачки относительно других, например, при шестикомпонентном сигнале накачки используют спектральные составляющие с номерами 3 и 4 с отрицательными амплитудами, сохраняя положительную амплитуду составляющих 1, 2, 5, 6.It is optimal that the adjustment of the generation efficiency and the correction of the field parameters of the second component of the difference frequency wave with a cyclic frequency was carried out by anti-phase inclusion of the central components from spectral components of the pump wave relative to others, for example, with a six-component pump signal, spectral components with numbers 3 and 4 are used with negative amplitudes, while maintaining the positive amplitude of components 1, 2, 5, 6.
Оптимально регулировку эффективности генерации и корректировку параметров поля третьей компоненты волны разностной частоты с циклической частотой осуществлять путем одновременного противофазного включения групп составляющих из спектральных компонент волны накачки относительно других, например, при шестикомпонентном сигнале накачки использовать спектральные составляющие 1, 2 и 3 с положительными амплитудами, а спектральные составляющие с номерами 4, 5 и 6. с отрицательными амплитудами.Optimal adjustment of the generation efficiency and correction of the field parameters of the third component of the difference frequency wave with a cyclic frequency be carried out by simultaneous anti-phase inclusion of groups of components from spectral components of the pump wave relative to others, for example, with a six-component pump signal, use spectral components 1, 2 and 3 with positive amplitudes, and spectral components with numbers 4, 5 and 6. with negative amplitudes.
Компоненты волны разностной частоты с циклическими частотами оптимально формировать с учетом квадратичной нелинейности среды локации, и значений ее свойств - нелинейного параметра , плотности , скорости звука и коэффициентов затухания и многокомпонентных волн накачки и разностной частоты, с обеспечением временного и пространственного согласования интенсивных ультразвуковых многокомпонентных волн накачки.Difference frequency wave components with cyclic frequencies optimally form taking into account the quadratic nonlinearity of the location environment, and the values of its properties - a non-linear parameter , density , speed of sound and attenuation coefficients and multicomponent pump waves and difference frequency, with the provision of temporal and spatial coordination of intense ultrasonic multicomponent pump waves.
Предпочтительно использовать электроакустический преобразователь, содержащий заданное количество пьезоэлементов, образующих излучающую апертуру.It is preferable to use an electro-acoustic transducer containing a predetermined number of piezoelectric elements forming a radiating aperture.
Оптимально использовать пьезоэлемент, выполненный из пьезокерамики, в форме стержня резонансного размера , где - скорость звука в стержне, - резонансная частота его колебаний.It is optimal to use a piezoelectric element made of piezoceramic, in the form of a rod of resonant size , where is the speed of sound in the rod, - resonant frequency of its oscillations.
Поставленная задача решается устройством для реализации способа, которое содержит опорный генератор, формирователь задержанных импульсов, схем совпадения, делителей частоты, аналоговый ключ, сумматор, амплитудный модулятор, импульсный генератор, усилитель мощности, электроакустический преобразователь, блок управления и регулировки, при этом первый выход опорного генератора через формирователь задержанных импульсов соединен со вторыми входами схем совпадения, выходы которых через делители частоты соединены с сигнальными входами аналогового ключа, а схемы совпадения и делители частоты образуют параллельно включенных звеньев, выходы схем совпадения из предыдущих звеньев соединены с первыми входами схем совпадения из последующих звеньев, первый сигнальный вход аналогового ключа через делитель частоты соединен с выходом опорного генератора, подключенного к входу схемы совпадения первого звена из схем совпадения, выход аналогового ключа через сумматор, амплитудный модулятор и усилитель мощности соединен со входом электроакустического преобразователя, управляющий вход амплитудного модулятора соединен с управляющим выходом импульсного генератора, управляющий вход аналогового ключа соединен со вторым выходом блока управления и регулировки, а его первый и третий выходы соединены соответственно с управляющими входами опорного генератора, и импульсного генератора.The problem is solved by a device for implementing the method, which contains a reference oscillator, a delayed pulse shaper, matching schemes, frequency dividers, an analog key, an adder, an amplitude modulator, a pulse generator, a power amplifier, an electro-acoustic converter, a control and adjustment unit, while the first output of the reference generator is connected through a delayed pulse shaper to the second inputs of the coincidence circuits, the outputs of which are connected through frequency dividers to signal inputs of the analog key, and the coincidence circuits and frequency dividers form parallel-connected links, the outputs of the matching circuits from the previous links are connected to the first inputs of the matching circuits from the subsequent links, the first signal input of the analog key through a frequency divider is connected to the output of the reference oscillator connected to the input of the matching circuit of the first link from coincidence circuits, the output of the analog key through the adder, amplitude modulator and power amplifier is connected to the input of the electroacoustic converter, the control input of the amplitude modulator is connected to the control output of the pulse generator, the control input of the analog key is connected to the second output of the control and adjustment unit, and its first and third outputs connected respectively to the control inputs of the reference generator and the pulse generator.
Электроакустический преобразователь содержит пьезоэлемент и элементы экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции.The electroacoustic transducer contains a piezoelectric element and shielding elements, hydro-, electrical and sound insulation.
Заявляемые способ и устройство связаны единым изобретательским замыслом и позволяют решить техническую проблему повышения эффективности генерации и улучшения эксплуатационных характеристик, за счет создания в схеме формирования ПИА электрического многокомпонентного сигнала возбуждения, представляющего собой сумму колебаний, вызывающую распространение компонентной волны накачки в водной среде.The claimed method and device are connected by a single inventive concept and allow solving the technical problem of increasing the generation efficiency and improving operational characteristics by creating an electric multicomponent excitation signal in the FIA generation circuit, which is the sum fluctuations, causing the spread component pump wave in an aqueous medium.
