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

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。

说明书

技术领域

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

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100kHz，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”认为频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。 

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，改变辐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

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。 

本发明的目的是这样实现的： 

(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-f₁＝f₃-f₂＝…＝f_n-f_n-1，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。 

本发明的有益效果在于： 

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。 

附图说明

图1多频参量阵声场获取方法； 

图2多频参量阵单通道辐射系统； 

图3多频参量阵的原波激励及差频波生成图示； 

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； 

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； 

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； 

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； 

图8多列原波相互作用形成差频波f_d的声压幅值特性；(a)轴向；(b)径向； 

图9多列原波相互作用形成差频波f_2d的声压幅值特性；(a)轴向；(b)径向； 

图10多列原波相互作用形成差频波f_3d的声压幅值特性；(a)轴向；(b)径向。 

具体实施方式

结合附图和实例对本发明进一步说明。 

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。 

本发明解决其技术问题所采用的方案包括以下步骤： 

(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； 

(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：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f₂-f₁＝f₃-f₂＝…＝f_n-f_n-1，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； 

(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：(c1)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； 

(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。 

实施例 

(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＜z_max区间分成M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。 

(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p(r_j,z₁,k)及谐波分量g(r_j,z₁,k)、h(r_j,z₁,k)： 

$p(r_j,z_1,k)=\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}g(r_j,z_1,k)\sin \left(\mathrm{k\tau }\right)+h(r_j,z_1,k)\cos \left(\mathrm{k\tau }\right)$

其中：$g(r_j,z_1,k)=h(r_j,z_1,k)=\left(\begin{array}{cc}1& k=K_1,...,K_n\\ 0& k\ne K_1,...,K_n\end{array}\right),$其中：1≤j≤J_-，闭区间[1,J_-]表示活塞声源所处的径向位置，K_n表示n列原波相互作用，K₂-K₁＝K₃-K₂＝…＝K_n-K_n-1； 

(c)将初始条件p(r_j,z₁,k)及其谐波分量g(r_j,z₁,k)、h(r_j,z₁,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 p_non(r_j,z₂,k)及其谐波幅值分量g_non(r_j,z₂,k)、h_non(r_j,z₂,k)； 

(d)将z₂层上的声压幅值p_non(r_j,z₂,k)及其分量g_non(r_j,z₂,k)、h_non(r_j,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z₂处的声压幅值：p_abs,dif,non(r_j,z₂,k)； 

(e)重复步骤(c)-(d)，按照z₂→z₃，z₃→z₄，…,z_M-1→z_M进行轴向逐步推进，依次循环计算获取参量阵声场分布的守恒迎风格式计算模块、DIRK+CNFD计算模块，即可获得多列原波相互作用激励条件下的参量阵声场。 

实例参数设置如下：设换能器的半径为a＝10cm，径向计算区域为(0,r_max)，其中r_max＝41a，换能器的轴向计算区域为(0,z_max)其中z_max＝2.5d，d＝πf₀a²/c为换能器辐射原波中心频率对应的瑞利距离。为了减小边界反射对计算声场的干涉，设定区域[40a,41a]为PML区域，假定轴向每个瑞利距离划分为120等分，径向每个单位半径长度划分为30等分，可知计算区域的网格数为1230*300，径向间隔Δr＝3.336mm，轴向步进长度dz＝9.748mm，分别设置不同的原波初始条件：两列原波f₁＝53kHz、f₂＝57kHz，归一化声压幅值 三列原波f₁＝51kHz、f₂＝55kHz、f₃＝59kHz；归一化声压幅值 四列原波f₁＝49kHz、f₂＝53kHz、f₃＝57kHz、f₄＝61kHz，归一化声压幅值五列原波f₁＝47kHz、f₂＝51kHz、f₃＝55kHz、f₄＝59kHz、f₅＝63kHz，归一化声压幅值显然，上面不同列数原波形成的差频波是多样的：f_d＝4kHz、f_2d＝8kHz、f_3d＝12kHz、f_4d＝16kHz。下面组图给出不同原波列数形成的参量阵声场空间分布图示 

由图4-7可知，n列原波的频率呈现等差形式时(如图3所示)，由于传播介质的相互作用形成包含n-1(n≥2)个频率成分的参量阵声场，并且该多频参量阵的各个差频波束均可以实现低频、高指向性辐射，五列原波相互作用时差频波峰值声压幅值关系 四列原波相互作用时差频波峰值声压幅值关系三列列原波相互作用时差频波峰值声压幅值关系如果对具有相同辐射功率的多列原波差频声压幅值轴向空间分布图进行分析(图8-10)，可知，差频波f_d的声压峰值关系为：p_n＝5＞p_n＝4＞p_n＝3＞p_n＝2(图8)；差频波f_2d的声压峰值关系为：p_n＝5＞p_n＝4＞p_n＝3(图9)；差频波f_3d的声压峰值关系为：p_n＝5＞p_n＝4(图10)。说明多列原波相互作用一方面形成频点信息更为丰富的差频波，另一方面随着原波列数的增加，参量阵功率转换效率亦同样得到提 高。