В последнее время широкое распространение получили гидроакустические приборы, работа которых основана на нелинейном взаимодействии мощных волн накачки — параметрические излучатели (ПИ) и приемники' звука. Наиболее эффективны такие системы при профилировании донных осадков, что обусловлено высокой направленностью при излучении низких частот и широкополосностью. При решении подобных задач гидроакустики с помощью параметрических излучателей, в области взаимодействия мощных волн накачки зачастую оказываются всевозможные границы раздела, которые в значительной степени изменяют характеристики поля волны разностной частоты (ВРЧ), образованной в результате нелинейного взаимодействия волн накачки. В качестве таких границ раздела могут выступать как элементы конструкции антенн, так и границы раздела, находящиеся в акустическом канале: дно и поверхность при распространении в мелком море, различные подводные объекты. Свойства отражающих границ могут быть самыми разнообразными, что в большинстве случаев определяется их импедансом. Дно, представляющее собой слоистую структуру, в качестве первого слоя которой могут выступать различные составы донных наносов, типа глины, песка, ила и т. д. является импедансной границей, с характеристиками, определяемыми верхним слоем донных отложений. По составу (и соответственно по акустическому импедансу) верхнего слоя можно судить о: химическом составе воды (донные отложения аккумулируют в себе химические элементы, находящиеся в воде) — активности биологических объектов в данном районе и т. д. Детально изучить отражающие свойства дна удается только при близком расположении к нему антенной системы для получения высокого разрешения по пространству [5]. При применении параметрических антенн поверхность дна оказывается внутри области нелинейного взаимодействия, что обязательно скажется на ее пространственных характеристиках.
Существующие до настоящего времени работы не в полной мере описывают процессы влияния границ раздела на общее поле звукового давления волны разностной частоты в случае, когда они находятся в области взаимодействия волн накачки. Многими авторами рассматривались только крайние случаи: влияние абсолютно мягкой и абсолютно жесткой границ раздела. Однако изменение фазы на границе раздела может существенным образом изменять пространственные характеристики звукового давления волны разностной частоты параметрического излучателя при наличии в области взаимодействия волн накачки, границы раздела. Изменение пространственных характеристик звукового давления волны разностной частоты может использоваться как для построения более эффективных параметрических излучателей (различные конструкции рефлекторных антенн), так и как дополнительный классификационный признак (модуль и фаза коэффициента отражения объектов исследования). В последнее время параметрические излучатели звука стали использовать и в условиях мелкого моря, что приводит к необходимости учета системы отражающих границ раздела, в качестве которых выступают дно и поверхность моря. Импедансные характеристики дна в значительной мере будет влиять на структуру звукового поля в образованном таким образом волноводном канале. Знание импеданса донных осадков позволит предсказывать структуру звукового поля и повысить точность измерения координат обнаруженных в звуковом канале объектов.
Исходя из выше сказанного, в настоящей работе ставится задача теоретически и экспериментально исследовать пространственные характеристики параметрического излучателя при наличии в зоне взаимодействия волн накачки импедансных границ раздела.
Целью настоящей работы является: исследование пространственных характеристик акустического поля, отраженного импедансной границей, расположенной в зоне нелинейного взаимодействия волн накачки параметрической антенны, разработка методик расчета и методов дистанционной оценки импеданса отражающих границ.
Для достижения поставленной цели в работе проведены теоретические и экспериментальные исследования. На основе существующей математической и физической моделей, получены выражения, описывающие поле звукового давления ВРЧ после импедансной гарницы, учитывающее модуль и фазу коэффициента отражения, а также их частотные зависимости. Показана необходимость оценки нелинейных эффектов на границе раздела и влияние их на общее поле звукового давления волны разностной частоты после отражения от импедансной границы раздела.
Практическая значимость работы заключается в том, что развитые в работе теория и методы расчета могут быть использованы при создании гидроакустических приборов, работа которых основана на нелинейном взаимодействии волн большой амплитуды. Предложенная методика позволяет с достаточно высокой степенью точности проводить измерения акустического импеданса, что может быть использовано как дополнительная информация при донном профилировании с помощью параметрического профилографа.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Методика расчета характеристик параметрического излучателя при наличии импедансной границы в зоне взаимодействия волн накачки.
