ПАРАМЕТРИ́ЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕ́НИЕ ЗВУ́КА

ПАРАМЕТРИ́ЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕ́НИЕ ЗВУ́КА, про­цесс ге­не­ра­ции ком­би­на­ци­он­ных то­нов при не­ли­ней­ном взаи­мо­дей­ст­вии зву­ко­вых волн в сре­де. Су­ще­ст­ву­ют 2 ре­жи­ма П. и. з.: 1) две вы­со­ко­час­тот­ные аку­стич. вол­ны (ком­по­нен­ты вол­ны на­кач­ки), взаи­мо­дей­ст­вуя друг с дру­гом, по­ро­ж­да­ют аку­стич. вол­ну раз­но­ст­ной час­то­ты, из­лу­чае­мую из об­лас­ти взаи­мо­дей­ст­вия; 2) мо­ду­ли­ро­ван­ная по ам­пли­ту­де или час­то­те вы­со­ко­час­тот­ная аку­стич. вол­на на­кач­ки в ре­зуль­та­те де­тек­ти­ро­ва­ния сре­дой воз­бу­ж­да­ет низ­ко­час­тот­ную аку­стич. вол­ну на час­то­те мо­ду­ля­ции. Об­ласть не­ли­ней­но­го взаи­мо­дей­ст­вия волн яв­ля­ет­ся свое­об­раз­ной «бес­те­лес­ной» ан­тен­ной, раз­ме­ры ко­то­рой оп­ре­де­ля­ют ха­рак­те­ри­сти­ку на­прав­лен­но­сти па­ра­мет­рич. из­лу­ча­те­ля зву­ка. По­это­му да­же при ма­лых раз­ме­рах из­лу­ча­те­лей вол­ны на­кач­ки уда­ёт­ся по­лу­чить ост­ро­на­прав­лен­ное низ­ко­час­тот­ное из­лу­че­ние. К дос­то­ин­ст­вам па­ра­мет­рич. из­лу­ча­те­лей зву­ка от­но­сят­ся вы­со­кая на­прав­лен­ность ге­не­ри­руе­мо­го из­лу­че­ния, от­сут­ст­вие бо­ко­вых ле­пе­ст­ков диа­грам­мы на­прав­лен­но­сти, ши­ро­ко­по­лос­ность; кро­ме то­го, для су­ще­ст­вен­но­го от­но­си­тель­но­го из­ме­не­ния час­то­ты из­лу­че­ния дос­та­точ­но весь­ма не­зна­чи­тель­но­го из­ме­не­ния час­то­ты на­кач­ки (в пре­де­лах ши­ри­ны по­ло­сы из­лу­ча­те­ля вол­ны на­кач­ки). Осн. не­дос­та­ток па­ра­мет­рич. из­лу­ча­те­ля зву­ка – его не­вы­со­кая эф­фек­тив­ность: до­ля энер­гии на­кач­ки, иду­щая на низ­ко­час­тот­ное из­лу­че­ние, обыч­но не­ве­ли­ка и за­ви­сит от со­от­но­ше­ния час­тот по­лу­чае­мой (сиг­наль­ной) вол­ны $ω_с$ и волны на­кач­ки $ω_н$. Для оп­ти­маль­но­го ре­жи­ма от­но­ше­ние мощ­но­сти низ­ко­час­тот­но­го из­лу­чения $W_с$ к мощ­но­сти на­кач­ки $W_н$ оп­ре­де­ляет­ся фор­му­лой $W_с/W_н≈(1/2)(ω_с/ω_н)^2$.

Про­цесс ге­не­ра­ции вол­ны раз­но­ст­ной час­то­ты про­ис­хо­дит по-раз­но­му, в за­ви­си­мо­сти от гео­мет­рич. па­ра­мет­ров зо­ны взаи­мо­дей­ст­вия волн на­кач­ки. Для плос­ко­го из­лу­ча­те­ля вол­ны на­кач­ки мож­но вы­де­лить 2 пре­дель­ных слу­чая.

1) Не­ли­ней­ное взаи­мо­дей­ст­вие про­ис­хо­дит в ближ­ней зо­не из­лу­че­ния вол­ны на­кач­ки (см. Зву­ко­вое по­ле), где она яв­ля­ет­ся пло­ской. Про­тя­жён­ность зо­ны взаи­мо­дей­ст­вия в на­прав­ле­нии рас­про­стра­не­ния волн в этом слу­чае оп­ре­де­ляет­ся дли­ной про­бе­га вол­ны на­кач­ки $l=α^{–1}$ ($α$ – ко­эф. по­гло­ще­ния этой вол­ны), а по­пе­реч­ное се­че­ние этой зо­ны – пло­ща­дью из­лу­ча­те­ля вол­ны на­кач­ки. Ам­пли­ту­да $p_с$ низ­ко­час­тот­ной сиг­наль­ной вол­ны в даль­ней зо­не про­пор­цио­наль­на дли­не $l$ зо­ны взаи­мо­дей­ст­вия. Для на­кач­ки в ви­де двух вы­со­ко­час­тот­ных волн близ­кой час­то­ты она вы­ра­жа­ет­ся фор­му­лой $$p_c=\frac{εp_н^2(k_сa)^2}{8ρc^2αr}D^W.\tag1$$ Здесь $ε$ – не­ли­ней­ный па­ра­метр сре­ды, $p_н$ – ам­пли­ту­да волн на­кач­ки, $k_с=ω_с/c$, $a$ – ра­ди­ус вы­со­ко­час­тот­но­го пуч­ка, оп­ре­де­ляе­мый раз­ме­ром из­лу­ча­те­ля волн на­кач­ки, $ρ$ – плот­ность сре­ды, $c$ – ско­рость зву­ка в ней, $r$ – рас­стоя­ние от излу­ча­те­ля вол­ны на­кач­ки до точ­ки на­блю­де­ния, $D^W(θ)$ – диа­грам­ма на­прав­лен­но­сти для низ­ко­час­тот­ной вол­ны, опи­сы­вае­мая вы­ра­же­ни­ем $$D^W(θ)=[1+k_с^2α^{–2}\sin^4(θ/2)]^{–1/2}.\tag2$$ Угол $θ$ от­счи­ты­ва­ет­ся от оси об­лас­ти вза­и­мо­дей­ст­вия; ха­рак­тер­ная ши­ри­на диа­грам­мы на­прав­лен­но­сти $θ_m≈(k_сα^{–1})^{–1/2}$. Фор­му­ла (1) опи­сы­ва­ет два эф­фек­та: об­ра­зо­ва­ние то­на раз­но­ст­ной час­то­ты при взаи­мо­дей­ст­вии пло­ских волн на дли­не $l=α^{–1}$ (мно­жи­тель $εp^2_4k_c/ρc^2α$) и ди­фрак­ци­он­ный эф­фект при из­лу­че­нии вол­ны низ­кой раз­но­ст­ной час­то­ты из ци­лин­д­рич. об­лас­ти взаи­мо­дей­ст­вия с ма­лым по­пе­реч­ным се­че­ни­ем, ха­рак­те­ри­зуе­мый па­ра­мет­ром $k_ca2/r$.

