Акустическое обращение волнового фронта и нелинейные эффекты на границе раздела двух сред тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

ШДОЩ НАУК РОССИИ Институт общей физики

На правах руксляси УДК 534.222.2

КАРШИЕВ ЮШ1ЧВАЙ АКУСТИЧЕСКОЕ ОЕРАЩЕШЕ ВОЛНОВОГО ФРОНТА И НЕЛИНЕЙНЫЕ

ззшсга на гр«п-ще раздела двух сред

Спзциялыгость - 01.04.03 - радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссортасгм, на ссшедаплэ ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1992 г.

Работа выполнена в отделе волновых явлений Института общей физики АН России и Самаркандской ордена Трудового Красного Знамени государственном университете имени А.Навои,

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Л.И.Сабиров

Официальные оппоненты: д.ф.-и.н. Мяхалввнге В.Г., к.ф.-м.н. Пушкина Н.И.

Ведущая организация: Акустический институт ем. академика П.II.

¡у 2 Андреева

Защита состоится " " 199Э года на заседании

Специализированного Совета Д-$53.49.02 при Институте общей

физики АН России по адресу: 117942, ГСП-1, Москва, В-333,

ул.Вавилова, 38. 1Ь -(?(?

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ИОФ АН.

Отзывы на диссертацию присылать по адресу: П7942»

ГСП-1, Москва, В-333, ул.Вавилова, .38, И05 АН,

Специализированный Совет Д-003.49.02

Автореферат.разослан " " С^ь¿сс*>!/з.\ 1992 г.

Ученый .се1фетарь Специализированного Совета доктор физико-математических наук

В.П.Быков

государственная БИБЛИОТЕКА

I. Общая характеристика работы.

Актуальность тени. Исследование явления обращения волнового фронта (ОВФ) звуковых сигналов - одна из фундаментальных задач современной нелинейной акустики. Это связано с большей возможностями явления ОБФ, которые в настоящее вреия ухе реализованы в оптике. Интерес к этому лвленив связан с обширными потенциальными приложениями устройств, обращающих волновой фронт звуковых пучков в гидролокации, технике, медицине и научных исследованиях. Основная особенность приложений явления ОВФ связана с возыожностьо автоматической фокусировки акустической энергии в заданной точно Пространства, в том числе фокусировки через акустически неоднородную среду. Чрезвычайно важно, что свойство автоматической фокусировки сохраняется ц в тем случае, когда среда распространения г«.еаду источником волны и 03ф зеркалом содержит фазовые неоднородности. Нетривиальность этого свойства 0В<5 демонстрируется тем, что в оптике для фокусировки волн со сложной структурой фронта уребуйтся не менее слояные зеркала и линзы, так как обычные фоку-енрувцие системы не в состоянии "исправить" фазовые искажения в Ьбщем случае. В радиолокации, Tarnte как и в гидролокации, уг.е дав-;to разработаны методы управления фазами излучаэдих элементов антенных решеток. Такие антенны позволяет формировать тюлновые фронты произвольной форма, в частности, сопряженные по фазе исходному сигналу. Успешное развитие работ по голографии и ОВФ в оптика указызает на возыоаность построения технически простых систем, автоматически осуществляющих операции сопряжения волнового фронта световых пучков в реальном времени. Естественно возникает вопрос с реализуемости таких систем (с усилением) для волн иной физической природы и звуковых волн в особенности.

Возможность реализации нелинейных механизмов OBS зву! >пых волн открывает перспективы построения ОВФ зеркал с высокими хоэф-

-л ' л./.*

фициентами отражения. Это позволит осуществлять передачу звуковых сигналов без искажения через фазово-неоднородные среды, усиливать или "гасить" звуковые сигналы без использования систем зеркал сложной формы, которые не могут "подстраиваться" под случайные фазовые искажения . среде. Следует отметить, что усиление обратного рассеяния при двукратном прохождении излучения через взволнованную поверхность может играть существенную роль в акустических измерениях, например, при эхолокации структуры дна. Проведение экспериментальных исследований по 0В$ и сопоставление реэуль-• татов с разработанными теоретическими представлениями не только будет критерием их адекватности, но и позволит решить ряд научных и технических задач нелинейной акустики.