Заявляемый способ и устройство для его реализации поясняются следующими чертежами.The inventive method and device for its implementation are illustrated by the following drawings.
На фиг.1 изображена структурная схема устройства для реализации способа;Figure 1 shows a block diagram of a device for implementing the method;
на фиг.2 представлены эпюры электрических напряжений в устройстве; на фиг.3 и 4 изображены временная форма и соответствующий спектр для многокомпонентного сигнала накачки (при =5);figure 2 shows diagrams of electrical voltages in the device; figures 3 and 4 show the time shape and the corresponding spectrum for a multicomponent pump signal (when =5);
на фиг.5 представлен экспериментальный график изменения эффективности ПИА от числа используемых спектральных составляющих в многокомпонентном сигнале накачки;figure 5 shows an experimental graph of the change in the efficiency of the PIA from the number spectral components used in the multicomponent pump signal;
на фиг.6 изображены экспериментальные осевые распределения уровней звуковых давлений первой компоненты ВРЧ = 16,5 кГц для различных наборов спектральных составляющих в сигнале накачки: кривая 1 - шесть сфазированных компонент, кривая 2 – две несфазированные компоненты (метод биений исходных частот);figure 6 shows the experimental axial distribution of sound pressure levels of the first component of the TCG = 16.5 kHz for different sets of spectral components in the pump signal: curve 1 - six in-phase components, curve 2 - two out-of-phase components (method of beats of initial frequencies);
на фиг.7 представлены экспериментальные осевые распределения уровней звуковых давлений компонент ВРЧ = 16,5 кГц, 2 =33 кГц, 3 =49,5 кГц, 4 =66 кГц и 5 =82,5 кГц (кривые 1 – 5, соответственно) для шестикомпонентного сигнала накачки;figure 7 shows the experimental axial distributions of sound pressure levels of the TCG components = 16.5 kHz, 2 =33 kHz, 3 =49.5 kHz, 4 =66 kHz and 5 =82.5 kHz (curves 1 – 5, respectively) for a six-component pump signal;
на фиг.8 представлены экспериментальные угловые распределения уровней звуковых давлений для первой компоненты ВРЧ = 16,5 кГц при сфазированном шестикомпонентном сигнале накачки (кривая 1) и двух несфазированных компонентах (метод биений исходных частот, кривая 2);figure 8 shows the experimental angular distributions of sound pressure levels for the first component of the TCG = 16.5 kHz with a phased six-component pump signal (curve 1) and two unphased components (beating method of initial frequencies, curve 2);
на фиг.9 и фиг.10 представлена информация для сопоставления результатов экспериментов, в частности представлены два набора осевых распределений уровней звуковых давлений ВРЧ, генерируемых ПИА при разных режимах формирования компонент сигнала накачки и прочих равных условиях: фиг.9 - шесть сфазированных компонент (заявляемый способ) ВРЧ = 16,5 кГц, 2 =33 кГц, 3 =49,5 кГц, 4 =66 кГц и 5 =82,5 кГц (кривые 1 – 5, соответственно), фиг.10 - две несфазированные компоненты (метод биений исходных частот), ВРЧ = 16,5 кГц, 2 =33 кГц, 3 =49,5 кГц, 4 =66 кГц и 5 =82,5 кГц (кривые 1 – 5, соответственно);figure 9 and figure 10 presents information for comparing the results of experiments, in particular, two sets of axial distributions of the sound pressure levels of the TCG generated by the FIA under different modes of formation of the pump signal components and other equal conditions are presented: figure 9 - six phased components (claimed way) TCG = 16.5 kHz, 2 =33 kHz, 3 =49.5 kHz, 4 =66 kHz and 5 \u003d 82.5 kHz (curves 1 - 5, respectively), Fig. 10 - two unphased components (method of beats of the original frequencies), TCG = 16.5 kHz, 2 =33 kHz, 3 =49.5 kHz, 4 =66 kHz and 5 = 82.5 kHz (curves 1 - 5, respectively);
на фиг.11 представлены две диаграммы, иллюстрирующие степень ослабления уровня первой компоненты ВРЧ = 16,5 кГц для сфазированного шестикомпонентного сигнала накачки от номера «манипулируемой» спектральной компоненты, которая в ходе эксперимента: или отключалась ( - пунктирная линия), или включалась в противофазе ( - сплошная линия);figure 11 presents two diagrams illustrating the degree of attenuation of the level of the first component of the TCG = 16.5 kHz for a phased six-component pump signal from the number "manipulated" spectral component, which during the experiment: or turned off ( - dotted line), or turned on in antiphase ( - solid line);
на фиг.12 и фиг.13 представлена информация, иллюстрирующая возможность как управления эффективностью ПИА, так и корректировки параметров формирующего ультразвукового поля ВРЧ за счет «групповой» манипуляции спектральных составляющих шестикомпонентного сигнала накачки: фиг.12 – спектр сигнала накачки (третья и четвертая спектральные составляющие включены в противофазе) и фото экспериментальной спектрограммы для компонент ВРЧ в водной среде для ПИА, фиг.13 - спектр сигнала накачки (четвертая, пятая и шестая спектральные составляющие включены в противофазе) и фото экспериментальной спектрограммы для компонент ВРЧ в водной среде для ПИА.in Fig.12 and Fig.13 presents information illustrating the possibility of both managing the effectiveness of the FIA, and and adjusting the parameters of the forming ultrasonic field of the TCG due to the "group" manipulation of the spectral components of the six-component pump signal: Fig.12 - spectrum pump signal (the third and fourth spectral components are included in antiphase) and a photo of the experimental spectrogram for the TCG components in the aquatic environment for FIA, Fig.13 - spectrum pump signal (the fourth, fifth and sixth spectral components are included in antiphase) and a photo of the experimental spectrogram for the TCG components in an aqueous medium for FIA.
