Исследование фазовой зависимости энергообмена и особенностей распространения регулярных волн в средах без дисперсии



страница1/4
Дата04.12.2012
Размер380 Kb.
ТипАвтореферат
  1   2   3   4


На правах рукописи

Ситников Роман Олегович

Исследование фазовой зависимости энергообмена и особенностей распространения регулярных волн в средах без дисперсии
Специальность 01.04.06 – Акустика


А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Таганрог 2007

Работа выполнена на кафедре электрогидроакустической и медицинской техники Технологического института Южного федерального университета в г. Таганроге (ТТИ ЮФУ).

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Гаврилов А.М. (ТТИ ЮФУ, г. Таганрог)


Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Рыжов В.П.

(ТТИ ЮФУ, г. Таганрог)
кандидат технических наук Усов В.П.

(ФГУП “НИИ” «Бриз», г. Таганрог)

Ведущая организация: ОАО Таганрогский завод «Прибой»

(г. Таганрог)


Защита состоится «30» августа 2007 г. в 1420 часов на заседании диссертационного совета Д 212.208.23 в Технологическом институте Южного федерального университета в г. Таганроге.

Адрес: 347928, Ростовская обл., г. Таганрог, ул. Шевченко 2, кафедра ЭГА и МТ, ауд. Е-306.


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южного Федерального университета.

Автореферат разослан « 21 » июля 2007 г.



Ученый секретарь

диссертационного совета,

д.т.н., профессор



Н.Н. Чернов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Предметом настоящей работы является исследование фазозависимых процессов при распространении в квадратично-нелинейной бездисперсионной среде трехчастотного волнового пакета ( и , где ) и бигармонической волны с некратным целочисленным соотношением частот , ,..., где .
На фоне широкого круга различных задач, рассматриваемых в настоящее время нелинейной акустикой, вопросы распространения регулярных волн в однородных средах перешли в категорию классических и сравнительно редко привлекают к себе внимание. Несмотря на это изучение таких волн остается актуальным, поскольку связано с пониманием ряда особенностей, имеющих принципиальное значение для физики нелинейных волн. К их числу относятся вопросы влияния фазовых соотношений в спектре исходной волны на процесс энергообмена между первичными и вторичными волнами, а также на условия их совместного распространения.

Принято считать, что при нелинейном взаимодействии в средах без дисперсии происходит непрерывная откачка энергии из первичных волн во вторичные, все волны имеют одинаковые скорости, сохраняя между собой фазовые соотношения. Выполнение этих условий лежит в основе объяснения накопительного характера нелинейных искажений, в частности, превращения гармонической волны в ударную разрывную волну. Однако, как следует из результатов исследования нелинейного взаимодействия волн с кратными частотами (Гаврилов А.М., Батрин А.К., Савицкий О.А.), такое поведение характерно лишь ограниченному числу волн: гармоническая, амплитудно-модулированная, фазомодулированная и некоторые другие. В общем случае начальные амплитудно-фазовые соотношения способны существенно повлиять на направление энергообмена, привести к нарушению фазового синхронизма и изменению фазовых скоростей взаимодействующих волн.

Сложность рассмотрения общей задачи о влиянии фазовых соотношений на процесс взаимодействия волн с произвольными частотными соотношениями не позволила в рамках единого подхода получить однозначное представление о происходящих физических процессах, закономерностях их проявления и количественных характеристиках. Одна из первых попыток ее решения была предпринята Л.К. Зарембо (Акуст. журн., 1961). Но, несмотря на существование точных аналитических решений уравнений нелинейной акустики (уравнений Римана и Бюргерса), эта проблема остается открытой. В значительной мере это связано с трудностями описания физической модели, где должны быть учтены фазовые соотношения в спектре исходного возмущения. Поэтому отправным пунктом к изучению обозначенных вопросов может служить рассмотрение частных случаев, являющихся упрощенными моделями для встречающихся на практике волн. Сюда следует отнести трехчастотную узкополосную волну с симметричным спектром и бигармоническую волну с некратным целочисленным соотношением частот. Первая из них является адекватной моделью общего случая модулированных волн с произвольным амплитудно-фазовым спектром, а вторая  позволяет провести анализ нелинейных процессов при взаимодействии двух волн с произвольными частотными и амплитудно-фазовыми соотношениями. Такой подход не только упрощает теоретическое рассмотрение особенностей проявления фазозависимых нелинейных процессов и делает наглядными получаемые закономерности, но также делает возможным полномасштабное экспериментальное исследование, не отягощая его результаты влиянием сопутствующих физических явлений.