Целью настоящей работы является:

-исследование самофокусировки и обращения волнового фронта при нелинейном взаимодействии акустических волн с поверхностью кидкости, а также при нелинейном четырехволновом взаимодействии с газовыми пузырьками;

-разработка методов наблюдения акустического ОВФ и использование этого явления б качестве акустического зеркала в управлении амплитудой излучения квазиточечного источника.

Научная новизна.

Исследование взаимодействия звуковых пучков на поверхности жидкости позволило экспериментально зарегистрировать явление 0В5 звуковых волн. При этом был Еперзые экспериментально реализован ряд нелинейных эффектов.

1. Экспериментально показано, что при использовании ОВФ в качестве зеркала момно реализозать гашение либо усиление по амплитуде сигнала звукового источника.

2. Реализовано явление OES звуковых волн при вырожденном четырехволновом взаимодействии с газовыми пузырьками; изучена кинетика этого процесса.

-53. Реализовано явление самофокусировки звуковых пучков, которое возт-члет при отражении от возмущенной поверхности.

4. Экспериментально зарегистрирован эффект усиления обратного рассеяния при двукратном прохождении звукового излучения через взволнованную поверхность.

На, защиту выносятсд следующие положения.

1. Нелинейное взаимодействие звуковых пучков с поверхностью жидкости приводит к явлении ОВФ звуковых сигналов. С помощью ОВФ зеркала можно управлять процессами гашения либо усиления по амплитуде сигнала квазиточечного источника; возможна реализация явления акустической самофокусировки.

2. За счёт нелинейного (кубичного) характера взаимодействия звуковых пучков с газовыми пузырьками возможна реализация вырожденного четырехволнового смешения, при котором возникает ОВФволна.

3. При прохождении звуком взволнованной границы двух несме-¡пивающихся .жидкостей зарегистрирован эффект амплитудного усиления звука, рассеиваемого назад в одной из этих жидкостей.

Практическая значимость работы заключается в том, что:

-использование ОВФ зеркал позволяет эффективно ревать задачу компенсации фаэовшс искажений, возникавших при распространении звука в среде;

-управление фазой обращенной волны открывает возможности для создания устройств активного гашения либо усиления источника. •звука.

Устройства ОЕФ звуковых сигналов перспективны в таких областях, как диагностика природных сред, звуковидение, дефектоскопия, медицинская диагностика, ультразвуковая микроскопия, механическая обработка материалов.

Учет эффекта усиления обратного рассеяния при двукрамсм прохождении звука через взволнованную поверхность границы раздела двух сред необходим при решении многих акустических проблем и

задач.

Апробация результатов. Результат» диссертационной работы опубликованы в периодических научных журналах, результаты работы прошли апробацию на ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава СамГУ (I985-I99I гг.), на совеа^шии по техническому оснащению экспериментов по акустическому зондирований океана (Наманган, 1985), на научном семинаре кафедры оптики и спектроскопии СамГУ, на научном семинире отдела волновых явлений ИОФАН СССР, на научном семинаре кафедры акустики МГУ, на научном семинаре кафедры физическая механика МФТИ, на региональном семинаре "Спектроскопия колебательной релаксации и меяиолекуляр-ных взаимодействий" (Самарканд, 1990), на 1-ой региональной конференции республик Средней Азии и Казахстана по радиационной физика твердого тела (Самарканд, 1991).

Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 7 статьях и тезисах доклада на 1-ой. региональной конференции республик Средней Азии и Казахстана.

Объем работн. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Диссертация содержит 105 страниц машинописного текста, включая 33 рисунка, и библиографии из 95 наименований.

II. Содержание тоб9ты.

Введение. Во введении обосновывается необходимость проведения экспериментального исследования явления ОВФ звуковых волн и других нелинейно-акустических эффектов, обусловленных наличием границы раздела двух сред.

Во введении сформулирована цель работы, приводятся краткое содержание диссертации и основные защищаемые положения.

В цеоной главе диссертации дан обзор литературы по исследованию ОВФ и сопутствующих ему явлений.

Волновые фронты двух волн называются обращенными (или фазосо-пряженными), если пространственные распределения фаз этих волн совпадают, а направления распространения прямо противоположны.

