Экспериментальные исследования акустической нелинейности, рассеяния и поглощения звука в воде с пузырьками тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ

На правах рукописи

Корсков Игорь Владимирович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АКУСТИЧЕСКОЙ НЕЛИНЕЙНОСТИ, РАССЕЯНИЯ И ПОГЛОЩЕНИЯ ЗВУКА В ВОДЕ С

ПУЗЫРЬКАМИ

Специальность 01.04.06 - Акустика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Владивосток — 2004

Работа выполнена в Институте проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской Академии наук

Научный руководитель: доктор физ.-мат. наук Буланов В.А.

Официальные оппоненты: доктор физ.-мат. наук Касаткин Б.А.

кандидат физ.-мат. наук Максимов А.О.

Ведущая организация:

Дальневосточный государственный технический университет

Защита состоится 22 октября 2004 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д005.017.01 в Тихоокеанском океанологическом институте им. В.И. Ильичева по адресу: 690041, г. Владивосток, ул. Балтийская, 43, ТОЙ ДВО РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТОЙ ДВО РАН

Автореферат разослан « _» сентября 2004 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета

доктор технических наук

В.И. Коренбаум.

216 €431

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Свойства реальных жидкостей существенно отличаются от свойств идеальной жидкости из-за присутствия в них различных микронеоднородностей. Знания о влиянии микронеоднородностей на свойства жидкостей имеют большое значение как для фундаментального понимания процессов, происходящих в океане и атмосфере Земли, так и в различных прикладных задачах. Исследования распространения звука в таких жидкостях, проведенные различными авторами, позволили решить многие вопросы акустики микронеоднородных жидкостей, включая создание различных методов акустической спектроскопии таких жидкостей. Тем не менее, целый ряд разделов акустики микронеоднородных жидкостей остаются не достаточно хорошо проработанными или вовсе не изученными. К ним можно отнести, в первую очередь, вопросы, не являющиеся традиционными для акустики жидкостей при обычных температурах. Это - вопросы, связанные с влиянием фазовых превращений на акустические характеристики жидкостей с парогазовыми пузырьками, которые на практике играют значительную роль либо при высоких температурах для обычных высокотемпературных жидкостей типа воды, либо, напротив, для низкотемпературных криогенных жидкостей типа жидкого азота или водорода. Значительный интерес традиционно представляют вопросы поведения жидкостей при большой концентрации микронеоднородностей. Свойства жидкостей при большой концентрации до настоящего времени изучены крайне слабо, включая как экспериментальные, так и теоретические аспекты проблемы. Поэтому исследования изменчивости основных характеристик звукового поля в условиях большой концентрации микронеоднородностей представляются актуальными и имеют большое научное значение.

Цель работы. Экспериментально изучить температурные и концентрационные зависимости нелинейного акустического параметра, поглощения и рассеяния звука в воде с пузырьками и развить экспериментальные методы акустической спектроскопии микронеоднородной жидкости.

Научная новизна. Основные научные результаты состоят в следующем:

1. Экспериментально выявлено существенное влияние фазовых превращений на акустическую нелинейность, рассеяние и поглощение звука в воде с парогазовыми пузырьками, выражающееся в заметном росте этих характеристик с увеличением температуры воды с пузырьками, что ранее было предсказано только теоретически.

2. Подробно экспериментально исследована зависимость акустического нелинейного параметра, рассеяния и поглощения звука от концентрации и распределения газовых пузырьков в жидкости и установлена нелинейная связь этих характеристик при высоких концентрациях пузырьков.

3. На основе разработанных методов получены данные о распределении параметра акустической нелинейности и затухания звука на глубинах до 100 м

РОС •

'/МАЯ

► А

г

в различных районах Мирового океана, не упоминавшиеся ранее в научной литературе.

4. Предложен метод акустической спектроскопии морской среды, основанный на нелинейном рассеянии звука на встречных звуковых пучках. Получены экспериментальные данные в экспедиционных условиях, подтверждающие возможность применения дистанционного метода для изучения распределения пузырьков газа по размерам на разных глубинах в море.

Научная новизна подтверждена публикациями в рецензируемых научных изданиях, представлением докладов на международных и отечественных конференциях, экспертными оценками на конкурсах РФФИ.

Научная и практическая значимость работы. 1. В работе были разработаны экспериментальные методы и средства для исследования свойств микронеоднородной жидкости вблизи фазовых переходов и при больших концентрациях газа.

2. В работе были апробированы различные методы акустической спектроскопии микронеоднородной жидкости. Были получены экспериментальные результаты, расширяющие научное знание об акустических свойствах микронеоднородной жидкости вблизи фазовых переходов и при больших концентрациях газа.

3. В работе был разработан и апробирован акустический комплекс для исследования микронеоднородностей морской среды в натурных экспедиционных условиях.

Значимость работы подтверждена тем, что она выполнялась в рамках ряда государственных научных программ, в том числе ФЦП "Мировой океан" и "Интеграция", а также при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований - проекты 94-02-006092, 96-02-19795, 00-02-16913, 03-02-16710, проект РФФИ-Приморье 01-05-96907.

Личный вклад. Лично автором была подготовлена лабораторная установка для экспериментального изучения особенностей распространения звука в жидкости с пузырьками. Лично автором проведены все эксперименты по изучению температурных и концентрационных зависимостей коэффициента затухания, рассеяния и поглощения звука и акустического нелинейного параметра. Лично автором проведена обработка экспериментальных данных и получены экспериментальные температурные и концентрационные зависимости названных акустических характеристик. Автором в соавторстве разработаны экспериментальные методы акустической спектроскопии микронеоднородных жидкостей для лабораторной установки и для установки, предназначенной для натурных морских экспериментов. Автор лично принимал участие в морских экспедициях и экспериментах, в которых получены использованные им материалы. Также в соавторстве был проведен анализ полученных экспериментальных результатов, численное моделирование концентрационных зависимостей акустических параметров и сделаны соответствующие заключения.

Апробация работы. По материалам диссертации имеется 14 публикаций, из них 10 в рецензированных сборниках, 2 работы в сборниках материалов международных конференций.

Результаты исследований докладывались на 18 Международном акустическом конгрессе (Киото, Япония, 2004 г.), 16 Международном симпозиуме по нелинейной акустике (Москва, 2002 г.) сессиях РАО (Москва, 2000 г., 2004 г.), на VI и УП семинарах СО РАН "Акустика неоднородных сред" (Новосибирск, 2002 г., 2004 г.), VI Дальневосточной акустической конференции (Владивосток, 1998 г.).

Результаты исследований, представленных в диссертации использовались в отчетах по НИР "Акустические исследования структуры океанической среды", Гос. per. №01.960.010860, НИР №2001/1 и №2001/2 проекта - 5.2 подпрограммы "Исследование природы Мирового океана" ФЦП "Мировой океан".

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 6 глав, заключения и списка цитируемой литературы (105 наименований), включает титульный лист и оглавление, 121 страницу печатного текста, 49 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении сформулирована тема диссертации, ее цели, показана актуальность темы и научная новизна, практическая значимость, сформулированы задачи и положения, выносимые на защиту.

