Научная статья на тему 'Установка для исследования нелинейного взаимодействия акустических волн'

Установка для исследования нелинейного взаимодействия акустических волн Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
183
115
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Установка для исследования нелинейного взаимодействия акустических волн»

гружении рабочей поверхности преобразователя на воздух и на воду. Видно, что при нагружении рабочей поверхности ПЭП на воду добротности основного и внесенных резонансов уменьшаются.

Из рис. ниже видно, что закон изменения частотной зависимости чувствительности ПЭП совпадает с частотной зависимостью активной составляющей проводимости излучателя, нагруженного рабочей поверхностью на воду. Но максимум чувствительности на частоте основного резонанса смещен вверх по частоте относительно частоты максимуму активной составляющей проводимости ПЭП.

Полученные результаты подтверждают возможность управления ЧХЭП двухслойного ПЭП путем подбора толщины и материала переходного слоя. Использование двухслойных ПЭП для излучения двухчастотных сигналов с соотношением частот ю1/ю2 = 2:3 и 5:6 является более эффективным по сравнению с однослойными преобразователями.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Пьезокерамические преобразователи. Справочник/ В.В. Ганопольский и др. - Л.: Судостроение, 1984. - 256 с.

2. ГОСТ 12370-80. Материалы пьезокерамические. Методы испытаний. - М., 1980.

3. Касаткин Б.А. Некоторые характеристики управляемых пьезопреобразователей. Дефектоскопия, 1978. - № 11. - С. 34 - 38.

4. Домаркас В.И., Кажис Р.-И. Контрольно-измерительные пьезоэлектрические преобразователи. - Вильнюс: Изд-во «Минтис», 1975. - 256 с.

5. Гаврилов А.М., Медведев В.Ю., Батрин А.К. Автоматизация лабораторных измерений частотных характеристик пьезоэлементов и пьезопреобразователей. Изв. ВУЗов. Сев.-Кавказский регион, 2002. - С. 82 - 86.

6. КолесниковА.Е. Ультразвуковые измерения. - М.: Изд-во стандартов, 1970. - 238 с.

7. Widener M. W. The measurement of transducer efficiency using self-reciprocity techniques. J. Acoust. Soc. America, 1980, v. 67, №3, pp. 1058-1062.

А.К. Батрин, А.М. Гаврилов, Р. О. Ситников

УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕЛИНЕЙНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН

В работе представлена автоматизированная экспериментальная установка для лабораторных исследований нелинейного взаимодействия двух волн с произвольными частотными и начальными амплитудно-фазовыми соотношениями. Эта задача имеет своей целью выявить роль фазовых соотношений на процесс нелинейной генерации волны разностной частоты (ВРЧ), что представляет интерес для понимания особенностей работы параметрических антенн (ПА), осуществляющих излучение широкополосного или перестраиваемого в широком частотном диапазоне сигнала разностной частоты. Следует отметить, что в последние годы параметрические излучатели звука благодаря ряду своих достоинств находят все более широкое применение в гидроакустике, морской геологии и археологии, медицинской диагностике, акустических измерениях и т.д. [1].

Актуальность проведения экспериментальных исследований фазозависимых нелинейных процессов в акустике обусловлена существующими на сегодняшний день представлениями о том, что фазовые соотношения не влияют на энергообмен между первичными волнами (волнами накачки) и возникающими в среде вторичными волнами. Считается, что изменение соотношения фаз в первичном спектре приводит лишь к изменению начальной фазы вторичных волн. Данная точка зре-

ния во многом связана с использованием теоретических моделей ПА, работающих в режиме заданной накачки при условии слабой нелинейности, когда реакцией первичных волн на появление вторичных пренебрегают и ограничиваются в рамках метода последовательных приближений рассмотрением только спектра второго порядка [1, 2]. Следует отметить, что отдельные попытки экспериментальной проверки, проводившиеся ранее при больших числах снижения по частоте (Ф = ю0/О >> 1, где О = ю2 -ю1, ю0 = (га1 + ю2)/2, Ю1 и ю2 - частоты первичных волн), не зафиксировали влияния фазовых соотношений на амплитуду ВРЧ.