Волна с обращенным волновым фронтом, распространяясь в неоднородной среде, идет в обратном направлении в точности попути исходной волны, каким бы сложным он не был. Математически явленно ОВФ соответствует изменение знака фазы или сопряжение комплексной амплитуды волны. Если исходную волну можно описать уравнением

Ps(?,t) = Pit) ехр(ЫЬ) = | P(x)|exp[l(Vf£?)+u5tj] то обращенная волна имеет вид

Pe5 (?,i) = КР(?)ехр(-Ы*) = К|р(?)| exp [l[-^)+uit+Z> j} где K=|K|Ci'^- комплексный коэффициент усиления волны; Р , РоРр , амплитуды давления, участвующих во взаимодействии акустических волн; иГ- частота; if (г) - фазы исходной и обращенной волн.

Расходящаяся сферическая волна после обращения фокусируется в точку источника в однородной среде. ОВФ в неоднородных, в том Числе случайно-неоднородных средах представляет интерес в связи с возможностью восстановления фазовой структуры поля с неоднороднос-тяыи. Поскольку последние заранее неизвестны, речь идет об адаптивном обращении, когда в обращающем устройстве осуществляется фазовое сопряжение принятого сигнала по отношению к излучаемому.

Важный шаг на пути совершенствования адаптивных систем был сделан, когда для ОВФ стали использовать нелинейные волновые взаимодействия. Здесь речь идет о новом классе адаптивных систем, практически мгновенно реагирующих на изменение внешних условий, или, согласно принятой терминологии, работающих в реальном масштабе времени. Многочисленные теоретические исследования указывают на возможность реализации таких систем для boot звуковой природы.

Новый шаг теоретических исследований ОВФ в акустике связан с привлечением нелинейного взаимодействия звука с незвуковыми модами,

например, с поверхностныш волнами, газовыми пузырьками н взвеся-«я и жидкости. Использование отих взаимодействий позволяет реализовать некоторые нелинейно-акустические явления с длинами взаимодействия существенно меньшими тех, на которых эффективно развн-вдится гармоники и начинается сильной поглощение звука.

С точки зрения общих принципов восшсююсть реализации 0134 в акустике не вызывает сомнений, так как эта общаволиовое явление, и возникает лишь вопрос: как именно осуществить OBS в акустике? Наибольший интерес в этом случае представляют механизм взаимодействия акустических волн с поверхностью (в силу его .четкой реализуемости) или чотырехволновый механизм ОЕФ, способный обращать звуковую волну с усилением. Этими соображениями и определяется постоноака задачи диссертационной работы, в которой приведены результаты экспериментальных исследований нелинейного явления OBS. Предварительно изложены теоретические обоснования и вывода по рдду нелинейных явлений, которые были известии и использованы автором в настоящей работе. В частности рассматривается теоретическая работа, посвященная СВФ звуковых волн за счет взаимодействия гравитационно-капиллярных волн на поверхности кидкости, ОВФ яри четырехволноЕом взаимодействии в кадкости с пузырьками газа, самофокусировке и самодефокусировке звуковых пучков и теории активного гашения волнового поля звукового источника посредством ОВФ-зеркала, а также эффекту усиления при двукратном прохождении звука через взволнованную поверхность.

Основные положения вышеперечисленных теорий и их вывода требовали своего экспериментального подтверждения.

В диссертационной работе нами была разработана методика наблодения и собраны соответствующие экспериментальные установки позволившие зарегистрировать и исследовать нелинейное взаимодействие акустических волн с поверхностью жидкости и с пузырьками газа.

Во, .цтдро^ главе представлено экспериментальное исследование

( /

явлания ОВФ звука и его взаимодействия с поверхности жидкости / I /. При этом была использована следующей принципиальная схема набледения ОВФ (рис.1). В бассейне из плексигласа размещены излу-, чатели звука ^ и и приемник Тд, ВБ - поворотная пластинка, & - акустическая голограмма, образованная при взаимодействии двух волн на поверхности жидкости и блок электронной схемы, работающей как в непрерывном т&х и в импульсном режиме. Заштрихованные области бассейна отмечают места, заполненныа звукопоглощающими резиновыми экранами.

