次声波关键应用技术研究.doc

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1、 独创性声明本人所呈交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知,除特别加以标注的地方外,论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文的研究工作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。本论文及其相关资料若有不实之处,由本人承担一切相关责任。燃糍名:盅蝉一年乡月日学位论文使用授权本人作为学位论文作者了解并愿意遵守学校有关保留、使用学位论文的规定,即:在导师指导下创作完成的学位论文的知识产权归西安理工大学所有,本人今后在使用或发表该论文涉及的研究内容时,会注明西安理工大学。西安理工大学拥有学位论文的如下使用权,包括:学校可以保存学位论文;可以采用影印、缩印或

2、其他复制手段保存论文;可以查阅或借阅。本人授权西安理工大学对学位论文全部内容编入公开的数据库进行检索。本学位论文全部或部分内容的公布包括刊登授权西安理工大学研究生学院办理。经过学校保密办公室确定密级的涉密学位论文,按照相关保密规定执行;需要进行技术保密的学位论文,按照西安理工大学学位论文技术保密申请表内容进行保密附西安理工大学学位论文技术保密申请表。保密的学位论文在解密后,适用本授权。加,夕年弓月 日论文作者签名:斗导师签摘要论文题目:次声波关键应用技术研究学科名称:精密仪器及机械研究生:张娜指导教师:乔卫东副教授摘要次声波的物理特性决定了次声波能够在介质中实现远距离的传播,同时其发散特性也使

3、得次声波传播以辐射形式进行。声学参量阵是基于声学非线性效应的、可在远场形成差频声波的发射装置。采用声学参量阵发出的声波具有指向性高、穿透能力强等优点,因此成为首选的声波定向装置。本文以次声波为研究对象,探讨了次声波的相关理论与关键应用技术,主要包括次声波的生成和定向,次声波在大气传播过程中的衰减规律和大功率次声波信号发生装置的设计,并通过相关的仿真和物理实验验证了设计的合理性。本文的主要研究内容包括以下几个方面:次声波的定向:结合莱特希尔方程、韦斯特维尔特方程和柏格泰.远场解等专题理论知识,系统阐述了声学参量阵的工作原理。应用声学参量阵采用两路超声波通过叠加,实现以超声波载波调制生成次声波。该

4、方法可有效抑制旁瓣,使次声波主要集中在主轴方向,解决了次声波的定向传播问题。次声波在大气传播过程中的衰减规律:根据温度、密度和压强的不同剖面建立非均匀介质的大气模型。采用近似方法求解出非均匀介质下的方程。通过该方法分析出次声波声场的分布,解决了次声波在对流层大气中衰减量的计算。大功率次声波发生装置的设计:采用变频调速控制器加旋转电机的方案产生可调高功率次声波。详细介绍了矢量控制原理和空间电压矢量调制技术,并结合同步电机采用矢量控制实现了频率可调;同时设计了调速系统的硬件与软件,采用为核心处理器,快速、准确地实现了控制算法。并通过实验验证了系统方案设计的有效性和可行性。最后采用协议的的通讯格式实

5、现了控制器的通讯系统,实现了控制器的远程通讯功能。关键词:次声波:声学参量阵;方程;近似解;矢量控制原理西安理工大学硕士学位论文?一一: ,:.:., 内. .啪. . 函. ., 行.: : ,仃. , . :池, ., 。 ,.西安理工大学硕士学位论文:.、析. . . . .;:阡 ; ; ;目录目录绪论?.研究背景及意义.国内外研究进展.研究的主要内容.本文的章节安排非线性声学与声学参量阵.非线性声学理论.连续性方程.运动方程.物态方程.声学参量阵.声学参量阵的发射阵理论?.方程.远场解?.方程?.差频波声场及参量阵端射指向性?.技术及其次声波的生成.小结?.声学参量阵发射阵的设计?.

6、不同基元的指向性?.圆形基元?.矩形基元?.圆环形基元?.三种基圆的比较?.不同组织结构的参量阵的指向性?.圆形基元构成的线阵.圆形基元构成的平面阵?.小结?.次声波在大气中传播的特性.大气的结构及其声学特性?.大气的分层结构?.大气的湍流结构?.】.大气的声学特性?.波动方程及其解法?.非均匀大气模型的建立?.温度与高度的关系?.压强与高度的关系?.密度与高度的关系?.次声波的衰减量的计算?.小结?.大功率次声波发生装置的设计?.系统设计方案.西安理工大学硕士学位论文.系统设计的优缺点?.矢量控制方式的理论原理?.空间电压矢量脉宽调制技术工作原理?.系统的硬件与软件设计?.实验结果以及分析?