Устройство для реализации способа (фиг.1, 2) содержит опорный генератор 1, первый выход которого через формирователь задержанных импульсов 2 подключен к вторым входам схем совпадения 3, выходы которых через делители частоты 4 соединены с сигнальными входами аналогового ключа 5. Схемы совпадения 3 и делители частоты 4 образуют такое же количество параллельно включенных звеньев, причем, выходы схем совпадения 3 из предыдущих звеньев соединены с первыми входами схем совпадения 3 из последующих звеньев. Выход опорного генератора 1 соединен с первым сигнальным входом аналогового ключа 5 через делитель частоты 4, и с первым входом схемы совпадения 3 из самого первого звена. Выход аналогового ключа 5 через сумматор 6, импульсный модулятор 7, усилитель мощности 9 соединен со входом ЭАП 10, вход управления импульсного модулятора 7 соединен с управляющим выходом импульсного генератора 8. Управляющие выходы блока управления и регулировок 11 соединены со входами управления аналогового ключа 5, опорного генератора 1 и импульсного генератора 8.The device for implementing the method (figure 1, 2) contains a reference oscillator 1, the first output of which is connected through a delayed pulse shaper 2 to the second inputs of the coincidence circuits 3, the outputs of which are connected through frequency dividers 4 to signal inputs of the analog key 5. Coincidence circuits 3 and frequency dividers 4 form the same number of links connected in parallel, moreover, the outputs of the coincidence circuits 3 from the previous links are connected to the first inputs of the coincidence circuits 3 from the subsequent links. The output of the reference oscillator 1 is connected to the first signal input of the analog switch 5 through a frequency divider 4, and to the first input of the matching circuit 3 from the very first link. The output of the analog key 5 through the adder 6, the pulse modulator 7, the power amplifier 9 is connected to the input of the EAP 10, the control input of the pulse modulator 7 is connected to the control output of the pulse generator 8. The control outputs of the control and adjustment unit 11 are connected to the control inputs of the analog key 5, the reference generator 1 and pulse generator 8.
Настройку режимов работы ПИА можно осуществлять как автоматически, так и вручную с помощью оператора.The PIA operating modes can be adjusted both automatically and manually with the help of an operator.
Работа устройства для реализации способа управления эффективностью генерации ВРЧ ПИА происходит следующим образом. По команде оператора через блок управления и настройки 11 запускается опорный генератор 1, вырабатывающий электрические сигналы , представляющие собой непрерывную последовательность импульсов с частотой при заданной полярности и фазовых соотношениях. Для осуществления набора необходимого числа компонент сигнала накачки и простоты перестройки необходимого значения сигнала разностной частоты электрический сигнал поступают на первый вход схемы совпадения 3, в то время как на второй вход схемы совпадения 3 поступает электрический сигнал с выхода формирователя задержанных импульсов 2. Если обозначить количество импульсов опорного генератора 1, помещающихся в периоде вырезания, числом , а количество вырезанных импульсов числом , то частота искомого спектра будут соотноситься следующим образом: при этом , где - частота опорного генератора, - коэффициент деления, - число делений на два. В данной схеме шаг спектра многокомпонентного сигнала накачки или «разностная» частота определяется как . Электрический сигнал с выхода формирователя задержанных импульсов подают на вторые входы ( -1) схем совпадения 3, выходы которых через делители частоты 4 соединены с сигнальными входами аналогового ключа 5, причем, схемы совпадения 3 и делители частоты 4 образуют такое же количество параллельно включенных звеньев. Соединения первых входов схем совпадения 3 в параллельно включенных звеньях осуществлены исходя из того, что в каждом звене должно осуществиться понижение частоты опорного генератора 1. В этой связи выходы схем совпадения 3 из предыдущих звеньев соединены с первыми входами схем совпадения 3 из последующих звеньев. На первый сигнальный вход аналогового ключа 5 через делитель частоты 4 подается электрический сигнал с опорного генератора 1, причем, этот электрический сигнал также поступает на первый вход схемы совпадения 3 из самого первого звена из описанных выше. Итак, колебаний одинаковой амплитуды ( и с одинаковой начальной фазой (в момент времени для формирования многокомпонентного сигнала возбуждения поступают на сигнальных входов аналогового ключа 5, управляющий вход которого соединен со вторым выходом блока управления и настройки 11, первый и третий выходы последнего соединены с управляющими входами опорного генератора 1, и импульсного генератора 8 ( эта связь позволяет выбрать импульсный или непрерывный режим работы ПИА). По соответствующей команде оператора 12, поступающей через блок управления и настройки 11 на управляющий вход аналогового ключа 5, устанавливается количество колебаний, необходимое для формирования заданной реализации многокомпонентного сигнала возбуждения. Заданная реализация электрического многокомпонентного сигнала возбуждения S (t), образующегося на выходе сумматора 6, представляет собой сумму колебаний, имеющую общий вид , The operation of the device for implementing the method for controlling the generation efficiency of TCG FIA is as follows. At the command of the operator, the reference generator 1 is started through the control and settings unit 11, which generates electrical signals , which are a continuous sequence of pulses with a frequency at a given polarity and phase relationships. To implement the set of the required number of components of the pump signal and to simplify the tuning of the required value of the difference frequency signal, the electric signal arrive at the first input of the coincidence circuit 3, while the electrical signal arrives at the second input of the coincidence circuit 3 from the output of the delayed pulse shaper 2. If we denote the number of pulses of the reference oscillator 1 that fit in the cutting period, the number , and the number of cut pulses by the number , then the frequency of the desired spectrum will be related as follows: wherein , where - frequency of the reference generator, - division factor, is the number of divisions by two. In this scheme, the spectrum step of a multicomponent pump signal or "difference" frequency is defined as . electrical signal from the output of the delayed pulse shaper is fed to the second inputs ( -1) coincidence circuits 3, the outputs of which are connected through frequency dividers 4 to signal inputs of the analog key 5, moreover, the coincidence circuits 3 and frequency dividers 4 form the same number of links connected in parallel. The connections of the first inputs of the coincidence circuits 3 in parallel-connected links are made on the basis that in each link the frequency of the reference oscillator 1 must be lowered. In this regard, the outputs of the coincidence circuits 3 from the previous links are connected to the first inputs of the coincidence circuits 3 from the subsequent links. An electrical signal is supplied to the first signal input of the analog key 5 through the frequency divider 4 from reference oscillator 1, moreover, this electrical signal also enters the first input of the coincidence circuit 3 from the very first link described above. So, fluctuations of the same amplitude ( and with the same initial phase (at time to form a multicomponent excitation signal, they are sent to signal inputs of the analog key 5, the control input of which is connected to the second output of the control and adjustment unit 11, the first and third outputs of the latter are connected to the control inputs of the reference oscillator 1, and the pulse generator 8 (this connection allows you to select the pulse or continuous mode of operation of the PIA). According to the corresponding command of the operator 12, coming through the control unit and settings 11 to the control input of the analog key 5, the number of oscillations necessary to form a given implementation of a multicomponent excitation signal is set. The specified implementation of the electrical multicomponent excitation signal S (t), formed at the output of the adder 6, is the sum vibrations, which has the general form ,
где where
, ,
,,
что позволяет осуществлять манипуляции с отдельными из спектральных компонент сигнала возбуждения , заключающиеся или в отключении или в противофазном включении любого набора спектральных компонент в излучающем тракте.which makes it possible to manipulate individual spectral components of the excitation signal , consisting either in turning off or in antiphase turning on of any set of spectral components in the radiating path.
При все колебания находятся в фазе и при сложении образуют максимум. Но с течением времени вследствие различия их частот образуется система максимумов, и первый нуль получается в момент времени , определяемый из равенства , откуда . Нули знаменателя определяют главный максимум, период биений определяется числом главных максимумов в единицу времени, т.е. нулевыми значениями знаменателя, где =0, 1, 2, Откуда ; . На фиг. 3 и 4 изображены временная форма и спектр для многокомпонентного сигнала накачки (при =5). Из фиг.3 видно, что форма огибающей пятикомпонентного сигнала достаточна сложна, циклическая частота заполнения равна , период главных максимумов равен , а период промежуточных нулей - . Из фиг.4 видно, что в полосе пропускания пьезоэлемента расположены пять спектральных компонент сигнала накачки с частотами , каждая из которых разнесена на частотной оси на величину циклической ВРЧ . С выхода сумматора 6 многокомпонентный сигнал накачки поступает на импульсный модулятор 7, управляющий вход которого соединен с управляющим выходом импульсного генератора 8. Далее сигнал после усилителя мощности 9 поступает на пьезоэлемент электроакустического преобразователя 10. Функционирование электроакустического преобразователя 10 происходит следующим образом. Пьезоэлемент состоит целиком из пьезокерамики, которая может иметь форму, например, стержня резонансного размера , где - скорость звука в стержне, - резонансная частота его колебаний (см. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Глав. ред. И.П. Голямина. – М.: Сов. Энциклопедия, 1979. – 400 с. Нормальные колебания, с.237 -238, Пьезоэлемент, пьезоэффект, с.288 - 289). Из тракта излучения по кабелю через элементы гидро-, электро- изоляции поступает мощный импульсный электрический многокомпонентный сигнал возбуждения, частоты колебаний, например, , …, которого находятся в полосе пропускания полуволнового пьезоэлемента, причем, в силу пьезоэлектрических свойств он будет изменять свои размеры, т.е. будет совершать колебания. Эти колебания передаются в среду лоцирования, обладающую нелинейным параметром , плотностью , скоростью звука и коэффициентами затухания и многокомпонентных волн накачки и разностной частоты соответственно, и распространяются в виде импульсов , содержащих сгущения и разряжения среды. Таким образом, в протяженном участке среды, включающем ближнюю и дальнюю зоны электроакустического преобразователя 10, формируется пространственная область коллинеарного распространения и нелинейного взаимодействия интенсивных компонент накачки с частотами, например, , …. Таким образом, за счет квадратичной нелинейности среды распространения и при выполнении как временного, так и пространственного согласования интенсивных компонент накачки генерируют спектральные компоненты комбинационных ВРЧ с частотами …. Многокомпонентный сигнал накачки представляет собой последовательность сфазированных спектральных составляющих, частоты которых отличаются между собой на малую величину циклической ВРЧ , причем, в ближней зоне электроакустического преобразователя 10 их можно рассматривать как синфазно распространяющиеся колебания, так как <<1. Синфазность распространения взаимодействующих интенсивных компонент накачки эквивалентна росту плотности энергии в объеме параметрической излучающей антенны, что, соответственно, приводит к росту амплитуды компонент ВРЧ, причем, плотность энергии возрастает с ростом числа взаимодействующих компонент накачки. Основная перекачка энергии накачки идет в первую компоненту ВРЧ , что связано с тем, что ее генерируют наибольшее количество спектральных составляющих из многокомпонентного сигнала накачки, например, при пятикомпонентной накачке – ее источники образуются за счет четырех пар нелинейных взаимодействий компонент: 1 – 2, 2 – 3, 3 – 4, 4 – 5; для второй компоненты ВРЧ - за счет трех пар нелинейных взаимодействий компонент : 1 – 3, 3 – 5, 2 – 4, и т.