В первой главе дан обзор литературы по вопросу о влиянии газовых и парогазовых пузырьков на акустические свойства микронеоднородной жидкости. Свойства жидкости с пузырьками характеризуется эффективным волновым числом ке, которое определяется амплитудой рассеяния звука /, и функцией распределения пузырьков по размерам g(R).

к2х=к2+4 f¿R,a>MR)dR, f,(R,co) = pco2R3 (l)

Здесь к =co/c - волновое число, со - круговая частота акустической волны, с -скорость звука в жидкости, R - размер пузырька, g(R) - количество пузырьков dN в единице объема, приходящихся на интервал радиусов пузырьков dR, т.е. g(R)=dN/dR, р - плотность жидкости, К - собственная сжимаемость пузырьков, множитель Q имеет в основном динамическую природу и определяется резонансным характером монопольных колебаний пузырька, обусловленных наличием присоединенной массы жидкости и собственной упругостью (сжимаемостью) газа или парогазовой смеси (в зависимости от температуры) внутри пузырька. При монопольном рассеянии звука на пузырьках амплитуда рассеяния fx может быть выражена в виде:

/¡(®,Д)= Я[(т0г/а2-l)-iS]" , a>¡ *3/{Kt(K{Rco))pR), (2) 8 = S(a,R) = kR + Arj/pcoR2 + Im(K(R,a>))/Re(K(R,a>)) (3)

где Щ - резонансная круговая частота одиночного газового пузырька, д постоянная затухания монопольных колебаний, которая выражается через сумму 3-х компонентов, соответствующих различным механизмам потерь энергии (излучение в виде звуковых волн, потери, связанные с вязкостью жидкости и потери, связанные с тепломассообменом на поверхности пульсирующего пузырька), Г] - коэффициент вязкости. Рассеяние и поглощение звука, акустический нелинейный параметр в жидкости с пузырьками непосредственно связаны с этими характеристиками.

Раздел 1.1 посвящен рассеянию звука на пузырьках. Сечение обратного рассеяния О от единичного объема жидкой среды с пузырьками, имеет в вид:

а~ J (4)

В качестве модели для функции распределения микронеоднородностей по размерам многие исследователи часто используют степенную функцию вида:

= где п = 3-5 (5)

В случае монотонной функции распределения пузырьков по размерам для звука с частотами/< 2 МГц сечение обратного рассеяния равно:

л^Я"

(6)

Объемная концентрация газа л;, находящегося внутри пузырьков, равна:

х = (7)

* К™.

В разделе 1.1 рассмотрены также особенности линейного и нелинейного рассеяния звука, нелинейного нестационарного рассеяния, показаны условия, при которых возможна спектроскопия газовых пузырьков.

Раздел 1.2 посвящен акустическому нелинейному параметру. Нелинейный

параметр £ имеет четкий физический смысл - он определяет расстояние *

разрыва в волне г согласно соотношению:

г* = 1/екМ, (8)

где к - волновое число, М~Р/рс2 - число Маха, Р - давление в волне. В жидкости с пузырьками говорят об эффективном нелинейном параметре ее, который выражается через сумму, один член которой определяет нелинейность чистой воды со, а другой определяет влияние самих пузырьков еь.

£е=£о +еь. (9)

В жидкости с фазовыми превращениями нелинейный параметр Ее имеет в вид:

€е=Еое+Е, __ (Ю)

где характеризует жидкость без фазовых превращений, £ - дополнительное изменение нелинейного параметра, связанное с фазовыми превращениями и с

динамическими свойствами пузырьков. Приведенные в разделе выражения для & имеют сложный вид и показывают, что нелинейный параметр существенным образом зависит от поведения функции линейной сжимаемости К (/?,й)), которая для случая парогазовых пузырьков имеет следующий вид:

К(Н,а)) = К(И,й>)/<2(И,а>)^\К\е-°, * = (П)

Раздел 1.3 посвящен затухапию звука в воде с пузырьками. Полученная из модели Фолди и часто используемая для расчета коэффициента затухания формула, записанная в приближении малой концентрации, имеет вид:

а = 1т(£,е) =—1т

К

(12)

Для чисто газовых пузырьков интегрирование в формуле (12) по функции распределения пузырьков по размерам при условии ее монотонности, когда она описывается выражением (5), позволяет получить простое выражение для коэффициента затухания звука в жидкости с газовыми пузырьками:

а

(13)

V з

Раздел 1.4 посвящен нелинейной генерации звука в воде с пузырьками. Рассмотрены различные режимы нелинейной генерации звука. Когда т?/41< < 1/аш, амплитуда волны разностной частоты связана с нелинейным параметром и поглощением звука выражением:

(14)

Здесь с1 - диаметр излучателя, Х-с/т/2п, ЯОа <У4, у, = 1,78 -постоянная Эйлера, £1 — частота разностной волны, си — частота накачки. Индексы и Л указывают, что параметр определяется на частоте накачки и на разностной частоте соответственно.

Вторая глава посвящена техническим средствам для измерения затухания и рассеяния звуковых волн в жидкости с газовыми и парогазовыми пузырьками и измерения акустической нелинейности. В главе описана измерительная установка, предназначенная для лабораторных экспериментов, и установка для проведения натурных экспериментов. На рис. 1 показана схема лабораторной измерительные установки для изучения свойств микронеоднородной жидкости. Измерительная установка состоит из бассейна размерами 50x50 см, высота 25см. Внутри расположены 2 частично прозрачные перегородки, отделяющие зоны нагрева воды от измерительной зоны. В измерительной зоне находятся параметрический излучатель (1), гидрофон (2), электролитический генератор пузырьков (5), датчик температуры (3) и устройство для перемешивания воды (4). Малые размеры бассейна позволяют проводить быстрый нагрев воды от 18 до 90'С.

Для натурных морских экспериментов была разработана и изготовлена установка, которая позволила измерить нелинейность морской воды и затухание звука в вертикальном разрезе от поверхности моря до глубины 100 м.

Внешний вид установки показан на рис. 2. Опускаемое устройство установки представляет собой штангу (2), на одном конце которой находится параметрический излучатель (1), а на другом - отражающая пластина (5). Здесь же закреплен контейнер (3) с измерителем скорости звука, температуры и гидростатического давления. Устройство опускается с помощью кабель-троса (4), по которому осуществляется связь с бортовым электронным комплексом.

Рис. 1. Функциональная схема измерительного бассейна для лабораторной установки: 1 -излучатель, 2 -гидрофон, 3 - датчик температуры, 4 - устройство для перемешивания воды, 5 —генератор пузырьков, 6 - нагреватели, 7 -разделительные перегородки. Общая базовая длина штанги 70 см.

Рис. 2. Опускаемое устройство для натурных морских экспериментов: 1 - излучатель, 2 - штанга, 3 -измеритель скорости звука, температуры и гидростатического давления, 4 - несущий кабель-трос, 5 -

отражающая пластина. Нелинейность воды определяется по

амплитуде генерируемых параметрическим методом волн разностной частоты, а затухание - по уменьшению отраженного от пластины сигнала накачки.

Опускаемое устройство использует те же принципы, что и бассейн (нелинейное взаимодействие волн накачки в среде и измерение отраженных и рассеянных сигналов волн накачки и разностных частот) поэтому методы, примененные в бассейне, полностью применены в данной установке.