7、.小结?.系统的远程通讯技术.通讯协议.协议的数据格式.通讯实验结果.小结?.总结与展望?.致谢参考文献.附勇毛?绪论绪论.研究背景及意义次声波是指频率在之间的声波。通常情况下次声波并能不引起人耳听觉,并且与可听声波一样,次声波也是由物体的机械振动产生的,以各种弹性介质为媒介向四周扩散传播。次声波的频率低、波长长,因此在传播中被介质吸收的很少,穿透能力很强。次声波既能穿透空气、海水、土壤等自然介质,也能穿透舰艇壳体、飞机机体、坦克车体等大型设备。例如用一页纸即可隔挡频率为的声波,而的次声波却可以穿透数米厚的坚固的混凝土结构;海啸、地震或核爆炸所产生的次声波可摧毁大型建筑物;大气湍流所产生的次声

8、波能将巨轮上的桅杆折断等等。由于次声波的这些特点,次声波被广泛应用于工业、医疗、军事等社会发展的多个方面。在工业上,次声除尘就是次声波的一个典型应用,其原理是压缩空气,并通过能量转化得到次声波,该次声波在要除尘的器体中来回震荡,用来清除例如锅炉炉膛结焦、过热器及尾部受热面的结渣及积灰等,从而改变了传统的用蒸汽或用水吹灰的方法。次声除尘的优点在于声波是以球面形式向全方位的辐射,加之次声的衰减量小,声压可以均匀分布于炉膛或者过热器的内腔中。次声波在整个空间中反射性高,可以循环反复的作用在各部件表面,除尘效果彻底,清除的粉尘随着烟气排除。适当强度的次声波作用于腔体,阻止了粉尘的二次结渣,提高了除尘的

9、效率。石油在整个国民经济中占据主导地位,是整个工业的血液。随着工业化过程的加快,石油资源也日渐匮乏。我国虽然是能源大国,但是还有相当一部分石油是依赖于进口。国内目前的大部分油田都采用注水形式,这种方式不仅对储油层造成了破坏,同时原油开采率低。采收率不到%。而且在开采的后期,采出液中油的比例不到%,能耗极大。为了寻求更为高效率,低耗能的采油途径,人们将目光投向化学或者物理的采油方法。近年来,利用声波震动技术来实现原油的开采被广泛关注,出现了高能气体压裂、低频振动、井下脉冲放电、水力震荡和超声波等新型实用技术。由于超声波的穿透能力弱,探测深度小,一般只能用于近地面的油层。要实现对整个油层的处理,改

10、善内部原油的渗流状况,只能使用低频率的次声波。利用次声波可以改变原油的流动状态,提高原油的聚集速度和渗透速度,降低粘稠度,提高了原油的开采率。在医疗上,科学家制成的次声按摩机就是利用次声波对人体皮肤、肌肉、血管和内脏进行柔中有刚的按摩,其按摩深度、面积和均匀程度超过了甚至人工,有时能取得意想不到的效果。利用次声波治疗机还可以代替药物或手术来治疗肠胃功能紊乱、肠哽气、胆囊西安理工大学硕士学位论文功能不良等病症。人体的某些器官也会发生微弱的次声波。目前在许多疾病治疗中,医生用仪器测试人体器官发生的次声波,帮助确诊疾病的位置。利用测定的次声波的特性了解人体或其他生物器官的活动情况。次声波在临床麻醉中

11、也得到了一定的应用。次声波通过刺激人体内的器官感受器,将次声传输到中枢神经系统,从而引起神经系统一系列形态和功能上的变化。人体接收到次声波信号产生生物学效应。次声波的震动使整个神经系统发生变化,从而改变神经活动的频率,可产生催眠作用。同时研究还发现,次声波有利于平缓麻醉患者的不安情绪,降低手术过程中的中枢神经系统的应激反应,减小手术刺激所导致后遗症。次声波还可以改变生物体骨骼细胞成分的增加和繁殖。年月第四军医大学放射生物学教研室,利用不同频率的次声波作用于小鼠的骨骼成分,发现不同频率的次声波可以提高骨骼细胞中骨钙素浓度,降低碱性磷酸酶,进一步推动了骨科医学的发展,为次声波在骨病临床医学的应用奠