д. Таким образом, для параметрической излучающей антенны увеличение эффективности генерации спектральных компонент комбинационных ВРЧ с частотами … наиболее существенно для наиболее низкочастотной компоненты . По команде через с блока управления и настройки 11 управляется аналоговый ключ 5, обеспечивающий поступление на вход сумматора 6 необходимого количества используемых спектральных составляющих в заданной реализации многокомпонентного сигнала накачки. На фиг.5 представлен экспериментальный график изменения в дальней зоне эффективности ПИА на первой компоненте ВРЧ от числа используемых спектральных составляющих в заданных реализациях многокомпонентных сигналов накачки. Из представленного графика следует, что увеличение количества спектральных компонент накачки приводит к росту эффективности параметрической излучающей антенны (при 3 и 4), причем, при шести компонентах накачки начинается перекачка в более высокочастотные компоненты ВРЧ и динамика прироста эффективности генерации на первой компоненте ВРЧ снижается. Таким образом, по команде через блок управления и настройки 11 с помощью, например, оператора осуществляется возможность управления эффективностью генерации первой компоненты ВРЧ для параметрической излучающей антенны.At all oscillations are in phase and, when added together, form a maximum. But over time, due to the difference in their frequencies, a system of maxima is formed, and the first zero is obtained at the time , determined from the equality , where . The zeros of the denominator determine the main maximum, the beat period is determined by the number of main maxima per unit time, i.e. zero values of the denominator, where =0, 1, 2, Location ; . In FIG. 3 and 4 show the time shape and spectrum for a multicomponent pump signal (at =5). From figure 3 it can be seen that the shape of the envelope of the five-component signal is quite complex, the cyclic duty cycle is equal to , the period of main maxima is equal to , and the period of intermediate zeros - . From figure 4 it can be seen that in the passband of the piezoelectric element there are five spectral components of the pump signal with frequencies , each of which is spaced on the frequency axis by the value of the cyclic TCG . From the output of the adder 6, the multicomponent pump signal is fed to the pulse modulator 7, the control input of which is connected to the control output of the pulse generator 8. Further, the signal after the power amplifier 9 is fed to the piezoelectric element of the electroacoustic transducer 10. The operation of the electroacoustic transducer 10 is as follows. The piezoelectric element consists entirely of piezoceramics, which can be in the form of, for example, a rod of resonant size , where is the speed of sound in the rod, - resonant frequency of its oscillations (see Ultrasound. Little Encyclopedia. Chief editor. I.P. Golyamina. - M .: Sov. Encyclopedia, 1979. - 400 s. Normal vibrations, p.237 -238, Piezoelectric element, piezoelectric effect, pp. 288 - 289). A powerful pulsed electric multicomponent excitation signal, oscillation frequencies, for example, , …, which are located in the passband of a half-wave piezoelectric element, and, due to the piezoelectric properties, it will change its dimensions, i.e. will oscillate. These vibrations are transmitted to the ranging medium, which has a nonlinear parameter , density , speed of sound and attenuation coefficients and multicomponent pump and difference frequency waves, respectively, and propagate in the form of pulses containing concentrations and rarefaction of the medium. Thus, in an extended section of the medium, including the near and far zones of the electroacoustic transducer 10, a spatial region of collinear propagation and nonlinear interaction of intense pump components with frequencies is formed, for example, , …. Thus, due to the quadratic nonlinearity of the propagation medium and when performing both temporal and spatial matching of the intense pump components, the spectral components of the Raman TCGs with frequencies …. Multi-component pump signal is a sequence of phased spectral components, the frequencies of which differ from each other by a small amount of cyclic TCG , and, in the near zone of the electroacoustic transducer 10, they can be considered as in-phase propagating oscillations, since <<1. The in-phase propagation of interacting intense pump components is equivalent to an increase in the energy density in the volume of a parametric radiating antenna, which, accordingly, leads to an increase in the amplitude of the TCG components, moreover, the energy density increases with an increase in the number of interacting pump components. The main transfer of pump energy goes to the first component of the TCG , which is due to the fact that it is generated by the largest number of spectral components from a multicomponent pump signal, for example, with five-component pumping - its sources are formed due to four pairs of nonlinear interactions of the components: 1 - 2, 2 - 3, 3 - 4, 4 - 5 ; for the second component of the TCG - due to three pairs of nonlinear interactions of the components: 1 - 3, 3 - 5, 2 - 4, etc. Thus, for a parametric radiating antenna, an increase in the generation efficiency of the spectral components of combination TCGs with frequencies … most significant for the lowest frequency component . At the command via from the control and adjustment unit 11, an analog key 5 is controlled, which ensures that the required amount is supplied to the input of the adder 6 spectral components used in a given implementation of a multicomponent pump signal. Figure 5 shows an experimental graph of the change in the far zone of the efficiency of the FIA on the first component of the TCG from the number spectral components used in given implementations of multicomponent pump signals. It follows from the plot presented that an increase in the number of pump spectral components leads to an increase in the efficiency of the parametric radiating antenna (at 3 and 4), moreover, at six pump components, pumping into higher-frequency TCG components begins and the dynamics of the increase in the generation efficiency on the first TCG component decreases. Thus, on command through the control and settings unit 11 with the help of, for example, the operator, it is possible to control the generation efficiency of the first component of the TCG for a parametric radiating antenna.
