一種基于有機(jī)溶液傳播媒質(zhì)系統(tǒng)獲取參量陣的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于有機(jī)溶液傳播媒質(zhì)系統(tǒng)獲取參量陣的方法。本發(fā)明包括：對方程參數(shù)和初始邊界條件的變換；化三維計算區(qū)域到二維roz平面；將計算區(qū)域節(jié)點(diǎn)(rj,zm)處聲壓展開為K階諧波的疊加：將初始條件及其諧波分量輸入反映參量陣聲場傳播非線性效應(yīng)的守恒迎風(fēng)格式計算模塊；將z2層上的聲壓幅值及其分量作為第一層網(wǎng)格的虛擬聲源激勵信號，建立參量陣輻射系統(tǒng)有機(jī)溶劑+水層的復(fù)合媒質(zhì)傳播模型；進(jìn)一步得到有機(jī)溶劑+水復(fù)合媒質(zhì)傳播系統(tǒng)中的參量陣非線性聲場。一方面利用有機(jī)溶液傳播媒質(zhì)系統(tǒng)能切實改善參量陣的轉(zhuǎn)換效率；另一方面，該裝置結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，采用的都是常見的材料和結(jié)構(gòu)，在材料成本、加工成本控制實現(xiàn)有效管理，并且替換成本也不高。
【專利說明】一種基于有機(jī)溶液傳播媒質(zhì)系統(tǒng)獲取參量陣的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于有機(jī)溶液傳播媒質(zhì)系統(tǒng)獲取參量陣的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 聲參量陣能以較小的孔徑實現(xiàn)低頻、高指向性、無旁瓣的聲束輻射，具有較高空間 增益和分辨率，在水聲導(dǎo)航、水下通信、海底沉積層中物體探測、海底淺層地貌測繪、空氣中 的參量陣揚(yáng)聲器系統(tǒng)、醫(yī)用參量陣掃描設(shè)備、工業(yè)參量陣探測設(shè)備等領(lǐng)域獲得了廣泛的關(guān) 注。但在參量陣的工程應(yīng)用中，原頻波能量僅有非常小的一部分轉(zhuǎn)換為差頻波，轉(zhuǎn)換效率非 常低（不足百分之一），嚴(yán)重限制了參量陣的探測作用距離。
[0003] 1976年，J. D. Ryder從描述參量陣的Westervelt虛源理論模型出發(fā)，得知參量陣 的聲場特性與其傳播所依賴的媒介特性息息相關(guān)，首先將在硅橡膠柱中生成、在水介質(zhì)中 傳播的參量陣近似為截斷的柱狀聲源，利用Westervelt虛源理論對源密度函數(shù)進(jìn)行積分 求解參量陣近場時，源點(diǎn)同時又是場點(diǎn)，對虛源求體積積分時被積函數(shù)中會有奇點(diǎn)產(chǎn)生，并 且硅橡膠柱的材料屬性等參數(shù)僅可以針對特定頻段的參量陣聲場發(fā)射系統(tǒng)。
[0004] 綜上所述，本發(fā)明借鑒J. D. Ryder等人的建模思想，選取聲速低、密度小、并且有 較大的非線性參數(shù)的有機(jī)溶液作為參量陣的傳播媒質(zhì)，并利用KZK方程時頻域相結(jié)合的求 解方法，對有機(jī)媒質(zhì)+水的復(fù)合媒質(zhì)傳播系統(tǒng)中參量陣聲場特性進(jìn)行分析，結(jié)果表明：有機(jī) 溶液作為參量陣傳播的媒質(zhì)，在相同的聲源激勵條件下，能獲得較大的差頻波聲壓幅值，亦 即能有效提高參量陣的轉(zhuǎn)換效率。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種該可以有效提高參量陣的轉(zhuǎn)換效率，并且可實現(xiàn)性 高、成本低廉的基于有機(jī)溶液傳播媒質(zhì)系統(tǒng)獲取參量陣的方法。
