способ повышения эффективности обращения волнового фронта акустической волны на слое приграничных пузырьков

Формула изобретения

Способ повышения эффективности обращения волнового фронта акустической волны на пузырьковом слое, включающий введение перед излучателем волны накачки пузырькового слоя, облучение его мощной плоской волной накачки, падающей нормально к слою, и слабой сферической сигнальной волной, падающей под углом к нелинейному слою, прием и регистрацию обращенной пузырьковым слоем сфокусированной волны, отличающийся тем, что в него в качестве пузырькового слоя вводят слой приграничных монорадиусных пузырьков, размеры которых резонансны частоте волны накачки, который создают путем электролиза на поверхности токопроводящей звукопроводящей пластины.

Описание изобретения к патенту

Изобретение откосится к области гидроакустики и может быть использовано в гидролокации, технике, медицине, научном эксперименте и т.п. для автоматической фокусировки и концентрации акустической энергии в заданной точке пространства.

Известен способ увеличения эффективности обращения волнового фронта (ОВФ) акустической волны в жидкости с пузырьками газа, основанный на свойстве газовых пузырьков, как нелинейной колебательной системы вблизи порога динамической устойчивости, который включает облучение полупространства, занятого двухфазной средой - жидкостью с газовыми пузырьками, мощной плоской волной накачки, падающей нормально к двухфазной среде, и слабой сферической сигнальной волной, падающей под углом к двухфазной среде (Максимов А.О. Об эффективности обращения волнового фронта акустической волны в жидкости с пузырьками газа. - Акуст. журн., 1989, т. 35, вып.1, с.91-96).

Недостатком аналога является допущение об отсутствии в двухфазной среде пузырьков, резонансных частоте волны накачки, наличие которых приводит к слабому проникновению поля накачки в двухфазную среду, что уменьшает величину обращенной волны.

Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности является способ повышения эффективности обращения волнового фронта акустической волны на пузырьковом слое, основанный на усилении параметрического взаимодействия сигнальной волны и волны накачки на слое пузырьков с повышенным параметром нелинейности, который включает облучение пузырькового слоя мощной плоской волной накачки, падающей нормально к слою, и слабой сферической сигнальной волной, падающей под углом к нелинейному слою (Кустов Л.М., Назаров В.Е., Сутин А.М. Обращение волнового фронта акустической волны на пузырьковом слое. - Акуст. журн., 1985, т.31, 6, с.837-839).

Недостатком прототипа является невысокая эффективность преобразования энергии волны накачки и сигнальной волны в энергию обращенной волны, что объясняется сравнительно низкой нелинейностью пузырькового слоя.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является осуществление высокоэффективного обращения волнового фронта акустической волны на пузырьковом слое с высокой стабильностью.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение стабильности обращения волнового фронта акустической волны на пузырьковом слое.

Технический результат достигается за счет того, что пузырьковый слой, на котором происходит ОВФ, формируется в результате электролиза на поверхности токопроводящей звукопроводящей пластины.

Наличие отличительных признаков: пузырькового слоя, формирующегося в результате электролиза на поверхности токопроводящей звукопроводящей пластины, - обуславливает соответствие заявляемого технического решения критерию "новизна".

Заявляемое техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень", поскольку не обнаружено решений с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа.

Заявляемое техническое решение соответствует также критерию "промышленная применимость", поскольку технические средства, воплощающие изобретение при его осуществлении, т.е. устройства для автоматической фокусировки и концентрации акустической энергии в заданной точке пространства, в том числе фокусировки через акустически неоднородную среду, могут быть использованы в гидролокации, технике, медицине, научном эксперименте и т.п., т. е. в морском приборостроении, судостроении, рыбодобывающей и других отраслях народного хозяйства.