В третьей главе описываются предлагаемые применительно к условиям бассейна методы измерения затухания и рассеяния звука и акустической нелинейности. В первом разделе главы получены выражения для расчета коэффициента объемного рассеяния и функции распределения пузырьков по размерам по измерениям амилитуды давления сигналов рассеяния. В экспериментальных работах используют понятие коэффициента объемного рассеяния ту, который определяется из выражения для интенсивности некогерентного рассеяния /у и тождественно равен сечению рассеяния единицы объема жидкости.

8г1

СТЯСГ

\2

2

яв2ст

-г -(Гь.

(15)

В выражении (15) вид mv дан для двух случаев: когда рассеяние происходит в ближней зоне и рассеивающий объем определяется площадью поверхности излучателя же?/4 и пространственной протяженностью импульса ст/2, Ps и P¡ -давление в рассеянной и падающей волне соответственно, и для дальней зоны, когда сечение звукового луча зависит от характеристики направленности в.

Второй раздел третьей главы посвящен измерению затухания звука. Затухание звука в бассейне с пузырьками вызвано поглощением звука водой аа, затуханием звука на пузырьках и потерями, связанными с отражением от стенки, в том числе за счет неидеальной отражающей поверхности ау. Описана методика определения составляющей части затухания звука, связанной с рассеянием а^, и поглощением ам, звука на пузырьках аь.

аь = <*„„+««• (16)

Для определения чистого поглощения звука пузырьками, необходимо определить затухание звука, вызванное рассеянием на пузырьках. Эта часть звуковой энергии без потерь переизлучается пузырьками в пространство в виде сферических волн, создавая в среде дополнительный шумовой фон. Этот фон легко измерить гидрофоном, находящимся недалеко от звукорассеивающего объема пузырьковой среды. Пузырек является рассеивателем монопольного типа, поэтому: азС1=2жсгЬ1, аь = аш + 2n(Jb¡ 2пт,. (17)

Поскольку рассеяние от монопольного источника, каким является пузырек, ненаправленное, расположение гидрофона по отношению к источнику шума не влияет на результат измерения. Поглощение на пузырьках определится как:

ат=аь-2пту. (18)

Третий раздел третьей главы посвящен определению нелинейного параметра. Нелинейный параметр определялся по измерению расстояния разрыва из выражения (8), по амплитуде волны разностной частоты из (14), методом сравнения экспериментальной и модельной зависимости амплитуды волны разностной частоты от расстояния при заданном нелинейном параметре.

Четвертая глава посвящена описанию экспериментов по изучению температурной зависимости затухания, поглощения и рассеяния звука и акустической нелинейности в пресной воде с парогазовыми пузырьками.

В первой серии экспериментов измерения проводились при малой концентрации пузырьков на частотах 30, 50 и 70 кГц. Температура воды в ходе эксперимента изменялась от 20 до 90°С. Была определена температурная зависимость коэффициента объемного рассеяния, коэффициента затухания, параметра нелинейности. Был рассмотрен вклад рассеяния и поглощения звука в общее затухание звука на пузырьках.

Температурные зависимости коэффициента затухания и коэффициента объемного рассеяния звука показаны на рис. 3 и рис. 4. С ростом температуры ожидалось уменьшение рассеяния на пузырьках из-за снижения резонансных свойств пузырьков. Однако при отсутствии постоянного источника пузырьков с ростом температуры можно ожидать изменение функции распределения пузырьков по размерам. С ростом температуры уменьшается растворимость

газа в воде, и растворенный газ может проникать в пузырьки, увеличивая рассеяние звука.

Сравнивая графики затухания на рис. 3 и графики рассеяния на рис. 4 видно, что абсолютные значения затухания на пузырьках аь и его приращение с ростом температуры существенно больше, чем та его часть, которая обусловлена рассеянием а^^юпу. Можно сделать следующее заключение: ai,=aan+27rmi^aa„ так как ту« a¡,.

Таким образом, затухание на пузырьках на частотах 30-700 кГц определяется в основном поглощением звука самими пузырьками. Поглощение на пузырьках увеличивается с ростом температуры воды.

Т, °С

Рис. 3. Темпера 1урная зависимость коэффициента затухания звука в воде при низкой концентрации пузырьков

Т, °С

Рис. 4. Температурная зависимость коэффициента объемного линейного рассеяния в воде при низкой концентрации пузырьков

11а рис. 5 показана температурная зависимость нелинейного акустического параметра при низкой концентрации пузырьков. Экспериментальные значения обозначены символами, а прямыми линиями - усредненные по трем значениям линейные аппроксимации экспериментальных величин. С ростом температуры наблюдается увеличение нелинейности На рис. 6 показана частотная зависимость нелинейного акустического параметра. При низкой температуре частотной зависимость почти пет, но с увеличением температуры частотная зависимость начинает проявляться.

Во второй серии экспериментов измерения проводились при постоянной средней концентрации газовых пузырьков, которая поддерживалась работой электролитического генератора пузырьков при токе 100 мА, на трех фиксированных частотах 30, 50 и 70 кГц. На каждой частоте вода нагревалась

и

от 18°С до 90°С. Были получены данные о температурной зависимости поглощения звука и нелинейного акустического параметра.

На рис. 7 показаны экспериментальные температурные зависимости нелинейного акустического параметра, а на рис. 8 - коэффициента поглощения звука при высокой концентрации пузырьков. Вместе с экспериментальными значениями, обозначенными символами, представлены усредненные по трем значениям линейные аппроксимации экспериментальных величин. С увеличением температуры наблюдается резкий рост нелинейности и коэффициента затухания, что предсказывалось в ряде теоретических работ.

е

35-

* 30 «Ги

• 30 кГц X

Ж 70 кГц

сршмЛО кГц

— - среди-50 ц Ж

---среям 70 кГц ж у

X * ж

•

• ж

у ' * •

/ ' •

ж

* « •

* •

т » * V •

. * • * *

е

35-

10 20 30 40 60 60 70 80 90

Т,°с

Рис. 5. Температурная зависимость нелинейного параметра в воде при низкой концентрации пузырьков.

Е

50-

10 20 30 40 50 60 70 ВО 90

т.°с

Рис. 7. Температурная зависимость нелинейного параметра в воде при высокой концентрации пузырьков.

1, кГц

Рис. 6. Частотная зависимость нелинейного параметра в воде при низкой концентрации пузырьков. а смД

0,025 0 0200,0150,010 0,0050.000

• 70 кГц « 50 кГц » 30 кГц

----среди 70 кГц

срсдн 50 кГц --среди 30 кГц

т, °с

Рис. 8. Температурная зависимость коэффициента затухания в воде при высокой концентрации пузырьков.

Таким образом, в результате проведенных экспериментов по исследованию влияния фазовых превращений на акустическую нелинейность и затухание звука в воде с парогазовыми пузырьками получены данные о температурной зависимости (от 20 до 92°С) нелинейного акустического параметра и коэффициента затухания звука в воде с парогазовыми пузырьками.

Измерение рассеяния звука на пузырьках показало, что суммарное затухание звука в частотном диапазоне 30 - 700 кГц определяется в основном поглощением звука. При этом вклад в суммарное затухание звука составляющей, отвечающей за рассеяние на пузырьках, на 1-2 порядка меньше вклада от поглощения звука пузырьками.

