参量阵的非线性声场特性研究

摘要

参量阵是利用声波传播的非线性效应获取差频波的声发射装置。在分辨力上能够突破瑞利限，以较小的孔径获得无旁瓣的高指向性低频声束。广泛应用于水声导航、水下通信、海底物体探测、海底地貌测绘、材料声学特性测量等水声领域。与此同时，参量阵原波能量转换为差频波能量的过程属于二次声学效应，转换效率很低，严重限制了参量阵的进一步工程应用。
　　本文以提高参量阵转换效率为出发点，通过改进参量阵非线性声场求解模型，从原波波形、传播媒质属性及换能器孔径等方面对参量阵的非线性声场特性展开研究，系统分析了提高参量阵转换效率的若干技术手段，旨在为参量阵的进一步工程应用提供相应的理论指导。
　　本文针对参量阵非线性声场求解精度不匹配、步长不一致的数值计算薄弱环节，将后向隐式有限差分(IBFD)求解KZK方程的模型进行改进，提出计算精度更高、衰减更为明显的二阶Runge-Kutta有限差分法(DIRK2)求解参量阵非线性声场。数值计算结果表明：该方法在有效提高计算精度的同时，可利用更大步长达到计算KZK方程数值解需要的稳定性。
　　本文针对频域有限差分数值求解KZK方程时计算量大、计算效率低的基础理论瓶颈，利用守恒迎风格式对参量阵非线性声场计算模型进行了推导。结果表明，该方法与频域有限差分算法的计算结果吻合度非常高，并且该理论模型可以有效替代频域算法中各阶谐波的相乘、叠加计算，利用较大的时域步长来减小计算量，提高计算效率。
　　本文利用DIRK2+CNFD结合守恒迎风格式的非线性声场计算模型，对连续原波相互作用形成的参量阵非线性声场及其转换效率进行了系统研究。包括在声饱和及空化效应还没有完全展开时，两列不同幅度、频率、初始相位的原波形成的参量阵非线性声场特性及其转换效率研究；多列不同初始相位、等幅原波形成的参量阵非线性声场特性及其转换效率研究；重点对多列等差原波形成的参量阵非线性声场特性进行了研究，并就峰值功率一致的参量阵转换效率展开了进一步的分析。结果表明：两列原波相互作用形成的参量阵差频波声压幅值轴向分布与原波初始相位无关；多频线谱参量阵辐射系统能得到含有多个差频分量的高指向性低频波束，提供尽可能多的声场信息。并且多列等差原波相互作用形成的系列差频分量中，原波线谱越丰富，相同差频分量的声压幅值越大，原波转换效率越高。
　　本文在简单推导KZK方程时域求解过程的基础上，对不同上升沿的短高斯包络脉冲和长高斯包络脉冲、不同脉宽的矩形包络脉冲、中心频率一致的正负线性调频脉冲信号形成的参量阵自解调过程作了观察和讨论，并就具有相同辐射峰值功率的参量阵声波波形、频谱特性及其转换效率进行了定性分析。计算结果表明：暂态信号参量阵的自解调过程与该脉冲调制包络的上升沿、下降沿有关。暂态信号包络脉冲的上升沿越陡峭，其非线性解调作用越早完成，对应的频谱越丰富，低频段频谱分量声压幅值越高，参量阵转换效率越高。
　　本文对不同传播媒质中的参量阵非线性声场进行研究，指出具有较低声速和较高非线性参数的慢波导材料可以提高声饱和度，增加差频信号的生成。在此基础上，借鉴J. D. Ryder等人的建模思想，对由慢波导介质与水组成的复合媒质传播系统中参量阵非线性声场特性及其转换效率进行分析。仿真结果显示，复合媒质传播系统在参量阵的能量累积阶段可以获得较大的差频波声压幅值，是提高参量阵转换效率的有效手段。
　　本文从换能器(阵)的孔径出发，通过改变原波波束的覆盖区域提高差频声压级。首先分析了具有相同辐射面积环状活塞声源和圆形活塞声源的声场空间分布特性及其转换效率；然后通过差分演化算法对圆形活塞阵列形成的参量阵差频波声压幅值进行分析。优化结果表明：稀疏分布的换能器阵元排列方式在参量阵非线性声场形成区域可以获得更高差频增益。
　　为了验证理论计算的正确性，本文开展了消声水池试验研究。为参量阵的工程应用提供相应的试验基础。

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第 1 章 绪论

1.1 本课题的研究背景、目的及其意义

1.2 参量阵非线性声场计算理论发展概要

1.3 参量阵在声频定向系统领域的研究概况

1.4 参量阵在水声工程领域的研究概要

1.5 课题的研究思路与内容安排

第 2 章 参量阵的非线性声场计算模型

2.1 引言

2.2 参量阵的基本理论

2.3 基于二阶 Runge-Kutta 法的参量阵非线性声场计算模型

2.4 基于守恒型迎风格式的参量阵非线性声场计算

2.5 本章小结

第 3 章 连续信号参量阵的非线性声场特性研究

3.1 引言

3.2 原波幅度对参量阵非线性声场的影响

3.3 原波频率对参量阵非线性声场的影响

3.4 原波初始相位对参量阵非线性声场的影响

3.5 多列原波形成的参量阵非线性声场特性研究

3.6 本章小结

第 4 章 暂态信号参量阵的声场特性研究

4.1 引言

4.2 暂态信号参量阵非线性声场分析的理论基础

4.3 暂态信号参量阵非线性声场分析

4.4 本章小结

第 5 章 复合传播媒质中的参量阵非线性声场特性研究

5.1 引言

5.2 不同媒质中的参量阵非线性声场分析

5.3 复合传播媒质中的参量阵非线性声场分析

5.4 本章小结

第 6 章 不同孔径的换能器形成的参量阵非线性声场研究

6.1 引言

6.2 环状活塞声源形成的参量阵非线性声场特性研究

6.3 圆形活塞声源阵列形成的参量阵非线性声场研究

6.4 本章小结

第 7 章 试验分析

7.1 引言

7.2 连续信号参量阵试验研究

7.3 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

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