基于三波耦合互作用原理的非均匀混合介质非线性系数测量方法与流程

本发明涉及一种非均匀混合介质非线性系数测量方法。

背景技术：

水声学的发展对于国家国民生产建设具有重要的意义，研究水下声场中的非线性问题得到越来越多的重视和关注。在水声领域里非线性声学理论被应用于深海水文测量、海底地质调查、声纳技术等方面。而如何测量介质的非线性系数是获得非线性声学效应敏感因素，并有针对性利用非线性效应或增强非线性效应的重要一环。目前，测量介质非线性系数的主流方法有以下几种方法：热力学方法、相位比较法、有限振幅声波法和参量阵方法等。下表所示是以上几种方法的主要缺点。

表1非线性系数测量方法优缺点比较

其中，参量阵法是通过两列声波发生非线性相互作用产生高指向性的差频波(Parametric acoustic array:Theory,advancement,and applications.APPLIED ACOUSTICS.2012：73(12),1209-1210)来对介质非线性系数进行测量，但该方法严重依赖声压幅度测试精度。综合对比结果可知，非线性系数测量需要确定和测量的相关参数种类多样且十分复杂，对相位和声压的测量要求较高，实际操作步骤较为复杂，难以可靠保证测量精度，无法满足对复杂的非均匀混合介质进行非线性系数的测量要求。申请号为201310469627.7的专利文件中，公开了一种三列声波非线性相互作用下声能量转换的相位控制方法，利用三波耦合互作用原理可实现水下声能量的有效转化，但如何利用该原理实现对水下复杂混合介质非线性系数的测量则未见报道。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种步骤简单，测量精度高，具有较高的应用价值的基于三波耦合互作用原理的非均匀混合介质非线性系数测量方法。

本发明的目的是这样实现的：

(a)在水箱内，将组合发射换能器放置于非均匀混合介质样品的一侧，位置为x＝0，在样品另一侧放置接收水听器，位置为x＝R，收发距离R与非均匀混合介质样品长度相当，组合发射换能器和水听器等深度H布放于水箱中；

(b)在位置x＝0处，放置组合发射换能器，共点同向向混合介质中发射三列声波，三列声波的角频率满足三波耦合共振关系ω₁+ω₂＝ω₃，ω₁<ω₂<ω₃，水听器沿轴向接收所述三列声波传播至接收位置处的声压；

(c)调整三列声波的发射角频率ω_i、幅度B_i(x)和相位差i＝1,2,3，要求相位差的扫描步长不大于π/8；

(d)在x＝R处，使水听器接收到三列声波中角频率为ω₁的声波的声压级变化量E₁(R)大于30dB，记录在非均匀混合介质样品测试条件下的三列声波发射频率和初始幅度B_i(0)；

(e)将非均匀混合介质样品移出水箱，在纯水介质中，仍保证三列声波发射频率和初始幅度保持不变，在轴向方向上移动接收水听器的位置，并改变三列声波发射相位差；

(f)首先大步长ω₁/(4c)粗扫描获得产生角频率为ω₁的声波声压级变化量大的敏感距离区域，进一步在该区域中进行细致扫描，步长为ω₁/(20c)，最终确定能产生稳定的声压级变化量大于30dB的收到距离R₁；

(g)保持三列声波发射频率和初始幅度不变，将纯水介质的声速c_水、密度ρ_水和水介质的非线性系数β_水代入三波耦合非线性互作用方程，计算在该参数下，产生角频率为ω₁的声波的声压级变化量大于30dB的收发距离，记录为R₂；

(h)保持三列声波发射频率和初始幅度不变，将纯水介质的声速c_水、密度ρ_水分别替换为非均匀混合介质样品的声速c_混、密度ρ_混，三波耦合非线性互作用方程中的非线性系数仍设定为水中的非线性系数值，代入三波耦合非线性互作用方程，计算在该参数下，产生角频率为ω₁的声波的声压级变化量大于30dB的收发距离，记录为R₃；

(i)计算得到修正系数γ＝R₂/R₁，用于修正测试结果和模型计算之间的误差；

(j)根据非线性系数与角频率为ω₁的声波声压级变化量大于30dB的收发距离参数之间满足线性关系，计算得到该非均匀混合介质的非线性系数为

本发明提供了一种利用声波非线性相互作用实现声能量在不同频率间发生转换的方法，该方法基于Westervelt方程的理论基础，充分利用了三列声波的耦合，实现了声波之间能量的有效转换。

本发明是一种在实验水箱中对非均匀混合介质的非线性系数进行测量的新方法。该方法基于三波耦合互作用原理，通过分步向非均匀混合介质和水介质中发射三列满足条件的声波，对比混合介质与纯水介质中声波发生明显声压级变化的观测距离量，并经过模型和测试结果修正，间接高精度的获得混合介质的非线性系数测量结果。