12、定了基础,给骨病患者带来了福音口。在军事上,次声波被用在次声武器的研究和开发上。次声武器的杀伤机理就是通过生物共振作用使机体发生损伤。当高强度的次声波作用于人体时,由于次声波与人体器官的共振作用,会导致人体器官发生异常形变,从而产生杀伤作用。次声武器的特点在于突袭性,隐蔽性,且穿透强,作用距离远,同时不会造成污染环境。利用次声波做侦查探测是次声波在军事上的另一应用。核爆炸爆炸时能发出强烈的次声波,通过次声波的检测可精确定位核弹爆炸的地点,误警率低,且侦测速度快,能在几个小时内给出侦查报告。次声波同样也可以侦查导弹的爆炸位置。次声波接收站接收导弹爆炸时发出的次声波,根据接收到的次声波的强度准确定

13、位炸弹爆炸的地点并且估算攻击的效果。由于这种侦测方法检测的是次声波,因此受外界因素干扰小,可靠性和安全性均较高。相比较其他的侦测方法,最显著的优点是费用低。次声波侦测装置与次声传感器结合还可以侦查其他武器的位置,例如榴弹炮、迫击炮等,定位和探测距离最远可以达到方圆公里。对次声波的研究在社会发展的各方面有着深远的意义,尤其是在次声波定向传播方面还处于探索阶段。众所周知,声波在传播过程中,其方向性与声波的频率相关,频率越高,传播的方向性越好。次声波的频率低,在整个传播过程中是以辐射的形式进行的。如何使次声波按照既定的方向传播引起众多科学家及学者的关注。国外在次声武器研究方面相对于国内开展的较早,主

14、要成果是次声枪和次声弹的发明,这种次声武器主要在底层大气中应用,但是由于其功率低,辐射范围小,在实际应用中受到了限制。因此各国的武器专家将目光投向了大功率、高强度的次声武器开发上。在现代战争中,次声武器要实现打击对象,使其丧失作战能力的目的,这就对要到达打击目标的次声波强度提出了较高要求。因此,次声波在大气中传播时的衰减成为次声武器在应用上需要解决的主要难题之一。次声波在大气中传播会受到大气介质状态的影响,其中包括温度和密度引起的声波折射、风场巧的存在对声波传播轨迹的影响以及大气湍流引起的声波散射等等。通过建立科学、合适的大气模型,采用波动方程硒求解出次声波在大气介质中传输过程中的衰减量,为次

15、声武器设计提供必要的参考。本文的研究为未来武器系统、次声波发生器的应用绪论等研究奠定了基础。.国内外研究进展在诸多自然灾害中都伴随着次声波的发生,关注最为广泛的就是地震。科学家利用对次声波的观测来进行临阵预报。北京工业大学地震预测研究所的老师们在次声观测方面已经做了相当多的科研工作。他们利用频率为.的次声传感器研制了两套测试系统。一套是传感器与记录仪,小时连续观测并记录次声曲线;另一套是传感器加计算机组成次声自动采集系统,利用次声波传感器将采集到的声压信号通过网络传输送到检测系统分析出地震的振源研究结果表明,该测试系统多次成功的检测到了世界范围内级以上的地震。利用次声波提高石油开采率在国内外的

16、油田也做了大量的验证工作。在俄罗斯南部的克拉斯诺达尔市的油田上,将的次声波振源放置在距油井的地方,对高含水量、油层厚度为.和的油层进行了测试,测试结果显示采出液中平均含油量增加了大约%。在恰恩格尔?塔什油田采用电磁锤次声波的一种发生源在两个实验区进行了工业性实验。两个实验区电磁锤的安装位置不同,第一个实验区是在地面安装两个距离相差的电磁锤。第二个实验区是将电磁锤安装在井口。经过测试,产油量分别增加%和%,含水量分别下降%和%。我国吉林油田在九十年代初期利用可控震源和先后在个区域进行了试验。试验结果显示产油量上升,原油粘稠度、含水度等下降,产能显著增加。自年以来,辽河油田也相继进行了试验,原油累

17、计增产九千多吨,取得了显著的经济效益。年至年间,大庆油田也利用次声波对油田进行了采油试验。由于大庆油田的地理位置的原因,产油的幅度增加的不是很大,只有%。这是由于试验区地势低洼、土壤抗剪切力差、地下水位高,再加之表面覆盖层为细粉沙性土壤,使得次声波衰减较快,影响了试验的效果。次声波所具有的强大威力,引起了国外军事科学家们的关注。自上个世纪年代起,国外就竞相研究次声武器。近年来,美、法、日、俄等国都已经研究出了次声枪和次声弹。年法国国家实验室中制成了一台高强度次声波发生器,首次试验就使公里以内的人员受到伤害。上个世纪年代法国科学家加弗列罗制出了一种“大哨笛的次声波发生器,声压级为,能对人体器官产