Звуковое излучение от излучателя Т^ падает перпендикулярно на поверхность жидкости, играя роль накачки. Сигнальная звуковая волна проходит через разделительную пластинку (коэффициент отражения ~30£) и попадает в то же место что и накачка. Оба излучателя работали на частоте 3 МГц. На поверхности воды возникает соответствующая этим частотам акустическая голограмма. Излучение накачки рассеивается на голограмме и создает волну с обращенным фронтом, распространяющуюся к излучателю

Эксперименты проводились как в непрерывном так н в импульсном режимах. В первом случае возникала стационарная голограмма. Факт наличия явления ОВФ устанавливался отдельным гидрофоном Тд, на который йадала часть волны с обращенным фронтом, отраженная пластинкой ВБ. Для определения амплитуды обращенной звуковой волны, регистрируемой гидрофоном Тд, были проведены измерения амплитуды акустического сигнала помехи создаваемого излучателем Т^, а затем соответственно помехи излучателем В некоторой области пространства, которой соответствовал звуковой пучок с обращенным фронтом, сигнал с гидрофона Т3 превышал сумму сигналов помех: 33>3, + Э2 •

В наших экспериментах удавалось достигнут* трехкратного превышения сигнала над шумом £ :

при абсолютном коэффициенте перекачки волны накачки в обращенную

волну

Заметим, что таким образом можно оценить амплитуду волны ОВФ в нижнем пределе. Но количественные измерения амплитуды сигнала можно проводить лишь абсолютной точностью ^в , что в этой серии экспериментов составляло 30&. В пределах указанной точности зависимостч интенсивности обращенной волны от интенсивности волны накачки оказывается немонотонной (рис.2). Такая зависимость может быть связана с самофокусировкой пучка накачки на поверхности жидкости / 6 /, как это показано в главе 3 диссертации.

В импульсном режиме эксперименты проводились на двух излучателях Т^ и Т£, причем являлся источником сигнальной волны и одновременно приемником обращенного сигнала.Контроль и измерения электрических сигналов при этом осуществлялись с помощью осциллографа,^подключенного к Т^. В импульсном режиме все помехи, приходящие на Т2, разнесены во времени и легко устраняются, а сигнал ОВФ'на порядок превышает интенсивность помехи, которую в этом случае легко учесть с большой точностью. Зависимость амплитуды обращенной волны от интенсивности звука накачки токе носит немо-" нотонный характер, что можно объяснить влиянием самофокусировки накачки. Отметим, что явление самофокусировки звука, искажающее в общем случае фронт обращенной на поверхности волны, модно в принципе использовать для получения больших коэффициентов усиления обращенной волны. Для этого необходимо, чтобы излучатель звука и поверхность жидкости (выгнутая под действием звука) образовывали бы устойчивый акустический резонатор. При этом волновой фронт накачки, отраженной от поверхности жидкости, совпадает с волновым фронтом .падающей волны.

В работе были поставлены эксперименты, которые позволили исследовать ОВФ в зависимости от длительности импульсов /. 2,3 /. При этом было установлено, что при изменении длительности импульсов от 0,3 до I мс коэффициент"преобразования излучения накачки

в обращенную волну меняется от 0,2 до 1,5 (рис.3). Эффективность ОВФ при взаимодействии звуковых пучков можно повысить путем снижения поверхностного натяжения при помощи добавки поверхностно активных веществ, либо за счет уменьшения разницы плотностей двух граничащих жидкостей.

Такого рода эксперименты на границе раздела двух жидкостей были выполнены. Для этого были выбраны бензол, изооктан, эфир, и пер-фтордекалин, которые образовывали тонкий слой на поверхности границы раздела с водой. Как видно, из рисунка наблюдается рост коэффициента преобразования, который при больших длительностях импульсов сменяется его насыщением и уменьшением. Причем во всем интервале длительностей импульсов наибольший коэффициент преобразования наблюдается в системе вода-бензол, а в режиме насыщения он в 1,9 раз больше чем в системе вода-воздух. Экспериментальные значения коэффициента преобразования в режиме насыщения в различных системах различны так же как и диапазон длительностей импульсов, в котором наступает насыщение. Наблюдаемое в эксперименте насыщение и уменьшение коэффициента преобразования в зависимости от длительности импульса также можно объяснить возникновением самофокусировки и дефокусировки звукового пучка. В этой же главе осуществлено явление ОВФ"при четырехволновом взаимодействии с пузырьками газа / 4,5 /.' Такая дисперсионная среда как вода с пузырьками газа обладает высокой нелинейностью, которая на три порядка превышает гидродинамическую нелинейность. В такой среде возможны такие нелинейные эффекты, как параметрическое усиление волны сигнала, генерация низкочастотного сигнала, а также ОВФ с усилением . В эксперименте пузырьковый слой создавался путем, электролиза, происходящего на металлическом пластин.тг-. Длительность звукового сигнала 100 мкс. Меняя напряжение на. ¡.¡т-очнике пузырьков, можно было изменять плотность и размеры пузырьков, а следовательно дисперсию и нелинейность срёды. Представленная осциллограмма .