Однако предпринятые в последнее время усилия для теоретического анализа взаимодействия двух волн с произвольными частотными и начальными амплитудно-фазовыми соотношениями в квадратично-нелинейной среде без дисперсии в рамках уравнения простых волн, что соответствует режиму сильной нелинейности, позволили получить точное решение, учитывающее образование вторичных волн всех порядков [3]. При этом было показано, что не только амплитуда ВРЧ, но и амплитуды первичных волн зависят от фазовых соотношений в исходном возмущении на входе среды, причем эта зависимость, во-первых, нарастает по мере снижения параметра Ф, а, во-вторых, проявляется при Ф = ю1/ю2 = п/т , где ю1 = пю , ю2 = тю , п и т - натуральные числа. В связи с этим возникла необходимость не только в экспериментальной проверке теоретически полученных закономерностей, но также и в экспериментальном исследовании фазовой зависимости происходящих нелинейных процессов в широком диапазоне изменения амплитуд, фаз, частот и расстояний применительно к реальным излучателям. Последнее замечание представляется важным в связи с тем, что теоретический анализ проводился для плоских волн в идеальной среде. Поэтому полученное решение справедливо только в области, предшествующей образованию разрыва в волновом профиле волны, и никак не учитывает диссипацию и дифракционные процессы в звуковом пучке первичных и вторичных волн.

Для проведения экспериментальных исследований на базе серийных измерительных приборов разработана автоматизированная установка, работа которой осуществляется благодаря компьютерному управлению измерениями, съемом и регистрацией информации, включая процессы позиционирования излучающих и приемных антенн. В ее состав входят излучающий и приемный тракты; система сбора и обработки информации; гидроакустический бассейн и координатные устройства для электроакустических преобразователей, снабженные электромеханическими приводами для перемещения и изменения их ориентации; комплект стандартной измерительной аппаратуры, рис. 1.

В состав излучающего тракта входят генератор гармонических сигналов, формирователь радиоимпульсов, линейный усилитель мощности, пьезокерамический излучатель. Усилитель мощности, выполненный по двухтактной схеме, работает в режиме АВ, имеет узлы компенсации реактивности и согласования с импедансом излучателя. Здесь осуществляется формирование, усиление и излучение в воду акустических радиоимпульсов с двухчастотным заполнением, частота следования, длительность и амплитуда которых могут регулироваться в широких пределах. Это позволяет обеспечить условия, близкие к тем, которые имеют место в свободном пространстве; ослабить вклад акустических течений и эффектов теплового самовоздействия в звуковом пучке, а также переходить при необходимости от режима малых амплитуд к условиям сильного проявления нелинейности среды. Наряду с большой выходной мощностью (более 300 Вт) важным требованием является линейность (кг << 1%) излучающего тракта, чтобы вклад нелинейности среды в образование ВРЧ (или другие вторичные волны) более чем на порядок превышал

паразитное излучение этой Фурье-компоненты, образующейся из-за нелинейности электрических цепей.

Приемный тракт содержит миниатюрный пьезокерамический звукоприемник, набор пассивных фильтров, селективный усилитель,.-временной селектор принятых сигналов, схему формирования “следящего” строба, пиковый детектор и аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Пассивный фильтр при регистрации вторичных волн исключает проникновение первичных .сйТнаЗова^мпйитуда которых, Измеритель как правило, на один-два порядка больше, на вход селективного усилителя с целью недопущения перегрузки его входного рщдаЩ«ьоично)приходится по-Р&ЗНОСТИ фаз ступать при исследовании первичных волн, чтобы ослабить принятый сигнал не использующейся в измерениях первичной волны. В зависимости от частоты исследуемой волны используются различные фильтры, что позволяет ослабить требования к динамическому диапазону селективного усилителя, величина которого на разных диапазонах не превышает 40 - 45 дБ. БЛОК управления

Схема временной селекции позволяет исключиГЗ-ШзТрезуЬьтатов измеренийлОПттт^иоТНтТМИ эхосигналы от стенок бассейна и поверхности вода-воздух) (^зависимости от вида ^ „

измеряемой характеристики управляющий строб-импульс имеет фиксированнуюСТрОИСТВЗМИ или изменяющуюся во времени задержку относительно излучаемого импульса.