[0006] 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：
[0007] (1)對方程參數(shù)和初始邊界條件的變換，建立適用于參量陣聲場計算的KZK方程：
[0008]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于有機(jī)溶液傳播媒質(zhì)系統(tǒng)獲取參量陣的方法，其特征在于： (1) 對方程參數(shù)和初始邊界條件的變換，建立適用于參量陣聲場計算的KZK方程：
戶= 為歸一化聲壓，P〇為聲源表面峰值聲壓，P為絕對聲壓，σ iz/a是歸一化的 軸向坐標(biāo)，z表示聲軸向傳播方向，A = ka2/2是瑞利距離，k是聲波波數(shù)，a為聲源半徑，τ =ω (t-z/c)是歸一化延遲時間，ω為基波角頻率，c為聲速，a = Dc〇2/2c3是吸收系數(shù)，D 為聲耗散率
是平面波在無損媒介中的沖擊波形成距離，P。是媒介的靜態(tài)密度，
是媒介的非線性系數(shù)，
是媒介的非線性參量
為徑向Laplace算子，在本實 例中取極坐標(biāo)下的軸對稱形式
，其中
分別為歸一化的徑向坐標(biāo)； (2) 化三維計算區(qū)域到二維roz平面，建立參量陣聲場分析區(qū)域模型； (3) 將計算區(qū)域節(jié)點(diǎn)〇> zm)處聲壓展開為K階諧波的疊加：
其中$(1>2111，1〇、11(1>2111，1〇是第1^次諧波聲壓在空間位置（1 >2"1)處的系數(shù)，根 據(jù)參量陣的形成條件，設(shè)定換能器表面的聲壓，即Zl層上任意k階諧波系數(shù)g(i> Zl，k)、 h(rj，Zl，k)對應(yīng)的J個值：
其中
，其中：1彡j彡1，閉區(qū)間[1，J」表示活 塞聲源所處的徑向位置； (4) 將初始條件P (!」，Zp k)及其諧波分量g (!」，Zp k)、h (!」，Zp k)輸入反映參量陣聲場 傳播非線性效應(yīng)的守恒迎風(fēng)格式計算模塊，獲得傳播軸向步長dz后第二層網(wǎng)格z2處的聲 壓 Ρ_(?！?，z2, k)及其諧波幅值分量 g_(rj, z2, k)、h_(rj，z2, k): (5) 將z2層上的聲壓幅值p_(rj, z2, k)及其分量g_(rj, z2, k)、h_(rj, z2, k)作為第一 層網(wǎng)格的虛擬聲源激勵信號，輸入描述參量陣聲場傳播衍射、吸收效應(yīng)的DIRK+CNFD計算 模塊，獲取軸向傳播dz之后z 2處的聲壓幅值：pabs，dif，_(rj, z2, k); (6) 重復(fù)步驟（4) (5)，依次類推直至中空聲波導(dǎo)腔體聲透射端面最接近分界面的軸向 位置(?); (7) 利用多層介質(zhì)中的透射理論，建立參量陣輻射系統(tǒng)有機(jī)溶劑+水層的復(fù)合媒質(zhì)傳 播模型，有機(jī)溶液中最接近界面的軸向位置處聲壓向量/-1(〃,，^，），乘以透射系數(shù)1'，得到 水介質(zhì)中最接近分界面的透射聲波八，/f) ··
其中，透射系數(shù)T = 2pwCl/(PeCe+PwCw)，pw, Pe，cw，ce分別表示水、有機(jī)溶劑的密度 和聲速； (8)將八作為水中聲場的初始條件逐步進(jìn)行軸向推進(jìn)，進(jìn)一步得到有機(jī)溶劑+ 水復(fù)合媒質(zhì)傳播系統(tǒng)中的參量陣非線性聲場。
【文檔編號】G06F19/00GK104156607SQ201410409817
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月20日
【發(fā)明者】楊德森, 李中政, 方爾正, 時勝國, 時潔 申請人:哈爾濱工程大學(xué)