Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ИЗЛУЧАТЕЛИ II ПРИЕМНИКИ ЗВУКА

ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ИЗЛУЧАТЕЛИ II ПРИЕМНИКИ ЗВУКА

ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ИЗЛУЧАТЕЛИ II ПРИЕМНИКИ ЗВУКА - устройства, основанные на использовании эффекта генерации комбинац. тонов при взаимодействии звуковых волн, в к-рых роль излучающей (приёмной) антенны играет область среды, где происходит нелинейное взаимодействие волн.

В параметрич. излучателе в одном случае- две ВЧ-волны (т. н. компоненты волны накачки), взаимодействуя друг сдругом, порождают волну разностной частоты, излучаемую из области взаимодействия;в другом - модулированная по амплитуде или частоте ВЧ-волна накачки в результатедетектирования средой возбуждает НЧ-волну на частоте модуляции. Областьнелинейного взаимодействия является своеобразной "бестелесной" антенной, <размеры к-рой определяют характеристику направленности излучателя. Поэтомудаже при малых размерах излучателей волны накачки удаётся получить остронаправленноеНЧ-излучение. Наряду с высокой направленностью достоинство параметрич. <излучателя - отсутствие боковых лепестков диаграммы направленности и широкополосность;для существенного относительного изменения частоты излучения достаточновесьма незначительного изменения частоты накачки (в пределах ширины полосырезонансного излучателя волны накачки). Осн. недостаток параметрич. излучателя- его невысокая эффективность: доля энергии накачки, идущая на НЧ-излучение, <обычно невелика и зависит от соотношения частот получаемой волны инакачки Для оптимального режима отношение мощности НЧ-излучения W_s кмощности накачки W _н определяется ф-лой

Процесс генерации волны разностной частотыпроисходит по-разному, в зависимости от геом. параметров зоны взаимодействияволн накачки. Для плоского излучателя волны накачки можно выделить двапредельных случая.

1) Нелинейное взаимодействие происходитв ближней зоне излучения волны накачки (см. Звуковое поле), гдеона является плоской. Протяжённость зоны взаимодействия в направлении распространенияволн в этом случае определяется длиной пробега волны накачки l =где -коэф. поглощения этой волны, а поперечное сечение этой зоны - площадьюизлучателя волны накачки (рис. 1). Амплитуда p_s НЧ-волны

в дальней зоне пропорц. длине l зоны взаимодействия. Для накачки в виде двух ВЧ-волн близкой частоты онавыражается ф-лой

Здесь - нелинейный параметр среды, р _н - амплитуда волн накачки,- частота излучаемой НЧ-волны;и - частотыкомпонент волны накачки; а - радиус ВЧ-пучка, определяемый размеромизлучателя волны накачки,- плотность среды, с - скорость звука в ней, r - расстояниеот излучателя волны накачки до точки наблюдения,- диаграмма направленности для НЧ-волны, описываемая выражением

Рис. 1. Режим работы параметрического излучателяпри взаимодействии волн накачки в ближней зоне. 1 - излучатель волннакачки; 2 - область взаимодействия; 3- диаграмма направленностинизкочастотного излучения.

Угол отсчитывается от оси области взаимодействия; характерная ширина диаграммынаправленности, согласно (2),Ф-ла (1) описывает два эффекта: образование тона разностной частоты привзаимодействии плоских волн на длине l = (множитель )и дифракц. эффект при излучении волны низкой разностной частоты из цилиндрич. <области взаимодействия с малым поперечным сечением, характеризуемым параметром k_sa²/r.

2) Гл. вклад в генерацию НЧ-волны даётнелинейное взаимодействие в дальней зоне излучения волны накачки, где онастановится расходящейся и область взаимодействия имеет форму рупора (рис.2). При этом НЧ-излучение как бы "вписывается" в диаграмму направленностиволны накачки с характерной шириной (ka)^-1, где , к-рая и определяет направленность НЧ-излучения. Волна разностной частотывозникает как результат взаимодействия расходящихся волн. Влияние дифракц. <эффектов в этом случае не проявляется, поэтому преобразование ВЧ-излученпяв низкочастотное происходит более эффективно. Амплитуда НЧ-волны пропорц. <первой степени волнового числа k_s, а не квадрату, какв первом предельном случае:

Здесь R =kа²/2- длина ближней зоны для волны на-качки, а диаграмма направленности имеетвид

(J₁- ф-цияБесселя 1-го рода 1-го порядка). Амплитуда p_s излучаемойНЧ-волны как в первом, так и во втором случае растёт пропорц. квадратуамплитуды волны накачки.

Рис. 2. Режим работы параметрического излучателяпри взаимодействии волн накачки в дальней зоне. 1 - излучатель волннакачки; 2 - область взаимодействия; 3 - диаграмма направленности низкочастотногоизлучения.

При больших интенсивностях волны накачкиона трансформируется в пилообразную волну, возрастает её поглощение и работапараметрич. излучателя переходит в нелинейный режим. Длина пробега волнынакачки определяется теперь нелинейным поглощением звука и равна Если взаимодействие пилообразных волн происходит в основном в ближней зоне(цилиндрич. антенна, рис. 1), то амплитуда излучаемой НЧ-волны в дальнейзоне выражается ф-лой

а ширина диаграммы направленности определяется, <как и в линейном режиме, длиной зоны взаимодействия:При взаимодействии в дальней зоне (рис. 2)

Т. о., в нелинейном режиме работы параметрич. <излучателя амплитуда p_s НЧ-волны не зависит от нелинейногопараметра среды е и пропорц. р _н.

В параметрич. приёмнике гармонич. ВЧ-пучок(волна накачки) модулируется принимаемым НЧ-сигналом, в результате чегоиз-за нелинейных свойств среды возникают сигналы комбинац. частот, обладающиевысокой направленностью, к-рые регистрируются ВЧ-приёмником звука (рис.3).

Рис. 3. Схема параметрического приёмниказвука. 1 - излучатель волн накачки; 2- приёмник звука; .- низкочастотный сигнал.

Амплитуда р _к комбинационноготона частоты равна:

где - частота р _н и - амплитуда и частота волны накачки, p_s и - амплитуда и частота НЧ-сигнала,k= k _н/c. Ширина диаграммы направленности параметрич. приёмника где L - длина области взаимодействия, определяемая расстоянием междуизлучателем и приёмником ВЧ-волны накачки; угол отсчитывается от оси волнового пучка накачки. Осн. достоинством параметрич. <приёмника является возможность реализации достаточно длинных областей взаимодействия, <что позволяет получить острую направленность при приёме НЧ-звука.

Параметрич. излучатели применяются в калибровочныхлаб. установках, в измерит. гидроакустич. бассейнах как широкополосныеизлучатели для калибровки приёмников звука. Частота накачки в таких устройствах~ 1 МГц, частота излучения 1 - 100 кГц, амплитуда сигнала ~10 Па x м, радиусизлучателя составляет неск. см, мощность накачки - десятки Вт. Более мощныеи более низкочастотные параметрич. излучатели применяются в гидроакустике для прецизионного профилирования дна, зондирования придонных областей, <излучения звукорассеивающих слоев, турбулентности, определения толщиныслоя ила, поиска предметов в морском грунте, а также в атмосферной акустике для зондирования атмосферы, в частности для контроля степени турбулентностина взлётных трассах аэропортов. Частота накачки в таких излучателях составляет25 - 50 кГц, частота излучения 0,5 - 15 кГц, ширина диаграммы направленности- неск. градусов, мощность накачки 10² - 10³ кВт, <амплитуда сигнала ~10² Па х м, размер излучателя ~ 10² см. Параметрич. излучатели применяются также в рыбо-поисковой аппаратуре, <эхолотах и др., где характеристики их излучения и размеры определяютсяисходя из поставленной задачи.

Лит.: Наугольных К. А., ОстровскийЛ. А., Сутин А. М., Параметрические излучатели звука, в кн.: Нелинейнаяакустика, Горький, 1980; Новиков Б. К., Руденко О. В., Тимошенко В. II.,Нелинейная гидроакустика, Л., 1981; Наугольных К. А., Островский Л. А.,О нелинейных эффектах в акустике океана, в кн.: Акустика океана, М., 1982.

К. Л. Наугольных.