(рис.4) демонстрирует усиление ОЗФ сигнала в зависимости от величины нелинейности создавемой областью пере1фытия сигнальной волны и накачки. Пересечение волны накачки и сигнальной волны в отсутствие пузырьков не приводит к появлению рассеянных сигналов (рис.4,а). В этом случае, когда отсутствует сигнальная волна, вклад рассеянной волны накачки в направлении излучателя Т£ (источник сигнальной волны) составляет всего (рис.4,г). Включение сигнальной волны приводит к появлению ОВФ сигнала, с увеличением плотности пузырьков происходит нелинейное возрастание ОВФ сигнала (рис.4,б,в). Таким образом экспериментально показана зависимость коэффициента преобразования обращенной волны от плотности пузырьков, т.е. от степени нелинейности среды.

Совокупность полученных экспериментальных результатов подтверждает, что в описанном эксперименте наблюдалось ОВФ звуковых пучков при четырехволновом взаимодействии с газовыми пузырьками в жидкости.

Во всех этих экспериментах по исследованию ОВФ коэффициент преобразования волны накачки исследовался в зависимости от интен-.сивности накачки. При больших интенсивностях накачки во всех случаях наступает насыщение коэффициента преобразования, а в некоторых случаях даже понижение его по мере увеличения интенсивности накачки. Одной из причин такого поведения коэффициента преобразования ОВФ волны может-быть самовоздействие звуковых пучков, приводящее к возбуждению самофокусировки.

В диссертационной работе (глава 3) приводятся результаты экспериментальных наблюдений самофокусировки звуковых пучков при взаимодействии с поверхностью жидкости / б /, которые полностью подтверждают основные выводы теории.

В этих экспериментах для возбуждения направленного мощного звукового пучка использовался дисковый пьезокерамический преобразователь с резонансной частотой 1,45 ЫГц. Излучатель помещался под не-

которым углом, в кювету. При включение излучения ка поверхности вода образовывался прогиб, приводящий к фокусировке звукового пучка. Контроль за распределением интенсивности звука до и после отражения от поверхности осуществлялся методом теневого поля. Используемый метод позволял также контролировать прогиб поверхности жидкости под действием звукового излучения. Изображения звуковых пучков падающего и отраженного (рис.5), снимались при различных мощностях звукового пучка (0,016 (I), 0,64 (2), 1,44 (3), 2,56 (4) и 4 Вт/см (5)). На рис.5(а) приведено изображение падающего звукового излучения, а на рис.5(6) - отраженного от поверхности. Первые две фотографии (рис.5,а(1,2)) наглядно демонстрируют самофокусировку звукового излучения; при больших мощностях происходит дефокусировка (рис.5,а(3,4,5)). Легко видеть, что с повышением мощности распределение интенсивности на поверхности пучка падающего остается постоянным. Для отраженного звукового пучка наблюдается самовоздействие: сужение (самофокусировка) (рис. 5,6(1,2)) и далее распад на несколько пучков (дефокусировка -рис. 5,613,4,5)). Наблюдаемые картины распада пучка можно объяснить тем, что при больших интенсивностях звука форма поверхности жидкости теряет устойчивость по отношению к малым возмущениям интенсивности звукового пучка. В соответствие с расчетами, в эксперименте наблюдается следующая картина. При превышении некоторой критической мощности звукового излучения (в нашем эксперименте