На практике звуковые поля создаются, как правило, в виде ограниченных в пространстве пучков. Поэтому, а также в связи с возможным использованием фазозависимых нелинейных процессов в прикладных задачах (режим фазового запрета волн разностной и суммарной частот), актуальным является учет амплитудно-фазовых искажений, возникающих при распространении неодномерных волн в средах с потерями. Частотно-зависимые процессы диссипации и дифракции пучка способны существенно исказить начальные амплитудно-фазовые соотношения в процессе распространения первичных волн, что неизбежно сказывается на процессе генерации вторичных волн и требует своего рассмотрения.

Недостаточная разработанность задачи о распространении модулированных волн конечной амплитуды с произвольными входными параметрами зачастую сдерживает их использование в устройствах с акустическим каналом передачи информации (подводная связь, телеметрия, управление автономными аппаратами и др.). Отмечаемое низкое качество передачи сигналов может быть связано с проявлением нелинейной дисперсии, приводящей к искажениям как огибающей, так и фазовой модуляции высокочастотного заполнения. Исследования условий и особенностей проявления нелинейной дисперсии, без чего невозможно преодолеть имеющиеся трудности, до настоящего времени не проводились. В свою очередь экспериментальные исследования нелинейной дисперсии трехчастотного волнового пакета требуют разработки новых методов, позволяющих проводить прямые измерения нарушений фазового синхронизма, работая в импульсном режиме излучения. Это связано с повышением достоверности результатов наблюдения и проведением исследований в условиях, ограниченных лабораторным бассейном.

Попытки измерения нелинейной дисперсии трехчастотной волны наталкиваются на необходимость учета одного из практически неизученных видов геометрической дисперсии, в основе которой лежат дифракционные процессы в звуковых пучках. Разделение их вкладов возможно лишь после проведения теоретического и экспериментального исследований геометрической дисперсии в пучках.

Отсутствие исследований фазозависимых процессов при взаимодействии двух волн с произвольными частотными и амплитудно-фазовыми соотношениями можно объяснить невозможностью их экспериментального наблюдения при формировании излучаемых сигналов двумя независимыми генераторами. Это неоднократно подтверждалось проводившимися опытами. Начавшееся использование бигармонических волн с некратным целочисленным соотношением частот (нелинейные излучатели, локационные системы для классификации объектов по акустической жесткости, измерения комплексного коэффициента отражения и др.) потребовало применения цифровых способов формирования многочастотных сигналов. Технически стало возможным однозначное определение фазовых соотношений между гармониками разных частот, позволив не только теоретически, но и экспериментально исследовать их влияние на энергообмен и условия распространения волн в нелинейной среде с целью последующего учета в работе акустических устройств.

Растущие требования к техническим параметрам акустических устройств (чувствительность, точность обнаружения, разрешающая способность и др.) заставляют обращаться к использованию сложных сигналов. Эффективность такого подхода напрямую связана с необходимостью учета искажений сигнала, обусловленных нелинейностью амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик электроакустического тракта. Потребность в измерении фазо-частотной характеристики излучателя и отсутствие апробированных подходов делает актуальным использование здесь фазозависимых нелинейных процессов.

Данная работа продолжает проводимые в ТТИ ЮФУ на кафедре ЭГА и МТ исследования фазозависимых нелинейных процессов при распространении акустических волн, отличаясь от предыдущих целью, задачами и полученными результатами.

Целью работы является исследование фазозависимых процессов при распространении в квадратично-нелинейной бездисперсионной среде трехчастотного волнового пакета и бигармонической волны с некратным целочисленным соотношением частот, установление закономерностей их проявления и поиск путей практического использования.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:

    1. Теоретически рассмотреть закономерности и определить механизмы фазозависимого энергообмена при распространении трехчастотного волнового пакета в средах без дисперсии. Провести экспериментальное исследование амплитудно-фазовых и пространственных распределений амплитуд первичных и вторичных волн.

    2. Выявить особенности реализации режима фазового запрета волн разностной (ВРЧ) и суммарной (ВСЧ) частот при учете диссипации и дифракции звукового пучка. Сравнить результаты расчета плосковолновой и пучковой моделей, экспериментально исследовать характеристики этих волн.

