Экспериментальные исследования нелинейных эффектов в сильнонеоднородных интенсивных акустических полях

На правах рукописи

Дерябин

Михаил Сергеевич

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕЛИНЕЙНЫХ ЭФФЕКТОВ В СИЛЬНОНЕОДНОРОДНЫХ ИНТЕНСИВНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ПОЛЯХ

01.04.01 - Приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород 2012

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном научном учреждении «Научно-исследовательский радиофизический институт» Министерства образования и науки Российской Федерации (ФГБНУ НИРФИ), г. Нижний Новгород.

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, доцент

КАСЬЯНОВ Дмитрий Альбертович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук

ЛЕБЕДЕВ Андрей Вадимович

Учреждение Российской академии наук

Институт прикладной физики РАН

кандидат физико-математических наук, доцент

ПРОНЧАТОВ-РУБЦОВ Николай Васильевич

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Нижегородский государственный университет им. Н. И. Лобачевского»

Ведущая организация:

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Физический факультет

Защита состоится « 27 »   марта   2012 г. в __ часов на заседании Диссертационного совета Д  212.161.01 при федеральном государственном бюджетном научном учреждении «Научно-исследовательский радиофизический институт» Министерства образования и науки Российской Федерации (ФГБНУ НИРФИ) по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Большая Печерская, 25/12а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБНУ НИРФИ.

Автореферат разослан « __ »   _______  2012 г.

Учёный секретарь

Диссертационного совета Д 212.161.01

Доктор физико-математических наук А. Н. Караштин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Нелинейные эффекты в интенсивных акустических полях исследуются достаточно давно, где-то с середины прошлого века, когда появились эффективные акустические преобразователи, изготавливаемые из материалов со стрикционными эффектами. К концу 1970-х годов появились уже общеизвестные обобщающие монографии, посвящённые исключительно исследованию нелинейных акустических явлений и методам генерации интенсивных акустических полей в различных средах [1-6]. На это же время приходится пик применения силовой экспериментальной акустической аппаратуры, работающей, в основном, на частотах начала ультразвукового диапазона, в различных технологических процессах [7-11]. Полезное действие акустического поля, если оно достигалось, было основано на «вторичных», нелинейных эффектах в акустическом поле, таких как кавитация, акустические течения и др. В настоящее время эти разработки имеют ограниченное применение. Пожалуй, единственным ярким примером удачного в то время применения нелинейных акустических эффектов для разработки практически значимой аппаратуры является разработка «параметрических антенн», востребованных в гидролокации [12]. Здесь использовался чисто волновой нелинейный эффект [13-14], связанный с детектированием акустического поля распространяющегося в виде узкого пучка, что позволило создать направленное низкочастотное излучение и существенно усовершенствовать технологию гидролокации.

В конце 1970-х годов стало ясно, что нелинейные акустические исследования также востребованы в медицинских приложениях. Ультразвук использовался в медицине давно, однако усовершенствование акустической аппаратуры и появление новых задач сделали медицинскую акустику, во многом, нелинейной [15]. Появилось оборудование, в котором принципиально используются мощные ультразвуковые поля – литотриптеры, и, в настоящее время, экстракорпоральная литотрипсия – это достаточно рутинная операция. Разработка и совершенствование подобных приборов потребовало развития нелинейной акустики, особенно в плане исследования распространения сильно нелинейных волн и пучков этих волн, в том числе сфокусированных, в сложных средах [16].

Развитие нелинейной акустики невозможно без качественного физического моделирования исследуемых процессов. Экспериментальная техника для подобного моделирования постоянно совершенствуется. В настоящее время появляются эффективные широкополосные источники акустических колебаний, миниатюрные калиброванные до десятков мегагерц гидрофоны, развивается лазерная виброметрия, техника PIV(Particle Image Velocimetry) и так далее. Использование современной техники при экспериментальных исследованиях даёт возможность получения новых знаний, в том числе, о нелинейных процессах, происходящих в интенсивных акустических полях.

У физического эксперимента в области акустики мегагерцового диапазона есть характерные черты.

Во-первых, поля, излучаемые преобразователями, принципиально неоднородны. Это связано с конечным размером излучателей, что приводит к весьма сложному распределению поля в ближней зоне и зоне дифракции Френеля. Кроме этого, реальные излучатели имеют на своей апертуре неоднородное, часто изрезанное начальное распределение амплитуды поля, связанное с возникновением стоячих поверхностных волн на поверхности излучателя. Это также способствует созданию пространственных неоднородностей поля. Специальными конструкциями заглушек, накладываемых на тыльную сторону преобразователя, это явление можно существенно уменьшить, но полностью его подавить не удаётся. Однако, пространственные неоднородности поля, в том числе искусственно создаваемые, например, фокусировкой, могут способствовать получению информации о физических параметрах области среды, где эти неоднородности локализованы [17]. Таким образом, изучение основных закономерностей нелинейного рассеяния поля, особенно под широкими углами, из области среды, где локализована неоднородность поля, является весьма актуальной задачей.

Во-вторых, в любом лабораторном гидроакустическом эксперименте, присутствуют границы. Взаимодействие мощных акустических полей с границами, как с мягкими, так и с твёрдыми, приводит к возникновению ряда специфических эффектов.

Известно, что при определенных условиях наличие свободной границы в области взаимодействия нелинейных ударных акустических волн приводит к постепенному рассасыванию ударного фронта, а затем к его новому формированию. Этот эффект связан с противофазным взаимодействием высокочастотных гармоник в нелинейной волне, образовавшихся до отражения от границы, с гармониками, порождаемыми после отражения. Следует отметить, что конкуренция нелинейных волн, порождаемых до и после отражения от свободной поверхности, проявляется не только в высокочастотной части спектра. В частности, подобный механизм взаимодействия нелинейных волн накачки приводит к образованию более узкого углового спектра излучения волны разностной частоты в параметрических источниках звука.

При распространении акустических волн в слаборасходящихся пучках большой интенсивности и достаточно больших числах Рейнольдса формируется ударная волна. При этом совместное действие дифракционных и нелинейных механизмов приводит к тому, что амплитуда фазы сжатия значительно превышает амплитуду фазы разряжения см., например, [18]. В нелинейной акустике, в частности, в медицинских ее приложениях особый интерес представляет задача о генерации мощных импульсов, в которых амплитуда фазы разрежения превышала бы амплитуду фазы сжатия. Одной из возможностей создать такой сигнал является отражение ударной волны от акустически мягкой границы. Таким образом, исследование основных закономерностей поведения ударных волн, созданных реальными излучателями и отражённых от мягкой границы, также весьма актуально.

Недостаточно исследованным является вопрос о взаимодействии интенсивных акустических полей с твёрдой границей. Хорошо известно, что при падении неоднородного акустического поля на твёрдую границу возникает акустический пограничный слой, генерируются приграничные акустические течения.

Теоретически описаны некоторые закономерности развития этих процессов, для некоторых случаев даны оценки скоростей течений, характерных времён их развития [19]. Однако не существует прямых экспериментальных исследований процессов возникновения этих течений, по крайней мере, в мегагерцовом диапазоне. Известно, что приграничные акустические течения способствуют улучшению массообмена на гетерогенной границе, и акустическое поле считается весьма перспективным средством интенсификации многих массобменнных процессов, происходящих на межфазовых границах [20-22]. Таким образом, детальное экспериментальное исследование акустических течений, поиск методов управления акусто- гидродинамической обстановкой на гетерогенной границе являются весьма актуальными.

Цель и задачи исследования

Диссертационная работа посвящена разработке методов экспериментальных исследований и созданию экспериментальных установок для изучения нелинейных эффектов, проявляющихся при взаимодействии интенсивных акустических волн со средами и границами раздела сред, в целях использования изучаемых нелинейных эффектов для создания новых приборов и методов, предназначенных для исследования сред и воздействия на них.

