SU1739507A1 - Nonlinear parametric acoustic receiver - Google Patents

Nonlinear parametric acoustic receiver Download PDF

Info

Publication number
SU1739507A1
SU1739507A1 SU904847579A SU4847579A SU1739507A1 SU 1739507 A1 SU1739507 A1 SU 1739507A1 SU 904847579 A SU904847579 A SU 904847579A SU 4847579 A SU4847579 A SU 4847579A SU 1739507 A1 SU1739507 A1 SU 1739507A1
Authority
SU
USSR - Soviet Union
Prior art keywords
plate
frequency
emitter
hydrophone
wave
Prior art date
Application number
SU904847579A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Вениамин Евгеньевич Назаров
Original Assignee
Институт прикладной физики АН СССР
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Институт прикладной физики АН СССР filed Critical Институт прикладной физики АН СССР
Priority to SU904847579A priority Critical patent/SU1739507A1/en
Application granted granted Critical
Publication of SU1739507A1 publication Critical patent/SU1739507A1/en

Links

Landscapes

  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

Использование: дл  приема звуковых волн четырехволнового взаимодействи  в акустическом резонаторе. Акустическим резонатором  вл етс  кругла  тонка  пластина 1, выполненна  из твердого материала. В центре пластины, коаксиально ей установлен цилиндрический излучатель 2 накачки продольных волн. Пластина представл ет собой излучатель комбинационной частоты. Диаграмма направленности излучател  (пластины) формируетс  в волновой зоне, т.е. на рассто нии, где расположен гидро- фонный приемник 3. Поворот диаграммы направленности осуществл етс  синхронным вращением всей системы, например, вокруг центра пластины. 1 ил.Use: for receiving four-wave sound waves in an acoustic resonator. The acoustic resonator is a round thin plate 1 made of solid material. In the center of the plate, a cylindrical emitter 2 of pumping longitudinal waves is installed coaxially to it. The plate is a combination frequency emitter. The radiation pattern of the radiator (plate) is formed in the wave zone, i.e. at the distance where the hydrophone receiver 3 is located. The rotation of the radiation pattern is carried out by synchronous rotation of the entire system, for example, around the center of the plate. 1 il.

Description

соwith

СWITH

Изобретение относитс  к гидроакустике и может быть использовано дл  приема звуковых волн, распростран ющихс  в жидкости.This invention relates to underwater acoustics and can be used to receive sound waves propagating in a liquid.

Известен параметрический гидрофон дл  приема низкочастотной (НЧ) звуковой волны, содержащий расположенные в водной среде на рассто нии L друг от друга высокочастотные (ВЧ) излучатель и приемник звуковых волн. В таком гидрофоне, представл ющем собой антенну бегущей волны, происходит нелинейное взаимодействие сигнальной волны низкой частоты Я и высокочастотной.волны накачки со , в результате чего об разуютс  волны комбинационных частот о) ± О.A parametric hydrophone is known for receiving a low-frequency (LF) sound wave, which contains a high-frequency (HF) emitter and a receiver of sound waves located in an aqueous medium at a distance L from each other. In such a hydrophone, which is a traveling-wave antenna, nonlinear interaction of a low-frequency signal wave I and a high-frequency pumping wave occurs, resulting in the formation of combination-frequency waves a) ± O.

Недостатком такого гидрофона  вл етс  низка  эффективность, обусловленна  малым значением параметра у акустической нелинейности воды.The disadvantage of such a hydrophone is its low efficiency due to the small value of the parameter in the acoustic nonlinearity of water.

Известен апертурный параметрический акустический приемник, содержащий последовательно расположенные на однойKnown aperture parametric acoustic receiver containing consistently located on one

оси два высокочастотных излучател  накачки , плоскопараллельный слой нелинейной среды, импеданс которой совпадает с импедансом окружающей жидкости, и отсто щий на рассто ние R0 от сло  приемник. Рассто ние RO определ етс  рассто ни ми eh, d2 между излучател ми накачки и слоем, а также частотами (1)1,0)2 излучателей накачки и частотой Q принимаемой низкочастотной волны (Ro Оэ ( - )1 где QO - - ftJ2 ± Q.)two high-frequency pump emitters, a plane-parallel layer of a nonlinear medium, whose impedance coincides with the impedance of the surrounding liquid, and a receiver spaced by R0 from the layer. The distance RO is determined by the distances eh, d2 between the pump emitters and the layer, as well as the frequencies (1) 1.0) 2 pump emitters and the frequency Q of the received low-frequency wave (Ro Oe (-) 1 where QO - - ftJ2 ± Q.)