2. Методика расчета отраженного поля волны разностной частоты, учитывающая вклад нелинейных явлений на импедансной границе раздела.
3. Результаты экспериментальных исследований акустического поля волны разностной частоты при расположении импедансной границы раздела в области взаимодействия волн накачки.
4. Метод дистанционной оценки импеданса отражающих границ по пространственным распределениям звукового давления волны разностной частоты.
Научная значимость работы, состоит в том, что проведенная работа расширила представления о процессах, происходящих в поле звукового давления волны разностной частоты параметрического излучателя после отражения от импедансной границы раздела, находящейся в области взаимодействия волн накачки. На основе построенных физических и математических моделей были объяснены эффекты, наблюдаемые при наличии в области взаимодействия волн накачки импедансной границы, раздела. Предложен способ учета влияния нелинейных эффектов на границе раздела на поле параметрического излучателя.
Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами и заключения. В конце диссертационной работы приведен список используемых литературных источников, состоящий из 96 наименований. Диссертация содержит 72 рисунка.
3.4. Выводы по главе 3.
Приведенные в главе 3 результаты экспериментальных исследований пространственного распределения звукового давления ВРЧ после отражения от границы раздела, расположенной в области взаимодействия волн накачки, позволяют сделать следующие выводы:
1. Используемые при теоретических исследованиях физическая и математическая модели адекватны, о чем говорит хорошее согласование результатов экспериментов и теоретических исследований.
2. Экспериментально подтверждено, что характер пространственного распределения отраженного поля звукового давления ВРЧ определяется как величиной энергетических вкладов антенны образованной преобразователем накачки и участком среды до отражающей границы и антенны образованной участком границы раздела, отражающего волны накачки, и областью в которой распространяется пучок, так и фазовыми соотношениями волн образованных указанными выше ПИ.
3. Выявлено влияние расстояния между преобразователем накачки, границей раздела и точкой наблюдения на пространственные характеристики отраженной ВРЧ.
4. Экспериментально показано, что соотношение частот накачки и разностной частоты влияет на пространственные зависимости звукового давления ВРЧ ПИ при наличии в области взаимодействия волн накачки границы раздела.
5. Экспериментально подтверждено влияние величины модуля коэффициента отражения на пространственные характеристики ВРЧ отраженной от границы раздела, что обусловлено изменением соотношения энергетических характеристик сигналов, генерируемых до и после отражающей границы.
6. На примере исследованных границ раздела экспериментально подтверждено предсказанное теоретически влияние фазы коэффициента отражения на поле звукового давления ВРЧ при наличии в области взаимодействия волн накачки импедансной границы раздела.
7. Экспериментально показано, что наличие отражающих импедансных границ раздела, в области взаимодействия, приводит к сужению основного лепестка характеристики направленности.
Проведенные экспериментальные исследования отраженного от гладких поверхностей поля звукового давления ВРЧ позволили подтвердить предсказанные теоретически закономерности взаимодействующих волн. Эти закономерности сохраняются при наличии в области взаимодействия волн накачки сложных систем, границ имеющих сложную форму и т. д., имеющих комплексный импеданс. Полученные результаты могут быть использованы при разработке и эксплуатации параметрических приборов и систем в гидролокации.
4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ ЗВУКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ИМПЕДАНСНЫХ ГРАНИЦ РАЗДЕЛА.
4.1. Разработка системы дистанционного измерения импеданса донных осадков.
Выше теоретически была исследована задача по определению поля звукового давления ВРЧ ПИ при наличии в области взаимодействия импедансной границы раздела. Т. е. при известном коэффициенте отражения, его модуле и фазе, определялись пространственные характеристикизвукового давления ВРЧ. Однако может быть решена и обратная задача — по известным пространственным характеристикам звукового давления ВРЧ восстановление амплитуды и фазы коэффициента отражения. Таким образом, возможно построение системы предназначенной для измерения коэффициента отражения [90, 91]. И по известным параметрам первой среды (среды распространения) восстановить комплексный импеданс второй среды (от которой происходит отражение акустической волны). Подобная система может входить в состав гидроакустического комплекса, используемого при проведении исследовательских работ, таких как картографирование, георазведка и т. п.
