Нелинейное взаимодействие акустических волн с кратными частотами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.06, кандидат технических наук Батрин, Алексей Константинович

• Батрин, Алексей Константинович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Батрин, Алексей Константинович

ВВЕДЕНИЕ.

1. РОЛЬ АМПЛИТУДНО-ФАЗОВЫХ СООТНОШЕНИЙ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ВОЛН В КВАДРАТИЧНО-НЕЛИНЕЙНЫХ СРЕДАХ БЕЗ ДИСПЕРСИИ

1.1. Взаимодействие плоских регулярных волн конечной амплитуды.

1.2. Влияние фазовых соотношений на нелинейные волновые процессы.

1.3. Анализ вопросов влияния амплитудно-фазовых соотношений в нелинейной акустике.

2. НЕЛИНЕЙНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ДВУХ ПЛОСКИХ ВОЛН В ИДЕАЛЬНОЙ СРЕДЕ

2.1. Анализ взаимодействий на основе метода малых возмущений

2.2. Исследование взаимодействия волн в доразрывной области.

2.3. Спектральное разложение решения уравнения Римана.

2.4. Режим фазового запрета двухкомпонентной вторичной волны.

2.5. Выводы по материалам главы 2.

3. АНАЛИЗ КОЛЛИНЕАРНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ БИГАРМОНИЧЕСКОЙ BKA НА ОСНОВЕ УРАВНЕНИЯ ХЗК

3.1. Расчет характеристик двухкомпонентной вторичной волны с учетом диссипативных потерь и дифракции звукового пучка

3.2. Экспериментальное исследование двухкомпонентной вторичной волны.

3.3. Задача подавления звука звуком в волнах с соотношением частот 1:3.

3.4. Выводы по материалам главы 3.

4. РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

4.1. Автоматизированная установка для экспериментального ф исследования нелинейного взаимодействия волн.

4.2. Разработка двухслойного акустического излучателя.

4.2.1. Теоретическая модель электроакустического тракта.

4.2.2. Экспериментальные частотные зависимости импеданса и проводимости преобразователя.

4.2.3. Калибровка чувствительности преобразователя методом

I1 самовзаимности

4.2.4. Пространственные характеристики акустического поля первичных волн.

4.3. Формирователь двухчастотного сигнала с регулируемыми параметрами.

5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВОЛН С СООТНОШЕНИЕМ ЧАСТОТ 1:3 В ПРИКЛАДНЫХ ЗАДАЧАХ АКУСТИКИ

Ф) 5.1. Активное подавление нелинейного поглощения звука.

5.2. Использование режима фазового запрета двухкомпонентной вторичной волны для диагностики акустических неоднородностей среды.

5.2.1. Исследование влияния тонкой пластины.

5.2.2. Влияние пелены пузырьков.

5.3. Выводы по материалам главы 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Нелинейное взаимодействие акустических волн с кратными частотами»

Предметом настоящей работы является исследование нелинейного взаимодействия двух волн с кратными частотами в квадратично нелинейных средах с учетом начальных амплитудно-фазовых соотношений. Под кратностью понимается целочисленное значение отношения частот волн, образующих натуральный ряд чисел 2, 3, 4, . До настоящего времени подобным исследованиям практически не уделялось внимания, что связано с некоторыми методологическими трудностями описания физической модели взаимодействия. При этом важную роль играет учет фазовых соотношений взаимодействующих волн, поскольку от них напрямую зависит направление перекачки акустической энергии первичных волн.

Интерес к этой теме связан с несколькими причинами. Во-первых, публикации по исследованию роли фазовых соотношений при взаимодействии волн с кратным соотношением частот практически отсутствуют. Исключение составляет случай т.н. вырожденного параметрического взаимодействия (ВПВ), в котором частоты волн различаются в два раза. Для ВПВ характерна сильная зависимость нелинейных процессов от фазовых соотношений в спектре исходных волн. Однако аналитическая модель ВПВ не раскрывает особенностей взаимодействия волн при других частотных соотношениях и не позволяет проследить тенденцию с увеличением соотношения частот.