Возможность достижения технического результата обусловлена следующими теоретическими выводами и результатами экспериментальных исследований, которые приведены в работе (Ю.И. Кабарухин. Повышение эффективности ОВФ акустической волны на пузырьковом слое. - Тезисы докладов Областной н-т конф., посвященной Дню радио, Ростов-на-Дону, 1993 г., с.34-35). В ней исследовалось ОВФ акустической волны при однократном трехчастотном взаимодействии за счет квадратичной нелинейности пузырькового слоя. Исследования проводились в бассейне размером 445 м³. Геометрия эксперимента полностью повторяет ту, которая изображена на фиг.1 в статье Кустова Л.М., Назарова В.Е., Сутина А. М. Обращение волнового фронта акустической волны на пузырьковом слое. - Акуст. журн., 1985, т. 31, 6, с.838, что позволило оценить эффективность ОВФ на различных слоях пузырьков простым сравнением полученных результатов. Для исключения влияния сигналов, отраженных от стенок, эксперимент проводился в импульсном режиме. Излучатель накачки 13 (см. фиг.1 в описании) диаметром 65 мм излучал прямоугольные радиоимпульсы длительностью 1 мс с частотой заполнения 260 кГц, с периодом следования 80 мс и находился на расстоянии R₁= 2,5 м от пузырькового слоя. Давление в волне накачки в месте расположения слоя составляло 3000 Па. Пузырьковый слой создавался двумя способами путем электролиза. Сначала на металлической пластине размером 10010 см², находящейся ниже акустического пучка на глубине 1,3 м, а затем на алюминиевой пластине размером 11 м², центр которой находился на акустической оси излучателя 13, располагаемой нормально направлению излучения волн накачки. Для излучения сигнальной волны использовался обратимый гидрофон 14 фирмы "Брюль и Къер" типа 8100, находящийся на расстоянии R₂=1 м от центра слоя, под углом =10^o к его нормали. Прием рассеянного сигнала осуществлялся гидрофоном 15 типа 8100 фирмы "Брюль и Къер", который находился на штанге поворотного устройства и регистрировал угловое распределение поля. Для отделения нелинейно-рассеянного на слое сигнала от обычного линейного рассеяния регистрировалось рассеяние на частоте, отличной от частоты сигнала. Частота излучаемого сигнала составляла 135 кГц, при приеме выделялся сигнал на разностной частоте 125 кГц, которая соответствовала среднегеометрической частоте 125 кГц третьоктавного фильтра типа 1617 фирмы "Брюль и Къер", используемого в качестве селективного усилителя 16. Уровень звукового давления (УЗД) в сигнальной волне в области слоя составлял 2000 Па, длительность сигнала составляла 1 мс. При включении электролизного тока, в случае расположения электролизной пластины под осью излучателя накачки, и формировании слоя из всплывающих электролизных пузырьков, в распределении нелинейно-рассеянного поля четко прослеживался максимум, который был направлен в сторону источника сигнальной волны. Ширина акустического пучка, образованного при ОВФ на пузырьковом слое, сначала уменьшается по мере удаления от слоя, становится минимальной вблизи источника сигнальной волны, а затем вновь увеличивается. Нестабильность формирующегося слоя из всплывающих пузырьков приводит к значительным колебаниям уровня звукового давления в обращенной волне, который изменяется во времени до 12 и более дБ. Среднее значение УЗД в волне разностной частоты в области фокуса составляло около 20 Па. При включении электролизного тока, в случае формирования слоя приграничных пузырьков (СПП) на поверхности токопроводящей звукопроводящей пластины 22, наблюдалось быстрое (в течение долей секунды) и резкое на 16-20 дБ увеличение УЗД в обращенной волне в области фокуса. Далее в течение нескольких секунд УЗД в волне разностной частоты (ВРЧ)-обращенной волне оставался постоянным, затем, несмотря на то, что напряжение на электролизных пластинах поддерживалось постоянным, наблюдалось его уменьшение. Если при достижении максимального уровня в звуковом давлении в обращенной волне напряжение на электролизных пластинах выключалось, то уровень обращенной волны на формирующемся СПП медленно падал до своего первоначального значения. При последующих кратковременных включениях напряжения на электролизных пластинах 22 и 23, осуществляемых с помощью источника постоянного напряжения 19, ключа 20, усилителя постоянного тока 21, на время, необходимое для достижения максимального значения уровня в обращенной волне, осуществляемых с постоянной скважностью, наблюдалось стабильное увеличение УЗД в обращенной волне в практически одно и то же число раз. Нестабильность изменения УЗД в обращенной на СПП волне не превышала при этом 3 дБ. Т. о. , стабильность ОВФ на СПП почти на 10 дБ повышается по сравнению со стабильностью ОВФ на слое всплывающих электролизных пузырьков. Эффективность ОВФ акустической волна на СПП также возрастает по сравнению с прототипом. Среднее значение УЗД в ВРЧ в области фокуса составляло около 160 Па. Обнаруженное явление значительного увеличения УЗД в обращенной на СПП волне объясняется огромной нелинейностью пузырькового слоя, его оптимальной структурой, которая обусловлена большой в пределах толщины слоя концентрацией монорадиусных пузырьков с размерами, резонансными частоте волн накачки, которые располагаются в одной плоскости близко друг к другу. Действительно, в момент включения электролизного тока на всей поверхности звукопроводящей токопроводящей пластины 22 начинают формироваться электролизные пузырьки. Поскольку момент зарождения всех пузырьков и скорость их роста одинаковы, то через некоторое время все они достигают практически одинакового размера, резонансного частоте волны накачки. Этому моменту времени соответствует максимальная величина УЗД в обращенной на СПП акустической волне, которая обусловлена максимальной величиной нелинейности сформировавшегося СПП. Затем электролизный ток выключается, чтобы дальнейший рост пузырьков не нарушал оптимальную структуру СПП. В дальнейшем на электролизные пластины подается импульсное напряжение, которое позволяет поддерживать практически неизменной оптимальную структуру сформировавшегося СПП за счет переодической "подкачки" пузырьков газом, размеры которых с выключением электролизного тока (в паузах между импульсами) уменьшаются в результате диффузии выделившегося при электролизе газа в жидкость. С учетом изложенного заявляемый способ включает следующие операции:

- формирование в зоне облучения излучателя волны накачки однородного слоя монорадиусных пузырьков, резонансных частоте волны накачки, путем электролиза воды на поверхности звукопроводящей токопроводящей пластины;

- облучение сформированного пузырькового слоя мощной плоской волной накачки, падающей нормально к слою, и сферической сигнальной волной, падающей под углом к нелинейному слою;

- прием обращенной слоем сфокусированной волны.

Предлагаемое изобретение поясняется прилагаемыми чертежами, где на фиг.1 приведена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, а на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства в импульсном режиме.

Устройство, реализующее способ ОВФ акустической волны на СПП в импульсном режиме, содержит последовательно соединенные синхронизатор 1, схему 2 задержки, осуществляющую задержку момента излучения волны накачки и сигнальной волны на временной промежуток длительностью Т_зад, который необходим для формирования оптимальной структуры пузырькового слоя, при которой достигается максимальный рост УЗД в формирующейся на СПП обращенной волне, и первый формирователь 3 прямоугольных импульсов (ФПИ), формирующий на своем выходе видеоимпульсы с длительностью излучаемых волны накачки и сигнальной волны Т_и. Вход второй схемы 4 задержки, выход которой соединен с запускающим входом второго ФПИ 5, осуществляющих временную селекцию принимаемой обращенной волны с необходимым временем задержки строба Т_{зад стр} и длительностью строба Т_стр, соединен с выходом синхронизатора 1. Вход третьего ФПИ 6, формирующего видеоимпульсы с длительностью Т, равной длительности прикладываемых импульсных напряжений на электролизные пластины, соединен с выходом синхронизатора 1. Выходы первого 7 и второго 8 генераторов гармонических колебаний, формирующих на своих выходах соответственно колебания частоты накачки f_н и сигнальной частоты f_c (равной, например, в вырожденном случае f_н/2), соединены с сигнальными входами первого 9 и второго 10 ключей, выходы которых соединены с входами первого 11 и второго 12 усилителей мощности, а управляемые входы которых соединены с входами первого ФПИ 3. Выходы первого 11 и второго 12 усилителей мощности соединены соответственно с плоским 13 излучателем волны накачки и сферическим 14 излучателем сигнальной волны. Приемный преобразователь 15 соединен с входом селективного усилителя 16, частота селекции которого равна частоте обращенной слоем волны. Сигнальный вход третьего ключа 17 соединен с выходом селективного усилителя 16, управляемый вход ключа соединен с выходом второго ФПИ 5, а выход ключа соединен с входом регистратора 18, синхронизирующий вход которого соединен с выходом синхронизатора 1. Выход источника 19 постоянного напряжения соединен с сигнальным входом четвертого ключа 20, управляемый вход которого соединен с выходом третьего ФПИ 6. Вход усилителя 21 постоянного тока соединен с выходом четвертого ключа 20, а его выход соединен с электролизными пластинами 22 и 23, первая из которых звукопроводящая токопроводящая располагается на оси излучателя накачки 13, нормально ей, а вторая - располагается рядом с первой пластиной, например, параллельно ей и в одной с нею плоскости, как это изображено на фиг.1.