Для повышения точности определения типа донных отложений необходимо увеличивать количество измеряемых параметров, характеризующих донные осадки. Так использование в качестве классификационного признака, только величины модуля коэффициента отражения приводит к существенным промахам при определении типа донных отложений. Например, модули коэффициентов отражения от каменистых и загазованных осадков примерно равны, и при классификации донных отложений может произойти грубый промах. Поэтому очевидно, что необходимо повышать количество измеряемых параметров при проведении классификации донных осадков. В качестве дополнительного параметра, используемого при классификации донных осадков, может выступать фаза коэффициента отражения.
В литературе известно как минимум два способа измерения комплексного коэффициента отражения [82−84]: метод стоячих волн (интерференционный метод) [82, 83], и метод измерения коэффициента отражения при использовании сложных сигналов [84]. При использовании интерференционного метода зондовый гидрофон помещают вблизи границы раздела, где он одновременно принимает прямой сигнал от удаленного излучателя и сигнал, отраженный от границы раздела. Для этого используют непрерывный сигнал, или длинные импульсы. Гидрофон измеряет с учетом фаз сумму падающего и отраженного звуковых давлений. По измеренным величинам максимумов и минимумов в образовавшихся стоячих волнах судят о величине коэффициента отражения, его модуле и фазе [84, 82]. Интерферометрический метод позволяет с достаточно высокой точностью измерять модуль и фазу коэффициента отражения. Однако для проведения таких измерений необходимо выполнение ряда условий, которые практически выполняются только в измерительных трубах. Это накладывает ряд ограничений при использовании данного метода: ограничения обусловленные условиями проведения измерений (данный метод может быть использован только в лабораторных условиях), а также частотное ограничение. Например, для проведения измерений в воде на частоте Г кГц необходимо, чтобы диаметр измерительной трубы был меньше 88 см, для проведения измерений на частоте 10 кГц диаметр должен быть меньше 8.8 см, а для частоты 100 кГц — меньше 0.88 см.
Одной из модификаций импульсного метода является метод, использующий многочастотные сигналы. Простейшим из этих методов является двухчастотный метод [85]. Здесь излучаются две кратные частоты с определенным соотношением фаз. Этот метод позволяет с достаточной степенью точности измерить фазу коэффициента отражения, по измеренной разности фаз двух кратных по частоте волн. Амплитуда коэффициента отражения определяется аналогично, как это делается в амплитудном методе. Сложность исполнения такого метода измерения заключается в необходимости использования широкополосных излучателей звука, реализация которых в традиционном исполнении наталкивается на ряд трудностей.
Оба этих метода (а также и импульсный метод) определения коэффициента отражения обладают существенным недостатком, который заключается в наличии дифракционной помехи, которая может в значительной мере искажать результаты измерений [83]. Появление этих дифрагированных волн может быть исключено использованием высоко направленных источников звука. В качестве, которых могут использоваться ПИ.
Можно модифицировать импульсный метод измерения, введя в качестве излучателя ПИ. Однако в этом случае необходимо чтобы граница раздела находилась на расстояниях, больших протяженности области взаимодействияволн накачки. Эта модификация импульсного метода в настоящее время широко используется при работе параметрических профилографов в натурных условиях. Широкополосность подобных систем позволяет использовать сложные зондирующие сигналы. На основе свойства широкополосности могут быть построены системы с использованием описанного выше двухчас-тотного метода измерения комплексного коэффициента отражения. Однако подобные системы могут обладать достаточно высокой погрешностью, обусловленной частотной зависимостью акустических характеристик осадков.
По результатам проведенных выше теоретических и экспериментальных исследований предлагается структура гидроакустической системы предназначенной для определения импеданса донных осадков, по измеряемому комплексному коэффициенту отражения (см. рисунок 4.1). Измерение комплексного коэффициента отражения может быть реализовано на основе анализа пространственных распределений звукового давления ВРЧ отраженной от исследуемой границы раздела [92, 93]. Это позволяет проводить измерение коэффициента отражения на одной частоте, без искажений связанных с частотной зависимостью акустических характеристик исследуемого участка дна. б).
Рисунок 4.1 — Схема расположения излучающего преобразователя и приемной антенны б) при измерении импеданса донных осадков. Структурная схема гидроакустической системы измерения импеданса донных осадков.