18、生损伤,当时法国报纸称它为“次声枪”。年苏联秘密进行次生弹爆炸试验,由于当时对其威力估计不足,又缺乏良好的防护,造成数名现场人员死亡。在上个世纪年代,美国警方利用次声波研发出一种次声武器用来控制骚乱的人群,该武器能使人在短时间内失去攻击能力。年代初,美国军方专门资助了一些科研机构来开发便携式的高功率次声波武器,并进行了模拟实验。在年的波黑内战中,美军曾利用非致命型的次声武器对波黑塞陆军进行秘密袭击,据称,塞军军队在几秒钟内陷入西安理工大学硕士学位论文一片混乱,有人抽搐,有人呕吐,有人昏倒。近年来加利福尼亚州圣迭戈的某技术公司开发出一种以发射“声波子弹”的声波枪,这种声波枪能够聚集波束,使人能短

19、时间的失去行动的能力。这种设计的最初目的主要是为了预防恐怖事件和劫机事件的发生,并且使用这种次声枪不会破坏飞机本身。美国国家政府欲将这种新型的武器配备给空警。年,法国国防部次声实验室的加夫雷奥研究出“次声波智能战士”。这是一款携带次声武器的军用机器人,具有惊人的攻击威力。年,该实验室还发明了可摧毁敌方鱼雷的“定向脉冲波次声武器”。这种次声武器能在极短的时间内发出高强度脉冲次声波,其强度之大足以提前引爆或者摧毁被锁定的鱼雷。此外,这种武器还可以改变声波的发射方向,从而使得舰艇具备全方位拦截来袭鱼雷的能力。图?次声武器. 在国防建设中,高科技的武器成为战争胜利的基础与保障。次声武器已经受到世界各国

20、的广泛关注,并投入了大量的人力和财力来开发和研究。次声武器与传统武器相比,有其独特的优点。首先,它的使用具有真正的隐蔽性,很容易实现对有生力量袭击的突然性,且不污染环境;其次,由于次声波的频率低、衰减极少,因此传播的距离很远。再次,次声波的穿透能力特别强,一般性的建筑物或者隔音墙都无法挡住次声波的传播。所以,即使人在深海的舰艇中,或者坐在坦克、装甲车及飞机内,甚至躲藏在掩蔽所里,也都难以逃避次声武器的攻击。只要防护措施上存在缝隙或孔洞,次声波都会无孔不入地钻进去。次声波武器是非致命的武器,它能在次声波发生的瞬间使人的神经出现紊乱,胸闷气短,恶心呕吐等不适症状,但是一旦停止次声波的发射,这些症状

21、在数分钟或几小时后也相继消失。因此是暂时性的攻击武器,对人体也是暂时性的伤害。.研究的主要内容本文通过对次声波的发生机理的研究,根据差频原理利用技术产生两列超声波,这两列超声波通过叠加生成次声波,该次声波不仅具有次声波固有的属性,更使得其具有绪论类似超声波的高指向性。通过建立非均匀的大气模型,模拟次声波在现实环境中的传播过程,采用近似方法求解出非均匀介质下的方程,分析在不同季节、不同地域影响次声波传播的因素及其衰减量,为次声波发生装置结构设计提供必要的依据。针对次声武器的不同类型,通过调整次声波的发生频率可以设计出器官型次声武器、神经型次声武器等。采用变频调速控制系统设计了一套可调、高功率次声

22、波信号发生装置。控制器的采用公司的工业控制处理芯片系列。根据矢量控制的原理利用技术使系统在低频工作时,能够实现对重负载的拖动,保证整个系统的高功率输出。.本文的章节安排本文针对次声波的关键应用技术展开研究,分别对次声波的传播的定向问题、次声波在大气中传播规律以及高功率次声波的发生器的设计做了相关介绍,利用做了次声波定向的仿真试验。通过对大气结构分析推导了次声波在非均匀大气下的声场分布。对于高功率的次声波发生器中的控制系统做了验证性的物理试验,具体的章节内容安排如下:第一章绪论主要介绍了次声波在工业、医疗以及军事等方面的应用,讨论了次声波在各领域中的突出优点。通过对国内外目前研究现状的分析,得出

23、次声波在实际应用中存在的问题以及不足,提出本课题研究的必要性。并且给出了本课题研究的主要内容和章节安排。第二章从流体力学三大方程出发介绍了非线性声学理论,引出了声学参量阵的概念。详细介绍了参量阵的原理,以方程、“远场解”以及方程为理论基础介绍了参量阵的发射阵。分析了差频波的声场和参量阵的指向性,同时阐述了技术的原理,通过仿真实验验证了参量阵的指向性以及次声波的生成。第三章以参量阵的指向性函数为指标设计不同形式的参量阵,分别采用圆形、矩形以及圆环为参量阵的基元,比较其指向性的不同。设计不同结构和组织形式的参量阵,比较线阵和面阵对指向性的影响。第四章研究了次声波在大气中传播规律,通过大气三大参量建

24、立了非均匀的大气模型。推导了非均匀介质的波动方程,得出次声波在大气中传播的声场分布。同时以西安和拉萨为例分析不同季节、不同地域影响次声波的衰减的因素。第五章设计了可调大功率次声波发生器,主要介绍了整个系统中变频控制器。阐述了矢量控制原理和技术,设计了控制器的硬件和软件。采用的永磁同步电机做了验证性试验。第六章设计了次声波信号发生器的远程通讯部分。详细介绍了的协议原理、西安理工大学硕士学位论文数据格式以及帧的组成格式。并与上位机与控制器组成一个完整的通讯系统,测试了通讯的准确性和可靠性。第七章对全文做了总结,说明论文的研究成果以及不足,并对今后的研究方向做出简要规划。非线性声学与声学参量阵非线性

25、声学与声学参量阵.非线性声学理论有限振幅或大幅度的声波在介质中传播时会因为介质的改变而改变,即使是同一种介质也会因为在传播过程中各质点的运动速度不同造成波形畸变、饱和空化等非线性现象。由于介质之间的非线性作用,声波在传播时伴随有差频波、和频波以及谐波等的产生,并且波的叠加原理不再成立。即此时声波的传播不再遵守线性声学规律,这就形成了声学的另外一个分支一非线性声学哺。下面就以流体力学的连续性方程、运动方程和物态方程等理论为基础,并考虑运动的非线性或者介质的非线性,分析次声波传播的过程。.连续性方程连续性方程实质为质量守恒定律,即单位时间内流入已知体积的净质量等于该体积内质量的增加速率。显然,单位

26、时间内流入该体积的净质量等于: .一其中为流体的密度,为流体的速度,为法线,为表面积。在已知体积内流体质量增加速率为:.:【裳景兵甲为体积。根据质量守恒定律,式.必须与式.相等,则有:.一秒?丘寰打利用高斯公式从面积分转换到体积分:.一秒。一其中矿兰兰兰七是哈密顿算子,因此就有:。.一喂对与任意的值,只要令被积函数警矿。妒等于零,就能是上式均成立,且可得到连续性方程:.襄?西安理工大学硕士学位论文利用泰勒级数对式.进行展开,则会出现介质非线性和运动非线性的混合项。.运动方程作用在任一流体体积上的总压力司以表不为:。一上其中为压强,利用高斯公式,可以将式.变换为: .一 根据牛顿第三运动定律,则

27、有:.一咖罢打要使上式在任何条件均成立,则单位体积内的运动方程可以表示为:.一塞单位体积的速度包括两部分:不均匀场引起的速度变化率。场的不定性引起的质点速度随时问的变化率。因此,总的速度变化率可表示为:.塞警。最终,运动方程可以表示为:.降妒?可以看出,当考虑介质的非线性或者运动的非线性时,介质的运动不再遵循线性方程。其中降?矿】成为对流项,它描述了运动的非线性性质。.物态方程介质的某一单位体积有声波传过时,该体积内的流体密度、压强以及温度等均会有所变化,而且这三个物理量之间相互影响,物态方程就是用这三个量的变化来描述介质状态变化规律的方程。一般情况下,用宏观的热力学物理量来表示该方程:.,其

28、中为密度,为熵,为压声波的传播过程可以认为是一个恒熵的过程。因为即使声波频率很低,但传播过程还是相对较快的,膨胀过程和体积压缩的周期和热导时间相比要短的多。则有:.:五唰.:.。?设为动态压力,为动态密度,则:.? ?其中,分别静态压强和静态密度。将式.带入式.,简化可得:非线性声学与声学参量阵.五三睁.?其中。,。唰,。唰、毛。由上式可以看到,从第二项开始出现了介质的非线性项。.声学参量阵非线性声学认为两个不同频率的声波在传播的过程中,每个声波的传播都是在被另一个声波扰动的介质中进行的,因此会因为介质的不均匀性而发生散射现象,成为“声散射声”。因为介质是被另一个声波扰动的不均匀介质,所以可以

29、认为该散射声中存在被另一个声波所调制的成分,即差频及和频成分。在传播过程中两个原频波不断产生声散射声,其正向散射部分与原频波传播方向相同的部分同相叠加到前些时刻产生的散射声上得以逐渐加强,因此正散射方向上的声强相对于其他方向的上要明显高出很多,从而形成了声端射阵,提高了声波的指向性。声学参量阵蚰是指由于介质的非线性效应沿同一方向传播的两列高频声波和龟,在远场形成差频波一龟、和频波龟、倍频波和等声波的装置。由于声波在传播过程中的衰减与频率的平方成比例,因此和频波与倍频波很容易衰减,从而只存在差频波。同时因为和最的频率可以做的很接近,因此差频波一最的频率可以做得很低,很适合于次声波的发生。由于声源

30、信号和的频率较高,换能器就可以做的很小,产生的差频波强度比初始波稍高,衰减小,波束角与高频波非常接近,旁瓣小,波束的指向性好,且分辨率高。参量阵的发射原理图如图.所示。图参量阵的发射原理图.声波指向性的主要影响因素是声波波长和声源尺寸。当声波波长远大于声源尺寸时,容易发生衍射现象,导致声波没有指向性;当声波波长接近或者远小于声源尺寸时,声波的指向性将逐渐呈现出来。次声波的频率在之间,在空气介质中的波长一之间,很容易发生衍射,绕过障碍物向后传播,这就是次声波能够无孔不入的原因所在,所以也就不存在指向性。西安理工大学硕士学位论文超声波的波长大都在毫米级,一般远小于声源尺寸,因此其具有超强的指向性。

31、如图.所示,选择频率差在之间两列超声波和龟通过叠加产生次声波。对于任一复杂声波信号,理论上均可将其分解为一系列正弦信号之和,即. 式中:表示时间;为第个正弦信号分量的幅值;为第个正弦信号分量的角频率。将式.用泰勒级数展开,其二阶项就会有出现非线性项. 将上式可表达为由原始信号各频率成分产生的一对对和频、差频项.,?】式中:,为第,对非线性项差频、和频分量的幅值。由此可知,由于非线性作用影响,声波叠加的可以产生和频波、差频波。次声波根据声源的不同,其发生场是线场或面场,属于散射场,次声波传播不具备指向性,但是通过声学参量阵可以使处于次声波范围内的差频信号具有指向性。图?声学参量阵不恿图.参量声学

32、阵可对此进行解释。声学参量阵的实质是一个虚拟的声源阵.。其形成过程如图.所示,换能器发出沿轴向传播的超声波,该超声波受所要生成的次声波的调制。在空气介质的作用下,调制的超声波通过空气的自解调作用生成次声波,解调出的次声波在传播方向上积累叠加起来,能量逐渐得到加强,进而形成了端射式虚拟声源阵列。由于超声波的高指向性,主轴以外方向的传播受到叠加效果影响将会变得很弱,最终使得次声波在主轴方向具有了很强的指向性。由此可见,低频信号的高指向性通过声学参量阵是能够实现的。.声学参量阵的发射阵理论声学参量阵通过小尺寸的换能器或者换能器发射阵发出两列不同频率的超声波,这两个超声波因介质的非线性,在声场的交互区

33、域相互发生作用,产生低频率的差频波。目前非线性声学与声学参量阵声学参量阵的理论主要有方程,“远场解”以及方程。方程讨论的重点主要集中在两个频率上,被称为“双频参量阵理论”而“远场解”则解释了宽带高指向性差频波。虽然方程充分考虑了介质的散射效应、非线性、吸收等因素,但是因为存在高次积分,所以在实际应用上受到了一定的限制。因此采用远场解作为次波声定向传输工作的理论基础。.方程三;从通常的流体力学方程组出发,经过严密的推导得出了流体力学的波动方程。并经过理论计算,最后得到的非线性波动方程为:.一言嘉呐昙簪一磊其中/为非线性系数,而木/称为源强函数。在研究的基础上提出的线源参量阵的概念,他认为参量阵的

34、声源分布在一条线上。在理论推的导过程中,声波的衰减因子是在求解波动方程时以“理所应当”的方式引入的,并没有经过严格的论证;同时假设传播的介质为理想流体。此外,在其整个推导过程中,忽略有限振幅效应,并且认为原频波与差频波均是小振幅波,而且整个理论实际上只是二级近似,也就是非线性项只取二阶。推导了两个频率分别为和的原波信号一,在传播距离/为参量阵有效阵长,【为衰减系数时,通过非线性作用,产生的差、和频声压为.?;/宰/仅与式中:。是,波数。/,为声波传播的速度,是声源中心到积分点的距离,。是密度平均值,是传播轴与积分矢量的夹角,是时间。.一。一;/主一/:。式中:是压力平均值,是声压,是密度。式.

