научная статья по теме ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РЕЖИМА ФАЗОВОГО ЗАПРЕТА ДЛЯ ВОЛНЫ СУММАРНОЙ ЧАСТОТЫ НЕЛИНЕЙНОГО АКУСТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ Физика

Текст научной статьи на тему «ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РЕЖИМА ФАЗОВОГО ЗАПРЕТА ДЛЯ ВОЛНЫ СУММАРНОЙ ЧАСТОТЫ НЕЛИНЕЙНОГО АКУСТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ»

АКУСТИЧЕСКИМ ЖУРНАЛ, 2007, том 53, № 5, с. 653-665

НЕЛИНЕЙНАЯ АКУСТИКА

УДК 534.2

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РЕЖИМА ФАЗОВОГО ЗАПРЕТА ДЛЯ ВОЛНЫ СУММАРНОЙ ЧАСТОТЫ НЕЛИНЕЙНОГО АКУСТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ

© 2007 г. А. М. Гаврилов

Таганрогский государственный радиотехнический университет 347928 Ростовская обл., Таганрог, ГСП-17А, пер. Некрасовский, 44 E-mail: gavr_am@mail.ru Поступила в редакцию 6.02.06 г.

Рассмотрена теоретическая модель для поля волны суммарной частоты нелинейного акустического излучателя с трехчастотной волной накачки, учитывающая диссипацию и дифракцию гауссового пучка. В рамках второго приближения волна суммарной частоты представлена как суперпозиция двух синхронно и коллинеарно распространяющихся компонент с равными частотами. Показано, что помимо амплитудно-фазовых соотношений в спектре накачки на пространственные и амплитудно-фазовые характеристики волны суммарной частоты оказывают влияние дифракционные изменения амплитуд и фаз первичных волн. Наиболее явно эта зависимость проявляется в режиме фазового запрета, когда подбором амплитудного и фазового спектров накачки в среде практически прекращается ("запрещается") генерация волны суммарной частоты. Результаты численного анализа согласуются с данными экспериментальных исследований. Область практического использования исследуемого режима включает диагностику неоднородностей сред, обнаружение объектов вблизи границ раздела, уменьшение нелинейного затухания, акустические измерения и др.

PACS: 43.25.Lj, 43.25.Jh, 43.25.Zx, 43.30.Lz

ВВЕДЕНИЕ

Под режимом фазового запрета понимаются такие условия для амплитудных, фазовых и частотных соотношений в спектре излучаемой регулярной волны конечной амплитуды, при которых в процессе нелинейного взаимодействия оказываются перекрытыми один или несколько возможных каналов оттока энергии из накачки во вторичные волны [1]. Подобное влияние амплитудно-фазовых соотношений на волновые процессы в квадратично-нелинейных средах без дисперсии наблюдается для различных типов исходных волн [1, 2]. Одним из таких случаев является узкополосная трехчастотная волна накачки нелинейного акусти-

ческого излучателя (НАИ) с симметричным частотным спектром щн = (щ - П), ю0, щв = (щ + П), генерирующая в спектре второго порядка бигар-моническую волну разностной частоты (ВРЧ) с частотами П и 2П, вторые гармоники накачки (2юн, 2ю0, 2юв) и волны с суммарными частотами (щн + + ю0, щ + щв, щн + юв), рис. 1. Поскольку здесь всегда выполняется условие юн + щ = 2ю0, то эти гармоники фактически являются компонентами одной волны, называемой в дальнейшем волной суммарной частоты (ВСЧ), образовавшимися при взаимодействии различных пар волн накачки. Заметим, что из двух компонент помимо ВСЧ состоит и 1-я гармоника ВРЧ (П): щ - щн = щв - щ = П).

Волны разностной частоты

Pc

P,

СВ

\

рсн "

P

-¡Ь

Волны накачки

P

PH

С

PB

С

Волны суммарной частоты и вторые гармоники накачки

PC0

PCH P2H Т

P P

Юн ®0 ®B

-ib

С

С

20

CB

P

/

HB

С

P

2B

С

0 п 2п

Рис. 1. Спектр трехчастотной накачки и нелинейно генерируемых вторичных волн (второе приближение).

