CC BY
107
В. Н. Максимов, В. А.Вороним, С. П.Тарасов ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ АКУСТИЧЕСКИЙ ЛОКАТОР
Имеющиеся параметрические локационные системы, как правило, определяют расстояние до обнаруженных объектов и их отражательную способность на частотах накачки П, 12 и разностной частоте Б [1].
Предлагаемый локатор дополнительно выполняет классификацию объектов по их акустическому сопротивлению. Преимущественная область использования -гидроакустика, ультразвуковая дефектоскопия, медицина, рыболокация.
На рис.1 показана функциональная схема локатора, а на рис.2 - спектральные характеристики сигналов. Генератор высокочастотных сигналов 1 вырабатывает синусоидальный сигнал с частотой і, поступающий на входы делителей частоты 2 и 3 с коэффициентами деления п и п+1. На их выходах формируются сигналы и2 и из с частотами і2=іУп и ґ3=ґі/(п+1), поступающие на входы нормально закрытых модуляторов 4, 5, на управляющие входы которых с выхода импульсного генератора 6 подаются периодически повторяющиеся видеоимпульсы И4. Радиоимпульсы И5 и И6 с выходов модуляторов после усилителей мощности 7 и 8 проходят через коммутаторы 9, 10 и поступают на элементы преобразователя 11, излучающего в среду лоцирова-ния акустические сигналы И7 и И8 с частотами і и і3. При распространении в среде происходит их взаимодействие и образование сигналов с комбинационными частотами, т.е. появляется сигнал И9 с разностной частотой Б = і^-із. Сигналы И7, И8 и И9 достигают объекта, расположенного в среде лоцирования, и отражаются от него. Если акустическое сопротивление объекта р1с1 больше акустического сопротивления среды рс, то отраженные сигналы имеют ту же фазу, что и падающие, если же р1с1<рс, то при отражении они изменяют фазу на 1800 [2]. Эхо-сигналы И10 с частотой Б принимаются преобразователем 12 и электрические сигналы с него поступают на избирательный усилитель 13, а с его выхода напряжение И11 подается на вход индикатора 14, на второй вход которого поступают видеоимпульсы И4, осуществляющие временную привязку работы импульсных модуляторов 4, 5 и индикатора 14. Эхо-сигналы И12 и И13 с частотами і и і принимаются преобразователем 11, а соответствующие им электрические сигналы проходят через коммутаторы 9, 10 и поступают на входы избирательного усилителя 15 с частотой настройки і2 и усилителя 16 с частотой настройки і3. Напряжения И14 и И15 с их выходов поступают на индикатор 14, а также на вход умножителя частоты 17, выполняющего умножение частоты сигнала И14 в п раз, и на вход умножителя частоты 18, выполняющего умножение частоты сигнала И15 в (п+1) раз. Напряжения И16 и И17 с выходов умножителей частоты поступают на входы фазового детектора 19, а с его выхода напряжение И18 подается на индикатор 14, в качестве которого может служить многоканальный осциллограф (запуск развертки выполняется видеоимпульсом И4, а сигналы И11, И14, И15 и И18 поступают на входы усилителей, отклоняющих лучи осциллографической трубки по оси «У»).
На экране индикатора при этом наблюдают эхо-сигналы И11, И14 и И15, амплитуды которых характеризуют отражательную способность обнаруженного объекта для сигналов с частотами Б, і , і3 а их задержка относительно начала развертки -расстояние г от преобразователей локатора до объекта. Напряжение И18, наблюдаемое также на экране индикатора, представляет собой видеоимпульс, полярность которого будет зависеть от соотношения акустических сопротивлений р1с1 и рс.
Рис. 1
Ull
Напряжения и1, и2 и из можно записать в виде следующих выражений:
и1 = И1тах • + ф1) ;
+ ф1 |
И2 = И2тах • СО8|
ИЗ = ИЗтах • СО8|
п
+ ф1 п+1
где И1тах - максимальные амплитуды соответствующих напряжений.
Сигналы И5 и И6, а также акустические сигналы И7 и И8 будут представлять собой реализацию напряжений И2 и ИЗ, действующих в течение временных интервалов т.
Следовательно,
И7 = И7 • соэ 1 ГЦ + 'ф
тах
И8 = И8 • сов тах
ГЦ + ф
п + 1
Пройдя расстояние г, акустические сигналы И7 и И8 достигают поверхности объекта, отражаются от него, претерпевая при этом изменения фазы а2 и а3, проходят еще раз расстояние г и достигают преобразователя 11, сигналы с которого через коммутаторы 9 и 10 поступают на входы избирательных усилителей 15 и 16.
Дополнительный фазовый сдвиг для сигналов И14 и И15 будет равен сумме углов а2 и а3 и угла р1, характеризующего задержку сигналов при прохождении расстояния 2г, причем
2ГО
= 2г •-
2ГО
Г?’