35、表示两个频率的原波输入经过非线性作用产生的输出。由于和频波的频率高,衰减大,因此经过一段距离的传播只存在差频波。方程讨论的重点是原波为两个频率的理论。一个宽带信号可以利用傅里叶级数表示成个频率成分相互作用结果。如何解决宽带差频信号的理论,在此方面做了深入的研究。在方程的基础上,以宽带信号为研究对象推导出了宽带差频信号声西安理工大学硕士学位论文址:.丽雨式中:是原波声压幅值,品是声源面积,卢是非线性系数,.是声波传播距离,是包络函数,?/是延迟时间。式.即为“远场解”。它表明宽带声学参量阵经过空气自解调作用得到声压与包络函数平方的二阶时间导数成正比。因此将声波信号合理的融入到包络平方函数中即可实

36、现宽带声频信号的定向传播。远场解”是现有声波定向系统信号处理方法的基础。.方程早期的非线性超声波方程在建立声场理论模型时,要么只考虑到声波在传播过程中的散射、吸收及非线性中的一两个方面,要么在应用中有一定的条件限制。这样的声场模型相对是比较粗糙的。.巧方程综合考虑了介质中有限幅声波的散射、吸收、非线性等因素,因此可采用方程建立次声频定向系统声场。方程纠去石最嚣%簧面嘉其中/,/,/,/,?/,回/,、。及均是归一化的变量。为换能器表面的峰值声压,为基波角频率,/是波数,是基波吸收系数,;邝是平面波的形成距离,。和的换能器分别是介质在环境压力下的密度和声速,/定义尺寸大小为的瑞利距离。?/是延迟

37、时间。,是坐标变量。该方程描述了声波在流体介质中传播时产生的衍射、非线性、吸收等现象。将方程用于求解声学参量阵,则上述方程中为差频波角频率。若/,为原频波中心角频率定义为换能器在原频波中心频率下的距离,则归一化后的方程变为:.去四:瞧嚣嚣瓦丽碡式中/为参量阵频率下移比,邝是原频波的平面波截断距离,各归一化变量的定义仍同式.,只是、分别被、代替。可利用有限差分法得到方程.的解。虽然方程能够更精确地描述声学参量阵的理论模型,但是由于方程的解存在多重积分,尚不能直接用于次声波定向系统的信号处理方法开发中。对于使用脉冲信号调制的系统中,方程的结果与远场解的结果相差不大。因此采用远场解作为参量阵的理论模

38、型更具工程价值。非线性声学与声学参量阵.差频波声场及参量阵端射指向性假设两平面波的频率分别为和最,声压幅值为和。按照准线近似原则,合成声波声压为:, 【?】.?设波的传播方向平行于平面,频率的波向量与轴的夹角为,频率最的波向量与轴的夹角为,/,/。实际的声压取式.的实部,得出声压的平方为:.竿华譬将式.代入.中进行简化得到声压的平方函数中包括许多非线性项。其中差频波的声压为.一一一】式中为场中某一点的向量。假设原频波强度不大,且声场按准线进行计算,认为源强函数发生场也满足叠加定理。共轴平面波沿轴传播,并把原频波的吸收考虑在内,则有:.,卜仅仅】?式中一:一;仅,为原波的吸收系数。求出原频波相互

39、作用产生差频波的源强函数为:.一仅仅】? ?阳互忑?因此可以近似地把共轴平面波的相互作用式.看作在共同区域中连续分布的一系列虚源。这些虚源做等幅同相振动。如图.所示。图.同轴平面波相互作用产生差频波. 西安理工大学硕士学位论文当介质均匀时,差频波声压为:。,?面?面广。丙矿?石忑面瓦丽由上式.可以得出共轴平面波束参量阵的声压幅值为:, 一/木/木./。【一/】/当时,声压幅值在主轴上最大,有:, 一/木/仅一仅.且声压以声轴为中心呈对称分布,最终得到差频波的指向性函数:.。忑而赢警掣式中仅仪?【,可以看到,是一阶贝塞尔函数。由两个因子构成该指向性函数:前一个因子是可看作孔径很小沿轴线安放的声源