本发明的方法充分利用介质的非线性效应，通过分步向非均匀混合介质和水介质中发射三列满足耦合工作互作用条件的声波，对比混合介质与纯水介质中声波发生明显声压级变化的观测距离量，并经过模型和测试结果修正，间接获得混合介质的非线性系数测量结果。该方法不依赖于声波相位和声压等参数的测量精度，可有效提高非线性系统的实验测量精度，测试方法适用于实验水箱条件，且测试步骤简单，测量精度高，具有较高的应用价值。

本发明的有益效果可以归纳为：

(1)该方法充分利用介质的非线性效应，通过分步向非均匀混合介质和水介质中发射三列满足耦合工作互作用条件的声波，对比混合介质与纯水介质中声波发生明显声压级变化的观测距离量，并经过模型和测试结果修正，间接获得混合介质的非线性系数测量结果。

(2)测试方法适用于实验水箱条件，系统复杂度低，测试步骤简单。

(3)该方法不依赖于声波相位和声压等参数的测量精度，可有效提高非线性系统的实验测量精度。

(4)测量精度高，具有较高的实验价值和应用价值。

附图说明

图1非均匀混合介质样品测试示意图。

图2纯水介质测试示意图。

图3混合介质中声波ω₁的声压级变化量E₁(R)随相位差的变化曲线。

图4水介质中声波ω₁的声压级变化量E₁(R₁)随相位差的变化曲线。

图5水介质中声波ω₁的声压级变化量E₁(R₂)随相位差的计算曲线。

图6根据三波耦合互作用方程计算得到声波ω₁的声压级变化量E₁(R₃)随相位差的变化曲线。

图7为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明进一步说明。

(a)在实验水箱内，将组合发射换能器放置于非均匀混合介质样品的一侧，位置为x＝0，在样品另一侧放置接收水听器，位置为x＝R，该收发距离R与样品长度相当。组合发射换能器和水听器等深度H布放于水箱中。见图1，图1中：1为组合发射换能器；2连接发射设备；3为非均匀混合介质样品；4连接接收设备；5为接收水听器；6为纯水；7为吸声尖劈；8为水箱。

(b)在空间位置x＝0处，组合发射换能器共点同向向混合介质中发射三列声波，其角频率满足三波耦合共振关系ω₁+ω₂＝ω₃，ω₁<ω₂<ω₃。水听器沿轴向接收该三列声波传播至接收位置处的声压。

(c)利用有限振幅声波及混合介质自身的非线性声学效应，根据三波耦合互作用规律，在组合发射换能器发射频率范围和发射能力的合理范围内，调整三列声波的发射角频率ω_i、幅度B_i(x)(i＝1,2,3)和相位差要求相位差的扫描步长不大于π/8。

根据三列声波传播过程中复振幅满足的三波耦合互作用方程组：

该方程组中，ω_i表示声波角频率，表示声波波数，下标i表示对应三列声波的编号。A_i(x)(i＝1,2,3)为声波的复振幅。β为非线性系数，决定了介质自身固有的非线性性质，是本专利中的待测量量。ρ、c分别为介质密度、声速，δ表示介质耗散效应的大小。本专利中，以上方程中的变量根据具体测试介质的不同可用下标_水和_混进行区分。

将复振幅进行分解得到传播到任意位置x处三列声波声压的幅度和相位满足以下制约关系：

方程中的B_i(x)和分别表示三列声波传播到位置x处的幅度和相位，为相位差。

(d)在固定水听器接收位置在x＝R处，使水听器接收到的声波ω₁的声压级变化量E₁(R)大于30dB，记录在非均匀混合介质样品测试条件下的三列声波发射频率和初始幅度B_i(0)。

固定传播距离，即水听器位置为x＝R，通过调整三列声波的发射频率、幅度和相位差，可以得到声波ω₁的声压级值为其中最大的声压级为PL₁(R)|_max，最小的声压级PL₁(R)|_min，则声波ω₁的声压级变化量E₁(R)(单位为：dB)为：

E₁(R)＝|PL₁(R)|_max-PL₁(R)|_min| (3)

使E₁(R)>30dB，记录在非均匀混合介质样品测试条件下的三列声波发射频率和幅度。

(e)将非均匀混合介质样品移出水箱，在纯水介质中，仍保证三列声波发射频率和初始幅度保持不变，在轴向方向上移动接收水听器的位置，并改变三列声波发射相位差。见图2，将图1中的非均匀混合介质样品3换成纯水9。