На рисунке 4.1 а) представлены схемы проведения измерений коэффициента отражения звука, от донных структур, в натурных условиях. В зависимости от расположения излучающего преобразователя предлагается две схемы расположения приемной антенны: при нормальном падении звука на поверхность дна приемная антенна располагается на корпусе судна и при наклонном падении звука — приемная антенна буксируется.
Структурная схема предлагаемого устройства представленная на рисунке 4.1 б). Основным блоком гидроакустической системы здесь является ЭВМ, которой отводится роль элемента управления излучением, (ЭВМ выдает управляющие сигналы на формирователь зондирующих импульсов, а также программирует формирователь, записывая в него необходимую форму зондирующего импульса) и блока обработки получаемой в результате проводимых измерений информации. В начале цикла измерений ЭВМ синтезирует необходимую форму зондирующего сигнала и производит запись сформированных кодов в память формирователя зондирующих сигналов. Далее ЭВМ вырабатывает синхроимпульсы, запускающие формирователь зондирующих импульсов, по приходу которого на выходе формирователя появляется зондирующий сигнал поступающий на усилитель мощности. Усиленный сигнал поступает на излучающий преобразователь, где электрические колебания преобразуются в акустические. Излученный таким образом акустический сигнал, содержащий в своем спектральном составе две близкие частоты накачки, распространяется в среде, где за счет нелинейных процессов, генерируется ВРЧ (см. рисунок 4.1 а).
Предлагаемый метод измерения комплексного коэффициента отражения основан на изменении пространственных распределений звукового давления ВРЧ при наличии в области взаимодействия волн накачки, границы раздела. Отсюда следует ограничение на применение этого метода — метод может использоваться для малых глубин (в случае, если излучатель крепиться непосредственно на судне). Для случая больших глубин излучающий преобразователь необходимо крепить на буксируемом у дна теле, за которым будет буксироваться приемная антенна. Кроме того, накладывается ограничение на поверхность дна — неровности дна должны удовлетворять критерию Рэлея [10]. Это условие выполняется при использовании низких частот.
В случае выполнения указанных выше условий, при наличии в области взаимодействия волн накачки достаточно гладкой границы раздела — донных отложений, от дна отражаются волны накачки, а также ВРЧ, сформированная до границы раздела. После отражения продолжает генерироваться ВРЧ, изменяя при этом пространственное распределение звукового давления ВРЧ, за счет изменения амплитуд и фазы отраженных сигналов (подробнее см. в главе 2). Измененное таким образом пространственное распределение звукового давления ВРЧ и волн накачки принимаются линейной приемной антенной (см. рисунок 4.1 а). Принятые акустические сигналы, преобразуются в электрические и поступают на входы низкочастотного и высокочастотного каналов, структура которых полностью идентична. Каждый приемный канал состоит из пассивного полосового фильтра и приемного усилителя, обеспечивающего необходимый коэффициент усиления принятого сигнала. После частотной селекции и усиления принятые сигналы оцифровываются и подаются на ЭВМ, где происходит обработка экспериментально полученной информации.
В предлагаемом устройстве разделен высокочастотный и низкочастотный приемные каналы, что позволяет проводить интегрированные исследования. В зависимости от применяемых методов обработки принятых сигналов можно усовершенствовать работу этой системы в дальнейшем, без значительных изменений аппаратной части. В данном варианте предлагается по высокочастотному каналу измерять путь, пройденный акустической волной от излучателя до дна и от дна до приемниковкроме того, по амплитуде высокочастотной составляющей может быть оценен модуль коэффициента отражения. Зная расстояния, пройденные акустическими волнами от излучателя до дна и от дна до приемника, и примерно оценив модуль коэффициента отражения, измерив, поперечное распределение звукового давления ВРЧ можно с достаточно высокой степенью точности определить фазу коэффициента отражения акустических волн от донных отложений. И по известным значениям модуля и фазы коэффициента отражения определить импеданс и соответственно произвести классификацию донных осадков. Кроме того, в данном устройстве в качестве зондирующих сигналов могут быть применены сложные сигналы с широким частотным спектром, например ЛЧМ сигналы. Это позволит измерять частотную зависимость коэффициента отражения в диапазоне частот, определяемой девиацией частоты в зондирующем ЛЧМ сигнале. На рисунке 4.2 представлены рассчитанные частотные зависимости звукового давления ВРЧ на расстоянии 1 •1д от границы раздела при ее расположении на расстоянии 1 -1д от излучающего преобразователя. Кривая 1 на рисунке соответствует АЧХ звукового давления для границы с коэффициентом отражения независящим от частоты, а кривая 2 — для случая, когда коэффициент отражения зависит от частоты. В представленном случае зависимость коэффициента отражения от частоты имела резонансный характер с частотой резонанса 100 кГц. Модуль коэффициента отражения изменялся от 0.27 до 0.44, а фаза коэффициента отражения — от 0 до -0.44 рад. Из рисунка 4.2 видно, что частотная зависимость коэффициента отражения изменяет АЧХ ПИ, что может использоваться при определении частотной зависимости коэффициента отражения. Измерение частотной зависимости коэффициента отражения может использоваться при прогнозировании структурных неодно-родностей, которыми, и обусловлены частотные зависимости акустических параметров донных отложений.