    3. Провести анализ фазовых характеристик взаимодействующих волн, определить условия и закономерности нарушения фазового синхронизма в трехчастотном волновом пакете из-за нелинейных и дифракционных процессов.

    4. Разработать и технически реализовать метод измерения фазового инварианта для импульсного режима излучения трехчастотной волны. Провести экспериментальное исследование нелинейной и геометрической дисперсии в дифрагирующем пучке;

    5. Используя аналитическое решение уравнения простых волн и численное моделирование уравнения Бюргерса рассмотреть особенности фазозависимых нелинейных волновых процессов при взаимодействии двух волн с некратным целочисленным соотношением частот.

    6. Разработать измерительную установку, набор специализированных излучателей и провести экспериментальное исследование фазозависимых нелинейных процессов при взаимодействии двух волн с некратным соотношением частот (, ,...).

    7. На основе установленных закономерностей проявления фазозависимых нелинейных процессов разработать и технически реализовать метод измерения фазо-частотной характеристики излучателей ультразвука.


Научная новизна работы заключается в следующем:

      1. На примере трехчастотного волнового пакета теоретически и экспериментально исследован механизм влияния фазовых соотношений в начальном спектре на процесс распространения модулированной волны конечной амплитуды, продемонстрирована возможность управления перекачкой энергии во вторичные волны.

      2. Теоретически и экспериментально рассмотрена задача о влиянии диссипации и дифракции звуковых пучков на условия реализации режима фазового запрета волн разностной и суммарной частот, генерируемых трехчастотной волной.

      3. Выявлена возможность нарушения фазового синхронизма между компонентами трехчастотного волнового пакета в квадратично-нелинейной среде без дисперсии, теоретически и экспериментально исследован фазозависимый характер проявления нелинейной дисперсии и ее взаимосвязь с энергообменом между волнами.

      4. Рассмотрена задача о геометрической дисперсии гармонической волны в дифрагирующих пучках с плоским и сферически сходящимся фазовым фронтом. Получено экспериментальное подтверждение теоретических результатов.

      5. Рассмотрена задача учета влияния начальных амплитудно-фазовых соотношений на процесс нелинейного взаимодействия волн с некратным целочисленным соотношением частот. Теоретически и экспериментально исследованы особенности проявления фазозависимых процессов при изменении соотношения частот взаимодействующих волн.

      6. Разработаны и практически реализованы новые методы для прямого измерения дисперсии скорости звука при работе с импульсными сигналами, а также – для безэталонного измерения фазо-частотной характеристики (ФЧХ) акустических излучателей.


Практическая значимость полученных в работе результатов:

  1. Рассмотренные теоретические модели позволяют проводить оценку характеристик акустического тракта различных устройств, использующих в своей работе трехчастотные сигналы с симметричным частотным спектром и двухчастотные сигналы с некратным соотношением частот.

  2. Разработанный и экспериментально апробированный метод измерения фазового инварианта трехчастотной волны с использованием фигур Лиссажу позволил измерять дисперсию (нелинейную и геометрическую) в импульсном режиме излучения.

  3. Результаты исследований нелинейного взаимодействия двух волн с некратным соотношением частот демонстрируют важную роль фазовых соотношений в работе параметрического излучателя с бигармонической накачкой, неучет которых способен существенно повлиять на амплитуду волны разностной частоты. Определены начальные соотношения фаз, обеспечивающие наибольшую амплитуду ВРЧ.

  4. Выявленные закономерности и условия проявления нелинейной дисперсии, ранее не учитывавшиеся в работе ряда акустических систем (эхолокаторы для классификации объектов по акустической жесткости, устройства для измерения газосодержания в жидкости, в акустических измерениях комплексного коэффициента отражения и др.), способны существенно влиять на их работу и должны рассматриваться при их проектировании и эксплуатации.

  5. При создании лабораторной измерительной установки разработаны и практически реализованы принципы формирования и излучения бигармонических волн с некратным соотношением частот и произвольным соотношением амплитуд и фаз. Полученные технические решения могут быть применены для построения гидроакустических систем различного назначения.

  6. Разработан, технически реализован для работы в автоматизированном режиме и экспериментально апробирован метод измерения фазо-частотной характеристики излучателей ультразвука, в основе которого лежит фазовая зависимость нелинейных процессов в трехчастотной волне.


