к библиотеке к оглавлению FAQ по эфирной физике ТОЭЭ ТЭЦ ТПОИ ТИ

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике

А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Э Ю Я

Параметрические излучатели и приемники звука

Параметрические излучатели и 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- функция 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.

Литература по параметрическим излучателям и приемникам звука

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

к библиотеке к оглавлению FAQ по эфирной физике ТОЭЭ ТЭЦ ТПОИ ТИ

Знаете ли Вы, что релятивистское объяснение феномену CMB (космическому микроволновому излучению) придумал человек выдающейся фантазии Иосиф Шкловский (помните книжку миллионного тиража "Вселенная, жизнь, разум"?). Он выдвинул совершенно абсурдную идею, заключавшуюся в том, что это есть "реликтовое" излучение, оставшееся после "Большого Взрыва", то есть от момента "рождения" Вселенной. Хотя из простой логики следует, что Вселенная есть всё, а значит, у нее нет ни начала, ни конца... Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМА

Рыцари теории эфира