Ниже представлены возможности корректировки параметров формирующего ультразвукового поля компонент ВРЧ … .Below are the possibilities for adjusting the parameters of the forming ultrasonic field of the TCG components ….
Преимущества предлагаемого способа подтверждены экспериментальными исследованиями, выполненными в лабораторных условиях, приведенными в примере осуществления способа.The advantages of the proposed method are confirmed by experimental studies performed in the laboratory, given in the example of the implementation of the method.
ПримерExample
Использовался ЭАП 10 с круглым плоским пьезоэлементом диаметром 20 мм с резонансной частотой 1,98 МГц и полосой пропускания 200 кГц, что позволяло оператору в эксперименте использовать от двух до шести спектральных составляющих (последовательно отстоящих друг от друга на = 16,5 кГц с жесткой связью по фазе, согласно фиг.3, 4) при формировании многокомпонентного сигнала накачки для ПИА. На фиг. 6 представлены экспериментальные осевые распределения уровней звуковых давлений для первой гармоники ВРЧ = 16,5 кГц для двух заданных реализаций многокомпонентных сигналов накачки: кривая 1 - шесть сфазированных компонент, кривая 2 – две компоненты (метод биений исходных частот). Для обоих исследований излучаемая средняя мощность сигналов накачки, заданная оператором, оставалась неизменной.EAP 10 was used with a round flat piezoelectric element 20 mm in diameter with a resonant frequency of 1.98 MHz and a bandwidth of 200 kHz, which allowed the operator in the experiment to use from two to six spectral components (sequentially separated from each other by = 16.5 kHz with a rigid phase coupling, according to Fig.3, 4) when forming a multicomponent pump signal for FIA. In FIG. 6 shows the experimental axial distributions of sound pressure levels for the first harmonic of the TCG = 16.5 kHz for two given implementations of multicomponent pump signals: curve 1 - six phased components, curve 2 - two components (method of beats of initial frequencies). For both studies, the radiated average power of the pump signals, set by the operator, remained unchanged.
Из сопоставления кривых видно, что уровень звукового давления первой гармоники ВРЧ = 16,5 кГц на оси электроакустического преобразователя 10 для шестикомпонентного сигнала на 5 дБ больше уровня звукового давления ВРЧ для двухкомпонентного. Результаты измерений позволяют сделать вывод об увеличении эффективности преобразования энергии волн накачки при применении многокомпонентного сигнала с жесткой связью по фазе между его частотными составляющими. Предлагаемый способ позволяет сформировать оператору в среде лоцирования широкополосный сигнал ВРЧ, содержащий низкочастотные гармоники, что является актуальным для некоторых практических приложений, например, для классификации целей, обнаруженных в гидроакустическом канале. С этой целью оператор подает команду через блок управления и настройки 11 на вход управления аналогового ключа 5, обеспечивая поступление на вход сумматора 6 необходимого количества =6 используемых спектральных составляющих в заданной реализации многокомпонентного сигнала накачки. На фиг.7 представлены экспериментальные осевые распределения уровней звуковых давлений спектральных составляющих широкополосного сигнала, содержащего гармоники ВРЧ = 16,5 кГц, 2 =33 кГц, 3 =49,5 кГц, 4 =66 кГц и 5 =82,5 кГц (кривые 1 – 5, соответственно) для шестикомпонентного сигнала накачки, измеренные гидрофоном в дальней зоне параметрической излучающей антенны. Из кривых видно, что все пять кривых имеют максимумы различных величин (от 64 дБ до 54 дБ) на одинаковом удалении (0,18 м) от электроакустического преобразователя 10, причем, наибольшая величина максимума соответствует первой гармонике ВРЧ = 16,5 кГц, а наименьшая – пятой гармонике ВРЧ 5 =82,5 кГц. Физическая причина возникновения указанной зависимости описана выше. Таким образом, в результате нелинейного взаимодействия шести спектральных составляющих сигнала накачки формируется широкополосный многокомпонентный сигнал ВРЧ, что важно как при управлении эффективностью ПИА, так и при корректировке параметров формирующего ультразвукового поля ВРЧ. Режим классификации целей, обнаруженных в гидроакустическом канале, предполагает наличие возможности регулировки угловой разрешающей способности антенных систем. На фиг.8 представлены экспериментальные угловые распределения уровней звуковых давлений для первой гармоники ВРЧ = 16,5 кГц при шестикомпонентном сигнале накачки (кривая 1) и ВРЧ той же частоты, полученного при нелинейном взаимодействии двух несфазированных компонентах (метод биений исходных частот, кривая 2). Сопоставление графиков позволяет сделать вывод о том, что как угловая ширина основного лепестка, так и уровень бокового поля ПИА с многокомпонентным сигналом накачки меньше, чем в двухчастотном режиме. Таким образом, обеспечивается возможность корректировки параметров пространственных характеристик формирующего ультразвукового поля ВРЧ.From a comparison of the curves, it can be seen that the sound pressure level of the first harmonic of the TCG = 16.5 kHz on the axis of the electro-acoustic transducer 10 for a six-component signal is 5 dB higher than the sound pressure level of the TCG for a two-component one. The measurement results allow us to conclude that the efficiency of pump wave energy conversion increases when a multicomponent signal with a rigid phase coupling between its frequency components is used. The proposed method allows the operator to generate a broadband TCG signal in the ranging environment containing low-frequency harmonics, which is relevant for some practical applications, for example, for classifying targets detected in a