參量陣的非線性聲場(chǎng)特性研究.pdf

1、參量陣是利用聲波傳播的非線性效應(yīng)獲取差頻波的聲發(fā)射裝置。在分辨力上能夠突破瑞利限，以較小的孔徑獲得無(wú)旁瓣的高指向性低頻聲束。廣泛應(yīng)用于水聲導(dǎo)航、水下通信、海底物體探測(cè)、海底地貌測(cè)繪、材料聲學(xué)特性測(cè)量等水聲領(lǐng)域。與此同時(shí)，參量陣原波能量轉(zhuǎn)換為差頻波能量的過(guò)程屬于二次聲學(xué)效應(yīng)，轉(zhuǎn)換效率很低，嚴(yán)重限制了參量陣的進(jìn)一步工程應(yīng)用。
　　本文以提高參量陣轉(zhuǎn)換效率為出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)改進(jìn)參量陣非線性聲場(chǎng)求解模型，從原波波形、傳播媒質(zhì)屬性及換能器孔徑等

2、方面對(duì)參量陣的非線性聲場(chǎng)特性展開(kāi)研究，系統(tǒng)分析了提高參量陣轉(zhuǎn)換效率的若干技術(shù)手段，旨在為參量陣的進(jìn)一步工程應(yīng)用提供相應(yīng)的理論指導(dǎo)。
　　本文針對(duì)參量陣非線性聲場(chǎng)求解精度不匹配、步長(zhǎng)不一致的數(shù)值計(jì)算薄弱環(huán)節(jié)，將后向隱式有限差分(IBFD)求解KZK方程的模型進(jìn)行改進(jìn)，提出計(jì)算精度更高、衰減更為明顯的二階Runge-Kutta有限差分法(DIRK2)求解參量陣非線性聲場(chǎng)。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明：該方法在有效提高計(jì)算精度的同時(shí)，可利用更大步長(zhǎng)

3、達(dá)到計(jì)算KZK方程數(shù)值解需要的穩(wěn)定性。
　　本文針對(duì)頻域有限差分?jǐn)?shù)值求解KZK方程時(shí)計(jì)算量大、計(jì)算效率低的基礎(chǔ)理論瓶頸，利用守恒迎風(fēng)格式對(duì)參量陣非線性聲場(chǎng)計(jì)算模型進(jìn)行了推導(dǎo)。結(jié)果表明，該方法與頻域有限差分算法的計(jì)算結(jié)果吻合度非常高，并且該理論模型可以有效替代頻域算法中各階諧波的相乘、疊加計(jì)算，利用較大的時(shí)域步長(zhǎng)來(lái)減小計(jì)算量，提高計(jì)算效率。
　　本文利用DIRK2+CNFD結(jié)合守恒迎風(fēng)格式的非線性聲場(chǎng)計(jì)算模型，對(duì)連續(xù)原波相互作

4、用形成的參量陣非線性聲場(chǎng)及其轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行了系統(tǒng)研究。包括在聲飽和及空化效應(yīng)還沒(méi)有完全展開(kāi)時(shí)，兩列不同幅度、頻率、初始相位的原波形成的參量陣非線性聲場(chǎng)特性及其轉(zhuǎn)換效率研究；多列不同初始相位、等幅原波形成的參量陣非線性聲場(chǎng)特性及其轉(zhuǎn)換效率研究；重點(diǎn)對(duì)多列等差原波形成的參量陣非線性聲場(chǎng)特性進(jìn)行了研究，并就峰值功率一致的參量陣轉(zhuǎn)換效率展開(kāi)了進(jìn)一步的分析。結(jié)果表明：兩列原波相互作用形成的參量陣差頻波聲壓幅值軸向分布與原波初始相位無(wú)關(guān)；多頻線譜參量

5、陣輻射系統(tǒng)能得到含有多個(gè)差頻分量的高指向性低頻波束，提供盡可能多的聲場(chǎng)信息。并且多列等差原波相互作用形成的系列差頻分量中，原波線譜越豐富，相同差頻分量的聲壓幅值越大，原波轉(zhuǎn)換效率越高。
　　本文在簡(jiǎn)單推導(dǎo)KZK方程時(shí)域求解過(guò)程的基礎(chǔ)上，對(duì)不同上升沿的短高斯包絡(luò)脈沖和長(zhǎng)高斯包絡(luò)脈沖、不同脈寬的矩形包絡(luò)脈沖、中心頻率一致的正負(fù)線性調(diào)頻脈沖信號(hào)形成的參量陣自解調(diào)過(guò)程作了觀察和討論，并就具有相同輻射峰值功率的參量陣聲波波形、頻譜特性及其轉(zhuǎn)

6、換效率進(jìn)行了定性分析。計(jì)算結(jié)果表明：暫態(tài)信號(hào)參量陣的自解調(diào)過(guò)程與該脈沖調(diào)制包絡(luò)的上升沿、下降沿有關(guān)。暫態(tài)信號(hào)包絡(luò)脈沖的上升沿越陡峭，其非線性解調(diào)作用越早完成，對(duì)應(yīng)的頻譜越豐富，低頻段頻譜分量聲壓幅值越高，參量陣轉(zhuǎn)換效率越高。
　　本文對(duì)不同傳播媒質(zhì)中的參量陣非線性聲場(chǎng)進(jìn)行研究，指出具有較低聲速和較高非線性參數(shù)的慢波導(dǎo)材料可以提高聲飽和度，增加差頻信號(hào)的生成。在此基礎(chǔ)上，借鑒J. D. Ryder等人的建模思想，對(duì)由慢波導(dǎo)介質(zhì)與水組

7、成的復(fù)合媒質(zhì)傳播系統(tǒng)中參量陣非線性聲場(chǎng)特性及其轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行分析。仿真結(jié)果顯示，復(fù)合媒質(zhì)傳播系統(tǒng)在參量陣的能量累積階段可以獲得較大的差頻波聲壓幅值，是提高參量陣轉(zhuǎn)換效率的有效手段。
　　本文從換能器(陣)的孔徑出發(fā)，通過(guò)改變?cè)úㄊ母采w區(qū)域提高差頻聲壓級(jí)。首先分析了具有相同輻射面積環(huán)狀活塞聲源和圓形活塞聲源的聲場(chǎng)空間分布特性及其轉(zhuǎn)換效率；然后通過(guò)差分演化算法對(duì)圓形活塞陣列形成的參量陣差頻波聲壓幅值進(jìn)行分析。優(yōu)化結(jié)果表明：稀疏分布的