Характер поперечного распределения звукового давления ВРЧ может быть предсказан теоретически, по известным расстояниям от излучателя до границы раздела и от границы раздела до приемника, а также по известному комплексному коэффициенту отражения. Решая обратную задачу, численными методами, по известной кривой амплитудного распределения звукового давления ВРЧ, и известным расстояниям от излучателя до границы раздела и расстоянием от границы до приемника, могут быть определены модуль и фаза коэффициента отражения. Однако вычислительные процессы могут занимать достаточно длительные промежутки времени, что недопустимо при проведении комплексных исследований в натурных условиях. Для увеличения скорости обработки данных используют базы данных, полученные в результате лабораторных исследований. Это позволяет с достаточной точностью оперативно давать оценку измеряемых величин.
Р, Па.
О 50 100 150 200 250 F, кГц.
Рисунок 4.2 — Кривые частотной зависимости звукового давления ВРЧ для случая наличия в области взаимодействия волн накачки границы раздела с коэффициентом отражения независящим от частоты (кривая 1) и с коэффициентом отражения зависящим от частоты (кривая 2).
Подобную базу данных можно набрать при измерениях проводимых на лабораторной установке подобной используемой при проведении экспериментальных исследований в данной работе. При этом можно проводить достаточно подробные исследования пространственных характеристик ВРЧ, что позволит повысить точность определения комплексного коэффициента отражения и в дальнейшем может быть использовано при классификации донных осадков.
4.2. Структура лабораторного стенда для измерения коэффициента отражения образцов.
О величине коэффициента отражения можно судить по измеренным пространственным распределения звукового давления ВРЧ ПИ. В частности по характеру и расположением характерных точек (минимума и максимума) кривой осевого распределения ВРЧ ПИ после границы раздела можно судить о величине модуля и фазе коэффициента отражения. Характер кривой осевого распределения звукового давления ВРЧ ПИ после границы раздела для каждого значения модуля и коэффициента отражения имеет свой индивидуальный характер.
На рисунке 4.2 представлено осевое распределение звукового давления ВРЧ ПИ после отражения от границы раздела. По этой кривой можно определить значения максимального и минимального звуковых давлений ВРЧ ПИ на оси после отражения: от границы раздела, а также их координаты. Поскольку проведение абсолютных измерений достаточно сложный процесс, то в представленной методике предлагается измерять разность давлений в характерных точках (точках минимума и максимума), относительно значений звуковых давлений ВРЧ в точках с этими координатами для случая свободного поля. Дать заключение о величине модуля и фазы коэффициента отражения можно теоретически, исследовав на экстремум выражение (2.10) — или практически — для этого надо провести серию опытов с различными образцами, у которых заранее известны коэффициенты отражения. Набранная таким образом база данных, может послужить основой для экспресс оценки комплексного коэффициента отражения исследуемых образцов.
Если проследить за координатой минимума (или максимума) звукового давления ВРЧ в осевом распределении ПИ, можно выявить следующую закономерность (см. параграф 2.3):
— при изменении фазы коэффициента отражения координата экстремума остается прежней;
— при изменении модуля коэффициента отражения происходит изменение координаты точки экстремума. вому распределению ВРЧ ПИ после границы раздела.
