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 с другом, порождают волну разностной частоты, излучаемую из области взаимодействия; в другом - модулированная по амплитуде или частоте ВЧ-волна накачки в результате детектирования средой возбуждает НЧ-волну на частоте модуляции. Область нелинейного взаимодействия является своеобразной "бестелесной" антенной, размеры к-рой определяют характеристику направленности излучателя. Поэтому даже при малых размерах излучателей волны накачки удаётся получить остронаправленное НЧ-излучение. Наряду с высокой направленностью достоинство параметрич. излучателя - отсутствие боковых лепестков диаграммы направленности и широкополосность; для существенного относительного изменения частоты излучения достаточно весьма незначительного изменения частоты накачки (в пределах ширины полосы резонансного 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 волныи накачки Для оптимального режима отношение мощности НЧ-излучения W_sк мощности накачки W_н определяется ф-лой

Процесс генерации волны разностной частоты происходит по-разному, в зависимости от геом. параметров зоны взаимодействия волн накачки. Для плоского излучателя волны накачки можно выделить два предельных случая.
1) Нелинейное взаимодействие происходит в ближней зоне излучения волны накачки (см. Звуковое поле ),где она является плоской. Протяжённость зоны взаимодействия в направлении распространения волн в этом случае определяется длиной пробега волны накачки l = где - коэф. поглощения этой волны, а поперечное сечение этой зоны - площадью излучателя 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 она выражается ф-лой

Здесь - нелинейный параметр среды, р_н - амплитуда волн накачки, - частота излучаемой НЧ-волны; и - частоты компонент волны накачки; а - радиус ВЧ-пучка, определяемый размером излучателя волны накачки, - плотность среды, с - скорость звука в ней, r - расстояние от излучателя волны накачки до точки наблюдения, - диаграмма направленности для НЧ-волны, описываемая выражением

Рис. 1. Режим работы параметрического излучателя при взаимодействии волн накачки в ближней зоне. 1 - излучатель волн накачки; 2 - область взаимодействия; 3 - диаграмма направленности низкочастотного излучения.

Угол отсчитывается от оси области взаимодействия; характерная ширина диаграммы направленности, согласно (2), Ф-ла (1) описывает два эффекта: образование тона разностной частоты при взаимодействии 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 даёт нелинейное взаимодействие в дальней зоне излучения волны накачки, где она становится расходящейся и область взаимодействия имеет форму рупора (рис. 2). При этом НЧ-излучение как бы "вписывается" в диаграмму направленности волны накачки с характерной шириной (ka)^-1, где , к-рая и определяет направленность НЧ-излучения. Волна разностной частоты возникает как результат взаимодействия расходящихся волн. Влияние дифракц. эффектов в этом случае не проявляется, поэтому преобразование ВЧ-излученпя в низкочастотное происходит более эффективно. Амплитуда НЧ-волны пропорц. первой степени волнового числа k_s, а не квадрату, как в первом предельном случае:

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

( J₁- ф-ция Бесселя 1-го рода 1-го порядка). Амплитуда p_sизлучаемой НЧ-волны как в первом, так и во втором случае растёт пропорц. квадрату амплитуды волны накачки.

Рис. 2. Режим работы параметрического излучателя при взаимодействии волн накачки в дальней зоне. 1 - излучатель волн накачки; 2 - область взаимодействия; 3 - диаграмма направленности низкочастотного излучения.

При больших интенсивностях волны накачки она трансформируется в пилообразную волну, возрастает её поглощение и работа параметрич. излучателя переходит в нелинейный режим. Длина пробега волны накачки 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 дальней зоне 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 нелинейного параметра среды е и пропорц. р_н.
В параметрич. приёмнике гармонич. ВЧ-пучок (волна накачки) модулируется принимаемым НЧ-сигналом, в результате чего из-за нелинейных свойств среды возникают сигналы комбинац. частот, обладающие высокой направленностью, к-рые регистрируются ВЧ-приёмником звука (рис. 3).

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

Амплитуда р_к комбинационного тона частоты равна:

где - частотар_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 между излучателем 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 калибровочных лаб. установках, в измерит. гидроакустич. бассейнах как широкополосные излучатели для калибровки приёмников звука. Частота накачки в таких устройствах ~ 1 МГц, частота излучения 1 - 100 кГц, амплитуда сигнала ~10 Па x м, радиус излучателя составляет неск. см, мощность накачки - десятки Вт. Более мощные и более низкочастотные параметрич. излучатели применяются в гидроакустике для прецизионного профилирования дна, зондирования придонных областей, излучения звукорассеивающих слоев, турбулентности, определения толщины слоя ила, поиска предметов в морском грунте, а также в атмосферной акустике для зондирования атмосферы, в частности для контроля степени турбулентности на взлётных трассах аэропортов. Частота накачки в таких излучателях составляет 25 - 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 определяются исходя из поставленной задачи.

Лит.: Наугольных К. А., Островский Л. А., Сутин А. М., Параметрические излучатели звука, в кн.: Нелинейная акустика, 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.