40、的指向性函数,即虚拟的二次声源产生的指向性;第二个因子是由干涉波束截面孔径效应引起的,它的存在使得波束角更窄。是衡量声波指向性的指标,反映了声波传播方向的准直程度。因此,参量阵的指向性函数为:。:三:?.“,净凸】由式.可得参量阵的方向锐度角一/扼为:.一口嘉?利用对声学参量阵进行仿真。参数选取原波频率为,差频波为,基阵为压电陶瓷圆形活塞,其活塞的半径。比较在常规阵和参量阵下次声波的指向性。图.常规阵下次声波的指向性图.非线性声学与声学参量阵.一蓉./ 、:? 。 . 一 声波与主辖的夹角图参量阵次声波的指向性图 .从图.中可以看出在常规阵下,次声波在声轴的范围内的指向性都等于,这说明次声波在

41、常规阵下的辐射是向各个方向都存在的,并且声压都近似等于主轴上的声压,进一步证明了次声波在传播过程中是以球面波的形式向外传播的。图.是参量阵声场的指向性,在主轴上次声波变的很尖锐,说明了次声波的传播主要集中在主轴的方向,并且有效抑制了旁瓣。.技术及其次声波的生成次生波生成的关键就是差频技术的应用。利用压电晶体产生两束或四束频率稍微有差异的超声波,波束辐射到空间后发生合成和干涉,两者作用产生高频和低频声波,高频波是两者频率之和,低频波是两者频率之差,高频波在空气中很快被衰减,低频波则直达目标,在声场“声场中可以干涉生成次声波。图四束超声波形成的声场 .西安理工大学硕士学位论文采用技术产生超声波,超

42、声波通过叠加干涉生成次声波。技术将先进的数字信号处理的理论与方法引入频率合成领域,其主要由相位累加器位加法器与位累加寄存器构成、正弦查询表、数/模转换器及低通滤波器构成,其中相位累加器是的核心,完成相位累加运算。技术根据相位间隔对正弦信号进行采样,将所得波形数据存储在定制好的正弦表格中。的主要工作过程如图.所示:在参考时钟的作用下,相位累加器类似一个计数器,在脉冲输入时,增加一个步长的相位增量,将结果反馈到输入端继续累加;同时把累加结果作为正弦查询表的地址,正弦查询表根据这个地址输出相应的波形数据,最后经过数/模转换器和低通滤波器将波形数据转换成模拟波形,从而得到最终的输出频率宰/,频率控制字

43、控制相位增量的大小。时图? 基本原理框图. 利用中的模块建立的仿真系统如图所示图在下的仿真模型.?在该系统中参数设置如下:时钟频率,频率控制字,加法器和寄存器的长度均设为位,计算所得出频率的输出值木/.。所以声波的周期为/.。仿真实验得出的波形如图所示:非线性声学与声学参量阵声压/图 仿真结果图 .从图中可以看出,所得实验结果与理论计算结果是一致的,说明该方法可以生成所需频率的声波。次声波的产生过程如下:在声源处采用技术发出两路的高频超声波和,昂和的频率差控制在次声波的频率范围内,使这两路超声波在声场发生干涉,形成差频波。此差频波即为所需的次声波。对于次声波的合成所选取的参数如下:,所以一,设

44、每列波的振幅均为。的仿真结果如下:超声波调制合成的次声波。遥馨一. 晤 . ./图.超声波调制合成次声波.可以看出,所得到的波的频率为,证明了利用技术发出的两列超声波能够合成产生次声波。.小结本章从流体力学的连续性方程、运动方程以及物态方程出发,阐述了声波传播中的非线性现象,为声学参量阵提供了理论依据。建立的参量阵理论模型为双频信号参量阵,在研究的基础上提出带宽参量阵。同时考虑到次声波传播过程中的衍射、散射、吸收等因素,分析了方程。通过比较远场解”和方程的结果得知,虽然方程能更加准确描述参量阵,但是其解存在多重积分,运算量大。对于使用脉冲信号调制的系统中,方程的结果与远场解”的结果相差不大。西安理工大学硕士学位论文因此采用远场解”作为参量阵的求解算法。推导了差频波的声场分布,得出参量阵的指向性函数,其主要有两部分组成,分别为二次虚拟声源的指向性和干涉孔径的指向性。衡量声波指向性的指标,反映了声波传播方向的准直程度。通过仿真实验验证了参量阵能够使次声波实现定向传播。利用差频原理采用技术经过声电转换采用两列超声波信号,实现了次声波的生成,并通过仿真实验验证了其正确性。声学参量阵发射阵的设计声学参量阵发射阵的设计从上一章中可知,指向性函数反映了