Кроме того, можно утверждать, что и модуль, и фаза коэффициента отражения влияют на амплитуду звукового давления ВРЧ в точке экстремума осевого распределения ПИ. По измеренной координате экстремума можно предсказать модуль коэффициента отражения, а по амплитуде давления — фазу коэффициента отражения. Кроме того, в предыдущих главах было показано, фаза коэффициента отражения в значительной степени влияет на форму поперечного распределения звукового давления ВРЧ. И измеряя поперечное распределение звукового давления ВРЧ можно также судить о величине фазы коэффициента отражения.
На основе представленных выше теоретических и экспериментальных исследований была разработана структурная схема лабораторной установки, предназначенной для измерения коэффициента отражения, его модуля и фазы, в широком частотном диапазоне.
На рисунке 4.3 представлена структурная схема лабораторной установки, предназначенной для измерения коэффициента отражения. Установка состоит из излучающего и приемного трактов.,.
В состав излучающего тракта входит устройство синхронизации (синхронизатор) работы излучающего и приемного трактов, формирователь зондирующего сигнала (формирователь), выходной широкополосный усилитель мощности (усилитель мощности), и пьезокерамический излучающий преобразователь (ИП).
Устройство синхронизации предназначено для синхронизации во времени работы излучающего и приемного трактов. Синхронизатор подает управляющие импульсы на формирователь и устройства временной селекции (временные ворота) в приемном тракте. Устройство формирования зондирующих сигналов запускается управляющим импульсом, пришедшим от синхронизатора.
В лабораторной установке предусмотрено измерение частотной зависимости коэффициента отражения. Для этого проводится ряд измерений на различных частотах. После чего после обработки полученных результатов измерений строится частотная зависимость модуля и фазы коэффициента отражения.
Для реализации функции измерения частотных характеристик в синхронизаторе предусмотрено плавное изменение частотных составляющих, что позволяет изменять частоту ВРЧ. При изменении частотных составляющих сигнала накачки (первой и второй частоты волн накачки) необходимо, чтобы средняя частота совпадала с резонансной частотой излучающего преобразователя. Выполнение этого условия может быть выполнено любым из известных на сегодняшний день методов формирования сигналов для параметрических излучателей [31]. При выборе метода формирования зондирующего импульса параметрического излучателя руководствуются различными критериями. В нашем случае основным критерием выбора метода формирования импульса являлась простота изменения частоты ВРЧ при сохранении центральной частоты накачки. Под этот критерий попали два метода формирования сигнала: метод, основанный на использовании ампли-тудно-модулированных колебаний (АМК), и метод, использующий двухполосные сигналы (DSB). С энергетической точки зрения DSB метод предпочтительнее [31]. Поэтому формирователь предлагается выполнить на основе DBS метода формирования сигнала. Кроме того, предлагается использовать цифровые методы формирования сигналов, что позволит управлять работой формирователя с ЭВМ.
Сформированный таким образом зондирующий сигнал подается на широкополосный усилитель мощности. Выходная мощность усилителя должна быть достаточной для того, чтобы при проведении измерений в среде распространения при распространении волн накачки в результате их взаимодействия формировалась ВРЧ с амплитудой достаточной для ее регистрации .
Усиленный электрический сигнал поступает на пьезоэлектрический преобразователь, где электрическая энергия преобразуется в акустическую. К излучающему преобразователю предъявляется два основных требования. Первое требование — это чтобы его полоса была достаточной, чтобы проводить исследования частотной зависимости коэффициента отражения в необходимой области частот. Второе требование вытекает из проведенных экспериментальных исследований. Проведение измерений вблизи отражающей поверхности весьма затруднительны, что связанно с размерами падающего звукового пучка и длительностью зондирующего импульса. Поэтому необходимо стремиться к тому, чтобы область, в которой будут находиться характерные точки осевого распределения, экстремумы, находились как можно дальше. Увеличение расстояния до минимума в осевом распределении может быть достигнуто путем увеличение расстояния дифракции волн накачки. В ходе проведения экспериментов было выявлено, что хорошие результаты измерений получаются для расстояний дифракции волн накачки больших 15+20 см, на частоте накачки 860 кГц и диаметре излучающего преобразователя 28 мм. В качестве единицы измерения расстояния дифракции здесь.
