本發(fā)明涉及一種非均勻混合介質(zhì)非線性系數(shù)測量方法。

背景技術(shù)：

水聲學(xué)的發(fā)展對于國家國民生產(chǎn)建設(shè)具有重要的意義，研究水下聲場中的非線性問題得到越來越多的重視和關(guān)注。在水聲領(lǐng)域里非線性聲學(xué)理論被應(yīng)用于深海水文測量、海底地質(zhì)調(diào)查、聲納技術(shù)等方面。而如何測量介質(zhì)的非線性系數(shù)是獲得非線性聲學(xué)效應(yīng)敏感因素，并有針對性利用非線性效應(yīng)或增強(qiáng)非線性效應(yīng)的重要一環(huán)。目前，測量介質(zhì)非線性系數(shù)的主流方法有以下幾種方法：熱力學(xué)方法、相位比較法、有限振幅聲波法和參量陣方法等。下表所示是以上幾種方法的主要缺點(diǎn)。

表1非線性系數(shù)測量方法優(yōu)缺點(diǎn)比較

其中，參量陣法是通過兩列聲波發(fā)生非線性相互作用產(chǎn)生高指向性的差頻波(Parametric acoustic array:Theory,advancement,and applications.APPLIED ACOUSTICS.2012：73(12),1209-1210)來對介質(zhì)非線性系數(shù)進(jìn)行測量，但該方法嚴(yán)重依賴聲壓幅度測試精度。綜合對比結(jié)果可知，非線性系數(shù)測量需要確定和測量的相關(guān)參數(shù)種類多樣且十分復(fù)雜，對相位和聲壓的測量要求較高，實(shí)際操作步驟較為復(fù)雜，難以可靠保證測量精度，無法滿足對復(fù)雜的非均勻混合介質(zhì)進(jìn)行非線性系數(shù)的測量要求。申請?zhí)枮?01310469627.7的專利文件中，公開了一種三列聲波非線性相互作用下聲能量轉(zhuǎn)換的相位控制方法，利用三波耦合互作用原理可實(shí)現(xiàn)水下聲能量的有效轉(zhuǎn)化，但如何利用該原理實(shí)現(xiàn)對水下復(fù)雜混合介質(zhì)非線性系數(shù)的測量則未見報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種步驟簡單，測量精度高，具有較高的應(yīng)用價(jià)值的基于三波耦合互作用原理的非均勻混合介質(zhì)非線性系數(shù)測量方法。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

(a)在水箱內(nèi)，將組合發(fā)射換能器放置于非均勻混合介質(zhì)樣品的一側(cè)，位置為x＝0，在樣品另一側(cè)放置接收水聽器，位置為x＝R，收發(fā)距離R與非均勻混合介質(zhì)樣品長度相當(dāng)，組合發(fā)射換能器和水聽器等深度H布放于水箱中；

(b)在位置x＝0處，放置組合發(fā)射換能器，共點(diǎn)同向向混合介質(zhì)中發(fā)射三列聲波，三列聲波的角頻率滿足三波耦合共振關(guān)系ω₁+ω₂＝ω₃，ω₁<ω₂<ω₃，水聽器沿軸向接收所述三列聲波傳播至接收位置處的聲壓；

(c)調(diào)整三列聲波的發(fā)射角頻率ω_i、幅度B_i(x)和相位差i＝1,2,3，要求相位差的掃描步長不大于π/8；

(d)在x＝R處，使水聽器接收到三列聲波中角頻率為ω₁的聲波的聲壓級變化量E₁(R)大于30dB，記錄在非均勻混合介質(zhì)樣品測試條件下的三列聲波發(fā)射頻率和初始幅度B_i(0)；

(e)將非均勻混合介質(zhì)樣品移出水箱，在純水介質(zhì)中，仍保證三列聲波發(fā)射頻率和初始幅度保持不變，在軸向方向上移動接收水聽器的位置，并改變?nèi)新暡òl(fā)射相位差；

(f)首先大步長ω₁/(4c)粗掃描獲得產(chǎn)生角頻率為ω₁的聲波聲壓級變化量大的敏感距離區(qū)域，進(jìn)一步在該區(qū)域中進(jìn)行細(xì)致掃描，步長為ω₁/(20c)，最終確定能產(chǎn)生穩(wěn)定的聲壓級變化量大于30dB的收到距離R₁；

(g)保持三列聲波發(fā)射頻率和初始幅度不變，將純水介質(zhì)的聲速c_水、密度ρ_水和水介質(zhì)的非線性系數(shù)β_水代入三波耦合非線性互作用方程，計(jì)算在該參數(shù)下，產(chǎn)生角頻率為ω₁的聲波的聲壓級變化量大于30dB的收發(fā)距離，記錄為R₂；