Во-вторых, теоретические и экспериментальные исследования влияния начальных амплитудно-фазовых соотношений при взаимодействии узкополосной трехчастотной волны конечной амплитуды (BKA) с симметричных частотным спектром [47] позволили выявить ряд фазозависимых процессов (запрет генерации вторичных волн, снижение нелинейного затухания, нелинейная дисперсия), проявление которых в случае других частотных соотношений в узкополосной накачке не наблюдается. Аналогичные фазозависимые процессы, обнаруженные ранее в ВПВ, указывают на наличие одинаковых физических механизмов, лежащих в их основе и объединяющих столь разные случаи частотных соотношений. Объяснение этих механизмов требует дополнительного рассмотрения.

В-третьих, в ранее проводившихся теоретических и экспериментальных исследованиях [25] отмечалось отсутствие фазовой зависимости при нелинейном взаимодействии двух регулярных волн с сильно различающимися частотами 1:10 и 1:12, что не нашло своего объяснения в рамках использовавшихся трех- и четырехчастотного приближений и привело к ошибочному выводу о проявлении фазовой зависимости только в случае ВПВ.

В-четвертых, как было показано на примере работ по ВПВ [35], отказ от ограничений на начальные амплитудно-фазовые соотношения позволяет глубже понять физику нелинейных волновых процессов и предложить новые подходы к решению уже известных задач, а также открыть новые перспективные направления исследований. Указанный подход был использован при работе над данной диссертацией.

В настоящей диссертации предполагается рассмотрение нелинейного взаимодействия акустических волн, не устанавливая при этом фиксированных рамок для частотных (кроме кратности), амплитудных и фазовых соотношений, что является научной новизной работы. Перейдем к краткому изложению содержания.

Диссертация состоит из введения, обзора работ по взаимодействию акустических волн в квадратично нелинейных средах без дисперсии, четырех основных глав и заключения.

Заключение диссертации по теме «Акустика», Батрин, Алексей Константинович

- результаты исследования влияния амплитудно-фазовых соотношений на процесс генерации вторичных волн;

- способ диагностики акустических неоднородностей жидких сред.

Начальник НИО 1

Г.Г. Ляшенко

Старший научный сотрудник, к.т.н.

В.Ю. Дорошенко

АКТ об использовании результатов научных исследований работы по теме «Нелинейное взаимодействие акустических волн с кратными частотами», выполненной аспирантом кафедры ЭГА и МТ Таганрогского Государственного радиотехнического университета БАТРИНЫМ Алексеем Константиновичем

Комиссия Таганрогского Государственного радиотехнического университета в составе председателя, заведующего кафедрой электрогидроакустической и медицинской техники д.т.н., профессора Тарасова С.П. и членов комиссии профессора, д.т.н. Борисова С.А. и доцента кафедры, к.т.н. Гаврилова A.M. составили настоящий акт о том, что результаты научных исследований Батрина А.К. по теме: «Нелинейное взаимодействие акустических волн с кратными частотами», использованы в учебном процессе в университете на кафедре электрогидроакустической и медицинской техники. В частности, результаты исследований и автоматизированная установка используются:

- в практических и лабораторных работах по курсам «Акустика океана» и «Акустические приборы и системы» для специальностей 1904,1407;

- при подготовке студентами выпускных бакалаврских работ, дипломных проектов и магистерских диссертаций.

СОГЛАСОВАНО декан ФЭП доктор технических наук

ПРЕДСЕДАТЕЛЬ КОМИССИИ зав.кафедрой ЭГА и МТ, д.т.н., профессор

С.П. Тарасов

ЧЛЕНЫ КОМИССИИ: профессор кафедры ЭГА и МТ д.т.н.

С.А. Борисов доцент кафедры ЭГА и МТ к.т.н.