Рисунок 4.3 — Структурная схема лабораторной установки для измерения коэффициента отражения образцов. предлагается использовать радиус излучающего преобразователя. В этом случае для излучающего преобразователя должно выполняться следующее условие где, а — радиус преобразователя, Л — длина волны центральной волны накачки в среде распространения.
Сформированный акустический сигнал, распространяясь в среде, за счет нелинейного взаимодействия своих частотных составляющих, изменяет свой спектральный состав (добавляются комбинационные гармоники). И после отражения от исследуемого образца поступает на вход приемного тракта.
Приемный тракт состоит из линейной приемной антенны, состоящей из N числа измерительных гидрофонов, N каналов приема и обработкисигналов, мультиплексора и АЦП.
Приемная эквидистантная линейная антенна состоит из N измерительных гидрофонов, разнесенных на некоторое расстояние. Еслирасстояние между гидрофонами сделать равным длине ВРЧ, то данную лабораторную установки можно будет использовать и при измерении фазовых пространственных распределений ВРЧ ПИ. При проведении описываемых измерений гидрофоны равномерно распределяются по всему расстоянию измерения осевого распределения амплитуды звукового давления ВРЧ.
Принятый измерительным гидрофоном акустический сигнал: преобразуется в электрический сигнал, который поступает на вход канала приема и обработки сигналов. Каждый канал приема, и обработки сигналов состоит из пассивного фильтра нижних частот, предназначенного для частотной селекции сигнала разностной частоты, резонансного усилителя, который также проводит частотную селекцию сигнала разностной частоты и его усиление, устройства временной селекции и пикового детектора.
В канале приема и обработки сигналов принятый сигнал фильтруется пассивным фильтром нижних частот и усиливается резонансным усилителем. После чего сигнал поступает на устройство временной селекции — временные.
4.1) ворота. Временные ворота представляют собой управляемый аналоговый ключ. Импульсы управления, которого, формируются после прихода запускающего импульса с устройства синхронизации. Это позволяет выбрать во времени интересующий импульс и исключить влияние на результаты измерений реверберационной помехи.
После временной селекции принятый сигнал подается на вход пикового детектора, где определяется пиковое значение радиоимпульса. Пиковый детектор также выполняет функцию устройства хранения. Уровень пикового значения амплитуды хранится до тех пор, пока с ЭВМ не поступит управляющий импульс.
Полученные данные с каждого канала последовательно снимаются и после преобразования в цифровой вид подаётся на ЭВМ. Последовательный опрос всех каналов реализуется с помощью мультиплексора, управлением которого занимается ЭВМ. После мультиплексора уровень аналогового сигнала преобразуется в цифровой код, для чего в лабораторной установке предусмотрен блок АЦП.
В структуре представленной лабораторной установки центральное место отведено ЭВМ. Компьютер выполняет следующие функции:
— формирование управляющих импульсов для блока формирования зондирующих импульсов;
— формирование управляющих импульсов сброса пиковых детекторов;
— формирование управляющих импульсов мультиплексора;
— получение, обработка и сохранение полученных в результате измерений данных;
— управление электроприводом.
В случае если дискретизации измерений недостаточно, для проведения более точных измерений — снятия непрерывного распределения звукового давления на оси ПИ, в лабораторной установке предусмотрено механическое перемещение приемной антенны вдоль оси излучателя, а также поперек звукового пучка — для измерения поперечных распределений звукового давления ВРЧ.
Механическое перемещение приемной антенны осуществляется с помощью электропривода управляемого через устройство сопряжения ЭВМ.
При проведении лабораторных измерений коэффициента отражения выполняется два измерения. Первое измерение проводится для эталонного образца, в качестве которого предлагается использовать стальную пластину. Второе измерение проводится для измеряемого образца. Полученное осевое распределение для эталонного образца используется как осевое распределение звукового давления ВРЧ ПИ в свободном пространстве, относительно которого будут проводиться измерения осевого распределения отраженного поля ПИ от исследуемого образца.
