參量陣的非線性聲場特性研究.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、海底地貌測繪、材料聲學(xué)特性測量等水聲領(lǐng)域。與此同時，參量陣原波能量轉(zhuǎn)換為差頻波能量的過程屬于二次聲學(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，通過改進(jìn)參量陣非線性聲場求解模型，從原波波形、傳播媒質(zhì)屬性及換能器孔徑等

2、方面對參量陣的非線性聲場特性展開研究，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)。
　　本文針對參量陣非線性聲場求解精度不匹配、步長不一致的數(shù)值計算薄弱環(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。數(shù)值計算結(jié)果表明：該方法在有效提高計算精度的同時，可利用更大步長

3、達(dá)到計算KZK方程數(shù)值解需要的穩(wěn)定性。
　　本文針對頻域有限差分?jǐn)?shù)值求解KZK方程時計算量大、計算效率低的基礎(chǔ)理論瓶頸，利用守恒迎風(fēng)格式對參量陣非線性聲場計算模型進(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、疊加計算，利用較大的時域步長來減小計算量，提高計算效率。
　　本文利用DIRK2+CNFD結(jié)合守恒迎風(fēng)格式的非線性聲場計算模型，對連續(xù)原波相互作

4、用形成的參量陣非線性聲場及其轉(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)還沒有完全展開時，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特性及其轉(zhuǎn)換效率研究；重點對多列等差原波形成的參量陣非線性聲場特性進(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關(guān)；多頻線譜參量

5、陣輻射系統(tǒng)能得到含有多個差頻分量的高指向性低頻波束，提供盡可能多的聲場信息。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。
　　本文在簡單推導(dǎo)KZK方程時域求解過程的基礎(chǔ)上，對不同上升沿的短高斯包絡(luò)脈沖和長高斯包絡(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)頻脈沖信號形成的參量陣自解調(diào)過程作了觀察和討論，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。計算結(jié)果表明：暫態(tài)信號參量陣的自解調(diào)過程與該脈沖調(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。
　　本文對不同傳播媒質(zhì)中的參量陣非線性聲場進(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，增加差頻信號的生成。在此基礎(chǔ)上，借鑒J. D. Ryder等人的建模思想，對由慢波導(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)，通過改變原波波束的覆蓋區(qū)域提高差頻聲壓級。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空間分布特性及其轉(zhuǎn)換效率；然后通過差分演化算法對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