Первый случай относится ко всем измерениям, проводимым при неизменном расстоянии между излучателем и приемником, например)уловые и поперечны? .распределения поля, амплитудные, амплитудно-фазовые и другие характеристики волн. В этом случае параметры строб-импульса (время запаздывания и длительность) определяются установками в формирователе и остаются постоянными во время измерений. Схема “следящего” строба обеспечивает временную селекцию принимаемого сигнала при измерениях продольных распределений парамэтр|Эв)6МНИК акустического поля, когда время запаздывания принимаемых импульсов относительно момента излучения изменяется по мере перемещения звукоприемника. Для формирования “следящего” строб-импульса используется) принятый сигнал первичных волн. *

После частотной и временной селекции принятый сигнал преобразуется пиковым детектором в постоянное напряжение, которое подается на цифровой вольтметр, АЦП которого преобразует его в двоично-десятичный код. Постоянная вре-

мени детектора выбирается таким образом, чтобы получаемый результат представлял собой усредненное за 20 - 50 периодов посылки значение измеряемой величины. Это позволяет уменьшить разброс результатов измерений из-за случайной погрешности до уровня, не превышающего 1-2 %. Устройство сопряжения производит поразрядную выборку и передачу в ЭВМ полученных данных, где они преобразуются в десятичный код и записываются на жесткий диск в виде текстового файла отчета.

Одновременно с регистрацией амплитуды принимаемого сигнала устройством сопряжения производится считывание и передача в ЭВМ информации с цифровых выходов измерительной аппаратуры (частотомер, фазометр), что позволяет проводить автоматические измерения частотных и фазовых зависимостей параметров исследуемых волн. Перестройка частоты генератора или фазовых соотношений в излучаемом сигнале осуществляется по команде управляющей программы посредством внешних электромеханических приводов (на схеме не показаны). Для измерения каждой из исследуемых характеристик разработан свой алгоритм, который заложен в ее индивидуальной подпрограмме.

Процесс измерения одной кривой состоит из набора отдельных циклов, количество которых может составлять от нескольких сотен до нескольких тысяч в зависимости от требуемой разрешающей способности. Каждый цикл обеспечивает измерение одной точки характеристики и включает в себя несколько последовательно выполняемых элементарных операций. После каждого цикла управляющая программа выполняет операцию проверки достоверности считанных с измерительных приборов величин, что в большинстве случаев позволяет исключить грубые промахи, возможные из-за сбоя в работе аппаратуры. Для этого программа сравнивает предыдущий результат с вновь полученным и в случае большой разницы между ними дает команду на повторение цикла. Очевидно, что приращение измеряемого параметра в соседних циклах не может быть сколь угодно большой, если учесть, что исследуемая характеристика является, как правило, гладкой функцией с непрерывно изменяющейся производной и напрямую зависит от шага изменения аргумента (частоты, фазы, амплитуды, расстояния и др.). “Критическое” приращение, принимаемое в качестве ошибки, задается для конкретной характеристики в виде некой постоянной величины (20 - 30% от максимального значения измеряемого параметра), выбираемой на основе опытных данных с учетом принятого шага изменений аргумента. В точках, где функция принимает нулевые значения, а производная испытывает разрыв, возможно появление выбросов, которые устраняются на этапе обработки результатов. Файл с результатами измерений в последующем обрабатывается в стандартных математических программах (МаШСАБ и др.). Помимо блоков и аппаратуры, указанных на рис. 1, в работе установки используются другие контрольно-измерительные приборы, необходимые для ее настройки и оперативного контроля работы отдельных узлов (осциллографы, вольтметры и др.).