Показано, что поглощение звука в воде с пузырьками растет с увеличением температуры, в то время, как поглощение звука в чистой воде и в воде с чисто газовыми пузырьками уменьшается с ростом температуры. Полученные результаты можно объяснить только значительным увеличением концентрации пара в пузырьках, их постепенном превращении из чисто газовых в паровые пузырьки и резким увеличением диссипации энергии при фазовых превращениях.

В пятой главе приводится описание экспериментов по изучению концентрационных зависимостей затухания и рассеяния звука и акустической нелинейности. Концентрация пузырьков в пресной воде менялась путем изменения тока электролитического генератора пузырьков. Температура воды при этом равнялась 18°С. Эксперимент проводился на восьми фиксированных частотах от 30 до 100 кГц с интервалом в 10 кГц, которые генерировались нелинейно в среде высокочастотными волнами накачки. Были получены концентрационные экспериментальные зависимости коэффициентов затухания и рассеяния, и параметра нелинейности. На рис. 9 показаны концентрационные зависимости поглощения звука, связанного с рассеянием на пузырьках, на различных частотах. При токе генератора пузырьков около 500-600 мА меняется наклон кривых, то есть затухание растет медленнее, чем ток генератора пузырьков. На рис. 10 показана функция распределения пузырьков по размерам, полученная из выражения (13) по величине коэффициента затухания. Кривые на рис.10 равномерно отстоят друг от друга до величины тока примерно 500 мА, затем почти сливаются в одну линию. Моделью для описания закона распределения пузырьков по размерам принимается степенная функция вида g(R)=AR"n (5). Экспериментально полученные зависимости функции распределения пузырьков по размерам для каждого фиксированного тока генератора пузырьков были аппроксимированы этой степенной функцией. Были определены коэффициентов А и п в выражении для Оказалось, что с ростом тока генератора пузырьков показатель степени в функции распределения уменьшается от и=3.39 при токе 100 мА до и=3.0017 при токе 700-1000 мА. Это говорит о том, что размерная (частотная) зависимость функции распределения ослабевает, то есть в воде широко представлен набор пузырьков всех размеров. Коэффициент А вырастает от при токе 100

мА до А=2.55-Ю"5 при токе 600-1000 мА. Это говорит о росте концентрации газовых пузырьков в целом.

fee*

0,020

0,010-

0,005

tf ■ - 30 кГц - о 40 кГц ,„.. » 50 кГц

IZJ" —о-60 кГц

-♦- 70 кГц -*- 80 кГц -»-90 кГц

0 200 400 600 800 1000 I, МА

Рис. 9. Зависимость коэффициента поглощения звука от тока генератора пузырьков для частот 30 — 90 кГц при температуре воды 18°С.

100-

Ток генератора пузырьков 4 01А О 2А -♦-03А 04А -»-05А -»-OSA -*—07А

0,004 0006 0 008 0 01

^.СМ

Рис. 10. Функции распределения пузырьков по размерам при разных токах генератора пузырьков, рассчитанные по формуле (13).

ю"-

10-*

10'

■ — 30 кГц о 40 кГц & 50 кГц —Т7 - 60 кГц Ф 70 кГц - Л- 80 кГц —90 кГц

200 400 800 800 1000 1,МА

Рис. 11. Зависимость коэффициента объемного рассеяния в от тока генератора пузырьков.

—о—90 кГц "Л," ' О 80 кГц

'4 / с- 70 кГц

> -»-ВО «Гц

¿ - я- 50 кГц

— 40 кГц > 30 кГц

200 400 600 800 1000

Рис. 12. Зависимость акустического нелинейного параметра от тока генератора пузырьков.

Были получены концентрационные зависимости для линейного рассеяния на частотах волн накачки и волн разностных частот. На рис. 11 показана

зависимость коэффициента объемного рассеяния от тока генератора пузырьков. Сравнивая абсолютные величины коэффициента затухания и сечения линейного рассеяния звука, как и в предыдущей главе, видно явное превышение поглощения звука над рассеянием. Таким образом, затухание на пузырьках в измеряемом диапазоне частот обусловлено в основном поглощением звука.

Нелинейный параметр был определен при помощи выражения (14) для амплитуды давления разностной волны. На рис.12 показаны концентрационные зависимости нелинейного параметра на частотах от 30 до 90 кГц. На рис.12 также наблюдается область загиба кривых при токах около 500-600 мА.

В третьем разделе пятой главы подробно обсуждаются полученные результаты. Экспериментальные результаты можно объяснить на основе теории самосогласованного поля Фолди, выражающееся формулой к* = к^ + Аяп/Х. Согласно формуле для коэффициента поглощения а = 1ткс можно написать следующее выражение:

х.

5

1 Тгкёг

где . (15)

Здесь х« - критическая концентрация, определяемая из уравнения:

хЖ/Р = \ (16)

где обозначение подразумевает интегрирование по спектру размеров типа:

4 ,

(17)

При х>х* происходит переход от линейной зависимости к корневой. При малых концентрациях затухание линейно по концентрации а~х, а при больших

концентрациях а—у[х. На рис. 13 показаны расчетные зависимости а от концентрации пузырьков при температуре

80°С. На рис. 13 наблюдается описываемый переход от линейной к корневой зависимости.

Рассмотрим поведение нелинейного акустического параметра при больших концентрациях. Рассмотрим случай газовых пузырьков. Нелинейный параметр е^х), характеризующий жидкость без фазовых превращений можно записать в следующем виде:

«о.--т-г

^ ^ (18) Выражение (18) имеет максимум, определяемый из уравнения (16).

Таким образом, при больших концентрациях х>х* наблюдается спад нелинейности среды с пузырьками. Это явление для чисто газовых пузырьков

отмечается в работах некоторых авторов. Отметим, что основные выводы справедливы также и для парогазовых пузырьков. При этом общее выражение для е(х) дает максимум также при х^х.. Полученные результаты можно проиллюстрировать расчетом, приведенным для воды с пузырьками при температуре 80°С и представленные на рис. 14.

Рис. 13. Расчетная зависимость Рис. 14. Расчетная зависимость

коэффициента поглощения звука от нелинейного акустического параметра

концентрации пузырьков для от концентрации пузырьков на частоте

температуры 80°С на частотах 64 кГц при темперагурах 20, 50, 80 и

от 4 до 128 кГц. 100°С.

Сравним данные, полученные в экспериментах по распространению звука в воде с пузырьками при различной концентрации с приведенными расчетами для коэффициента поглощения звука и нелинейного акустического параметра. Область перегиба экспериментальных кривых коэффициента поглощения звука и нелинейного акустического параметра приходится на токи генератора пузырьков 500 - 600 мА. На рис. 13 и 14 видно, что для коэффициента поглощения звука и нелинейного параметра значения объемной концентрации газа в воде порядка от 5'10"6 до 5• 10"5 определяют начало перегиба кривых концентрационной зависимости. Абсолютные значения коэффициента поглощения, полученные экспериментальным путем, близки к значениям на рис 13 и 14. Следует учитывать, что реальные условия не позволяют точно воспроизвести параметры жидкостно-газовой смеси, которые были заложены в расчеты. Экспериментальный нелинейный параметр ниже, чем ожидаемый

модельный, хотя качественно динамика их изменения одинакова. Таким образом, приведенные модельные расчеты для коэффициента поглощения звука и нелинейного акустического параметра могут объяснить полученные экспериментальные результаты.

Шестая глава посвящена описанию натурных морских экспериментов, проведенных с применением разработанных методов и аппаратных средств. Первый раздел главы посвящен изучению зависимости от глубины коэффициента затухания и акустической нелинейности в приповерхностном слое моря до глубины 100 м. Следует отметить, что измерения указанных параметров в океане сопряжено с большими трудностями и в научной литературе практически отсутствует информация об их распределении в деятельном слое океана. Существуют лишь отрывочные данные, причем это в 11

основном относится к затуханию звука. Исследования нелинейности морской воды на различных глубинах проводились буквально в единичных экспериментах. В первом разделе главы шестой приводятся некоторые из полученного большого объема данных.

На рис.15 и рис. 16 показаны зависимости коэффициента затухания и коэффициента рассеяния звука от глубины в разных точках Индийского океана. При движении опускаемого устройства от поверхности вниз вначале происходит постепенное уменьшение коэффициента затухания звука. На глубинах залегания звукорассеивающих слоев наблюдается увеличение коэффициента затухания звука. Одновременно регистрировалось рассеяние звука на микронеоднородностях с помощью высокочастотного гидролокатора. На рис. 16 наблюдается увеличение коэффициента объемного рассеяния на глубине 45 метров от поверхности моря. На рис. 15 видно, что на этой же глубине происходит и увеличении коэффициента затухания звука. Этот факт позволяет убедиться, что затухание звука в приповерхностном слое моря в существенной мере зависит от положения звукорассеивающих слоев.

Акустический нелинейный параметр определялся по изменению амплитуды разностной частоты 15 кГц при частотах накачки 700 и 715 кГц. ♦

На рис. 17 показана зависимость нелинейного параметра от глубины моря. Видно, что на определенной глубине залегания звукорассеивающих слоев происходит резкое увеличение нелинейного параметра примерно в среднем в полтора раза по сравнению с величиной нелинейного параметра на поверхности моря. Это очень большое увеличение, достаточно упомянуть, что имеющиеся в литературе данные по нелинейному акустическому параметру при преобразовании во вторую гармонику составляют буквально считанные проценты. При этом весь эффект влияния микронеоднородностей морской среды обычно заключался в увеличении флуктуационной компоненты нелинейного параметра. Здесь же, наряду с увеличением флуктуаций нелинейного параметра в местах расположения звукорассеивающих слоев, наблюдается также и резкие изменения его средних значений.

Рис. 15 Зависимость коэффициента затухания звука от глубины на ст. 17 в Индийском океане.

( и

» ОЩНИМЬяи и ^

■ .•/•№.«'(111 Л »« 21 1(1 Ч

м И» «Г -^«гщгЫ»

50 — Ч д

1-тиь о %Т¡г*4

«

?!

И 4

ч * м т

Рис. 16. Зависимость коэффициента объемного рассеяния звука от глубины на ст. 16 в Индийском океане.

91 10 М Г^', II и и

Рис. 17. Зависимость нелинейного параметра от глубины на станции 16 в Индийском океане при первом зондировании.

31 1] 1* / 1« в

(А,

Рис. 18. Зависимость нелинейного параметра от глубины на ст. 16 спустя полчаса после предыдущего зондирования.

3 ¿ 9» .1 12 . > И 1

Рис. 19. Зависимость нелинейного параметра от глубины на станции 17 в Индийском океане.

Рис. 20. Зависимости нелинейною параметра от глубины на станции 24 в Индийском океане.

Необходимо подчеркнуть, что измерения нелинейного параметра проведены не на второй гармонике, а на разностной частоте 15 кГц, когда нелинейное взаимодействие двух близко расположенных по частоте высокочастотных сигналов приводит к нелинейной генерации звука на частоте разности указанных сигналов.

Видно, что этот метод регистрации нелинейной генерации звука на разностной частоте очень чувствителен к наличию микронеоднородностей в воде. Таким образом, применение этого метода позволяет получить новые данные о наличии и свойствах микронеоднородностей.

На рис. 17 и рис. 18 показаны зависимости нелинейного параметра от глубины. Измерения выполнены во время дрейфа судна, через полчаса друг за другом. Сравнение зависимостей на рис. 17 и рис. 18 показывает, что среда стационарна, а воспроизводимость результатов измерений высокая. На рис. 19 и рис. 20 приведены зависимости нелинейного параметра от глубины на разных станциях. Видно, что зависимость нелинейного параметра от глубины может иметь самый различный характер и обусловлен особенностями гидрологии.

Во втором разделе главы 6 описан эксперимент по измерению функции распределения пузырьков по размерам в приповерхностном слое моря. Был применен метод нелинейного рассеяния звука при взаимодействии высокочастотных импульсов на встречных пучках. Рассматриваются отличия этого метода от обычного параметрического, даны сравнительные оценки результатов, полученных в эксперименте, с ранее известными результатами.

На рис. 21 приведена функция распределения пузырьков по размерам по глубине в приповерхностном слое моря, измеренная в двух районах моря на частоте 145 кГц методом нелинейного рассеяния на встречных пучках.

Рис. 21. Распределение пузырьков по глубине в приповерхностном слое моря.

Расчетное выражение для коэффициента объемного рассеяния:

„(В 1

л2 'Що7я)в~ (Р^)

Таким образом, для осуществления дистанционной акустической спектроскопии в работе предложено применение нестационарного нелинейного рассеяния на встречных звуковых пучках. Предложенная методика была успешно апробирована в натурном эксперименте в условиях шельфовой зоны моря.

Основные выводы и результаты

В диссертации представлены результаты экспериментальных исследований температурных и частотных зависимостей акустической нелинейности, рассеяния и поглощения звука при различной концентрации газовых и парогазовых пузырьков в воде. В работе получили дальнейшее развитие экспериментальные методы акустической спектроскопии микронеоднородной жидкости, основанные на изучении особенностей распространения, поглощения и рассеяния звука. В работе предложены и апробированы методики для исследования микронеоднородной жидкости в лабораторных и натурных условиях, представлены подробные описания и функциональные схемы, измерительных аппаратных комплексов. Основные научные результаты состоят в следующем:

1. Экспериментально выявлено существенное влияние фазовых превращений на акустическую нелинейность и затухание звука в воде с парогазовыми пузырьками, выражающееся в заметном росте этих характеристик с увеличением температуры воды с пузырьками, что ранее было предсказано только теоретически.

2. Подробно экспериментально исследована зависимость акустического нелинейного параметра и затухания звука от концентрации и распределения газовых пузырьков в жидкости и установлена нелинейная связь этих характеристик при высоких концентрациях пузырьков.

3. На основе разработанных методов были получены данные о распределении параметра акустической нелинейности и поглощения звука на глубинах до 100 м в различных районах Мирового океана, не упоминавшиеся ранее в научной литературе.

4. В работе был предложен метод акустической спектроскопии морской среды, основанный на нелинейном рассеянии звука на встречных звуковых пучках. Получены экспериментальные данные в экспедиционных условиях, подтверждающие возможность применения дистанционного метода для изучения распределения пузырьков газа по размерам на разных глубинах в море.

Список публикаций по теме диссертации

1. Буланов В.А., Корсков И.В., Попов П.Н. Возможности акустической спектроскопии морской среды при нелинейном рассеянии звука с обращенным волновым фронтом//В сб. Морские технологии под ред. акад. М.Д.Агеева. Вып. 1. Владивосток: Дальнаука. 1996. С.199-206.

2. Буланов В.А., Корсков И.В., Попов П.Н. и др. Исследование рассеяния звука и параметров верхнего слоя океана//В сб. Морские технологии под ред. акад. М.Д.Агеева. Вып. 2. Владивосток: Дальнаука. 1998. С. 132-156.

3. Буланов В.А., Корсков И.В., Попов П.Н., Полоничко В.Д., Соседко С.Н. Акустическая диагностика морской среды при нелинейном рассеянии звука с обращенным волновым фронтом/УВ сб. Исследование и освоение мирового океана. Владивосток: Дальнаука. 1998. С. 72-74.

4. Буланов В.А., Корсков И.В. Акустическая нелинейность и поглощение звука в воде с парогазовыми пузырьками//В сб. Морские технологии, под ред. акад. М.Д.Агеева. Вып. 3. Владивосток: Дальнаука. 2000. С. 189-199.

5. Буланов В.А. Корсков И.В., Попов П.Н., Соседко С.Н. Исследования рассеяния звука в мелком море//В сб. Морские технологии под ред. акад. М.Д.Агеева. Вып. 3. Владивосток: Дальнаука. 2000. С. 254-263.

6. Буланов В.А., Корсков И.В. Экспериментальные исследования акустической нелинейности и затухания звука в воде с парогазовыми пузырьками//В сб. трудов X сессии РАО. Т.1. М.: ГЕОС, РАО. 2000. С. 78-81.

7. Буланов В.А., Корсков И.В. Влияние фазовых превращений на акустическую нелинейность и затухание звука в воде с парогазовыми пузырьками//В сб. Акустика неоднородных сред. №117. Новосибирск: Ин-т гидродинамики. 2001.

8. Акуличев И.А., Буланов В.А., Корсков И.В., Моргунов Ю.Н., Попов П.Н. Экспериментальные исследования распространения звука вдоль трасс в Японском море//В сб. Морские технологии, под ред. акад. М.Д.Агеева. Вып. 4. Владивосток: Дальнаука. 2001. С. 119-139.

9. Акуличев И.А. Буланов В.А. Корсков И.В., Моргунов Ю.Н., Попов П.Н. Исследования неоднородностей океанической среды акустическими методами//Заюпочительный отчет ИПМТ по НИР "Акустические исследования структуры океанической среды", Гос.рег. №01.960.010860. Владивосток: ИПМТ ДВО РАН. 2001.

Ю.Буланов В.А. Корсков И.В., Попов П Н. и др. Гидрофизические и акустические экспедиционные исследования в Японском и Охотском морях в 2001 г//Отчет ИПМТ ДВО РАН по НИР №2001/2 подпрограммы "Исследование природы Мирового океана" ФЦП "Мировой океан". Владивосток: ИПМТ ДВО РАН. 2001.

1 I.V.А. Bulanov, I.V. Korskov. Acoustic Nonlinearity, Attenuation and Scattering of a Sound in Water with Vapor-Gas Bubbles/Лп.: Nonlinear Acoustic at the Beginning of the 21-st Century / Ed. Rudenko O.V., Sapozhnikov O.A. Moskow: Faculty of Physics, MSU. 2002. V.2. P. 915-918.

12.Акуличев B.A., Буланов B.A., Корсков И.В., Попов П.Н. Исследование распространения и рассеяния звука в шельфовой зоне Японского моря //В сб. Акустика океана под ред. акад. Л.М.Бреховских, М.: ГЕОС. 2004. С. 35-38.

13.Акуличев В.А., Буланов В.А., Корсков И.В., Попов П.Н. Акустическое зондирование верхнего слоя морской воды в различных районах океана //В сб. Акустика океана под ред. акад. Л.М.Бреховских. М.: ГЕОС. 2004. С. 237-242.

14. Буланов В.А., Бугаева Л.К., Корсков И.В., Попов П.Н., Половинка Ю.А. Реконструкция физических параметров дна в заливе с использованием схемы движущегося источника и неподвижного приемника/ЛЗ сб. Акустика океана под ред. акад. Л.М.Бреховских, М.: ГЕОС, 2004. С. 335338.

Корсков Игорь Владимирович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АКУСТИЧЕСКОЙ НЕЛИНЕЙНОСТИ, РАССЕЯНИЯ И ПОГЛОЩЕНИЯ ЗВУКА В ВОДЕ

С ПУЗЫРЬКАМИ

»

Специальность 01.04.06-Акустика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1,5уч.-издл. Формат 60x84/16 Тираж 100 экз._Заказ №

Отпечатано в типографии ИПК МГУ им. адм Г. И Невельского 690059, Владивосток, ул. Верхнепортовая, 50а

РНБ Русский фонд

2006-4 11377

ВВЕДЕНИЕ.

1. РАССЕЯНИЕ И ПОГЛОЩЕНИЕ ЗВУКА В ЖИДКОСТИ С

ПУЗЫРЬКАМИ, НЕЛИНЕЙНЫЙ АКУСТИЧЕСКИЙ ПАРАМЕТР. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1. Рассеяние звука на газовых и парогазовых пузырьках.

1.2. Нелинейный акустический параметр жидкости с газовыми и парогазовыми пузырьками.

1.3. Затухание и поглощение звука в жидкости с газовыми и парогазовыми пузырьками.

1.4. Нелинейная генерация звука и влияние на нее газовых пузырьков

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

АКУСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЖИДКОСТИ С ПУЗЫРЬКАМИ

2.1. Экспериментальные средства, применяемые в лабораторных исследованиях.

2.1.1. Общая схема измерительной лабораторной установки.

2.1.2. Метод генерации и контроль объема пузырьков.

2.1.3. Средства излучения и приема акустических сигналов.

2.1.4. Система излучения, приема и обработки акустических сигналов

2.2. Экспериментальные средства измерений для работы в натурных условиях.

2.2.1. Общее описание схемы управления излучением и приемом акустических сигналов.

2.2.2. Опускаемое измерительное устройство.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

АКУСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК В ЖИДКОСТИ С

ПУЗЫРЬКАМИ.

3.1. Изучение рассеяния звука на пузырьках.

3.1.1. Связь коэффициента объемного рассеяния звука на пузырьках и характеристик рассеиваемого акустического импульса.

3.1.2. Определение коэффициента объемного рассеяния в условиях лабораторной установки.

3.1.3. Определение параметров рассеянного и падающего сигнала накачки.

3.1.4. Расчет коэффициента объемного рассеяния в поперечном от оси излучения направлении.

3.2. Экспериментальное изучение затухания и поглощения звука в жидкости с пузырьками.

3.3. Изучение нелинейного акустического параметра.

3.3.1. Определение величины нелинейного акустического параметра по расстоянию разрыва.

3.3.2. Определение величины нелинейного акустического параметра по амплитуде давления волн разностной частоты.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ НА

АКУСТИЧЕСКУЮ НЕЛИНЕЙНОСТЬ И ПОГЛОЩЕНИЕ ЗВУКА В

ВОДЕ С ПАРОГАЗОВЫМИ ПУЗЫРЬКАМИ.

4.1. Краткая характеристика основных экспериментов.

4.2. Основные результаты, полученные в экспериментах с фоновой концентрацией парогазовых пузырьков.

4.2.1. Общие статистические характеристики экспериментальных данных.

4.2.2. Температурные зависимости коэффициента затухания, поглощения, коэффициента объемного рассеяния звука и акустического нелинейного параметра воды при низкой концентрации парогазовых пузырьков.

4.3. Основные результаты, полученные в экспериментах с высокой концентрацией парогазовых пузырьков.

4.3.1. Исследование температурной зависимости величины нелинейного акустического параметра в воде с высокой концентрацией парогазовых пузырьков.

4.3.2. Исследование температурной зависимости коэффициента поглощения звука в воде с высокой концентрацией парогазовых пузырьков.

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОГЛОЩЕНИЯ И РАССЕЯНИЯ ЗВУКА И АКУСТИЧЕСКОЙ НЕЛИНЕЙНОСТИ В ВОДЕ ПРИ РАЗЛИЧНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗОВЫХ ПУЗЫРЬКОВ.

5.1. Краткая характеристика экспериментов.

5.2. Основные результаты, полученные в экспериментах с различной концентрацией пузырьков.

5.2.1. Изучение зависимости рассеяния звука от тока генератора пузырьков.

5.2.2. Экспериментальное изучение зависимости коэффициента затухания и поглощения и функции распределения пузырьков по размерам при различной концентрации пузырьков.

5.2.3. Экспериментальное изучение зависимости нелинейного акустического параметра воды с пузырьками от величины тока генератора пузырьков.

5.3. О нелинейной концентрационной зависимости нелинейного акустического параметра, поглощения и рассеяния звука.

6. ИЗУЧЕНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПОГЛОЩЕНИЯ, НЕЛИНЕЙНОГО АКУСТИЧЕСКОГО ПАРАМЕТРА И РАССЕЯНИЯ ЗВУКА В МОРСКОЙ ВОДЕ В НАТУРНЫХ УСЛОВИЯХ.

6.1. Изучение зависимости коэффициента поглощения звука и акустического нелинейного параметра от глубины в море.

6.2. Акустическая спектроскопия морской среды на встречных звуковых пучках.

Актуальность темы

Свойства реальных жидкостей существенно отличаются от свойств идеальной жидкости из-за присутствия в них различных микронеоднородностей. Под микронеоднородностями подразумеваются малые объекты, размеры которых зачастую меньше длины звуковой волны, падающей на объект, отличающиеся от жидкости своими физическими свойствами (плотностью и сжимаемостью). От количества и свойств микронеоднородностей в значительной мере зависят кавитационная прочность, сжимаемость и эффективная теплопроводность жидкости. Особенно важно знать влияние микронеоднородностей на свойства жидкости вблизи точек фазовых переходов (кипение и кристаллизация жидкости), поскольку происходящие при этом явления могут существенно влиять на работу различных технических устройств.

Среди различных микронеоднородностей можно выделить газовые и парогазовые пузырьки. Обладая выраженными резонансными свойствами, они отличаются от других микронеоднородностей значительно более существенным влиянием на свойства жидкости. Их присутствие резко увеличивает нелинейные свойства жидкости, сечение рассеяния звука на пузырьках может во много раз превышать их геометрическое сечение. Эти особенности имеют положительную и отрицательную стороны. Положительным примером применения таких жидкостей в промышленности могут быть парогазовые жидкостные смеси, применяемые в химической технологии [1]. Примером проявления нежелательных свойств микронеоднородных жидкостей являются взрывоподобные образования парогазовых смесей в трубопроводах реакторов и систем транспортирования жидкостей, которые, благодаря своим высоким нелинейным характеристикам, способствуют образованию ударных волн, приводящих к разрушению трубопроводов [2, 3].

В натурных условиях большую роль играют пузырьки, находящиеся в основном в приповерхностном слое естественных водоемов и связанные с газообменом между атмосферой и океаном. Эти процессы оказывают влияние на климат и состояние атмосферы планеты. Присутствие придонных газовых пузырьков в виде факелов и облаков часто связывают с наличием газовых и нефтяных месторождений на дне водоемов. В технике знания о свойствах микронеоднородных жидкостей необходимы для повышения надежности устройств и сооружений, разработке новых технологических процессов, получения технических жидкостей с новыми свойствами.

Исследования распространения звука в таких жидкостях, проведенные различными авторами, позволили решить многие вопросы акустики микронеоднородных жидкостей, включая создание различных методов акустической спектроскопии таких жидкостей [4-17]. Тем не менее, целый ряд разделов акустики микронеоднородных жидкостей остаются не достаточно хорошо проработанными или вовсе не изученными. К ним можно отнести, в первую очередь, вопросы, не являющиеся традиционными для акустики жидкостей при обычных температурах. Это - вопросы, связанные с влиянием фазовых превращений на акустические характеристики жидкостей с парогазовыми пузырьками, которые на практике играют значительную роль либо при высоких температурах для обычных высокотемпературных жидкостей типа воды, либо, напротив, для низкотемпературных криогенных жидкостей типа жидкого азота или водорода. Значительный интерес традиционно представляют вопросы поведения жидкостей при большой концентрации микронеоднородностей. Свойства жидкостей при большой концентрации до настоящего времени изучены крайне слабо, включая как экспериментальные, так и теоретические аспекты проблемы. Поэтому исследования изменчивости основных характеристик звукового поля в условиях большой концентрации микронеоднородностей представляются актуальными и имеют большое научное значение.

Настоящая работа посвящена экспериментальному изучению влияния фазовых превращений на поведение нелинейного акустического параметра, коэффициента поглощения и рассеяния звука в воде с парогазовыми пузырьками, изучению зависимости нелинейного акустического параметра, коэффициента поглощения и рассеяния звука в воде от концентрации газовых пузырьков, а так же разработке методов нелинейной акустической спектроскопии микронеоднородной жидкости.

Цель работы

Экспериментально изучить температурные и концентрационные зависимости нелинейного акустического параметра, поглощения и рассеяния звука в воде с пузырьками и развить экспериментальные методы акустической спектроскопии микронеоднородной жидкости.

Научная новизна

1. Выявлено существенное влияние фазовых превращений на акустическую нелинейность и поглощение звука в воде с парогазовыми пузырьками, выражающееся в усилении указанных характеристик с увеличением температуры.

2. Подробно исследована зависимость акустического нелинейного параметра, рассеяния и поглощения звука от концентрации и распределения газовых пузырьков в жидкости и на этой основе разработаны экспериментальные методы акустической спектроскопии пузырьков в жидкости.

3. Установлена нелинейная связь параметра нелинейности, рассеяния и поглощения звука от концентрации газовых пузырьков в воде при высокой их концентрации.

Научная новизна подтверждена публикациями в рецензируемых научных изданиях, представлением докладов на международных и отечественных конференциях, экспертными оценками на конкурсах РФФИ.

Научная и практическая значимость работы

1. В работе были предложены и апробированы различные методы акустической спектроскопии микронеоднородной жидкости. Были получены экспериментальные результаты, расширяющие научное знание об акустических свойствах микронеоднородной жидкости при больших концентрациях газа и вблизи фазовых переходов.