hydroacoustic channel. To this end, the operator sends a command through the control and settings unit 11 to the control input of the analog key 5, ensuring that the required amount of =6 used spectral components in a given implementation of a multicomponent pump signal. Figure 7 shows the experimental axial distributions of the sound pressure levels of the spectral components of the broadband signal containing the harmonics of the TCG = 16.5 kHz, 2 =33 kHz, 3 =49.5 kHz, 4 =66 kHz and 5 =82.5 kHz (curves 1 – 5, respectively) for a six-component pump signal, measured by a hydrophone in the far field of a parametric radiating antenna. It can be seen from the curves that all five curves have maxima of different values (from 64 dB to 54 dB) at the same distance (0.18 m) from the electroacoustic transducer 10, and the largest maximum value corresponds to the first harmonic of the TCG = 16.5 kHz, and the smallest - the fifth harmonic of the TCG 5 = 82.5 kHz. The physical reason for the occurrence of this dependence is described above. Thus, as a result of the nonlinear interaction of the six spectral components of the pump signal, a broadband multicomponent TCG signal is formed, which is important both for controlling the FIA efficiency and for adjusting the parameters of the TCG ultrasonic shaping field. The classification mode of targets detected in the hydroacoustic channel assumes the possibility of adjusting the angular resolution of the antenna systems. Figure 8 shows the experimental angular distributions of sound pressure levels for the first harmonic of the TCG = 16.5 kHz with a six-component pump signal (curve 1) and TCG of the same frequency obtained with a nonlinear interaction of two unphased components (beating method of initial frequencies, curve 2). A comparison of the graphs allows us to conclude that both the angular width of the main lobe and the level of the side field of the FIA with a multicomponent pump signal are smaller than in the two-frequency mode. Thus, it is possible to adjust the parameters of the spatial characteristics of the forming ultrasonic field of the TCG.
На фиг.9 и фиг.10 отображена дополнительная информация для сопоставления возможностей корректировки оператором параметров пространственных характеристик формирующего ультразвукового поля ВРЧ за счет применения команд через блок управления и настройки 11. На них представлены результаты экспериментальных измерений семейств двух наборов осевых распределения уровней звуковых давлений ВРЧ одних и тех же частот, генерируемых ПИА при разных режимах формирования компонент сигнала накачки и прочих равных условиях: - фиг.9 - шесть сфазированных компонент накачки (предлагаемый способ, гармоники ВРЧ = 16,5 кГц, 2 =33 кГц, 3 =49,5 кГц, 4 =66 кГц и 5 =82,5 кГц (кривые 1 – 5, соответственно), фиг.10 - две компоненты накачки (метод биений исходных частот, ВРЧ = 16,5 кГц, 2 =33 кГц, 3 =49,5 кГц, 4 =66 кГц и 5 =82,5 кГц (кривые 1 – 5, соответственно). Анализ представленных данных говорит о том, что имеется возможность в соответствии с предлагаемым способом формировать в среде лоцирования широкополосный многокомпонентный сигнал ВРЧ, в спектре которого одновременно существуют пять гармоник ВРЧ = 16,5 кГц, 2 =33 кГц, 3 =49,5 кГц, 4 =66 кГц и 5 =82,5 кГц (фиг.9, кривые 1 – 5, соответственно), в то время как при двух компонентах накачки (биения двух частот) – можно генерировать в среде лоцирования по одному узкополосному сигналу ВРЧ тех же частот (фиг.10, кривые 1 – 5, соответственно). Отметим также, что различие количества взаимодействующих в среде лоцирования спектральных составляющих (фиг.9 – шесть компонент сигнала накачки, фиг.10 – две компоненты сигнала накачки) приводит к тому, что, например, уровень звукового давления ВРЧ с частотой 16,5 кГц при шестикомпонентной накачке (фиг.9, кривая 1) превышает на 15 дБ (ближняя зона) и на 6 дБ (дальняя зона) аналогичную величину при двухкомпонентной накачке (фиг.10, кривая 1).On Fig.9 and Fig.10 displays additional information to compare the ability of the operator to adjust the parameters of the spatial characteristics of the forming ultrasonic field TCG through the use of commands through the control unit and settings 11. and the same frequencies generated by the PIA under different modes of formation of the pump signal components and other equal conditions: - Fig.9 - six phased pump components (the proposed method, TCG harmonics = 16.5 kHz, 2 =33 kHz, 3 =49.5 kHz, 4 =66 kHz and 5 \u003d 82.5 kHz (curves 1 - 5, respectively), Fig. 10 - two pump components (method of beats of the initial frequencies, TCG = 16.5 kHz, 2 =33 kHz, 3 =49.5 kHz, 4 =66 kHz and 5 = 82.5 kHz (curves 1 - 5, respectively). The analysis of the presented data suggests that it is possible, in accordance with the proposed method, to generate a broadband multicomponent TCG signal in the ranging environment, in the spectrum of which five TCG harmonics simultaneously exist. = 16.5 kHz, 2 =33 kHz, 3 =49.5 kHz, 4 =66 kHz and 5 = 82.5 kHz (Fig. 9, curves 1 - 5, respectively), while with two pumping components (beats of two frequencies) - it is possible to generate in the ranging environment from one narrow-band TCG signal of the same frequencies (Fig. 10, curves 1 – 5, respectively). We also note that the difference in the number of spectral components interacting in the ranging environment (Fig. 9 - six components of the pump signal, Fig. 10 - two components of the pump signal) leads to the fact that, for example, the sound pressure level of the TCG with a frequency of 16.5 kHz at six-component pumping (Fig.9, curve 1) exceeds by 15 dB (near zone) and 6 dB (far zone) the same value for two-component pumping (Fig.10, curve 1).