2) Гл. вклад в ге­не­ра­цию низ­ко­час­тот­ной вол­ны да­ёт не­ли­ней­ное взаи­мо­дей­ст­вие в даль­ней зо­не из­лу­че­ния вол­ны на­кач­ки, где она ста­но­вит­ся рас­хо­дя­щей­ся и об­ласть взаи­мо­дей­ст­вия име­ет фор­му ру­по­ра. Вол­на раз­но­ст­ной час­то­ты воз­ни­ка­ет как ре­зуль­тат взаи­мо­дей­ст­вия рас­хо­дя­щих­ся волн. Влия­ние ди­фрак­ци­он­ных эф­фек­тов в этом слу­чае не про­яв­ля­ет­ся, по­это­му пре­об­ра­зо­ва­ние вы­со­ко­час­тот­но­го из­лу­че­ния в низ­ко­час­тот­ное про­ис­хо­дит бо­лее эф­фек­тив­но.

При боль­ших ин­тен­сив­но­стях вол­ны на­кач­ки она транс­фор­ми­ру­ет­ся в пи­ло­об­раз­ную вол­ну, воз­рас­та­ет её по­гло­щение и ра­бо­та па­ра­мет­рич. из­лу­ча­те­ля пе­ре­хо­дит в не­ли­ней­ный ре­жим.

В па­ра­мет­рич. при­ём­ни­ке зву­ка гар­мо­нич. вы­со­ко­час­тот­ная вол­на на­кач­ки мо­ду­ли­ру­ет­ся низ­ко­час­тот­ным сиг­на­лом, в ре­зуль­та­те че­го из-за не­ли­ней­ных свойств сре­ды воз­ни­ка­ют сиг­на­лы ком­би­на­ци­он­ных час­тот, об­ла­даю­щие вы­со­кой на­прав­лен­но­стью, ко­то­рые ре­ги­ст­ри­ру­ют­ся вы­со­ко­час­тот­ным при­ём­ни­ком зву­ка. Осн. дос­то­ин­ст­во па­ра­мет­рич. при­ём­ни­ка зву­ка – воз­мож­ность реа­ли­за­ции дос­та­точ­но длин­ных об­лас­тей взаи­мо­дей­ст­вия волн, что по­зво­ля­ет по­лу­чить ост­рую на­прав­лен­ность при приё­ме низ­ко­час­тот­но­го зву­ка.

Па­ра­мет­рич. из­лу­ча­те­ли зву­ка при­ме­ня­ют­ся в ка­либ­ро­воч­ных ла­бо­ра­тор­ных ус­та­нов­ках, в из­ме­ри­тель­ных гид­ро­аку­стич. бас­сей­нах как ши­ро­ко­по­лос­ные из­лу­ча­те­ли для ка­либ­ров­ки при­ём­ни­ков зву­ка. Час­то­та на­кач­ки в та­ких уст­рой­ст­вах по­ряд­ка 1 МГц, час­то­та из­лу­че­ния 1–100 кГц, мощ­ность на­кач­ки – де­сят­ки Вт. Бо­лее мощ­ные низ­ко­час­тот­ные па­ра­мет­рич. из­лу­ча­те­ли при­ме­ня­ют­ся в гид­ро­аку­сти­ке для зон­ди­ро­ва­ния океа­на на боль­ших рас­стоя­ни­ях, пре­ци­зи­он­но­го про­фи­ли­ро­ва­ния дна, зон­ди­ро­ва­ния при­дон­ных об­лас­тей, изу­че­ния зву­ко­рас­сеи­ваю­щих сло­ёв, тур­бу­лент­но­сти, оп­ре­де­ле­ния тол­щи­ны слоя ила, по­ис­ка пред­ме­тов в мор. грун­те, а так­же в ат­мо­сфер­ной аку­сти­ке для зон­ди­ро­ва­ния ат­мо­сфе­ры, в ча­ст­но­сти для кон­тро­ля сте­пе­ни тур­бу­лент­но­сти на взлёт­ных трас­сах аэ­ро­дро­мов. Па­ра­мет­рич. из­лу­ча­те­ли при­ме­ня­ют­ся так­же в ры­бо­по­ис­ко­вой ап­па­ра­ту­ре, эхо­ло­тах и др.