(h)保持三列聲波發(fā)射頻率和初始幅度不變，將純水介質(zhì)的聲速c_水、密度ρ_水分別替換為非均勻混合介質(zhì)樣品的聲速c_混、密度ρ_混，三波耦合非線性互作用方程中的非線性系數(shù)仍設(shè)定為水中的非線性系數(shù)值，代入三波耦合非線性互作用方程，計(jì)算在該參數(shù)下，產(chǎn)生角頻率為ω₁的聲波的聲壓級變化量大于30dB的收發(fā)距離，記錄為R₃；

(i)計(jì)算得到修正系數(shù)γ＝R₂/R₁，用于修正測試結(jié)果和模型計(jì)算之間的誤差；

(j)根據(jù)非線性系數(shù)與角頻率為ω₁的聲波聲壓級變化量大于30dB的收發(fā)距離參數(shù)之間滿足線性關(guān)系，計(jì)算得到該非均勻混合介質(zhì)的非線性系數(shù)為

本發(fā)明提供了一種利用聲波非線性相互作用實(shí)現(xiàn)聲能量在不同頻率間發(fā)生轉(zhuǎn)換的方法，該方法基于Westervelt方程的理論基礎(chǔ)，充分利用了三列聲波的耦合，實(shí)現(xiàn)了聲波之間能量的有效轉(zhuǎn)換。

本發(fā)明是一種在實(shí)驗(yàn)水箱中對非均勻混合介質(zhì)的非線性系數(shù)進(jìn)行測量的新方法。該方法基于三波耦合互作用原理，通過分步向非均勻混合介質(zhì)和水介質(zhì)中發(fā)射三列滿足條件的聲波，對比混合介質(zhì)與純水介質(zhì)中聲波發(fā)生明顯聲壓級變化的觀測距離量，并經(jīng)過模型和測試結(jié)果修正，間接高精度的獲得混合介質(zhì)的非線性系數(shù)測量結(jié)果。

本發(fā)明的方法充分利用介質(zhì)的非線性效應(yīng)，通過分步向非均勻混合介質(zhì)和水介質(zhì)中發(fā)射三列滿足耦合工作互作用條件的聲波，對比混合介質(zhì)與純水介質(zhì)中聲波發(fā)生明顯聲壓級變化的觀測距離量，并經(jīng)過模型和測試結(jié)果修正，間接獲得混合介質(zhì)的非線性系數(shù)測量結(jié)果。該方法不依賴于聲波相位和聲壓等參數(shù)的測量精度，可有效提高非線性系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測量精度，測試方法適用于實(shí)驗(yàn)水箱條件，且測試步驟簡單，測量精度高，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

本發(fā)明的有益效果可以歸納為：

(1)該方法充分利用介質(zhì)的非線性效應(yīng)，通過分步向非均勻混合介質(zhì)和水介質(zhì)中發(fā)射三列滿足耦合工作互作用條件的聲波，對比混合介質(zhì)與純水介質(zhì)中聲波發(fā)生明顯聲壓級變化的觀測距離量，并經(jīng)過模型和測試結(jié)果修正，間接獲得混合介質(zhì)的非線性系數(shù)測量結(jié)果。

(2)測試方法適用于實(shí)驗(yàn)水箱條件，系統(tǒng)復(fù)雜度低，測試步驟簡單。

(3)該方法不依賴于聲波相位和聲壓等參數(shù)的測量精度，可有效提高非線性系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測量精度。

(4)測量精度高，具有較高的實(shí)驗(yàn)價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。

附圖說明

圖1非均勻混合介質(zhì)樣品測試示意圖。

圖2純水介質(zhì)測試示意圖。

圖3混合介質(zhì)中聲波ω₁的聲壓級變化量E₁(R)隨相位差的變化曲線。

圖4水介質(zhì)中聲波ω₁的聲壓級變化量E₁(R₁)隨相位差的變化曲線。

圖5水介質(zhì)中聲波ω₁的聲壓級變化量E₁(R₂)隨相位差的計(jì)算曲線。

圖6根據(jù)三波耦合互作用方程計(jì)算得到聲波ω₁的聲壓級變化量E₁(R₃)隨相位差的變化曲線。

圖7為本發(fā)明的流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。

(a)在實(shí)驗(yàn)水箱內(nèi)，將組合發(fā)射換能器放置于非均勻混合介質(zhì)樣品的一側(cè)，位置為x＝0，在樣品另一側(cè)放置接收水聽器，位置為x＝R，該收發(fā)距離R與樣品長度相當(dāng)。組合發(fā)射換能器和水聽器等深度H布放于水箱中。見圖1，圖1中：1為組合發(fā)射換能器；2連接發(fā)射設(shè)備；3為非均勻混合介質(zhì)樣品；4連接接收設(shè)備；5為接收水聽器；6為純水；7為吸聲尖劈；8為水箱。

(b)在空間位置x＝0處，組合發(fā)射換能器共點(diǎn)同向向混合介質(zhì)中發(fā)射三列聲波，其角頻率滿足三波耦合共振關(guān)系ω₁+ω₂＝ω₃，ω₁<ω₂<ω₃。水聽器沿軸向接收該三列聲波傳播至接收位置處的聲壓。

(c)利用有限振幅聲波及混合介質(zhì)自身的非線性聲學(xué)效應(yīng)，根據(jù)三波耦合互作用規(guī)律，在組合發(fā)射換能器發(fā)射頻率范圍和發(fā)射能力的合理范圍內(nèi)，調(diào)整三列聲波的發(fā)射角頻率ω_i、幅度B_i(x)(i＝1,2,3)和相位差要求相位差的掃描步長不大于π/8。

根據(jù)三列聲波傳播過程中復(fù)振幅滿足的三波耦合互作用方程組：

該方程組中，ω_i表示聲波角頻率，表示聲波波數(shù)，下標(biāo)i表示對應(yīng)三列聲波的編號。A_i(x)(i＝1,2,3)為聲波的復(fù)振幅。β為非線性系數(shù)，決定了介質(zhì)自身固有的非線性性質(zhì)，是本專利中的待測量量。ρ、c分別為介質(zhì)密度、聲速，δ表示介質(zhì)耗散效應(yīng)的大小。本專利中，以上方程中的變量根據(jù)具體測試介質(zhì)的不同可用下標(biāo)_水和_混進(jìn)行區(qū)分。

將復(fù)振幅進(jìn)行分解得到傳播到任意位置x處三列聲波聲壓的幅度和相位滿足以下制約關(guān)系：

方程中的B_i(x)和分別表示三列聲波傳播到位置x處的幅度和相位，為相位差。

(d)在固定水聽器接收位置在x＝R處，使水聽器接收到的聲波ω₁的聲壓級變化量E₁(R)大于30dB，記錄在非均勻混合介質(zhì)樣品測試條件下的三列聲波發(fā)射頻率和初始幅度B_i(0)。

固定傳播距離，即水聽器位置為x＝R，通過調(diào)整三列聲波的發(fā)射頻率、幅度和相位差，可以得到聲波ω₁的聲壓級值為其中最大的聲壓級為PL₁(R)|_max，最小的聲壓級PL₁(R)|_min，則聲波ω₁的聲壓級變化量E₁(R)(單位為：dB)為：

E₁(R)＝|PL₁(R)|_max-PL₁(R)|_min| (3)

使E₁(R)>30dB，記錄在非均勻混合介質(zhì)樣品測試條件下的三列聲波發(fā)射頻率和幅度。

(e)將非均勻混合介質(zhì)樣品移出水箱，在純水介質(zhì)中，仍保證三列聲波發(fā)射頻率和初始幅度保持不變，在軸向方向上移動接收水聽器的位置，并改變?nèi)新暡òl(fā)射相位差。見圖2，將圖1中的非均勻混合介質(zhì)樣品3換成純水9。

(f)為保證測量精度，采取“粗掃”到“細(xì)掃”的方法，首先大步長ω₁/(4c)粗掃描獲得產(chǎn)生聲波ω₁聲壓級變化量較大的敏感距離區(qū)域，進(jìn)一步在該區(qū)域中進(jìn)行細(xì)致掃描，步長為ω₁/(20c)，最終確定可產(chǎn)生穩(wěn)定的聲壓級變化量大于30dB的收到距離R₁。

(g)保持三列聲波發(fā)射頻率和初始幅度不變，將純水介質(zhì)的聲速c_水、密度ρ_水和水介質(zhì)的非線性系數(shù)β_水代入三波耦合非線性互作用方程(公式2)，計(jì)算在該參數(shù)下，產(chǎn)生聲波ω₁的聲壓級變化量大于30dB的收發(fā)距離，記錄為R₂。

(h)保持三列聲波發(fā)射頻率和初始幅度不變，將純水介質(zhì)的聲速c_水、密度ρ_水分別替換為非均勻混合介質(zhì)樣品的聲速c_混、密度ρ_混，方程中的非線性系數(shù)仍設(shè)定為水中的非線性系數(shù)值，代入三波耦合非線性互作用方程(公式2)，計(jì)算在該參數(shù)下，產(chǎn)生聲波ω₁的聲壓級變化量大于30dB的收發(fā)距離，記錄為R₃。

(i)計(jì)算得到修正系數(shù)γ＝R₂/R₁，用于修正測試結(jié)果和模型計(jì)算之間的誤差。

(j)根據(jù)非線性系數(shù)與聲波ω₁聲壓級變化量大于30dB的收發(fā)距離參數(shù)之間滿足線性關(guān)系，計(jì)算得到該非均勻混合介質(zhì)的非線性系數(shù)為

上面對發(fā)明內(nèi)容各部分的具體實(shí)施方式進(jìn)行了說明。該方法主要由“混合介質(zhì)測試步驟——水介質(zhì)測試步驟——計(jì)算”三大連續(xù)操作的測試步驟組成，對比混合介質(zhì)與純水介質(zhì)中聲波發(fā)生明顯聲壓級變化的觀測距離量，并經(jīng)過模型和測試結(jié)果修正，間接獲得混合介質(zhì)的非線性系數(shù)測量結(jié)果。

實(shí)例

實(shí)例參數(shù)設(shè)置如下：水介質(zhì)的非線性系數(shù)β_水＝3.6，密度ρ_水＝998kg/m³，水中聲速c_水＝1480m/s?；旌辖橘|(zhì)的非線性系數(shù)β_混＝6.0，密度ρ_混＝942kg/m³，混合介質(zhì)中的聲速為c_混＝1320m/s，該混合介質(zhì)樣品的長度為0.22m。將水聽器布放于距離發(fā)射換能器0.22m處，即R＝0.22m。

首先在混合介質(zhì)中進(jìn)行測試。調(diào)整三列聲波的發(fā)射頻率分別為f₁＝150kHz、f₂＝350kHz和f₃＝500kHz，則三列聲波的角頻率為ω_i＝2πf_i(i＝1,2,3)，且滿足ω₁+ω₂＝ω₃的三波耦合共振條件。調(diào)整三列聲波的發(fā)射幅度分別為B₁(0)＝17.7828Pa(對應(yīng)聲壓級為145dB)、B₂(0)＝5.6234kPa(對應(yīng)聲壓級為195dB)和B₃(0)＝5.6234kPa(對應(yīng)聲壓級為195dB)。使得在距離R處，聲波ω₁的聲壓級變化量E₁(R)大于30dB，其中相位差的掃描步長為π/8。

圖3給出混合介質(zhì)中聲波ω₁的聲壓級變化量E₁(R)隨相位差的變化曲線。

將混合介質(zhì)樣品移出水箱，在純水介質(zhì)中，仍保證三列聲波發(fā)射頻率和初始幅度保持不變，在軸向方向上移動接收水聽器的位置，距離掃描步長設(shè)置為0.005m，并改變?nèi)新暡òl(fā)射相位差，相位差的掃描步長為π/8。測量得到水介質(zhì)條件下聲波ω₁的聲壓級變化量大于30dB的收發(fā)距離，并記錄為R₁。

圖4給出水介質(zhì)中聲波ω₁的聲壓級變化量E₁(R₁)隨相位差的變化曲線。

由圖4可知，測試結(jié)果顯示R₁＝0.54m。

保持三列聲波發(fā)射頻率和初始幅度不變，將純水介質(zhì)的聲速c_水、密度ρ_水和水介質(zhì)的非線性系數(shù)β_水代入三波耦合非線性互作用方程(公式2)，計(jì)算在該參數(shù)下，產(chǎn)生聲波ω₁的聲壓級變化量大于30dB的收發(fā)距離，記錄為R₂。

圖5給出水介質(zhì)中聲波ω₁的聲壓級變化量E₁(R₂)隨相位差的計(jì)算曲線。

由圖5可知，測試結(jié)果顯示R₂＝0.555m。

計(jì)算得到修正系數(shù)γ＝R₂/R₁＝1.02，用于修正測試結(jié)果和模型計(jì)算之間的誤差。

保持三列聲波發(fā)射頻率和初始幅度不變，將純水介質(zhì)的聲速c_水、密度ρ_水分別替換為非均勻混合介質(zhì)樣品的聲速c_混、密度ρ_混，方程中的非線性系數(shù)仍設(shè)定為水中的非線性系數(shù)值，代入三波耦合非線性互作用方程(公式2)，計(jì)算在該參數(shù)下，產(chǎn)生聲波ω₁的聲壓級變化量大于30dB的收發(fā)距離，記錄為R₃。

圖6給出根據(jù)三波耦合互作用方程計(jì)算得到聲波ω₁的聲壓級變化量E₁(R₃)隨相位差的變化曲線。

由圖6可知，計(jì)算結(jié)果顯示R₃＝0.365m。

最終計(jì)算得到該非均勻混合介質(zhì)的非線性系數(shù)為和混合介質(zhì)非線性系數(shù)的真實(shí)值進(jìn)行對比可知誤差僅為1.5％。證明該方法具有較高的測量估計(jì)精度。