о

она составляла 1,8 10 Вт) рассматриваемая геометрия отражения звука от поверхности нарушается. Звуковая волна в этом случае отражается параллельно невозмущенной границе жидкости. Если мощность звука увеличивать дальше, то появляются отраженные звуковые волны направленные вверх, что привол'.^ к искажению гладкой вершины прогиба поверхности и появлению .в£гзмЭовакия, напоминающего по форме концентратор звуковых волн. Это нелинейное акустическое явл;—

ние следует, называть саыоконцектрацией звуковых волн на поверхности жидкости. Интенсивность звуковых волн в вершине концентратора приблизительно в 10 раз превышает интенсивность звука на оси. Этими исследованиями экспериментально подтверждаются явления самофокусировки и самодефокусировки при взаимодействии звука с поверхностью жидкости. Выяснен механизм сопутствующих нелинейных явлений. Предложенный метод пригоден для калибровки звука и контроля поверхности жидкости.

В различных практических задачах необходимо управлять волновым полем звукового источника. Экспериментальная реализация явления ОВФ позволила использовать его для гашения волнового поля звукового источника.

Нами была разработана методика использование ОВФ зеркала для реализации гашения волнового поля. Результаты этих исследований представлены "в диссертации в главе 4.

В нашей работе приводятся результаты экспериментального исследования возможности гашения волнового поля звукового источника посредством ОВФ-зеркала, возникающего при взаимодействии звуковых волн с поверхностью кидкости /7 /.

Эффект гашения звукового поля обусловлен фазовнмн соотношениями между излучением источника и излучением, отраженным от ОВФ зеркала. Условие стабильности гашения должно удовлетворять соотношения

гд&L - расстояние от источника до зеркала ОВФ, С _ спорость звука, ^ - дргйф частоты генератора. При выполнении этого условия гашение будет стабильно во времени. В противном случае в области гадания наблюдаются биения, обусловленные изменением во времени разности фаз интерферирующих волн. В полном соответствии с этим, в наших экспериментах наблюдались оба случая интерференции с выполнением и нарушением этого условие.

• *15-

По этапный процесс гашения звукового излучения с помощью ОВФ зеркала представлен на рис.б. На осциллограммах (рис,б а,б) приведены раздельно сигналы источника накачки, отраженные от поверхности, квазиточечногд источника соответственно. Длительность обоих импульсов 0,36 мс. Осциллограмма (6,в) регистрирует сигналы квазиточечного источника и обращенной волны, разнесенные во времени. Длительность обоих импульсов составляет 0,1 мс. При убели-чении длительности обоих импульсов до 0,25 мс происходит смыкание этих сигналов (рис.6,г). Последующее увеличение длительности импульсов приводит к сложению излучения квазиточечного источника с волной, отраженной от зеркала ОВФ (рис.б.д). Для этого случая длительность импульсов составляли 0,36 мс. На осциллограмме (6,д) видно взаимное гашение сигналов. Увеличение длительности до 0,4 мс, как видно на осциллограмме (б,е), приводит к расширению зоны гашения звукового поля квазиточечного источника. При этом при перемещении источника вдоль акустической оси характер взаимодействия не меняется. Осциллограмма (6,ж) отражает тот случай усиления звукового поля квазиточечного источника, когда отраженная волна от ОВФ-эеркала совпадает по фазе с излучением сигнала от квазиточечного источника. Последняя осциллограмма (6,з) соответствует'сяутао, когда отчетливо наблюдается дрейф фазы обращенной волны, который имеет место при больших длительностях волны накачки.

Таким образом, результаты экспериментов указывает на возмок-ность гашения или усиления звука посредством 0В<5-зеркала.

При прохождении звукового сигнала через взволнованную поверхность границы раэдэяа она оказывает существенное влияние на звуковое излучение, приводя я самофокусировке иля дефог^усировке. Вследствие этого изменяется амплитуда рассеягшого сигнала. Такая постановка задачи привела а необходимости исследования статистических и динамических характеристик проходящих и отраженных от аодкой поверхности сигналов. Такие исследования были выполнены, и резуль-

-16- I

таты эксперимента изложены в главе 5. При этом было установлено, что при двукратном прохождении излучения через взволнованную поверхность происходит усиление обратного рассеяния. В эксперименте / 8 / были использованы две несмешивающиеся жидкости (вода и хлороформ). На границе раздела с помощью гармонического волнопродук-тора возбуждались низкие моды колебания поверхности. В сосуд помещались стеклянные шарики с размерами в несколько длин волн звука в качестве диспергирующей рассеивающей среди. Через взволнованную поверхность приемно-излучающий пьезоэлемент ( 22 мм) посылал звуковой сигнал с резонансной частотой 3 МГц, длительностью , 180 мкс и частотой повторения 1,2 кГц. Вход приемно-усилительной системы открывался электронным ключом в момент прихода звукового импульса после его вторичного прохождения через границу раздела жидкостей. Далее сигнал поступал на АЦП, работой которого управляла ЭВМ типа OSA to/P-4. Программа, используемая для измерений, позволяла получать более ста значений амплитуды сигнала за период ' колебания границы раздела. Результаты измерений записывались на диск для последующей статистической обработки.

На рис.7(а,б) приведены характерные, примеры зависимости амплитуды рассеянного сигнала от времени за несколько периодов колебаний границы раздела при различных амплитудах колебаний. Каждый рисунок для наглядности представляет собой наложение записей, соответствующих плоской границе раздела (постоянный уровень), и взволнованной (с характерными выбросами и спадами по отношению к постоянному уровню). Из представленных рисунков видно, что при фокусировке излучения на рассеивающий слой (волна на границе раздела играет роль фокусирующей линзы) амплитуда рассеянного сигнала более чем на порядок величины превышает амплитуду сигнала при невозмущенной поверхности. При дефокусировке излучения (в промежутках между выбросами рассеянных сигналов) наблюдается спад амплитуды сигнала более чем на порядок.""0тметим, что в ходе экспери-

• -17-

ментов амплитуда излучаемого сигнала поддерживалась постоянной с точностью а несколько процентов (относительная дисперсия, вычисленная ЭВЫ, составила 5%).

В ходе экспериментов регистрировались значения среднего усиления <Г> «Г> « АД, где X - амплитуда сигнала для взволнованной поверхности, А - для плоской) и дисперсии коэффициента усиления ЗБ. В частности, для сигнала, приведенного на рис.7(а) <Т> «2,42; 32=1,42 и, соответственно, на рис.7(6) <Г>«1,25; 3£«ljC3. 13 различных сериях, экспериментов зарегистрированы значения <,Г> от 7 до 0,5, то есть поверхностное волнение существенно изменяет среднее значение амплитуды рассеянного сигнала. Соответственно дисперсия, как правило, превышала единицу и изменялась в различных условиях эксперимента от 0,04 до 3.

Максимальное усиление реализуется, когда глубина, с которой приходит рассеянный сигнал, совпадает с минимальным фокусным расстоянием линзы, обрадованной поверхностной волной. В наших экспериментах этому соответствует запись значений амплитуд с одним выбросом за период, приведенная на рис.7(а). На рис.7(6)'представлен случай, когда минимальное фокусное расстояние оказывается выше дна. Этому соответствует двойной выброс рассеянного сигнала за период'колебания поверхности (2 раза за период сигнал фокусируется на рассеивающее дно). При еще больших амплитудах поверхностной волны ( 0,5 см) в соответствии с рис.7(в) усиление уменьшалось вплоть до значений меньших единицы.

Таким образом, среднее значение усиление и дисперсия рассеянного сигнала, зарегистрированные в проведенных нами экспериментах с различными амплитудами колебаний границы раздела, хорошо согласуются на качественном уровне с расчетными характеристиками рассеянного сигнала, приведенными на рис.7 (в).

III. Основные резу^тдтц .р^ботц.

I. Экспериментально реализовано явление обращения волнового

фронта звуковых волк при взаимодействии волны накачки с поверхностью жидкости. Коэффициент преобразования в ОВФ волну при этеи составлял единицу и более.

2. Экспериментально исследовано явление обращения волнового фронта звуковых волн при вырожденном четырехволновом взаимодействии с г. новыми пузырьками, распределенными в жидкости. Коэффициент преобразования в ОВФ волну достигал ~0а3.

3. Экспериментально показана, возможность использования 0В4 зеркала, возникающего привзаимодействии звуковых волн с поверхностью жидкости, при гашении или усилении (по амплитуде) сигналов звукового источника.

4. Экспериментально исследована самофокусировка звуковых •пучков, которая возникала при отражении волны от возмущенной поверхности жидкости. Показано, что самофокусировка звуковых пучков ухудшает качество ОВФ волны.

5. Осуществлен и исследован эффект амплитудного усиления обратного рассеяния при двукратном прохождении звукового излучения через взволнованную поверхность. Усредненное значение коэффициента усиления меняется в интервале I,25 + 2,4.

Список работ автора по теме писсертании

1. Н.П.Андреева, Ф.В.Бункин, Д.В.Власов, К.Каршиев. Экспериментальное наблюдение явления обращения волнового фронта звука на поверхности жидкости. Письма в ЖТФ, 1982, т.8, № 2,

с.104-108.

2. К.Каршиев. Об эффективности обращения волнового фронта (ОВФ) звука на поверхности жидкости. В сб.: Исследования по молекулярной, акустической и адерной спектроскопии. Труды СомГУ, Самарканд, 1987, с.45-47.

3. К.Каршиев. 0 проявлении эффекта обращения волнового фронта (ОВФ) звуковых пучков с поверхностными волнами в различных

I I

: -ГО-

жидкостях. В сб.: Исследования физических свойств жидкостей и твердых тел. Труды СамГУ, Самарканд, 1989, с.36-38.

4. Н.П.Андреева, К.Каршиев, Л.М.Сабиров. Обращение волнового

. фронта звуковых пучков при четырехволновом взаимодействии в жидкости с газовыми пузырьками. Акуст.журн., 1991, т.37, Л» 4, с.231-233.

5. Н.П.Андреева, К.Каршиев, Л.М.Сабиров. Обращение волнового фронта звукового излучения при четырвхволновом взаимодействии с пузырьками газа в воде. В сб.: Тезисы докладов I региональной конференции республик Средней Азии и Казахстана по радиационной физике твердого тела. Самарканд, 1991, ч.З,

с.242-243.

6. П.П.Андреева, Ф.В.Бункин, Д.В.Власов, К.Каршиев, Ю.А.Кравцов, Е.А.Шурыгин. Экспериментальное наблюдение самофокусировки звуковых пучков при взаимодействии с поверхностью жидкости. Препринт ШН № 163, Ы., 1983.

7. Ф.В.Бункин, Д.В.Власов, К.Каршиев, А.Д.Стаховский. Экспериментальное наблюдение гашения волнового поля; с помощью зеркала, обращающего волновой фронт. Акуст.журн., 1985, т.31, № I, с.137-138.

8. А.П.'Брысев, Ф.В.Бункин, Д.В.Власов, Е.Д.Власов, А.Л.Горбунов, К.Каршиев, В.П.Слободянин, А.Д.Стаховский. Об эффекте "гигантского" усиления обратного рассеяния при двукратном прохождении излучения через взволнованную поверхность. Акуст. жури., 1985, т.31, »6, с.835-837.

а50 ОАО 030 0.20 О.Ю

о

У в -а**'

Рис.2. Зависимость интенсивности обращенного звука от интенсивности накачки

0.5 1.0 Г(мс)

Рис.3. Зависимость коэффициента преобразования 035 волны от длительности импульса

Г ^ ' 5 г--*] г:М

* *■ -V? 1 И сс4

1

{

/

в* I«4 ййак 9

С-'Ф^Л .х-"' -3

Рис.4. Осциллограммы, представлявшие СВ5 при че-ырох-волновон взаимодействии в жидкости с пузырьками газа

Рис.5. Изображение падающего (а) и отраженного от поверхности воды (б) звуковых пучков.

Рис.б. Осциллограмма процесса гашения звукового излучения с помощью зеркала, обращающего волновой фронт.

ше1

ига

1ЯО

о *

Т • гт

от*«1

ет«9.

Рис.7. Зависимость амплитуды рассеянного сигнала от времени при различных амплитудах колебаний (а,б); расчетные зависимости дисперсии 22 (пунктир) и среднего усиления <Т> (сплошная линия) рассеянного сигнала для одномерного поверхностного волнения (в).