一种多列等差频率原波相互作用形成参量阵的声场获取方法
【专利摘要】本发明属于适用于参量阵工程应用领域，具体涉及一种多列等差频率原波相互作用形成参量阵的声场获取方法。本发明包括：读取多列高频原波组合而成声波波形；宽带高频换能器将预设的特定声波信号波形辐射出去，通过传播媒质的非线性解调作用，最终生成具有低频、高指向性的系列差频波束；设定参量阵声场的计算区域，并进行网格化离散；利用有限差分法获取多列声波相互作用条件下的参量阵声场。该方法提高了计算精度，更为准确的计算了参量阵辐射系统声场的分布特点，形象直观地显示出参量阵的声场分布情况，更加准确、全面地反映声场性能。
【专利说明】一种多列等差频率原波相互作用形成参量阵的声场获取方 法
【技术领域】
[0001] 本发明属于适用于参量阵工程应用领域，具体涉及一种多列等差频率原波相互作 用形成参量阵的声场获取方法。
【背景技术】
[0002] 中国科学院东海研究站在2002年研制成功了一套"堤防隐患监测声纳"，该声 纳是一种新型地质声呐，可以对江河湖底、海底及沉积层进行探测识别或对堤防的损毁程 度进行探测和评估。原波频率为l〇〇kHz，差频为3kHz、6kHz、8kHz、10kHz、12kHz、15kHz、 24kHz等七档，并且能根据工作需求进行档位切换。Lucilla Di Marcoberardino在文献 "Nonlinear multi-frequency transmitter for sea-floor characterization，'认为步页 率多样性可以提供更为丰富的海底地层分布信息，并提出一种能同时生成多种谐波频率的 声源模型，对沉没的邮轮、海底的地质特性、海底管道或电缆的铺设提供技术指导。John A. Birken 在文献"Empirical results from frequency-scanning nonlinear sonar in deep water"中，同样基于海底地层的探测需求，对多列声波同时辐射形成系列差频声场进 行了理论及实验研究。但其进一步的相关研究并未见诸于文献。
[0003] 上述参考文献表明，改变参量阵的发射波形，充分利用由于非线性效应生成的二 阶声波（如和频、倍频、差频等）能有效获取水下海底地层的声场信息。同时，理论研究 发现，参量阵发射波形的改变可以对参量阵原波转换效率产生影响，参量阵辐射系统初始 声波信号的改变可以有效提高参量阵的转换效率。比如，在换能器带宽允许的情况下， Merklinger通过理论推导得出如果峰值发射功率相同，改变福射波形可在一定程度上提高 参量阵声压级。基于此，本发明利用多列原波相互作用的激励模式，为参量阵的辐射系统提 供一种新颖的思路，在有效提高参量阵的转换效率的同时，能生成系列低频、高指向性的差 频波束，可为水声通讯、海底地质探测等领域的信号检测提高更加丰富的声场信息。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种提高参量阵的转换效率，还可利用生成的系列差频信 号进行多频点信号检测和水声通讯的多列等差频率原波相互作用形成参量阵的声场获取 方法。
[0005] 本发明的目的是这样实现的：
[0006] (1)读取多列高频原波组合而成声波波形：其中，原波频率满足等差关系式f2-f\ =f 3_f2 =…=4-4+通过信号发射系统向宽带高频换能器提供初始条件，任意信号发射 器根据参量阵辐射系统的信号波形情况，生成指定的参量阵辐射信号；宽带功率放大器对 参量阵辐射信号进行预处理，通过功率放大器的放大效应，使得有限振幅声波满足参量阵 生成条件；宽带高频换能器将预设的特定声波信号波形辐射出去，通过传播媒质的非线性 解调作用，最终生成具有低频、高指向性的系列差频波束；
[0007] (2)设定参量阵声场的计算区域，并进行网格化离散；利用有限差分法获取多列 声波相互作用条件下的参量阵声场。
[0008] 本发明的有益效果在于：
[0009] 本发明将二阶龙格-库塔（Runge-Kutta)法与CNFD方法相结合，对多列等差频率 原波相互作用形成参量阵声场进行推演。该方法一方面提高了计算精度，更为准确的计算 了参量阵辐射系统声场的分布特点，形象直观地显示出参量阵的声场分布情况，更加准确、 全面地反映声场性能。另一方面，该辐射系统能有效提高参量阵的转换效率，并且系列低 频、高指向性的差频波束可为水声通讯信号检测提供更加丰富的声场信息。
【专利附图】
【附图说明】
[0010] 图1多频参量阵声场获取方法；
[0011] 图2多频参量阵单通道辐射系统；
[0012] 图3多频参量阵的原波激励及差频波生成图示；
[0013] 图4五列原波相互作用的差频波声压幅值分布图示；（a)差频1 ; (b)差频2 ; (c) 差频3 ; (d)差频4 ; (e)径向声压幅值比较；（f)轴向声压幅值比较；