В рамках указанной цели решались следующие конкретные задачи:

1. Разработка метода и создание экспериментальной установки для определения основных закономерностей трансформации профиля и спектра интенсивного акустического сигнала, отражённого от мягкой границы.
2. Разработка экспериментального метода оценки положения свободной границы при воздействии на неё интенсивным акустическим полем. Выработка критериев состояния мягкой границы при воздействии на неё интенсивным акустическим пучком.
3. Разработка метода экспериментальной оценки скорости течения Шлихтинга, возбуждаемого на границе твёрдой и жидкой фаз сфокусированным акустическим полем мегагерцового диапазона, в целях определения возможностей сфокусированных полей для создания современного оборудования, предназначенного для интенсификации массообменных процессов на гетерогенной границе.
4. Экспериментальная оценка характерного времени развития течения Эккарта в фокусе сферического концентратора в целях выработки критерия, позволяющего в эксперименте выделить чисто волновое нелинейное взаимодействие в фокальной области.
5. Определение основных закономерностей широкоуглового рассеяния нелинейно преобразованного сигнала накачки из фокальной области сферического концентратора в целях разработки основ нового метода нелинейной диагностики сред.

Научная новизна

1. Показано, что установившаяся форма профиля ударной волны, сформированной после отражения от мягкой границы, существенным образом отличается от таковой для случая распространения мощного пучка в безграничном пространстве. Формируется существенно более узкий ударный фронт с амплитудой фазы разряжения, существенно превосходящей амплитуду фазы сжатия. Исследования проведены в целях совершенствования методов разрушения объектов ударными акустическими волнами.
2. Разработан экспериментальный метод оценки положения свободной границы вода-воздух при воздействии на неё последовательностью интенсивных акустических импульсов. Показано, что условия, при которых происходит отражение интенсивных нелинейных волн от мягкой границы, существенно различаются в зависимости от интенсивности и скважности импульсов накачки.
3. Разработан метод и проведены экспериментальные оценки скорости течения Шлихтинга, возбуждаемого на границе твёрдой и жидкой фаз сфокусированным акустическим полем мегагерцового диапазона. Метод основан на измерении скорости спутного течения методом PIV. Показано, что скорость установившегося течения Шлихтинга, созданного сильно неоднородным интенсивным акустическим полем, достаточна для существенной интенсификации массообменных процессов.
4. В результате исследований, проведённых на специально разработанной экспериментальной установке, показано, что при большой скважности существуют ограничения, накладываемые на длительность радиоимпульса накачки, при которой можно пренебречь эффектами, связанными с возникновением акустических течений в фокальной области сферического концентратора.
5. Определены основные закономерности широкоуглового рассеяния нелинейно преобразованного сигнала накачки из фокальной области сферического концентратора. Получены теоретические оценки на амплитуды рассеиваемых сигналов и их диаграммы рассеяния в зависимости от параметров сигнала накачки. Оценки подтверждены экспериментально. Исследования проведены в целях разработки основ нового метода нелинейной диагностики сред.

Практическая значимость

Результаты, полученные в работе, будут способствовать совершенствованию техники и методов проведения гидроакустических экспериментов с интенсивными акустическими полями мегагерцового диапазона. Особенно, когда необходимо проведение прецизионных измерений вблизи границ. Так в работе детально исследовано и классифицировано поведение мягкой границы при падении на неё интенсивного акустического пучка. В ходе данных исследований был разработан метод определения положения границы и метод прецизионного определения скорости звука в жидкости [A4].

Исследование взаимодействия интенсивного неоднородного поля с твёрдой границей, разработка способа определения скорости приграничных акустических течений позволят совершенствовать методы интенсификации массообмена на гетерогенной границе, в частности, методы скоростного роста солевых монокристаллов в акустических полях [23].

Также уделено значительное внимание исследованию широкоуглового рассеяния нелинейно преобразованного сигнала накачки из фокальной области фокусирующего акустического преобразователя. Используя эффект нелинейного рассеяния на неоднородностях акустического поля, можно получать информацию о нелинейных параметрах сред, причём в сложных ситуациях, когда доступ к исследуемой среде ограничен. Кроме того, знание о существовании данного эффекта поможет уточнить некоторые методы диагностики нелинейных сред в различных отраслях знаний – от геофизики до медицины.

Результаты работы использовались для выполнения проектов:

– Российского фонда фундаментальных исследований (проекты 06-02-17494, 08-02-00631, 08-02-99046, 09-02-01239, 11-02-00774, 11-02-97046)

– Международного научно – технического центра, проект 2590р.

– Ведущей научной школы, грант № 3700.2010.2

– Федеральной Программы “Научные и научно-педагогические кадры инновационной России 2009-2013”(контракт № 02.740.11.0565)

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Экспериментально определенные основные закономерности трансформации профиля и спектра ударной акустической волны, отражённой от мягкой границы. Разработанный метод и созданная экспериментальная установка.
2. Классификация условий отражения интенсивного акустического поля от мягкой границы в зависимости от параметров падающего поля. Разработанный метод и созданная экспериментальная установка.
3. Метод измерения и непосредственное измерение скорости течения Шлихтинга, возбуждаемого на границе твёрдой и жидкой фаз сфокусированным акустическим полем мегагерцового диапазона.
4. Экспериментальное исследование динамики зарождения акустических течений в фокальной области сферического концентратора. Временной критерий на существенность влияния акустических течений на процесс волновых нелинейных преобразований в фокальной области фокусирующей системы.
5. Определение основных закономерностей широкоуглового рассеяния нелинейно преобразованного сигнала накачки из фокальной области сферического концентратора. Уровень эффекта достаточен для создания нового метода нелинейной диагностики сред.

Достоверность представленных в диссертационной работе результатов подтверждается проверочными численными и физическими экспериментами, а также соответствием результатов экспериментов априорной информации, теоретическим расчётам и данным, полученным в работах других авторов.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международном симпозиуме по нелинейной акустике (Стокгольм 2008), Международном акустическом форуме (Ольбург 2011), XVIII-XX,XXII и XXIV сессиях Российского акустического общества (Таганрог 2006, Нижний Новгород 2007, Москва 2008, Москва 2010, Саратов 2011), конференциях по радиофизике ННГУ (Нижний Новгород 2005, 2006, 2009, 2011), ХI Нижегородской сессии молодых ученых (Нижний Новгород 2006).

Публикации

Материалы диссертации опубликованы в 17 печатных работах, из них 3 статьи в рецензируемых журналах, а также один патент на изобретение.

Личный вклад автора

Все представленные в диссертации результаты получены автором лично, либо при его непосредственном участии.

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, трех оригинальных глав, заключения, одного приложения и библиографии. Общий объем работы составляет 132 страницы, включающих 51 рисунок. Библиография состоит из 115 наименований.

Краткое содержание диссертации

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, излагается современное состояние проблемы, дается общая постановка задач, описывается краткое содержание работы по главам.

Первая глава посвящена экспериментальным исследованиям взаимодействия интенсивных акустических пучков при наличии свободной границы в области нелинейной трансформации интенсивного акустического поля.

В главе обсуждаются результаты экспериментальных лабораторных исследований пространственного изменения профиля и эволюции спектра волны накачки на оси излучения отраженного пучка большой интенсивности, сформированного в поле плоского излучателя, нормально падающего на границу раздела вода-воздух.

Рис.1 Блок-схема экспериментальной установки 1 – ванна с водой, 2- массивное основание, 3 – поверхность воды, 4 – опорные микровинты, 5 – термометр, 6 – плоский излучатель, 7 – гидрофон, 8 – генератор, 9 – усилитель, 10 – осциллограф, 11 – кондиционирующий усилитель, 12 – осциллограф, 13 – лазерный виброметр, 14 – декодер.