При этом по команде через блок управления и настройки 11 обеспечивается возможность как управления эффективностью генерации, так и корректировки параметров ультразвукового поля первой компоненты ВРЧ для параметрической излучающей антенны за счет изменения начальной фазы и амплитуды спектральных составляющих шестикомпонентного сигнала накачки. На фиг.11 представлены на одном поле две диаграммы, иллюстрирующие степень ослабления уровня первой компоненты ВРЧ = 16,5 кГц для сфазированного шестикомпонентного сигнала накачки от номера спектральной компоненты, которая в ходе эксперимента: или отключалась ( - пунктирная линия), или включалась в противофазе ( - сплошная линия). Анализ представленных данных показывает: 1) амплитуда первой компоненты ВРЧ в большей степени зависит от противофазного включения спектральных составляющих, чем от ее отсутствия в спектре, например, отсутствие третьей компоненты вызывает ослабление первой компоненты ВРЧ = 16,5 кГц на 4 дБ, а противофазное включение в спектр - ослабляет первую гармонику ВРЧ = 16,5 кГц на 14 дБ; 2) проведение данных действий оператором 12 – отключение или противофазное включение спектральных составляющих накачки – корректирует уровень первой компоненты ВРЧ = 16,5 кГц в различной степени – манипуляции с крайними компонентами (первая, вторая и пятая, шестая) оказывают меньшее влияние, чем те действия с центральными (третья и четвертая).At the same time, on command through the control and adjustment unit 11, it is possible to both control the generation efficiency and adjust the parameters of the ultrasonic field of the first component of the TCG for a parametric radiating antenna by changing the initial phase and amplitude of the spectral components of the six-component pump signal. Figure 11 shows two diagrams in one field, illustrating the degree of attenuation of the level of the first component of the TCG = 16.5 kHz for a phased six-component pump signal from the number spectral component, which during the experiment: or was switched off ( - dotted line), or turned on in antiphase ( - solid line). The analysis of the presented data shows: 1) the amplitude of the first component of the TCG depends to a greater extent on the antiphase inclusion of the spectral components than on its absence in the spectrum, for example, the absence of the third component causes a weakening of the first component of the TCG \u003d 16.5 kHz by 4 dB, and anti-phase inclusion in the spectrum - attenuates the first harmonic of the TCG = 16.5 kHz at 14 dB; 2) carrying out these actions by the operator 12 - turning off or anti-phase switching on the spectral components of the pump - corrects the level of the first component of the TCG = 16.5 kHz to varying degrees - manipulations with the extreme components (first, second and fifth, sixth) have less effect than those with the central ones (third and fourth).
На фиг.12 и фиг.13 представлена информация, иллюстрирующая возможность управления эффективностью генерации первой компоненты ВРЧ , и корректировки параметров формируемого ультразвукового поля за счет «групповой» манипуляции спектральных составляющих шестикомпонентного сигнала накачки: фиг.12 – спектр многокомпонентного сигнала накачки (третья и четвертая спектральные составляющие включены в противофазе) и фото экспериментальной спектрограммы для всех компонент ВРЧ в среде лоцирования для ПИА, фиг.13 - спектр сигнала накачки (четвертая, пятая и шестая спектральные составляющие включены в противофазе) и фото экспериментальной спектрограммы для всех компонент ВРЧ в среде лоцирования для ПИА.In Fig.12 and Fig.13 presents information illustrating the possibility of controlling the generation efficiency of the first component of the TCG , and adjusting the parameters of the generated ultrasonic field due to the "group" manipulation of the spectral components of the six-component pump signal: Fig.12 - spectrum multicomponent pump signal (the third and fourth spectral components are included in antiphase) and a photo of the experimental spectrogram for all components of the TCG in the ranging environment for FIA, Fig.13 - spectrum pump signal (the fourth, fifth, and sixth spectral components are included in antiphase) and a photo of the experimental spectrogram for all TCG components in the FIA ranging medium.
Заявляемые способ и устройство могут найти широкое применение при проведении дноуглубительных работ, поиске заиленных и затопленных объектов, в частности, трубопроводов, при точном профилировании и эхолотировании дна и придонных слоев, оконтуривании иловых выбросов предприятий и определении толщины их слоев и т.д. В данных условиях актуально применение гидроакустических сигналов диапазона десятки-сотни Герц, формируемых ПИА с повышенной эффективностью генерации ВРЧ.The claimed method and device can be widely used in dredging, searching for silty and flooded objects, in particular pipelines, for accurate profiling and echo sounding of the bottom and bottom layers, for delineating silt emissions from enterprises and determining the thickness of their layers, etc. Under these conditions, the use of hydroacoustic signals in the range of tens-hundreds of Hertz, formed by FIA with an increased efficiency of TCG generation, is topical.