Излучаемый сигнал, представляющий собой радиоимпульсы с высокочастотным бигармоническим заполнением, вырабатывается формирователем, основными функциями которого являются:

- обеспечение возможности работы излучающего тракта в импульсном и в непрерывном режимах;

- задание и регулировка периода следования (Т) и длительности (тИ) излучаемых импульсов;

- формирование видеоимпульса с регулируемой длительностью, задержанного относительно импульса посылки, для осуществления временной селекции сигнала в приемном тракте;

- получение двух гармонических сигналов с заданными соотношениями частот Ю]/ю2 = пю/тю = п/т , где п и т - натуральные числа;

- раздельная регулировка амплитуд в каждом из частотных каналов ю1 и ю2 с целью обеспечения необходимых амплитудных соотношений в бигармони-ческом сигнале;

- возможность совместного и раздельного (поочередно) излучения сигналов с частотами ю1 и ю2 ;

- задание и регулировку фазовых соотношений между сигналами с частотами ю1 и ю2 , т.е. величины фазового инварианта р0 = (пф02 -шф01), значение которого для одномерных волн малой амплитуды в средах без дисперсии не зависит от времени и расстояния;

- регулировка амплитуды бигармонического сигнала без нарушения установленных амплитудно-фазовых соотношений.

Функциональная схема формирователя двухчастотного сигнала приведена на рис.2. Для получения двух когерентных сигналов различных частот используется гармонический сигнал с выхода генератора, преобразуемый далее в импульсный, и делитель частоты. Последний вырабатывает на своих выходах ряд сигналов, частоты которых отличаются от входного в N раз (N = 2, 3, 4, ...). Необходимые соотношения ю2 достигаются подключением к соответствующим выходам делителя. Абсолютные значения ю1 и ю2 выбираются в зависимости от резонансных частот используемого излучателя посредством перестройки частоты генератора. Фильтрами нижних частот (ФНЧ1 и ФНЧ2) выделяются первые гармоники сигналов, после чего один из них поступает на фазовращатель, обеспечивающий изменение дополнительного набега фазы в пределах 0 - 450°. Для обеспечения одноканальной схемы излучения оба сигнала подаются на аналоговый сумматор, где введением соответствующих весовых коэффициентов достигаются необходимые амплитудные соотношения. На этом процесс формирования двухчастотного сигнала с заданным соотношением частот, амплитуд и фаз завершается.

Рис. 2. Функциональная схема формирователя радиоимпульсов с двухчастотным заполнением

Параметры импульсного режима излучения (Т , тИ) обеспечиваются импульсным генератором. Синхронизацией импульсного генератора одним из сигналов с выхода делителя частоты достигается “привязка” фазы высокочастотного заполнения к началу радиоимпульса, формируемого импульсным модулятором. Эта функ-

ция, делающая удобным наблюдение за формой внутриимпульсного заполнения в принятом сигнале, может отключаться. Длительность импульса выбирается достаточно большой (тИ >> 2л/ю12) в сравнении с периодами излучаемых сигналов,

что обеспечивает квазинепрерывный режим излучения. Величина периода следования Т определяется размерами используемого бассейна и временем затухания переотраженных от его стенок импульсов. В импульсном генераторе формируется сигнал синхронизации для всего измерительного комплекса. Формирователь задержки вырабатывает строб-импульс для управления аналоговым коммутатором временного селектора в приемном тракте.

Гидроакустический бассейн (190x70x70 см3) имеет звукопоглощающее покрытие (для снижения уровня отраженных сигналов от стенок) и оборудован координатными системами, снабженными электромеханическими приводами. Каждый привод осуществляет изменение одной из координат звукоприемника (излучателя) и оснащен оптоэлектронным формирователем счетных импульсов текущей координаты, поступающих через устройство сопряжения в ЭВМ. Координатная система приемника обеспечивает его перемещение вдоль любой из трех декартовых координат. Координатное устройство излучателя позволяет изменять направление излучения в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

Методика проводимых экспериментальных исследований строится главным образом на использовании относительных измерений в рамках традиционных для акустики методов [4, 5]. Это позволяет повысить точность и чувствительность по измеряемому параметру получаемых результатов в сравнении с абсолютными измерениями, отказавшись от трудоемкой градуировки звукоприемника. Для оценки абсолютных значений звукового давления излучаемого сигнала проводится градуировка излучателя на основе метода самовзаимности. Необходимость в определении чувствительности излучателя возникает при сопоставлении экспериментальных и расчетных зависимостей, получаемых, как правило, с использованием приближенных теоретических моделей. Достигаемая при этом точность градуировки (±10.. .15%) сопоставима со степенью соответствия между условиями эксперимента и существующими теоретическими моделями. Поэтому погрешность абсолютных измерений практически не сказывается на поведении исследуемых физических закономерностей. Доля абсолютных измерений в общем объеме экспериментальных результатов редко превышает 0,05%.

В качестве примера на рис. 3 и 4 показаны продольные и поперечные распределения амплитуд первичных волн и ВРЧ для ю1 /ю2 = 2/3 , полученные на разработанной установке.

Рис. 3. Осевые распределения амплитуд

первичных волн при различных значениях п . д

^ г г Рис. 4. Угловые распределения

фазового инварианта Л птт

^ ^ амплитуд первичных волн и ВРЧ

Некоторые результаты исследования фазозависимых нелинейных процессов приведены в работе [3].Благодаря автоматизации значительно сократилось время измерения отдельно взятой зависимости, это позволило свести к минимуму ошибку из-за временного дрейфа режимов работы измерительных приборов. В разных случаях время измерения одной кривой, содержащей от 1 до 5 тысяч точек, составляло от 10 минут до 2 часов. При этом ошибка из-за нестабильности режимов измерительных приборов не превысила 2-3%.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика. - Л.: Судостроение, 1981. - 264 с.

2. Наугольных К.А., Островский Л.А. Нелинейные волновые процессы в акустике. - М.: Наука, 1990. - 237 с.

3. Гаврилов А.М., Ситников Р.О. К вопросу о влиянии фазовых соотношений в спектре накачки на характеристики параметрических антенн. Известия ТРТУ. Материалы науч-но-технич. конференции ТРТУ. - Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2006.

4. КолесниковА.Е. Ультразвуковые измерения. -М.: Изд-во стандартов, 1970. - 238 с.

5. Боббер Р. Дж. Гидроакустические измерения. - М.: Мир, 1974. - 368 с.

М.А. Тимошенко, Н.Н. Чернов

ВТОРИЧНОЕ АКУСТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ БИОТКАНЬЮ ПРИ ЛАЗЕРНОМ МОДУЛИРОВАННОМ ОБЛУЧЕНИИ

В медицинской практике широко используются лазерные и виброакустические приборы. Обычно они используются раздельно. Цель доклада - показать, что терапевтическое действие модулированного лазерного излучения всегда сопровождается появлением акустических излучений. И в лазерных, и в акустических приборах используют непрерывное и модулированное импульсное и гармоническое излучение с разными частотами и периодами повторения. Обычно тип излучения подбирается врачом.

Рассмотрим теоретическую модель лазерно-акустического воздействия на биологический объект. Пусть пучок лазера, диаметром 2а (рис.1), падает на границу раздела “воздух - биологический объект”.

Энергия пучка в соответствии со своей частотой поглощается в слое биоткани, толщиной Ь. При модуляции лазерного пучка поглощающий слой будет то расширяться, то сжиматься. Это происходит из-за теплового расширения. Этот процесс характеризуется коэффициентом объемного расширения биоткани р.

Таким образом мощный лазер вызывает сильное возмущение - звук, который генерируется с помощью теплового изменения объема биоткани (из-за поглощения света). Главным достоинством такого лазернотермоакустического излучателя является возможность бесконтактного и дистанционного возбуждения звука, также

имеются простые и удобные способы управления акустическими характеристиками (например, диаграмма направленности).

Исходной системой являются уравнения гидродинамики вязкой жидкости. Система состоит из уравнения движения:

рд- + рфЧ)¥ = УР + цАV + (^ + у3)§га^™¥ ; (!)

уравнения непрерывности:

—Р + йы рV = 0; (2)

5 г

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.