A.M. Гаврилов

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Экспериментальные и теоретические исследования диссертационной работы позволили выявить ряд новых, не наблюдавшихся ранее особенностей нелинейного взаимодействия при коллинеарном распространении плоских волн с кратными частотами и произвольными амплитудно-фазовыми соотношениями, а также определить границы применимости используемых теоретических моделей. Основные результаты диссертационной работы:

1. На основе плосковолновой модели в рамках решения уравнения простых волн получено аналитическое выражение для расчета пространственных амплитудно-фазовых характеристик первичного и вторичного спектра бигармонической волны с кратным соотношением частот и произвольными начальными амплитудно-фазовыми соотношениями. Показано, что с ростом частотного отношения N в бигармонической волне происходит ослабление фазозависимых процессов. Подтверждены основные закономерности по ВПВ из [35] и объяснено, наблюдаемое в работе [25], отсутствие влияния начальных фазовых соотношений на амплитуды первичных и вторичных волн;

2. Направления энергообмена для первичных волн с четным соотношением частот противоположны направлениям энергообмена для волн с нечетным соотношением. При этом скорость накопления нелинейных искажений в бигармонической волне не зависит' от частотного соотношения, уменьшаясь при ФИ ср0 =180° и увеличиваясь при ср0 = 0°;

3. Установлено, что нелинейная дисперсия характерна для всех кратно-частотных соотношений волн, а не только для ВПВ. Показано, что проявление дисперсии максимально при ФИ ср0 «7i/2 и ср0 «Зя/2. С ростом N величина дисперсии резко уменьшается, поскольку ослабевает интенсивность фазозависимых процессов;

В рамках плосковолновой модели показано, что для задачи подавления сигнальной НЧ волны мощной ВЧ накачкой предпочтительно использовать волны с меньшим соотношением частот. Показано, что величина фазозависимого затухания быстро уменьшается с ростом параметра Ы, и при N > 3 всегда меньше фазонезависимого затухания;

Для волн с соотношением частот N = 3 методом малых возмущений получены значения соотношения амплитуд первичных волн для реализации режима фазового запрета двухкомпонентной вторичной волны, а также для ослабления нелинейного поглощения НЧ накачки в поле слабой ВЧ волны. Экспериментально исследовано ослабление нелинейного поглощения и его зависимость от амплитудно-фазовых соотношений;

Для бигармонической волны накачки с соотношением частот N = 3 на основе решения уравнения ХЗК получены выражения для комплексной амплитуды двухкомпонентной вторичной волны и компонент, ее составляющих. Исследовано поведение ДВВ в режиме фазового запрета двухкомпонентной вторичной волны и установлена его высокая чувствительность к изменениям амплитудно-фазового спектра первичных волн. Показаны различия плосковолновой и пучковой моделей распространения акустических волн для двухкомпонентной вторичной волны в режиме фазового запрета, обусловленные дифракционным расхождением пучков;

Предложен нелинейный метод диагностики акустических неоднород-ностей, основанный на полученных закономерностях поведения двухкомпонентной вторичной волны. Экспериментально показана высокая чувствительность метода. Продемонстрировано влияние не-однородностей на положение в пространстве минимума амплитуды двухкомпонентной вторичной волны и объяснены полученные результаты;

8. Разработана и изготовлена экспериментальная автоматизированная измерительная установка для исследования пространственных характеристик акустических полей. Применение установки обеспечило высокую скорость и точность измерений.

По теме диссертации опубликовано 18 научных работ, из них 11 статей и 5 тезисов к докладам на научно-технических конференциях различного уровня. По результатам диссертационной работы получено 2 патента на изобретение; за выступление на 13-й и 15-й сессиях Российского акустического общества автор награжден дипломами; за разработку «Автоматизированная установка для измерения частотных характеристик пьезоэлементов и пьезопреобразователей» (в соавторстве) удостоен диплома 2-й степени на Всероссийской выставке работ студентов и аспирантов «Иннов-2003» (г. Новочеркасск).

Автор считает своим долгом выразить глубокую благодарность научному руководителю доценту Александру Максимовичу Гаврилову за помощь при подготовке диссертации. Слова благодарности адресованы также сотрудникам кафедры ЭГА и МТ за плодотворное обсуждение результатов и внимание к работе.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Батрин, Алексей Константинович, 2005 год

1. Наугольных К.А., Островский Л.А. Нелинейные волновые процессы в акустике. - М . : Наука, 1990. - 432 с.

2. Зверев В.А., Калачев А.И. Излучение звука из области пересечения двух звуковых пучков. - Акуст. ж., 1969, т. 15, вып. 3, с. 369-376.