(f)为保证测量精度，采取“粗扫”到“细扫”的方法，首先大步长ω₁/(4c)粗扫描获得产生声波ω₁声压级变化量较大的敏感距离区域，进一步在该区域中进行细致扫描，步长为ω₁/(20c)，最终确定可产生稳定的声压级变化量大于30dB的收到距离R₁。

(g)保持三列声波发射频率和初始幅度不变，将纯水介质的声速c_水、密度ρ_水和水介质的非线性系数β_水代入三波耦合非线性互作用方程(公式2)，计算在该参数下，产生声波ω₁的声压级变化量大于30dB的收发距离，记录为R₂。

(h)保持三列声波发射频率和初始幅度不变，将纯水介质的声速c_水、密度ρ_水分别替换为非均匀混合介质样品的声速c_混、密度ρ_混，方程中的非线性系数仍设定为水中的非线性系数值，代入三波耦合非线性互作用方程(公式2)，计算在该参数下，产生声波ω₁的声压级变化量大于30dB的收发距离，记录为R₃。

(i)计算得到修正系数γ＝R₂/R₁，用于修正测试结果和模型计算之间的误差。

(j)根据非线性系数与声波ω₁声压级变化量大于30dB的收发距离参数之间满足线性关系，计算得到该非均匀混合介质的非线性系数为

上面对发明内容各部分的具体实施方式进行了说明。该方法主要由“混合介质测试步骤——水介质测试步骤——计算”三大连续操作的测试步骤组成，对比混合介质与纯水介质中声波发生明显声压级变化的观测距离量，并经过模型和测试结果修正，间接获得混合介质的非线性系数测量结果。

实例

实例参数设置如下：水介质的非线性系数β_水＝3.6，密度ρ_水＝998kg/m³，水中声速c_水＝1480m/s。混合介质的非线性系数β_混＝6.0，密度ρ_混＝942kg/m³，混合介质中的声速为c_混＝1320m/s，该混合介质样品的长度为0.22m。将水听器布放于距离发射换能器0.22m处，即R＝0.22m。

首先在混合介质中进行测试。调整三列声波的发射频率分别为f₁＝150kHz、f₂＝350kHz和f₃＝500kHz，则三列声波的角频率为ω_i＝2πf_i(i＝1,2,3)，且满足ω₁+ω₂＝ω₃的三波耦合共振条件。调整三列声波的发射幅度分别为B₁(0)＝17.7828Pa(对应声压级为145dB)、B₂(0)＝5.6234kPa(对应声压级为195dB)和B₃(0)＝5.6234kPa(对应声压级为195dB)。使得在距离R处，声波ω₁的声压级变化量E₁(R)大于30dB，其中相位差的扫描步长为π/8。

图3给出混合介质中声波ω₁的声压级变化量E₁(R)随相位差的变化曲线。

将混合介质样品移出水箱，在纯水介质中，仍保证三列声波发射频率和初始幅度保持不变，在轴向方向上移动接收水听器的位置，距离扫描步长设置为0.005m，并改变三列声波发射相位差，相位差的扫描步长为π/8。测量得到水介质条件下声波ω₁的声压级变化量大于30dB的收发距离，并记录为R₁。

图4给出水介质中声波ω₁的声压级变化量E₁(R₁)随相位差的变化曲线。

由图4可知，测试结果显示R₁＝0.54m。

保持三列声波发射频率和初始幅度不变，将纯水介质的声速c_水、密度ρ_水和水介质的非线性系数β_水代入三波耦合非线性互作用方程(公式2)，计算在该参数下，产生声波ω₁的声压级变化量大于30dB的收发距离，记录为R₂。

图5给出水介质中声波ω₁的声压级变化量E₁(R₂)随相位差的计算曲线。

由图5可知，测试结果显示R₂＝0.555m。

计算得到修正系数γ＝R₂/R₁＝1.02，用于修正测试结果和模型计算之间的误差。

保持三列声波发射频率和初始幅度不变，将纯水介质的声速c_水、密度ρ_水分别替换为非均匀混合介质样品的声速c_混、密度ρ_混，方程中的非线性系数仍设定为水中的非线性系数值，代入三波耦合非线性互作用方程(公式2)，计算在该参数下，产生声波ω₁的声压级变化量大于30dB的收发距离，记录为R₃。

图6给出根据三波耦合互作用方程计算得到声波ω₁的声压级变化量E₁(R₃)随相位差的变化曲线。

由图6可知，计算结果显示R₃＝0.365m。

最终计算得到该非均匀混合介质的非线性系数为和混合介质非线性系数的真实值进行对比可知误差仅为1.5％。证明该方法具有较高的测量估计精度。