Неизменность пространственной характеристики распределения звукового давления ВРЧ обеспечивается неизменной геометрию измерений (расстояние от преобразователя до границы раздела и угол падения остаются неизменными). Для этого исследуемые образцы необходимо помещать на тоже место, где находился эталонный образец. Это можно реализовать использованием различного рода приспособлений, например пазов, в которые устанавливаются исследуемые образцы.
Частным случаем описываемой лабораторной установки является лабораторная установка, на которой проводились экспериментальные исследования, результаты измерений которых представлены в главе 3. Основным ее отличием от описываемой выше установки является отсутствие приемной антенны, в качестве приемника акустических колебаний здесь использовался один измерительный гидрофон, который перемещался вдоль и поперек акустического пучка. При этом снимались осевые и поперечные распределения звукового давления. Проведенные экспериментальные исследования являются достаточными, для оценки модуля и фазы коэффициента отражения от исследуемых образцов. В таблице 4.1 приведены экспериментально полученные значения модуля и фазы коэффициента отражения от исследуемых образцов материалов. Модуль коэффициента отражения оценивался по координате минимума в экспериментально полученной кривой осевого распределения звукового давления ВРЧ. Фаза коэффициента отражения оценивалась по характеру экспериментальной кривой поперечного распределения звукового давления. Основные погрешности в определении модуля и фазы коэффициента отражения определяются точностью позиционирования измерительного гидрофона относительно границы раздела и излучающего преобразователя (акустической оси звукового пучка) и точностью измерительных приборов, используемых в составе лабораторной установки. Погрешности измерения модуля и фазы коэффициента отражения были оценены и составляют 5-^7% от значений измеряемых величин.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Подробные частные выводы сделаны в конце каждой главы диссертации. Подводя общие результаты диссертационной работы, можно сделать следующие выводы и заключения:
1. Впервые теоретически и экспериментально исследовано акустическое поле, отраженное импедансной границей раздела, расположенной в зоне нелинейного взаимодействия волн накачки параметрической антенны.
2. Разработана методика расчета поля параметрического излучателя, при наличии в области взаимодействия волн накачки импедансной границы раздела. Разработана методика расчета отраженного поля волны разностной частоты, учитывающая вклад нелинейных явлений на импедансной границе раздела.
3. Проведенные теоретические исследования и результаты экспериментов хорошо согласуются между собой, что позволяет говорить об адекватности используемой физической и математической моделей. Теоретически и экспериментально показано, что характер пространственного распределения отраженного поля звукового давления ВРЧ определяется как величиной энергетических вкладов антенны образованной преобразователем накачки и участком среды до отражающей границы и антенны образованной участком границы раздела, отражающего волны накачки, и областью в которой распространяется пучок, так и фазовыми соотношениями волн образованных указанными выше ПИ. г.
4. Выявлена зависимость пространственных характеристик от расстояний между преобразователем накачки, границей раздела и точкой наблюденияот соотношения частот накачки и разностной частотыот величины, модуля коэффициента отраженияот фазы коэффициента отражения. Теоретически исследованы пространственные характеристики ВРЧ при наличии в области взаимодействия волн накачки границы раздела с коэффициентом отражения, зависящим от частоты. Определена зависимость коэффициента отражения от параметра нелинейности среды, от которой происходит отражение.
5. Разработан способ дистанционной оценки импеданса отражающих границ по пространственным распределениям звукового давления волны разностной частоты, и частотной характеристике отраженного широкополосного сигнала.
6. Полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований позволяют расширить представления о процессах, происходящих в поле звукового давления волны разностной частоты параметрического излучателя после отражения от импе-дансной границы раздела, находящейся в области взаимодействия волн накачки. Результаты исследований могут использоваться при построении эффективных параметрических излучателей, разработке способов дистанционного измерения импеданса (модуля, фазы коэффициента отражения и их частотной зависимости) отражающих границ.
По результатам проведенной научно-исследовательской работы опубликовано 11 работ. Часть из них докладывались на международных конференциях.
По результатам диссертационной работы получено три внедрения, результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс и включены в НИР «Луч-Т».
В заключении автор выражает благодарность научному руководителю доктору технических наук, профессору Сергею Павловичу Тарасову за руководство и помощь в работе, а также сотрудникам кафедры электрогидроакустической и медицинской техники Таганрогского радиотехнического университета за помощь в проведении исследований.