2юн Юн + ю0 2ю0 юв + Ю0 2юв Ю Юн + Юв

В рамках второго приближения остальные вторичные волны являются однокомпонентными, поскольку появляются в результате взаимодействия одной пары волн накачки.

Отмеченная особенность приводит к качественным различиям между одно- и двухкомпо-нентными вторичными волнами в их зависимости от амплитудно-фазовых соотношений в спектре накачки. Например, поскольку гармоника с частотой юя + ю0 возникает в результате взаимодействия двух первичных волн (юя и ю0), то фазовые соотношения между волнами накачки влияют лишь на ее начальную фазу. Иная ситуация у ВСЧ и 1-й ВРЧ, каждая из которых является суперпозицией двух синхронно и коллинеарно распространяющихся равночастотных компонент, образовавшихся при взаимодействии различных пар гармоник первичного спектра. Поле каждой из этих волн определяется соотношением амплитуд и фаз входящих в их состав компонент, которые в свою очередь зависят от амплитуд и фаз образующих их волн накачки.

Очевидно, что при определенных амплитудно-фазовых соотношениях в спектре накачки может наступить условие, когда амплитуды компонент одной и той же комбинационной частоты окажутся равными, а их фазы противоположными. Эту ситуацию можно рассматривать как своеобразное акустическое "короткое замыкание" противофазных нелинейных источников, ответственных за генерацию компонент с частотами 2ю0 и (или) О. В результате отток энергии из накачки в ВСЧ и (или) 1-й ВРЧ прекращается, приводя к "запрету" их образования.

Как любой компенсационный процесс, рассматриваемый режим представляет собой состояние неустойчивого равновесия, возникающее в результате баланса амплитуд и фаз двух волновых процессов. Интерес к режиму фазового запрета ВСЧ и 1-й ВРЧ обусловлен широкими возможностями его практического использования благодаря высокой чувствительности амплитуд этих волн к любым нарушениям амплитудных и (или) фазовых соотношений в спектре накачки. Среди возможных путей его использования являются диагностика неоднородностей среды (газовые пузырьки, гидродинамические возмущения, температурные и структурные неоднородности) [2-4], обнаружение объектов вблизи и на границе раздела (морское дно, граница вода-воздух, дефекты поверхности) [4], контроль неровностей границ (микрорельеф дна, поверхностное волнение, шероховатость), уменьшение нелинейного затухания [5], акустические измерения [6] и др.

Продвижение в практику методов, использующих режим фазового запрета, сдерживается, с одной стороны, ограниченным количеством сведений по данному вопросу, а с другой, - отсутствием теоретических моделей, соответствующих усло-

виям проведения эксперимента и предполагаемого практического использования. Так, в частности, экспериментально наблюдаемые особенности поля ВСЧ в режиме фазового запрета [3-5] не находят своего объяснения в рамках взаимодействия плоских волн и известных моделей НАИ [7, 8]. Причина расхождений лежит в отсутствии учета частотно-зависимых процессов дифракции и диссипации, приводящих к нарушению амплитудных и фазовых соотношений в многочастотной накачке. На это обстоятельство указывает тот факт, что учет диссипации и дифракционных изменений амплитуд и фаз первичных волн в рамках решения уравнения Хохлова-Заболотской-Кузнецова (ХЗК) позволил проследить их влияние и получить согласие с результатами эксперимента для режима фазового запрета 1-й ВРЧ [9]. Аналогичный анализ ВСЧ в рамках пучковой модели НАИ не проводился.

Целью данной работы является разработка теоретической модели процесса генерации двух-компонентной ВСЧ в квадратично-нелинейной среде без дисперсии трехчастотной накачкой с произвольными амплитудно-фазовыми соотношениями в спектре при наличии дифракции и диссипации волн. Это позволит проследить зависимость ВСЧ от амплитудно-фазовых соотношений в рамках пучковой модели НАИ, провести численный анализ особенностей формирования поля ВСЧ в режиме фазового запрета, сопоставить их с результатами эксперимента [12] и сравнить с поведением 1-й ВРЧ в аналогичных условиях [9].

1. АКУСТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ ДИФРАГИРУЮЩЕЙ ВОЛНЫ НАКАЧКИ

Для построения теоретической модели воспользуемся уравнением ХЗК [10, 11]

д_

дт

dp dx

ро c0

dp p дт

д2 p

2ро4дт2

= ^ •

(i)

которое учитывает диссипативное затухание, дифракцию первичных и генерируемых ими вторичных волн. Здесьp - звуковое давление; c0, £, р0, b -скорость звука, нелинейный акустический параметр, плотность и диссипативный коэффициент

среды; т = (t - x/c0); А± = (д2/дy1 + д2/ду2). Анализ поля ВСЧ проведем для звуковых пучков накачки с гауссовым поперечным распределением амплитуды, что позволяет получить общие решения для первичных и вторичных волн в аналитическом виде через достаточно простые функции. Граничное условие для осесимметричных пучков волн накачки с равномерным фазовым распределениями вдоль поверхности плоского излучателя в цилиндрической системе координат имеет вид:

pn(т, r, x = 0) = Ponexp(-r2/a2)cos(ю„т + ф„о), (2)

где a - радиус излучателя; юп - частоты первичных волн, п = (1, 2, 3); г и x - поперечная и продольная (осевая) координаты; P0n и ф0п - начальные (х = 0) значения амплитуд и фаз волн; ю1 = Юн = = (ю0 - П), ю2 = ю0 и ю3 = юв = (ю0 + П) - нижняя боковая, центральная и верхняя боковая частоты спектра первичной волны. Далее п = (1, 2, 3) соответствуют индексы "H", "0" и "в", связанные с введенным обозначением частот Юн, 0, в.

Рассматривая волны накачки при Яе < 1 (Яе -акустическое число Рейнольдса), что исключает появление разрывов в волновом профиле, будем решать уравнение (1) методом последовательных приближений. Уравнение первого приближения

Э_

дт

д p

(1)

з2 (!)1

дx

2роС3 дт2

-2 а,р(1) = 0 (3)

с граничным условием (2) описывает дифракцию квазиплоской трехчастотной волны накачки, распространяющейся в диссипативной среде. Решение уравнения (3) запишем в виде

р(1)(т, г, x) =

1 (4)

= 1 [Р(г, x)е'Ю1Т + P2(r, х)е""2" + Рз(г, x)е'ЮзТ + к.с.],

где пространственные распределения комплексных амплитуд волн накачки описываются известным выражением [10, 11]

Ъ / ч Pon ( г 1

pn( - x) = 1 70777 ехР

a21 - ixlhn ^ (5)

22 _ a ^ _a Юо Л 1 1 _ , Л 1'

^ = "2^ = "^11- фJ = ^11- ФГ

2

= а щв = , (1 + 1

1дв = 177 = Ч1 + ФГ

(6)

ао =

Ь ю0 2 Ро со

ан =

Ью

н

2 Ро с0

= а0

1-1121 ф^ '

а в =

Ь ю в 2роС

з = ао(1 + ф

С учетом (6) выражения для комплексных амплитуд первичных волн (5) принимают вид:

рн(Г, г) =

Р

01

1 - izФ/(Ф - 1 )

X

X ехр

Ро( г, г) =

1 - izФ/(Ф - 1)

Р 02

1 - iz

Рв (Г, г) =

ехр

- а0 2

1 - iz

Роз

1-Ф I г1до

- а0г1

до

(7)

1 - izФ/(Ф + 1)

X

X ехр

н

1- izФ/(Ф +1) где z = х/1д0; гн = г/а.

- ао1 1

Ф121

до

2. ГЕНЕРАЦИЯ ВОЛНЫ СУММАРНОЙ ЧАСТОТЫ ДИФРАГИРУЮЩЕЙ ТРЕХЧАСТОТНОЙ НАКАЧКОЙ В СРЕДЕ С ДИССИПАЦИЕЙ

Для нахождения поля вторичных волн воспользуемся уравнением второго приближения:

1 - ix/ 1д

= Рп(г, X)ехр [/[фп(г, х) + фоп]], где 1дп = кпа2/2 = Юпа2/2с0 - длины областей дифракции волн накачки; кп = Юп/с0; i = „/-1; Роп = = Р0пехр(/'ф0п);

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком