3. Теоретическая часть.
3.1. Параметрическая антенна.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований параметрических антенн и взаимодействия нелинейных волн изложены в многочисленных статьях и обобщены в монографиях Р.Бейера, Л.К.Зарембо и В.А.Красильникова [9,10] и многих других авторов, как отечественных, так и зарубежных [8,12,13]. Однако в начале этих исследований параметрическая антенна в воздушной среде была полностью игнорирована. И лишь только в начале 70-х годов появляются первые публикации, посвящённые данной теме (исследования техасского университета и два американских патента [6] и [7]).
В [6] описывалась звуковая система с параметрической антенной для практического использования в музеях, картинных галереях и т.д., для воспроизведения звуковой информации перед отдельными экспонатами на ограниченной площади. Суть изобретения ¾ использование двух лучей ультразвуковых волн постоянной амплитуды, направленных таким образом, чтобы область пересечения этих лучей образовалась в том месте, где необходимо воспроизвести звуковую информацию, причём один из лучей фазомодулирован звуковым сигналом с помощью фазосдвигающих цепей. В районе пересечения лучей естественное изменение амплитуды воспроизводимого звука появляется из-за разности фаз модулированной и немодулированной волн. Причём ни один из используемых ультразвуковых лучей не ,,звучит” сам по себе и даже не шумит, услышанный без парного луча, но воспроизводит звуковую информацию при пересечении в сравнительно небольшом объёме пространства. Таким, образом пересечение двух лучей образует отдельную локальную зону слышимости, и никто из посторонних, не находящихся в зоне пересечения лучей, не услышит данную информацию. Предполагалась также возможность использования параметрической антенны в военном деле, например, для озвучивания отдельных групп войск с вертолёта или командного поста.
В [7] параметрическая антенна предназначалась для создания инфразвуковых частот в воздухе при использовании двух точно направленных источников акустических волн, имеющих частоты звукового диапазона или выше. Такой метод получения инфразвуковых колебаний представлялся наиболее оптимальным, так как длина волны инфразвуковых волн очень велика, и использовавшиеся источники инфразвуковых волн имели круговые диаграммы направленности, что делало опыты с инфразвуком трудными и опасными и для самих испытателей. Использование же двух направленных источников, обладающих частотой колебаний выше инфразвуковой и не оказывающих вредного физиологического и нейрофизиологического воздействия на человека, но в площади своего пересечения, складываясь друг с другом или вычитаясь, дающих инфразвук, в основном, предполагалось для военных целей (для выведения из строя противника, попавшего в зону действия инфразвука).
Принцип действия излучающей параметрической антенны можно пояснить следующим образом. В простейшем случае параметрический излучатель (ПИ) представляет собой первичный преобразователь, генерирующий высокочастотные волны накачки (рис. 1) и участок среды, протяжённостью L з (L з ¾ расстояние затухания волн накачки). Волной накачки чаще всего служит бигармонический сигнал с близкими звуковыми или ультразвуковыми частотами f1 и f2. Интенсивность первичных волн должна быть достаточной для того, чтобы сделать среду нелинейной. При взаимодействии первичных волн накачки в нелинейной среде и их распространении появляются волны с новыми частотами, которых не было в спектре первичного излучения.
 |
Рис.1. Схема нелинейной параметрической излучающей антенны.
Частоты вторичных волн легко определить, возводя в квадрат функцию
где р01 и р02 – константы-амплитуды волн давления ;
f1 и f2 – частоты волн накачки ;
j – фаза ;
t – время ;
описывающую исходный бигармонический сигнал. Видно, что в среде происходит нелинейный процесс генерации вторых гармоник 2f1 и 2f2, а также волн суммарной f1+f2 и разностной F=f1–f2 частот. Из-за квадратичной частотной зависимости вязкого поглощения волны f1, f2, 2f1, 2f2, f1+f2 затухают гораздо раньше, чем волна разностной частоты (ВРЧ). Поэтому за пределами области взаимодействия первичных волн, ограниченной длиной их затухания Lз, может существовать лишь разностная волна F. Сама же область взаимодействия, в которой распределены нелинейные источники ВРЧ (создаваемые волнами накачки), выполняет роль антенны, излучающей разностный сигнал F.
Известно, что обычные протяжённые источники (такие, как дифракционные или антенные решётки) могут формировать узкие диаграммы направленности, угловая ширина которых тем меньше, чем большее число длин волн, укладывающихся на длине излучателя. В случае ПИ число длин l- ВРЧ, укладывающихся на длине Lз области взаимодействия, очень велико, и угловая ширина диаграммы направленности в реальных устройствах обычно не превышает нескольких градусов.
Уникальные свойства ПИ связаны ёще с тем обстоятельством, что источники ВРЧ в области взаимодействия не являются покоящимися, они возникают при нелинейном взаимодействии волн накачки и движутся
вместе с ними со скоростью звука с0. Это явление, как и в обычных антеннах бегущей волны, приводит к тому, что ВРЧ излучается в основном вперёд ¾ вдоль оси распространения пучков накачки и под малыми углами к оси.
Среди других качеств ПИ можно отметить практически полное отсутствие боковых лепестков в диаграмме направленности. Её форма определяется, главным образом, продольным распределением амплитуд высокочастотных (ВЧ) волн, которые плавно уменьшаются при удалении от преобразователя накачки по экспоненциальному (из-за диссипации) или более сложному (вследствие дифракции нелинейного затухания) закону.
На форму диаграммы направленности оказывает влияние и поперечное распределение амплитуд ВЧ-волн на преобразователе (краевые эффекты), однако максимумы бокового излучения оказываются разнесёнными на большие углы; кроме того, боковое излучение сильно подавленно из-за нелинейности процесса генерации ВРЧ. Пример характеристик направленности первичного и вторичного излучений ПИ приведён на рис.1.1. Первичные волны обладают частотами 418 (а) и 482 кГц (б), при диаметре излучателя 2а = 7,5 см. Вторичная волна ¾ с частотой 64 кГц (в).
Рис.2. Характеристики направленности первичного (а,б) и вторичного (в)
излучений.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.