Способ реализуется следующим образом. На выходе синхронизатора 1 формируются синхроимпульсы U1, синхронизирующие работу всего устройства. Задними фронтами синхроимпульсов U1 запускается первая схема 2 задержки, формирующая видеоимпульсы U2 длительностью Т_зад, равной временному интервалу, необходимому для формирования оптимальной структуры СПП, при которой достигается максимальный рост УЗД в обращенной на СПП волне, задними фронтами которых запускается первый ФПИ 3, формирующий на своем выходе видеоимпульсы U3 с длительностью Т_и, равной длительности излучаемых радиоимпульсов частоты накачки и сигнальной частоты. Задними фронтами синхроимпульсов U1 запускается вторая схема 4 задержки, формирующая видеоимпульсы U4 длительностью Т_{зад стр.}, задними фронтами которых запускается второй ФПИ 5, формирующий видеоимпульсы U5 длительностью Т_стр, которые вместе с видеоимпульсами U4 осуществляют временную селекцию принимаемой обращенной ССП волны с необходимыми временем задержки строба и длительностью строба. Задними фронтами синхроимпульсов U1 запускается также третий ФПИ 6, формирующий видеоимпульсы U6 длительностью Т, равной длительности подаваемых на электролизные пластины импульсных напряжений U7. Непрерывные гармонические колебания с частотой f_н с выхода первого генератора 7 гармонических колебаний и с частотой f_c с выхода второго генератора 8 гармонических колебаний поступают на входы первого 9 и второго 10 ключей, с выходов которых радиоимпульсы U8 с частотой заполнения f_н и U9 с частотой заполнения f_c усиливаются усилителями 11 и 12 мощности и излучаются в воду соответственно плоским излучателем накачки 13 и сферическим излучателем 14. Перед излучением волны накачки и сигнальной волны, в результате взаимодействия которых на СПП формируется обращенная волна, которая принимается приемным преобразователем 15, усиливается селективным усилителем 16 (U10), стробируется во времени третьим ключом 17 (U11) и регистрируется регистратором 18, с помощью источника 19 постоянного напряжения, четвертого ключа 20 и усилителя 21 постоянного тока формируется импульсное напряжение длительностью Т, которое подается на электролизные пластины 22 и 23 и под воздействием которого на поверхности первой звукопроводящей токопроводящей пластины 22 образуется слой монорадиусных приграничных пузырьков, обладающий высоким параметром акустической нелинейности. В результате роста нелинейности СПП повышается УЗД в обращенной на СПП волне, т. е. повышается эффективность ОВФ акустической волны на СПП. При постоянных амплитуде и скважности импульсного напряжения, подаваемого на электролизные пластины, УЗД в формирующейся в заданной точке поля обращенной волне от посылки к посылке остается практически постоянным и неизменным во времени, т. е. стабильность ОВФ волны на СПП повышается.

Наличие новых отличительных признаков: приграничного слоя монорадиусных пузырьков, размеры которых резонансны частоте волны накачки, который создается путем электролиза на поверхности токопроводящей звукопроводящей пластины, выгодно отличает предлагаемый способ от прототипа, поскольку существенно на 6-10 дБ повышается стабильность ОВФ акустической волны на СПП.

Народнохозяйственное значение возросших эффективности и стабильности ОВФ на СПП велико. Использование предлагаемых способа и устройства позволило бы с большей эффективностью и стабильностью решать задачи, связанные с автоматической фокусировкой звукового поля на источник сигнала или на "подсвеченную" часть объекта. Такие задачи возникают не только в аэро- и гидроакустике, но также в медицине (облучение почечных камней, акустическая голография и т. д.) и технологии (управление параметрами мощных ультразвуковых пучков). Следует отметить также обширную группу применений, ориентированную на проблемы создания адаптивных акустических антенн и визуализации акустических изображений.

Перечень элементов на фиг.1:

1 - синхронизатор,

2, 4 - схемы задержки,

3, 5, 6 - формирователи прямоугольных импульсов,

7, 8 - генераторы гармонических колебаний,

9, 10, 17, 20 - ключи,

11, 12 - усилители мощности,

13 - излучатель накачки,

14 - излучатель сигнальной волны,

15 - приемный преобразователь,

16 - селективный усилитель,

18 - регистратор,

19 - источник постоянного напряжения,

21 - усилитель постоянного тока,

22, 23 - электролизные пластины.