[发明专利]非线性介质中声波相互作用后声能量的输出调节方法

说明书

技术领域

本发明涉及声波非线性相互作用领域，尤其涉及声波之间非线性参数相互作用的输出调节方法。

背景技术

从1960年维斯特维尔特开始提出利用声与声的非线性相互作用形成参量阵概念以来，非线性声学的发展越来越快，应用越来越广，对它的研究和应用取得了很多新的进展。水中声波的非线性相互作用可认为是在相互作用区域形成了变参数发射器或者是变参数接收器。变参数相互作用过程的概念诞生于无线电学，其实质是在某个振荡电路中的电容或者是电感发生周期性变化时，就可使微弱电信号出现放大或减弱。声波之间发生非线性相互作用的过程中，参数相互作用问题占有极其重要的地位。声波能量传输的过程中，起核心作用的是诱导扩散过程，使得弱信号波与泵波相互作用同时产生各阶谐波，表现为声极子分裂的不稳定性，波的振荡，谱能量的转移等，但是相互作用过程中遵守能量守恒定律。声波之间发生非线性参数相互作用的条件是介质具有强的非线性或者相互作用的声波之一是大功率声波，可以激发介质的非线性，这个声波可以低频声波也可以是低频声波。已有很多学者研究了声波的参数相互作用问题，Fenlon利用傅立叶级数展开，给出了多个大振幅简谐声波相互作用后各频率成分的表现形式。现有技术中以Fenlon理论为基础，研究了空气介质中大振幅波对声波的抑制，也有关于大振幅波对弱波的放大问题的研究。还有利用谱分解方法研究水介质中两超声波的非线性相互作用理论，讨论了低频波能量的变化。没有关于声波变参数相互作用后生成ω₂新声场后三列声波幅值随距离和频率的变化特征、声波能量随传播距离和频率变化的能量转移过程。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以根据实际需要调节各列波的输出能量的非线性介质中声波相互作用后声能量的输出调节方法。

本发明的目的是这样实现的：

包括以下步骤：

(a)频率为ω₃的泵波和频率为ω₁的弱信号波发生非线性相互作用，产生频率为ω₂的谐振波；

(b)根据所述泵波、弱信号波和谐振波的频率ω₃、ω₁和ω₂，分别计算相互作用后三列波位移x处的幅值B₁(x)、B₂(x)和B₃(x)；

(c)根据获得的泵波幅值B₃(x)、弱信号波幅值B₁(x)及谐振波幅值B₂(x)的变化特点实现对三列波的输出能量调节。

本发明还可以包括：

1、所述谐振波为和频谐振波或者差频谐振波，即或者

2、所述计算三列波位移x处的幅值B₁(x)、B₂(x)和B₃(x)的方法为：

步骤(b1)根据泵波和弱信号波在非线性介质中相互作用的伯格斯(Burgers)方程，计算获得在位移x处声波振速v(x)；

步骤(b2)根据步骤(b1)获得的声波振速v(x)，计算获得三列声波相互作用后的波幅方程；

步骤(b3)由波幅方程计算获得相互作用后的三列波在位移x处的幅值B₁(x)、B₂(x)和B₃(x)。

3、所述伯格斯(Burgers)方程为：

其中，v为声波振速，B/A为介质的非线性参数，是状态方程泰勒级数展开式中二次项系数与线性系数之比，它是非线性声学的基本参量，c₀为静态声速，ρ₀为非线性介质的密度，为时间延迟，x为测量距离。b为介质粘滞系数，ζ为切粘滞系数，η为体粘滞系数，为温度电导率系数，c_v，c_p为电容比热和电压比热；

声源在x＝0处发送的正弦波，计算获得在位移x处声波振速v(x)表示为：

其中，A₁(x)，A₂(x)，A₃(x)为三列声波的复振幅，c为常量。

4、非线性介质为水。

5、三列声波相互作用后的波幅方程：

其中，为相位失配因子。若则三波是相位匹配的，相当于三个声子动量守恒，为耗散系数。