3. Зверев В.А., Калачев А.И. Модуляция звука звуком при пересечении двух звуковых пучков. - Акуст. ж., 1970, т. 16, вып. 2, с. 245-251.

4. Экспериментальное исследование параметрического микрофона / А.В. Богатенков, В.В, Гущин, В.А. Зверев и др. - Тезисы докладов II Всесоюзного научно-технического совещания «Нелинейная акустика -76», Таганрог, 1976, с. 98-101.

5. Новиков Б.К,, Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика. - Л : Судостроение, 1981. - 264 с.

6. Воронин В.А., Максимов В.Н., Тимошенко В.И. Экспериментальное исследование нелинейного параметрического акустического приемно-излучающего комплекса. - В кн.: Прикладная акустика, вып. VII, Таганрог, 1979, с. 40-47.

7. Воронин В.А., Максимов В.Н., Тимошенко В.И. Экспериментальное исследование параметрического приемника с фазовым детектированием сигнала. Труды IV научно-технической конференции по информационной акустике / Акуст. ин-т АН СССР, М., 1979.

8. А1 Temimi А. Effects of acoustic shadows on the performance of a parametric receiving systems. - J. Sound, Vib. 1970, 13, 4, p. 415-433.

9. Bartram J.F. Saturation effects in a parametric receiving array. — J. Soc. Amer. 1974, 55, p. 153(A).

10. Зарембо Л.К., Красильников В.А. Введение в нелинейную акустику. - М.,Наука, 1966.-519 с.

11. Westervelt P.J. Parametric End-Fire Array/ J. Acoust. Soc. Amer., 1960, 32, p. 934. X^ 15. Westervelt P.J. Parametric Acoustic Array/ J. Acoust. Soc. Amer., 1963, 35, p. 535-537.

12. Зверев B.A., Калачев А.И. Измерение рассеяния звука звуком при наложении параллельных пучков // Акуст. ж., 1968, т. 15, вып. 3, с. 214-220.

13. Зарембо Л.К. Акустическая излучающая параметрическая антенна // УФН, 1979, т. 128, вып. 4, с. 713-719.

14. Наугольных К.А., Солуян СИ., Хохлов Р.В. О нелинейном >" взаимодействии звуковых волн в поглощающей среде // Акустический журнал, 1963, т. 9, №2, с. 192-197.

15. Berktay И.О. Possible exploitation of Nonlinear acoustics in underwater transmitting applications / J. Sound Vib., 1965.- N2.- P.435-461.

16. Moffett M.B., Westervelt P.J., Beyer R.T. Large-amplitude pulse propagation-A transient effect / J. Acoust. Soc. Amer., 1970.- N47.-P.1473-1474.

17. Moffett M.B., Westervelt P.J., Beyer R.T. Large-amplitude pulse propagation •4; - A transient effect, II / J. Acoust. Soc. Amer., 1971.- N49.- P.339-343.

18. Clinch I. R. Optimal primary spectra for parametric transmitting arrays, JASA, 1975, 6, p. 1127-1132.

19. Eller A.J. Improved efficiency of on acoustic parametric source/ J. Acoust. Soc. Amer., 1975.-V.58.-N5.-Rl 193-1200.

20. Виноградова М.Б., Руденко О.В., Сухорукова А.П. Теория волн. - М.: Наука, 1990.-432 с. •^ 27. Гурбатов Н., Руденко О.В. Нелинейная акустика в задачах. - М.: Изд-во МГУ, 1990.

21. Руденко О.В., Солуян СИ. Теоретические основы нелинейной акустики. М.,Наука, 1975.-287 с.

22. Зарембо Л.К. О нелинейном искажении плоской волны в недиссипативной среде // Акуст. ж., 1961, т. 37, № 2, с. 189-194.

23. Ахманов А., Хохлов Р.В. Проблемы нелинейной оптики. - М.: Изд-во АНСССР, 1964.-264 с. ^ 31. Бломберген Н. Нелинейная оптика. - М.: Мир, 1966. - 424 с.