с с
где X 2 = 2п-----------, X 3 = 2п-----,
откуда
Р2 =
2г •ш1 С • п
Рз =
2г •ш1 С • (п + 1)
Для напряжений И14 и И15 можно записать
И14 = И14тах • сов| ^ + ф + а2 + Р2
И15 = И15„ах • сов
Углы а2 и а3 в общем случае будут равны:
юД
— +-^ + а3 +Р3
п +1 п +1
= аг^
= aгctg
ЯеК К
где К (^2) К (^3) - комплексные углы отражения акустических сигналов с частотами
1:2 и 13 от поверхности объекта. Для акустически жестких материалов объекта можно считать, что а2«а3«0, а для акустически мягких а2«а3«я. Затем сигналы И14 и И15 пропускаются через умножители частоты 17, 18, где происходит умножение их полного аргумента, соответственно на п и на (п+1). Для сигналов И16 и И17 можно записать:
(
И16 = И16
ГЦ: ф 1
+ Г:2 + гА
Л
2г • ГЦ
= И16 • сов | ГЦt + ф. + п' • п + -
тах 1 1 2
И17 = И17 •СОВ
тах
ГЦ:
Т
п + 1
—1—+ Г1 + гА п +1 3 3
• п + 1
= И17
гЦ + ф + Г1 • (п + 1) + -
2г • гЦ
На выходе фазового детектора 19 формируется напряжение И18, уровень которого зависит от разности фаз между сигналами И16 и И17, т.е.
И18 = Б • И16тах • И17тах • сов(а2 • п - а3 (п + 1)),
со
со
2
3
п
п
СОВ
п
тах
п
С
+
СОВ
тах
С
где D - коэффициент передачи фазового детектора, определяемый особенностями его схемных реализаций. Чтобы напряжение U18 не зависело от уровней сигналов U16max и U17max, на входах фазового детектора 19 устанавливают ограничители сигналов по уровню. Если частоты f2 и f3 достаточно близки друг к другу (а это условие выполняется практически для всех параметрических акустических локаторов, т. к. для них F<<f2, F<<f3 [3] ), то а2яа3»а. Окончательно
U18 = K • cosa,
где K=D U16maxU17max и с учетом ограничения уровней U16max и U17max K=const, т.е. уровень сигнала U18 для объектов со значениями a=00 будет равен U18=+K, а для a=1800 - U18= -К. Для промежуточных значений a сигнал U18 будет находиться в пределах -K<U18<+K и однозначно характеризовать величину a. Этот сигнал поступает на вход индикатора, по нему судят об импедансе отражающей поверхности объекта.
Таким образом, в предлагаемом локаторе возможно получение дополнительной информации об импедансе материала обнаруженного объекта. Это значительно расширяет его эксплуатационные возможности. На представленный локатор авторами получено положительное решение на изобретение [4].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Параметрический акустический локатор / Пат. США №4308599, G01S15/02 // ИЗР.
1981. №7.
2. Ржевкин С.Н. Курс лекций по теории звука. М.: Изд-во МГУ, 1960.
3. . Новиков Б.К,. Тимошенко В.И. Параметрические антенны в гидролокации. Л.: Су-
достроение, 1990 .
4. Максимов В. Н., Воронин В. А., Тарасов С. П. Параметрический акустический ло-
катор. Решение от 21.01.03 по заявке №2002104631.
А. М. Гаврилов, В. Ю. Медведев
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ ИСХОДНОГО СПЕКТРА И НЕЛИНЕЙНЫХ ПРОЦЕССОВ В ВОЛНАХ КОНЕЧНОЙ АМПЛИТУДЫ
При теоретическом рассмотрении нелинейного распространения плоской периодической волны с дискретным спектром отмечен ряд особенностей, отличающих этот случай от нелинейного искажения монохроматической волны конечной амплитуды (ВКА) [1]. К ним отнесены расширение спектра в низкочастотную и высокочастотную области, заполнение нелинейно генерируемыми волнами промежутков между исходными частотами, превалирующая передача энергии вверх по частоте и др. Основное внимание уделялось взаимосвязи нелинейных искажений с шириной и положением исходного спектра на оси частот без учета фазовых соотношений в нем.
Предпринятые попытки экспериментально оценить роль фазовых соотношений [2, 3] в многокомпонентной ВКА (N=6) не привели к созданию физической модели, объясняющей нелинейные процессы при ее распространении, и сопровождались ошибочными выводами, в частности, о направленной перекачке энергии в наиболее низкочастотную волну разностной частоты (ВРЧ).
До настоящего времени вопрос о роли фазовых соотношений и влиянии количества компонент в исходном спектре на распространение ВКА остается открытым. Решение его представляет интерес как в рамках общей задачи, так и при проектировании нелинейных акустических излучателей (НАИ) [4].