Недостатком такого параметрического приемника  вл етс  сложность конструкции , св занна  с наличием двух излучателей накачки и нелинейного сло , разнесенных на большое рассто ние.The disadvantage of such a parametric receiver is the complexity of the design, due to the presence of two pump emitters and a nonlinear layer separated by a large distance.

Целью изобретени   вл етс  упрощение конструкции.The aim of the invention is to simplify the design.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в нелинейном параметрическом акустическом приемнике, содержащем соосно установленные слой нелинейной среды иThe goal is achieved by the fact that in a nonlinear parametric acoustic receiver containing a coaxially mounted layer of a nonlinear medium and

VJVj

СОWITH

о ел оabout eaten about

акустические излучатель накачки продольных волн и приемный гидрофон, слой нелинейной среды выполнен в виде круглой пластины из твердого материала, в которой коаксиальноустановлен излучатель накачки в виде цилиндра, причем произведение плотности и скорости продольных волн в материале пластины отличаетс  от произведени  плотности и скорости звука в окружающей среде, а радиус R пластины определ етс  соотношениемacoustic emitter pumping longitudinal waves and receiving hydrophone, a nonlinear medium layer made in the form of a circular plate made of solid material, in which a pump emitter in the form of a cylinder is installed coaxially, and the product of the density and velocity of longitudinal waves in the plate material differs from the product of density and sound speed in the environment and the radius R of the plate is determined by the ratio

R .л(т +3/4) , (1)R .l (t +3/4), (1)

где со - частота возбуждени  излучател  накачки,where co is the excitation frequency of the pump emitter,

с, v- скорость продольных волн и коэффициент Пуассона дл  материала пластины,c, v is the velocity of the longitudinal waves and the Poisson’s ratio for the material of the plate,

m - целое число,m is an integer

толщина пластины h определ етс  соотношениемplate thickness h is determined by the ratio

(2)(2)

где Д.-длина волны низкой частоты QB окружающей среде;where D. is the wavelength of the low frequency QB environment;

/Ц - длина волны комбинационной частоты «Из 2ш ± QB материале пластины;/ C is the wavelength of the combination frequency “From 2 ° ± QB to the plate material;

п - целое число,n is an integer

рассто ние между приемником и пластиной D Рф, где РФ - рассто ние Фраунгофера на частоте (ik дл  пластины.the distance between the receiver and the plate D Russia, where RF is the Fraunhofer distance at the frequency (ik for the plate.

Изобретение основано на использовании дл  приема звуковых волн четырехвол- нового взаимодействи  в акустическом резонаторе. Акустическим резонатором  вл етс  кругла  тонка  пластина, выполненна  из твердого материала, импеданс дл  продольных волн которого (т.е. произведение плотности материала на скорость продольных волн в нем) отличен от импеданса окружающей среды (жидкости). В центре пластины, коаксиально ей, установлен цилиндрический излучатель накачки продольных волн, частота ш которого выбираетс  в соответствии с соотношением (1). При возбуждении излучател  в пластине возникает бегуща  цилиндрическа  (расход ща с ) волна с волновым вектором К. Поскольку излучатель находитс  в центре пластины-резонатора , в ней возникает также отраженна  от кра  резонатора бегуща  к центру (сход ща с ) цилиндрическа  волна с той же частотой и и волновым вектором -К, При падении на пластину низкочастотной волны с частотой Q и волновым вектором К в ней вследствие кубичной нелинейности материала пластины происходит взаимодействие трех указанных волн. Результатом этого взаимодействи   вл етс  рождение четвертой волны с частотой (Ds (i) + (i)± QH волновым векто- - --S-- .The invention is based on the use of four-wave interaction in an acoustic resonator for receiving sound waves. The acoustic resonator is a round thin plate made of a solid material whose impedance for longitudinal waves (i.e., the product of the material density and the velocity of the longitudinal waves in it) is different from the impedance of the surrounding medium (liquid). In the center of the plate, coaxially to it, there is a cylindrical pump radiator of longitudinal waves, the frequency w of which is chosen in accordance with relation (1). When a radiator is excited in a plate, a running cylindrical (diverging) wave with a wave vector K arises. Since the radiator is in the center of the resonator plate, a cylindrical wave running from the resonator edge toward the center (converging) with the same frequency also occurs in it. and and the wave vector -K. When a low-frequency wave with a frequency Q and a wave vector K falls on a plate, the three said waves interact due to the cubic nonlinearity of the plate material. The result of this interaction is the generation of a fourth wave with a frequency (Ds (i) + (i) ± QH) of the wave vector - - - S--.

ром Кз К - К ± К ±К, котора  излучаетс  в окружающую пластину среду. Таким образом, пластина представл ет собой излучатель комбинационной частоты % 2со ± Q . Дл  эффективного излучени  пластиной волны частоты УЗ необходимо обеспечить акустическое согласование пластины с окружающей средой, дл  чего толщина h пластины выбираетс  в соответствии с соотношением (2). Радиус RRum Kz K - K ± K ± K, which is emitted into the surrounding plate. Thus, the plate is a combination emitter of frequency% 2 ± Q. To efficiently emit a wave of the ultrasonic frequency to the plate, it is necessary to ensure the acoustic matching of the plate with the environment, for which the thickness h of the plate is chosen in accordance with relation (2). Radius r

пластины определ етс  необходимой шириной 6b диаграммы направленности и св зан с ней соотношениемthe plate is determined by the required width of the 6b radiation pattern and is related to it by the ratio

2020

R«A/20bR "A / 20b

(3)(3)

5five

00

5five

00

5five

00

5five

Как известно, поле давлени  такого излучател  определ етс  фазовым распределением источников комбинационной частоты 0s по апертуре (плоской) пластины, которое, в свою очередь определ етс  низкочастотной волной(Q, К). При нормальном падении волны (Q, К) на пластину источники комбинационной частоты ш$ синфазным го апертуре пластины, и она создает пучок(Шз, Кь) вдоль акустической оси. Диаграмма направленности излучател  (пластины) формируетс  в волновой зоне, т.е. на рассто нии, определ емом соотношением (3), где расположен приемник.As is known, the pressure field of such a radiator is determined by the phase distribution of the sources of the combination frequency 0s over the aperture of the (flat) plate, which, in turn, is determined by the low-frequency wave (Q, K). With a normal incidence of a wave (Q, K) on a plate, the sources of the combinational frequency are common-phase aperture of the plate, and it creates a beam (Shz, Kb) along the acoustic axis. The radiation pattern of the radiator (plate) is formed in the wave zone, i.e. at a distance determined by the relation (3) where the receiver is located.

При наклонном падении волны (О, К) на пластину по вл етс  расфазировка вторичных источников частоты ufe по апертуре пластины и она излучает волну (Шв, Ks) под углом к акустической оси, в результате чего амплитуда сигнала принимаемого гидрофоном падает. Это и  вл етс  механизмом формировани  ДН предлагаемого параметрического гидрофона.When the wave (O, K) is incident on the plate, the secondary sources of the frequency ufe appear on the plate aperture and it emits a wave (SW, Ks) at an angle to the acoustic axis, resulting in the amplitude of the signal received by the hydrophone. This is the mechanism for the formation of the DN of the proposed parametric hydrophone.

Поскольку в устройстве используетс  только один излучатель накачки, который расположен в твердотельной пластине (нелинейном слое) и представл ет с ней одно целое, то конструкци  предлагаемого устройства проще, чем известного,Since the device uses only one pump emitter, which is located in the solid-state plate (nonlinear layer) and represents one whole, the design of the proposed device is simpler than the known one

Следует отметить, что параметрический приемник обладает высокой эффективностью вследствие как сильной акустической нелинейности материала пластины, так и возможностью создани  более интенсивной волны накачки в твердотельном резонаторе- пластине, чем в воде, где интенсивность накачки ограничена порогом кавитации.It should be noted that the parametric receiver is highly efficient due to both the strong acoustic nonlinearity of the plate material and the possibility of creating a more intense pump wave in a solid-state resonator plate than in water, where the pump intensity is limited by the cavitation threshold.

На чертеже изображена схема одного из вариантов устройства.The drawing shows a diagram of one of the variants of the device.

Нелинейный параметрический акустический приемник содержит круглую металлическую пластину 1 из твердого материала. В конкретном варианте исполнени  пластина 1 выполнена из меди (С 3,5- 105см/с, ,3). Радиус пластины R, ее толщина h выбраны в соответствии с соотношени ми (1, 2) и равны , соответственно 25 и 2,3, см. В центре пластины 1, коаксиально ей, жестко закреплен цилиндрический излучатель 2 продоль- ных волн. Цилиндрический излучатель 2 установлен в центре пластины 1 и  вл етс  сплошным цилиндром. Дл  обеспечени  эффективного взаимодействи  волн накачки и сигнала необходимо, радиус г излуча- тел  и радиус R пластины удовлетвор ли соотношению . В конкретном варианте исполнени  радиус г равен 1,5 см, его высота h равна 2,3 см. Частота излучател  выбрана в соответствии с соотношением (1) и совпадает с резонансной частотой четвертой моды () пластины 1, равной f а) /2 ТЕ 33 кГц. На акустической оси пластины 1 на рассто нии D, выбранном в соответствии с соотношением D Ј/Рф(в кон- кретном варианте D 10 м), установлен гидрофон 3 (например, гидрофон типа 8103, 8100 фирмы Брюль и Къер).Nonlinear parametric acoustic receiver contains a round metal plate 1 of solid material. In a specific embodiment, plate 1 is made of copper (C 3.5-110 cm / s, 3). The plate radius R, its thickness h is chosen in accordance with ratios (1, 2) and equal, respectively, 25 and 2.3, see. In the center of plate 1, a cylindrical emitter 2 of rigid waves is rigidly fixed. The cylindrical emitter 2 is installed in the center of the plate 1 and is a solid cylinder. To ensure the effective interaction of the pump waves and the signal, it is necessary that the radius r of the radiators and the radius R of the plate satisfy the relation. In a specific embodiment, the radius g is 1.5 cm, its height h is 2.3 cm. The emitter frequency is selected in accordance with relation (1) and coincides with the resonant frequency of the fourth mode () of plate 1, equal to f a) / 2 TE 33 kHz. On the acoustic axis of the plate 1 at a distance D, selected in accordance with the ratio D D / Rf (in the concrete variant D 10 m), a hydrophone 3 is installed (for example, a hydrophone of type 8103, 8100 from Brühl and Kjерr).

Параметрический приемник работает следующим образом.Parametric receiver works as follows.

При возбуждении цилиндрического изт лучател  на указанной частоте в пластине 1 возбуждаютс  резонансные колебани  на этой же частоте. При падении на пластину 1 распростран ющейс  в воде низкоча- стотной волны с частотой F Q/27T 10 кГц ( Л 15 см) в пластине возбуждаютс  тол- щинные колебани  на комбинационной частоте fs Ok /2 п 76 кГц. На этой частоте длина волны AS в медной пластине состав- л ет 4,6 см. Толщина пластины, как указано выше, выбрана равной 2,3 см, т.е. половине длины волны (). Таким образом, пластина 1 излучает в окружающую среду акустическую волну с частотой fs 76 кГц.When a cylindrical emitter is excited at the indicated frequency in plate 1, resonant oscillations are excited at the same frequency. When a low-frequency wave propagating in water with a frequency F Q / 27T 10 kHz (L 15 cm) is incident on the plate 1, thickness oscillations are excited in the plate at the combination frequency fs Ok / 2 n 76 kHz. At this frequency, the wavelength AS in the copper plate is 4.6 cm. The plate thickness, as indicated above, is chosen to be 2.3 cm, i.e. half wavelength (). Thus, plate 1 emits an acoustic wave with a frequency of fs 76 kHz into the environment.

Claims (1)

Диаграмма направленности пластины 1, как излучател , формируетс  на рассто нии Вф, где и установлен гидрофон 3. Ширина диаграммы ЭЬ направленности параметрического гидрофона определ етс  соотношением (3) и в конкретном варианте составл ет 6b 15°. Поворот диаграммы направленности осуществл етс  синхронным вращением всей системы, например, вокруг центра пластины 1. Формула изобретени  Нелинейный параметрический акустический приемник, содержащий соосно уста- новленные акустический излучатель накачки продольных ,волн, нелинейный элемент и приемный гидрофон, отличающийс  тем. что, с целью упрощени  конструкции, нелинейный элемент выполнен в виде круглой пластины из твердого материала, а излучатель накачки выполнен цилиндрической формы и установлен коаксиально пластине, при этом радиус R пластины определен соотношением:The radiation pattern of plate 1, as an emitter, is formed at a distance Vf, where the hydrophone 3 is installed. The width of the Eb pattern of the parametric hydrophone is determined by the relation (3) and in a particular variant is 6b 15 °. Rotation of the radiation pattern is carried out by synchronous rotation of the entire system, for example, around the center of the plate 1. Formula of the invention A nonlinear parametric acoustic receiver containing coaxially mounted longitudinal wave pumping emitter, a nonlinear element and a receiving hydrophone differing from that. that, in order to simplify the design, the nonlinear element is made in the form of a circular plate of solid material, and the pump emitter is cylindrical and mounted coaxial to the plate, while the radius R of the plate is defined by the relation: R -R - л(т + 3/4)l (t + 3/4) где о) - частота возбуждени  излучател  накачки;where o) is the excitation frequency of the pump emitter; с, V- скорость продольных волн и коэффициент Пуассона дл  материала пластины;c, V is the velocity of the longitudinal waves and the Poisson’s ratio for the material of the plate; m - целое число,m is an integer толщина h пластины определена соотношением:plate thickness h is defined by the relation: где Л- длина волны низкой частоты Q в окружающей среде;where L is the wavelength of low frequency Q in the environment; As - длина волны комбинационной частоты 2л ± QB материале пластины;As is the wavelength of the combination frequency 2l ± QB of the plate material; п - целое число,n is an integer а рассто ние между приемным гидрофоном и пластиной D 6ф, где Рф - рассто ние Фраунгофера на частоте ah 5 дл  пластины.and the distance between the receiving hydrophone and the plate D 6f, where Rf is the Fraunhofer distance at frequency ah 5 for the plate. ЛL
SU904847579A 1990-05-04 1990-05-04 Nonlinear parametric acoustic receiver SU1739507A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU904847579A SU1739507A1 (en) 1990-05-04 1990-05-04 Nonlinear parametric acoustic receiver

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU904847579A SU1739507A1 (en) 1990-05-04 1990-05-04 Nonlinear parametric acoustic receiver

Publications (1)

Publication Number Publication Date
SU1739507A1 true SU1739507A1 (en) 1992-06-07

Family

ID=21525544

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU904847579A SU1739507A1 (en) 1990-05-04 1990-05-04 Nonlinear parametric acoustic receiver

Country Status (1)

Country Link
SU (1) SU1739507A1 (en)

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Авторское свидетельство СССР Me 422197, кл. В 06 В 1/00. Назаров В.Е., Сутин A.M. Теори параметрического приемника звука с нелинейным слоем. - Акустический журнал, 1989, т.35, №5, с.877-881. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6772490B2 (en) Method of forming a resonance transducer
US4333028A (en) Damped acoustic transducers with piezoelectric drivers
EA199900113A1 (en) ACOUSTIC HETERODINE DEVICE AND METHOD FOR ITS USE (OPTIONS)
US3872421A (en) Standing wave acoustic parametric source
US3917024A (en) Sound radiating structure
CA1136262A (en) Electro-acoustic transducer with horn and reflector
RU2133047C1 (en) Parametric echo-pulse sonar
SU1739507A1 (en) Nonlinear parametric acoustic receiver
US3912954A (en) Acoustic antenna
US2823365A (en) Electro-acoustic system and method
RU2003237C1 (en) Nonlinear parametric acoustic receiver
EP0039986A1 (en) An acoustic transducer system
JPH06343933A (en) Supersonic cleaning using supersonic reflector
US7443081B2 (en) Multi-frequency transmission/reception apparatus
RU2784885C1 (en) Method for increasing the efficiency of a parametric acoustic radiating antenna and a device for its implementation
SU1520461A1 (en) Method of nonnuclear acoustic logging
GB2085591A (en) Method of Classifying Underwater Objects
RU2700031C1 (en) Multi-frequency receiving-emitting antenna device
SU1379725A1 (en) Ultrasound transducer of acoustic emission signals
RU188744U1 (en) Dual element electroacoustic transducer for parametric generation of acoustic signals
RU2096807C1 (en) Method of forming the directed radiation of low-frequency signals
JPH11352002A (en) Antenna for water leakage detector
RU2822084C1 (en) Ultrasonic oscillating system for gaseous media
US4039998A (en) Ultrasonic transmitter or receiver
JPS5842056Y2 (en) Ultrasonic atomization device