24. Руденко О.В. О параметрическом взаимодействии бегущих звуковых волн // Акуст. ж., 1974, т. 20, № 1, с. 108-111.

25. Ляхов Г.А., Руденко О.В. Об эффекте параметрического усиления слабых сигналов в нелинейной акустике // Акуст. ж., 1974, т. 20, № 5, с. 738-744.

26. Гаврилов A.M., Савицкий О.А. К вопросу об использовании эффекта вырожденного параметрического усиления // Акуст. ж., 1992, т. 38, № 4, ц, с. 671-677.

27. Гаврилов A.M., Германенко O.H., Савицкий О.А. Взаимосвязь между акустической нелинейностью и температурой среды // Акуст. ж., 1995, т. 41, №3. с. 501-503.

28. Зверев В.А. Модуляционный метод измерения дисперсии ультразвука // ДАН СССР, 1975, вып. 4, с. 791-794.

29. Рыбачек М.С, Селин Е.П. Исследование параметрического излучателя звука со сложным сигналом накачки. В сб. Прикладная акустика. Вып. IX. Таганрог, 1983. - с. 23-27.

30. Рыбачек М.С, Селин Е.П. К учету фазовых соотношений при взаимодействии широкополосных сигналов. В сб. Прикладная акустика. Вып. XI. Таганрог, 1985. - с. 18-22.

31. Гаврилов A.M. Амплитудные характеристики параметрической антенны с амплитудно-модулированной накачкой. Известия СКНЦ ВШ, Естественные науки, 1990, №3, с. 70-73. >S' /7-5

32. Гаврилов A.M. Зависимость характеристик параметрической антенны от фазовых соотношений в спектре накачки // Акуст. ж., 1994, т. 40, № 2, с. ^^ 235-239.

33. Гаврилов A.M. Исследование и разработка параметрической антенны с амплитудно-модулированной накачкой для изучения характеристик морского дна. Дисс. канд. техн. наук. - ЛЭТИ, 1988.

34. Гаврилов A.M., Гончаренко В.Р., Тимошенко В.И., Соколов Р.А. Экспериментальное исследование параметрического излучателя с j^; амплитудно-модулированной накачкой. В кн.: Прикладная акустика. -Таганрог, 1987, вып. XII, с. 40-43.

35. Медведев В.Ю. Исследование нелинейного акустического излучателях трехчастотной волной накачки. Дисс. канд. техн. наук. (Таганрогский Государственный Радиотехнический Университет). - Таганрог, 2003.

36. Гаврилов A.M., Медведев В.Ю. Исследование амплитудно-фазовых характеристик нелинейного акустического излучателя с трехчастотной накачкой. Известия ТРТУ. Таганрог: Изд-во ТРТУ. 2002. №6(29). 53-:м) 57.

37. Гаврилов A.M., Медведев В.Ю. О влиянии амплитудно-фазового спектра на нелинейное распространение трехчастотной волны. В сб. ц.) трудов XIII сессии РАО. Т. 1. - М . : ГЕОС, 2003, с. 130-133.

38. Гаврилов A.M., Медведев В.Ю., Батрин А.К. Зависимость амплитудно- фазовой характеристики нелинейного акустического излучателя от j^ \ амплитудных и фазовых соотношений в спектре накачки. Известия ТРТУ. Таганрог: Изд-во ТРТУ. 2002. №6 (29). с. 57-62.

39. Зарембо Л. К. Теоретические основы нелинейной акустики. Учебное пособие. Таганрог: Изд-во ТРТУ. 1976. - 90 с.

40. Бахвалов Н.С, Жилейкин Я.М., Заболотская Е.А. Нелинейная теория звуковых пучков. - М . : Наука, 1982. - 176 с.

41. Батрин А.К., Гаврилов A.M. Нелинейное взаимодействие волн с кратными частотами и произвольными амплитудно-фазовыми 4(> соотношениями. — Сб. трудов XV сессии Российского акустического общества. Т. 1. - М . : ГЕОС, 2004. с. 16-20.

42. Красильников В.А., Руденко О.В., Чиркин А.С. О поглощ;ении звука малой амплитуды, вызываемом взаимодействием с шумом. // Акуст. жури. 1975. Т. 20, вып. 1. с. 124. f8t

43. Руденко O.B., Чиркин А.С. О распространении случайно модулированного сигнала конечной амплитуды. // Акуст. журн. 1974. Т. .^. 20, вып. 2. с. 297-301.

44. Гурбатов Н., Саичев А.И., Якушкин И.Г. Нелинейные волны и одномерная турбулентность в средах без дисперсии. // УФК. 1983. Т. 141, вып. 2. с. 221-255.

45. Гаврилов A.M., Савицкий О.A. Экспериментальное исследование вырожденного параметрического взаимодействия в воде // Изв. ВУЗов. Северо-кавказский регион. Серия: Естественные науки. 1993. №1-2. с. 30-38.

46. Патент РФ №2185666. Способ активного звукогашения/ Гаврилов A.M., Германенко O.K., Савицкий О.А. Бюл. № 20 от 20.07.2002 : -^^ 65. Пат. №4255797. США, Н04КЗ/00. Sonic attenuation system. Mar. 10, 1981.

47. Moffet M. et al. Experimental demonstration of the absoфtion of sound by sound in water. // J. Acoust. Soc. Amer. 1978. vol. 63. p. 1352-1356.

48. Колесников A.E. Ультразвуковые измерения. - М.: Издательство стандартов, 1970. - 238 с.

49. Пьезокерамические преобразователи: Справочник/ Под ред. И. Пугачева. - Л., Судостроение, 1984, - 256 с.

50. Таранов Э.С, Тюрин A.M., Сташкевич А.П. Гидроакустические ^\ измерения в океанологии. - Л.: Гидрометеоиздат, 1972. - 328 с.

51. Боббер Р. Дж. Гидроакустические измерения. - М.: Мир, 1974. - 368 с.

52. Гаврилов A.M., Батрин А.К. Нелинейное взаимодействие волн с кратными частотами и произвольными амплитудно-фазовыми соотношениями. Труды XV сессии Российского акустического общества. Т. 1. - М.: ГЕОС, 2004 г., с. 16-20. as

53. Касаткин Б.А. Некоторые характеристики управляемых пьезопреобразователей. Дефектоскопия, 1979, № 11, с, 34-38.

54. Калинин В.А. Исследование электроакустического тракта .^, ультразвукового иммерсионно-резонансного толщиномера. Дефектоскопия, 1970, №4, с. 39-53.

55. Касаткин Б.А. Некоторые характеристики управляемых пьезопреобразователей. Дефектоскопия, 1978, № 11, с. 34-38.

56. Справочник no гидроакустике /А.П. Евтютов, A.E. Колесников, А.П. Ляликов и др. - Л., Судостроение, 1982. - 344 с.

57. Гаврилов A.M., Медведев В.Ю., Батрин А.К. Частотные характеристики электрического импеданса пьезопреобразователя при различных условиях нагрузки. - Известия ТРТУ. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2002. № 5 Щ ( 28 ) -с . 132-140.

58. Ультразвук. Маленькая энциклопедия / Под ред. И.П. Голяминой. — М.: Советская Энциклопедия, 1979. 400 с.

59. Пат. РФ №2027232. Способ подавления нелинейного поглощения звука. Гаврилов A.M., Савицкий О.А., Тимошенко В.И. / Бюл. №14 от 30.07.94. Ч' 1гч

60. Руденко О.В. К проблеме искусственных нелинейных сред с резонансным поглотителем // Акуст. журн. 1983. Т. 29, вып. 3. с. 398-402.

61. Woodsum Н.С. Enhancement of parametric efficiency by saturation suppression // J. Sound and Vibr. 1980. Vol. 69, N1. p. 27-33.

62. Гаврилов Л.Р. О распределении газовых пузырьков в воде по их размерам / Акуст. журн. 1969. Т. 15. Вып. 1. с. 25-27.

63. Бреховских Л.М., Лысанов Ю.П. Теоретические основы акустики океана. - Л.: Гидрометеоиздат, 1982. - 264 с.

64. Клей К.С, Медвин Г. Акустическая океанография. Hep. с англ. М.: 1980. 582 с.