Положения, выносимые на защиту:

  1. Теоретически и экспериментально исследованные закономерности фазозависимого энергообмена при распространении в нелинейной среде трехчастотного волнового пакета.

  2. Результаты численного анализа и экспериментального исследования условий и особенностей реализации режима фазового запрета для волн разностной и суммарной частот с учетом диссипации и дифракции звукового пучка.

  3. Результаты экспериментального исследования нелинейной дисперсии в трехчастотном волновом пакете.

  4. Результаты экспериментального исследования геометрической дисперсии в звуковых пучках с плоским и сферически сходящимся фазовым фронтом.

  5. Теоретически исследованные закономерности нелинейного взаимодействия плоских волн с некратным целочисленным соотношением частот и произвольными амплитудно-фазовыми соотношениями для доразрывной области и области развитых разрывов. Результаты эксперимента. Техническое решение задачи формирования и излучения бигармонических волн с некратным соотношением частот и произвольным соотношением амплитуд и фаз.

  6. Метод прямого измерения нелинейной и геометрической дисперсии, его техническая реализация и результаты экспериментальной проверки.

  7. Безэталонный метод измерения фазо-частотной характеристики излучателя ультразвука, его техническая реализация и результаты экспериментальной проверки.


  1   2   3   4

Похожие:

Исследование фазовой зависимости энергообмена и особенностей распространения регулярных волн в средах без дисперсии iconЛекция 8 Оптические свойства анизотропной среды. Двойное лучепреломление
Зависимость фазовой скорости от направления распространения волн и поляризации электрического вектора
Исследование фазовой зависимости энергообмена и особенностей распространения регулярных волн в средах без дисперсии iconЗакономерности распространения волн в упругих средах; основные акустические параметры и методы их исследования
Задача дисциплины – получение теоретических знаний и практических навыков необходимых при изучении курса "Промышленная акустика"
Исследование фазовой зависимости энергообмена и особенностей распространения регулярных волн в средах без дисперсии iconКафедра «Физическая электроника» Курс «Физическая оптика» Направление: «Техническая физика»
Знать основные понятия и закономерности распространения основных видов световых волн в сплошных средах и на границах раздела
Исследование фазовой зависимости энергообмена и особенностей распространения регулярных волн в средах без дисперсии iconНеустановившиеся движения в плотных средах (полугодовой)
Основная задача курса – изучение основных методов решения задач о распространении волн напряжения в различных средах
Исследование фазовой зависимости энергообмена и особенностей распространения регулярных волн в средах без дисперсии iconУчебная программа Дисциплины 08 «Методы решения статистических задач акустики» по направлению 011800 «Радиофизика» Нижний Новгород
Основное внимание при чтении лекций уделяется приближенным методам решения задач распространения и рассеяния скалярных волн в средах...
Исследование фазовой зависимости энергообмена и особенностей распространения регулярных волн в средах без дисперсии iconИсследование формирования особенностей материальной культуры казахского народа, в зависимости от природных условий территории их проживания
Тема: Исследование формирования особенностей материальной культуры казахского народа, в зависимости от природных условий территории...
Исследование фазовой зависимости энергообмена и особенностей распространения регулярных волн в средах без дисперсии iconУспешная передача 100 Гбит/с сигнала на 4000 км без компенсаторов дисперсии. Москва, Россия, 30 Мая, 2012
Москва, Россия, 30 Мая, 2012 – Российская компания Т8 осуществила успешную передачу сигналов 100 Гбит/с на 4000 км волокна без компенсаторов...
Исследование фазовой зависимости энергообмена и особенностей распространения регулярных волн в средах без дисперсии iconНовикова светлана геннадиевна премедикация при амбулаторных стоматологических вмешательствах в зависимости от индивидуально- типологических особенностей пацие
Вмешательствах в зависимости от индивидуально- типологических особенностей пациентов
Исследование фазовой зависимости энергообмена и особенностей распространения регулярных волн в средах без дисперсии iconИспользование регулярных выражений в Perl
Предположим, в программе проверяется ввод пользователя, чтобы выяснить, хочет ли он завершить программу, введя слова stop, quit,...
Исследование фазовой зависимости энергообмена и особенностей распространения регулярных волн в средах без дисперсии iconПарапсихология и психофизика. 2000. №1. С. 58-62. О распространении волн в сетевой среде и их воздействии на вещество
Предложена теория кластерных сетей. Обсуждаются особенности распространения волн в этих сетях. Показана возможность объяснения новых...
Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org