[0014] 图5四列原波相互作用的差频波声压幅值分布图示；(a)差频1 ; (b)差频2 ; (c) 差频3 ; (d)差频4 ; (e)径向声压幅值比较；
[0015] 图6三列原波相互作用的差频波声压幅值分布图示；（a)差频1 ; (b)差频2 ; (c) 差频3 ; (d)差频4 ;
[0016] 图7两列原波相互作用的差频波声压幅值分布图示；（a)差频1 ; (b)差频2 ; (c) 差频3 ;
[0017] 图8多列原波相互作用形成差频波fd的声压幅值特性；(a)轴向；(b)径向；
[0018] 图9多列原波相互作用形成差频波f2d的声压幅值特性；(a)轴向；(b)径向； [0019] 图10多列原波相互作用形成差频波f3d的声压幅值特性；(a)轴向；(b)径向。
【具体实施方式】
[0020] 结合附图和实例对本发明进一步说明。
[0021] 本发明提供了一种利用多列等差频率原波相互作用形成参量阵声场的获取方法。 该发明将二阶龙格-库塔（Runge-Kutta)法引入计算参量阵声场分布的KZK理论模型，用 于计算参量阵的近场声场。该法在有效提高参量阵的转换效率的同时，可以生成系列低频、 高指向性的差频波束，能为水声通讯、海底地质探测等领域的信号检测提供更加丰富的声 场信息。
[0022] 本发明解决其技术问题所采用的方案包括以下步骤：
[0023] (a)根据参量阵发射阵元的形状确定参量阵近场声场的有限计算区域，采用和参 量阵发射阵元边界拟合程度最佳的网格对计算区域分割；
[0024] (b)读取参量阵赖以传播媒介的声速、密度、非线性系数等物理参数；
[0025] 读取参量阵发射系统的激励信号：多列高频原波组合而成声波波形。其中，所述原 波频率满足等差关系式f 2-f\ = f3_f2 =…=4-4+通过信号发射系统向宽带高频换能器 提供初始条件，所述信号发射系统包括任意信号发生器、功率放大器、宽带高频换能器等部 件；
[0026] (c)权利要求（b)所述的多列原波相互作用形成的参量阵辐射系统为参量阵单通 道辐射系统，所述系统包含三个系统：(cl)任意信号发射器：根据参量阵辐射系统的信号 波形情况，生成指定的参量阵辐射信号；（c2)宽带功率放大器：对参量阵辐射信号进行预 处理，通过功率放大器的放大效应，使得有限振幅声波满足参量阵生成条件；（c3)宽带高 频换能器：将预设的特定声波信号波形辐射出去，通过传播媒质的非线性解调作用，最终生 成具有低频、高指向性的系列差频波束。其中所述参量阵单通道辐射系统的任意信号发射 系统、宽带功率放大系统及其宽带高频换能器系统的连接方式为线性连接；
[0027] (d)根据权利要求（a)设定的离散网格模型以及适用于参量阵声场获取方法的有 限振幅声波传播理论，利用二阶龙格库塔法和Crank-Nicolson法相结合的有限差分法获 取多列声波相互作用条件下的参量阵声场。
[0028] 实施例
[0029] (a)以圆形活塞声源形成的参量阵辐射系统为例，基于活塞声源的轴对称特性，化 三维计算区域到二维roz平面，建立参量阵声场的有限计算区域模型，并进行离散化网格 划分。沿z方向将0 < z < zmax区间分成Μ段，轴向坐标下标m从1变化到M，把m = 1称 为第1层，且每层沿径向即r方向的径向坐标下标j从1变化到J，即每层都要计算J个声 压值。
[0030] (b)读取参量阵赖以传播媒介的声速、密度、非线性系数等物理参数，读取参量阵 发射系统的激励信号ρΟγ」，Zp k)及谐波分量g(rj，Zp k)、h(rj，Zp k):
[0031]
【权利要求】
1. 一种多列等差频率原波相互作用形成参量阵的声场获取方法，其特征在于： (1) 读取多列高频原波组合而成声波波形：其中，原波频率满足等差关系式f2-fi = f3-f2 =···= Hi，通过信号发射系统向宽带高频换能器提供初始条件，任意信号发射器 根据参量阵辐射系统的信号波形情况，生成指定的参量阵辐射信号；宽带功率放大器对参 量阵辐射信号进行预处理，通过功率放大器的放大效应，使得有限振幅声波满足参量阵生 成条件；宽带高频换能器将预设的特定声波信号波形辐射出去，通过传播媒质的非线性解 调作用，最终生成具有低频、高指向性的系列差频波束； (2) 设定参量阵声场的计算区域，并进行网格化离散；利用有限差分法获取多列声波 相互作用条件下的参量阵声场。
【文档编号】G01S7/52GK104215964SQ201410409816
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年8月20日 优先权日:2014年8月20日
【发明者】杨德森, 李中政, 方尔正, 时胜国 申请人:哈尔滨工程大学