一种基于有机溶液传播媒质系统获取参量阵的方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于有机溶液传播媒质系统获取参量阵的方法。本发明包括：对方程参数和初始边界条件的变换；化三维计算区域到二维roz平面；将计算区域节点(rj,zm)处声压展开为K阶谐波的叠加：将初始条件及其谐波分量输入反映参量阵声场传播非线性效应的守恒迎风格式计算模块；将z2层上的声压幅值及其分量作为第一层网格的虚拟声源激励信号，建立参量阵辐射系统有机溶剂+水层的复合媒质传播模型；进一步得到有机溶剂+水复合媒质传播系统中的参量阵非线性声场。一方面利用有机溶液传播媒质系统能切实改善参量阵的转换效率；另一方面，该装置结构简单，成本低廉，采用的都是常见的材料和结构，在材料成本、加工成本控制实现有效管理，并且替换成本也不高。
【专利说明】一种基于有机溶液传播媒质系统获取参量阵的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于有机溶液传播媒质系统获取参量阵的方法。
【背景技术】
[0002] 声参量阵能以较小的孔径实现低频、高指向性、无旁瓣的声束辐射，具有较高空间 增益和分辨率，在水声导航、水下通信、海底沉积层中物体探测、海底浅层地貌测绘、空气中 的参量阵扬声器系统、医用参量阵扫描设备、工业参量阵探测设备等领域获得了广泛的关 注。但在参量阵的工程应用中，原频波能量仅有非常小的一部分转换为差频波，转换效率非 常低（不足百分之一），严重限制了参量阵的探测作用距离。
[0003] 1976年，J. D. Ryder从描述参量阵的Westervelt虚源理论模型出发，得知参量阵 的声场特性与其传播所依赖的媒介特性息息相关，首先将在硅橡胶柱中生成、在水介质中 传播的参量阵近似为截断的柱状声源，利用Westervelt虚源理论对源密度函数进行积分 求解参量阵近场时，源点同时又是场点，对虚源求体积积分时被积函数中会有奇点产生，并 且硅橡胶柱的材料属性等参数仅可以针对特定频段的参量阵声场发射系统。
[0004] 综上所述，本发明借鉴J. D. Ryder等人的建模思想，选取声速低、密度小、并且有 较大的非线性参数的有机溶液作为参量阵的传播媒质，并利用KZK方程时频域相结合的求 解方法，对有机媒质+水的复合媒质传播系统中参量阵声场特性进行分析，结果表明：有机 溶液作为参量阵传播的媒质，在相同的声源激励条件下，能获得较大的差频波声压幅值，亦 即能有效提高参量阵的转换效率。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种该可以有效提高参量阵的转换效率，并且可实现性 高、成本低廉的基于有机溶液传播媒质系统获取参量阵的方法。
[0006] 本发明的目的是这样实现的：
[0007] (1)对方程参数和初始边界条件的变换，建立适用于参量阵声场计算的KZK方程：
[0008]
【权利要求】
1. 一种基于有机溶液传播媒质系统获取参量阵的方法，其特征在于： (1) 对方程参数和初始边界条件的变换，建立适用于参量阵声场计算的KZK方程：
戶= 为归一化声压，P〇为声源表面峰值声压，P为绝对声压，σ iz/a是归一化的 轴向坐标，z表示声轴向传播方向，A = ka2/2是瑞利距离，k是声波波数，a为声源半径，τ =ω (t-z/c)是归一化延迟时间，ω为基波角频率，c为声速，a = Dc〇2/2c3是吸收系数，D 为声耗散率
是平面波在无损媒介中的冲击波形成距离，P。是媒介的静态密度，
是媒介的非线性系数，
是媒介的非线性参量
为径向Laplace算子，在本实 例中取极坐标下的轴对称形式
，其中
分别为归一化的径向坐标； (2) 化三维计算区域到二维roz平面，建立参量阵声场分析区域模型； (3) 将计算区域节点〇> zm)处声压展开为K阶谐波的叠加：
其中$(1>2111，1〇、11(1>2111，1〇是第1^次谐波声压在空间位置（1 >2"1)处的系数，根 据参量阵的形成条件，设定换能器表面的声压，即Zl层上任意k阶谐波系数g(i> Zl，k)、 h(rj，Zl，k)对应的J个值：
其中
，其中：1彡j彡1，闭区间[1，J」表示活 塞声源所处的径向位置； (4) 将初始条件P (!」，Zp k)及其谐波分量g (!」，Zp k)、h (!」，Zp k)输入反映参量阵声场 传播非线性效应的守恒迎风格式计算模块，获得传播轴向步长dz后第二层网格z2处的声 压 Ρ_(Γ」，z2, k)及其谐波幅值分量 g_(rj, z2, k)、h_(rj，z2, k): (5) 将z2层上的声压幅值p_(rj, z2, k)及其分量g_(rj, z2, k)、h_(rj, z2, k)作为第一 层网格的虚拟声源激励信号，输入描述参量阵声场传播衍射、吸收效应的DIRK+CNFD计算 模块，获取轴向传播dz之后z 2处的声压幅值：pabs，dif，_(rj, z2, k); (6) 重复步骤（4) (5)，依次类推直至中空声波导腔体声透射端面最接近分界面的轴向 位置(?); (7) 利用多层介质中的透射理论，建立参量阵辐射系统有机溶剂+水层的复合媒质传 播模型，有机溶液中最接近界面的轴向位置处声压向量/-1(〃,，^，），乘以透射系数1'，得到 水介质中最接近分界面的透射声波八，/f) ··
其中，透射系数T = 2pwCl/(PeCe+PwCw)，pw, Pe，cw，ce分别表示水、有机溶剂的密度 和声速； (8)将八作为水中声场的初始条件逐步进行轴向推进，进一步得到有机溶剂+ 水复合媒质传播系统中的参量阵非线性声场。
【文档编号】G06F19/00GK104156607SQ201410409817
【公开日】2014年11月19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, 时洁 申请人:哈尔滨工程大学