Применение многокомпонентных сигналов в акустических параметрических системах в биологических волноводах Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 534.222.2

П. П. Пивнев

ПРИМЕНЕНИЕ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СИГНАЛОВ В АКУСТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ В БИОЛОГИЧЕСКИХ ВОЛНОВОДАХ

Была поставлена задача повышения дальности действия акустических систем с параметрическими антеннами в мелком море (плоском естественном волноводе) и в искусственных волноводах. Нами предложено использовать многокомпонентные сигналы накачки для повышения дальности действия. Однако в средах с дисперсией, которыми являются волноводы, необходимо провести исследования, разрушается ли сигнал в волноводе или нет, и применить меры по увеличению дальности действия.

Ранее [1-3] было показано, что увеличение эффективности генерации волн при нелинейном взаимодействии в низкочастотном диапазоне волн разностной частоты возможно применением взаимодействия многокомпонентных сигналов накачки. При этом генерируется многокомпонентный сигнал волн разностной частоты.

В этих работах показано, что вычисление сигнала волны разностной частоты можно производить, используя выражение

п-т

=£ Рт , (1)

т=1

где Рт - амплитуда т-й компоненты волны разностной частоты, равная

п-т

Рт =£ Ак,к+тРкРк+т , (2)

к=1

где п - количество компонент; т - номер компоненты сигнала разностной частоты (ттах= = п-1); рк, ркЛт - амплитуда взаимодействующих волн.

Ак,к+т Бк,к+т^ к,к+т , (3)

где Бкк+т - коэффициент, учитывающий параметры нелинейного взаимодействия волн,

равный

а єт—

Бк ,к+т =-Г1—ехР 8Ст Р

(4)

. Г ехр(-да(1 - і АО))

1 кк+т = і • I 7----------\------------------------------\ ЛУ , (5)

0

1 - і

г_- у

Лт у

+ у

2 • і • ЬЛт + *

V 1Лк • 1Лк+1 1Лк • 1Лк+1 у

2 2

7 а Юк і а Юк+\ і 7 чу 7 7 чу

где Iлк =-------, 1Ак+х =----— - длина зоны дифракции к-й и к+1ой компоненты волн

2ск 2ск+1

2

накачки; ь, = — - длина зоны дифракции т-й компоненты ВРЧ;

4с

т

( 2с з V1

—Ст Р - коэффициент затухания т-той компонентні ВРЧ; Ст , Ск , Ск+1- ско-

Ь(т—)2 у

рость звука т-й компоненты ВРЧ, к-й и к+1- компоненты волн накачки соответственно,

ЛОт=(к1-к1+1-Кт)Ьт - изменение фазового сдвига между взаимодействующими волнами на расстоянии, пропорциональном її для компонент сигнала, ЛОт - характеризует дисперсионные свойства среды и определяет период осцилляций и амплитуду ВРЧ.

Проведем анализ поведения компонент волн разностной частоты в волноводах для следующих параметров компонент сигнала и параметров среды: сигнал накачки десятикомпонентный, частота каждой компоненты сигнала разностной частоты 3кГц, диапазон частот компонент волн накачки 120-147 кГц, сигнал распространяется в плоском волноводе с акустически жесткими стенками шириной И=0,5 м.

Фазовая скорость волны в таком волноводе вычисляется по формуле [5]

с =

д/1 - (ї -п/к • к)1

(6)

2-п-/

где к =-------- волновое число, ї - номер моды, к - ширина волновода.

Зная закон изменения фазовой скорости от частоты в плоском волноводе, получим для этого случая в формуле (4)

С0 К = (7)

т I

Vі - (їп/ ктк)

Подставляя (7) в (4), получим

Бк,к+т =------------------—4------------------т-ЄХР

8соР

а2єт—(1 - (їп/ктк)2)2 ^ _ ^

— ехр -

V Ьїт у

(8)

В формуле (5) перепишем значения їл, їл+1, Ь,т, а с учетом того что

Лк > Лк+1 ’ Лт ’

_______________ Л ^ _

^1 - (їп/ккк)2 Со ^1 - (їп/кк+1к)

с =____________________0___________ к =____________^ • с =________________0_____________ к =.

- і--------------------------- , Л-к - , Ск+1 - I-------------------------— ? Лк+1 -

т—

кт =-

V-, > т

1 - (їп/ктк)2 С0

Получим

а2юк^ 1 - (їп/ккк)2 ; = а2юк+^1 - (їп/кк+1к)2 _

ї =" "к*~ 4 к"' • ї 1 ІЇк ~ ? 1<Зк+1

П. ' ЫЛ-Г1 Г\

2С0 2С0

а2т—^11 - (їп/ктк)2 ; = Ь(т—)2

4со 2Со3р1 - (/п/ ктк)2 )3/2

Зависимость фазовой скорости от частоты в плоском волноводе с акустически жесткими стенками шириной И=0,5 м представлена на рис. 1.

Вертикальными штрихпунктирными линиями обозначены частоты компонент разностного сигнала.

Компоненты сигнала разностной частоты попадают в область сильной дисперсии. Из рис. 1 видно, что разные компоненты сигнала ВРЧ имеют разные фазовые скорости.

С0

с

0

0

С0

Ст =

Рис. 1. Зависимость фазовой скорости от частоты для плоского волновода с абсолютно жесткими стенками шириной Н=0,5м]м/С

На рис. 2,а представлены времена прихода каждОЙл?ОМпоненгы сигнала ВРЧ в точку, лежащую на оси излучения на расстоянии 5 м от излучателя.

Из рис. 2,а видно, что уже на расстоянии 5 м время прихода компонент сигнала ВРЧ различно. Следовательно, сигнал ВРЧ затягивается во времени.

: : : : : :

Ї —>

1= j і ■ ) : >

1

1500

Со

б

Рис. 2. Времена прихода каждой компоненты сигнала ВРЧ в точку, лежащую на оси излучения на расстоянии 5 метров от излучателя (а), задержки сигнала ВРЧ в точке излучения(б)

Длительность сигнала ВРЧ в волноводе шириной 0,5 м уже на расстоянии 5 м на

0,45 мс больше длительности сигнала ВРЧ, распространяющегося в беЕраничноЙ греде. Рз Вышеизложенное подтверждает тот факт, что в волшЗодепроисходит затягивание сигнала. 0 3 6 9

Таким образом, различные компоненты сигнала ВРЧ приходят в точку пространства в различное время, что приводит к изменению формы сигнала.

Если излучить многокомпонентный сигнал с задержками, такими, чтобы компоненты сигнала ВРЧ начали распространяться с задержками, представленными на рис. 2,б, то в точке, лежащей на оси излучения на расстоянии 5 м от излучателя, компоненты сигнала ВРЧ «догонят» друг друга.

Приведем ниже методику повышения дальности действия Г А-аппаратуры с параметрическими антеннами в волноводах.

Для повышения дальности действия ГА-аппаратуры с параметрическими антеннами в волноводах необходимо:

1. Определить закон дисперсии фазовой скорости в волноводе.

2. Произвести расчет задержек, с которыми компоненты сигнала ВРЧ приходят в точку 7, лежащую на оси излучения на расстоянии Ь от излучателя.

3. Зеркально отобразить эти задержки.

Т. мс

а

4. Сформировать такой сигнал накачки, чтобы сигнал ВРЧ начал распространяться с полученными задержками.

5. Тогда сигнал ВРЧ максимально сожмется в заданной точке Ь, а его компоненты придут в эту точку одновременно.

Итак, зная закон дисперсии в волноводе, можно сформировать сигнал определенной формы, такой, чтобы в некоторой точке волновода Ь сигнал ВРЧ максимально сжался.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Воронин В.А., Куценко Т.Н., Тарасов С.П. Исследование эффективности генерации волн разностной частоты при использовании многокомпонентного сигнала накачки // Известия ТРТУ. Спец. вып.: Матер. ХЬУ науч.-техн. и науч.-метод. конф. профессорско-преподавательского состава, аспирантов и сотрудников ТРТУ. - Таганрог. - 2000. -№1(15). - С.103.

2. Воронин В.А., Ишутко А.Г., Куценко Т.Н. К вопросу лоцирования природных слоев в грунте при использовании многокомпонентного сигнала накачки в параметрической антенне // Известия ТРТУ. Тематический выпуск «Нелинейные акустические системы «НЕЛАКС-2003»: Матер. науч.-техн. конф. Таганрог. - 2003. - №6(35). - С. 158.

3. Пивнев П.П. Исследование взаимодействия многокомпонентного сигнала в средах с дисперсией // Сборник трудов XVIII сессии Российского акустического общества. - Т.1.

- М. - 2006. - С. 127.

4. Новиков Б.К., Тимошенко В.И. Параметрические антенны в гидролокации. - Л.: Судостроение, 1989. - 256 с.

5. Исакович М.А. Общая акустика. - М.: Наука, 1973, - 496 с.

УДК 534.222

Н.Н. Свинобаев

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ АНТЕНН ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ВНУТРЕННИХ ОРГАНОВ ПОЛИСТАТИЧЕСКИМ

МЕТОДОМ

Применение полистатических методов локации позволяет повысить помехоустойчивость акустических средств при воздействии локальной помехи. Локальная помеха не может одинаково снижать отношение сигнал/помеха на всех разнесенных в пространстве приемных антеннах, и при рассмотрении всей полистатической системы в целом эффективность локальной помехи оказывается меньше, чем при ее воздействии на моностатиче-скую систему.

Модель системы полистатической локации с использованием излучающих параметрических антенн будет отличаться способом обзора пространства, при котором необходимо производить сканирование узкой характеристики направленности в определенном секторе, с необходимостью учета взаимодействия волн не только при распространении, но и при отражении от объектов и границ, а также особенностями формирования реверберацион-ных помех.

Однако при полистатическом режиме сигнал, рассеянный объектом, может маскироваться прямым излучением, причем вероятность маскировки больше при широкой направленности в излучении.

В этом направлении определенных преимуществ можно добиться, если в качестве излучающих антенн используются параметрические антенны, принцип действия которых