2. В работе были разработаны экспериментальные методы и средства для исследования свойств микронеоднородной жидкости вблизи фазовых переходов и при больших концентрациях газа.

3. В работе был разработан и апробирован акустический комплекс для исследования микронеоднородностей морской среды в натурных экспедиционных условиях.

Значимость работы подтверждена тем, что она выполнялась в рамках ряда государственных научных программ, в том числе ФЦП "Мировой океан" и "Интеграция", а также при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований - проекты 94-02-006092, 96-02-19795, 00-02-16913, 03-02-16710, проект РФФИ-Приморье 01-05-96907.

Апробация работы

По материалам диссертации имеется 14 публикаций, из них 10 в рецензируемых сборниках, 2 работы в сборниках материалов международных конференций.

Результаты исследований докладывались на 18 Международном акустическом конгрессе (Киото, Япония, 2004 г.), 16 Международном симпозиуме по нелинейной акустике (Москва, 2002 г.) сессиях РАО (Москва, 2000 г., 2004 г.), на VI и VII семинарах СО РАН "Акустика неоднородных сред" (Новосибирск, 2002 г., 2004 г.), VI Дальневосточной акустической конференции (Владивосток, 1998 г.).

Результаты исследований, представленные в диссертации, использовались в НИР "Акустические исследования структуры океанической среды", Гос. per. №01.960.010860, НИР №2001/1 и №2001/2 проекта 5.2 подпрограммы "Исследование природы Мирового океана" ФЦП "Мировой океан".

Структура и объем работы

Работа состоит из введения, 6 глав, заключения и списка цитируемой литературы (105 наименований), включает титульный лист и оглавление, 121 страница печатного текста, 49 рисунков.

Во введении показана актуальность темы и формулируются задачи и положения, выносимые на защиту.

В первой главе дан обзор литературы по вопросу рассеяния, затухания и поглощения звуковых волн в жидкости с газовыми пузырьками и о влиянии пузырьков на акустическую нелинейность жидкости. Здесь же рассматривается вопрос о влиянии фазовых переходов на характер рассеяния и поглощения звука и на поведение акустической нелинейности жидкости. Эти вопросы рассматриваются с точки зрения возможности акустической спектроскопии жидкости. Поэтому много внимания уделяется взаимосвязи названных акустических характеристик с размерным распределением пузырьков и их объемной концентрацией.

Вторая глава посвящена техническим средствам для измерения поглощения и рассеяния звуковых волн в жидкости с газовыми и парогазовыми пузырьками и измерения акустической нелинейности. В главе описана измерительная установка, предназначенная для лабораторных экспериментов с использованием небольшого бассейна. Для натурных морских экспериментов описана установка для вертикального зондирования приповерхностного слоя моря до глубины 100 м. В установках в качестве электронного оборудования по возможности использовались приборы промышленного производства, что гарантировало их определенные метрологические характеристики. Часть оборудования, необходимого для проведения экспериментов, было разработано и изготовлено самостоятельно. В главе приводятся некоторые характеристики и особенности разработанного оборудования и примененные способы калибровки.

В третьей главе описываются предлагаемые методы для измерения рассеяния и поглощения звуковых волн и измерения акустической нелинейности в воде с пузырьками. Поскольку выбор метода непосредственно связан с техническими возможностями существующей в распоряжении экспериментатора аппаратуры и оборудования, рассматриваются те методы, которые возможно осуществить с помощью оборудования, описанного во второй главе.

Четвертая глава посвящена описанию экспериментов по изучению зависимости рассеяния, затухания и поглощения звуковых волн и акустической нелинейности от температуры воды. В первой серии экспериментов измерения проводились при низкой концентрации газовых пузырьков на трех фиксированных частотах: 30, 50 и 70 кГц. Во второй серии экспериментов измерения проводились при высокой постоянной концентрации газовых пузырьков, которая поддерживалась специальным генератором пузырьков. Измерения проводились на тех же трех частотах, что и в первой серии экспериментов. Температура во всех экспериментах менялась от 20 до 90°С. Приведены полученные экспериментальные зависимости и обсуждаются результаты.

В пятой главе приводится описание экспериментов по изучению зависимостей рассеяния, затухания и поглощения звуковых волн и акустической нелинейности от концентрации газовых пузырьков. Концентрация пузырьков менялась от низкой, до очень высокой. Высокая концентрация пузырьков создавалась с помощью генератора пузырьков. Температура воды при этом не менялась (Т=18°С). Эксперимент проводился в частотном диапазоне звуковых волн от 30 до 100 кГц на 8-ми фиксированных разностных частотах, которые нелинейно генерировались в пузырьковой среде с применением бигармонической накачки со средней частотой 700 кГц. Приведены полученные экспериментальные зависимости и обсуждаются результаты эксперимента.

Шестая глава посвящена описанию натурных морских экспериментов. Первый раздел главы посвящен экспериментальному изучению зависимости от глубины коэффициента затухания и акустической нелинейности в приповерхностном слое моря до глубины 100 м. Полученные зависимости сравниваются с данными по рассеянию на звукорассеивающих слоях, полученными высокочастотным гидролокатором на частоте 100 кГц. Измерения проводились во время кругосветной экспедиции на паруснике "Надежда" и охватывали разные районы Мирового океана. Приводятся некоторые результаты из полученного большого объема данных, которые в основном призваны показать возможности метода, а не конкретные гидрофизические особенности данной акватории.

Во втором разделе шестой главы приводится описание эксперимента по измерению функции распределения пузырьков по размерам. Был применен метод нелинейного рассеяния звука при взаимодействии высокочастотных импульсов на встречных пучках. Рассматриваются отличия этого метода от обычного параметрического метода, даны сравнительные оценки результатов, полученных в эксперименте, с ранее известными результатами.

В заключении обобщен изложенный материал, сформулированы выводы, показаны новизна результатов и перспективы дальнейших исследований.

Основные выводы, представленные в ней, справедливы также и для парогазовых пузырьков. При этом общее выражение для е(х) дает максимум также при х~х*. Полученные результаты можно проиллюстрировать расчетом, приведенным для воды с газовыми и парогазовыми пузырьками при температуре 20 и 80°С и представленные на рис. 5.12.

Сравним данные, полученные в экспериментах по распространению звука в воде с пузырьками при различной концентрации с приведенными расчетами для коэффициента затухания звука и нелинейного акустического параметра. Область перегиба экспериментальных кривых коэффициента поглощения звука и нелинейного акустического параметра приходится на токи генератора пузырьков 500 - 600 мА. На рис. 5.11 и 5.12 видно, что для коэффициента поглощения звука и нелинейного параметра значения объемной концентрации газа в воде порядка от 5■ 10"6 до 5ТО"5 определяют начало перегиба кривых концентрационной зависимости. Абсолютные значения коэффициента поглощения, полученные экспериментальным путем, близки к расчетным.

Ю"8 Ю"7 Ю"6 10"5 10"4 103 10"2 101 10° X

Рис. 5.11. Расчетная зависимость коэффициента поглощения от концентрации пузырьков для температуры 80°С на частотах от 4 до 128 кГц.

Рис. 5.12. Расчетная зависимость нелинейного параметра от концентрации пузырьков на частоте 64 кГц при температурах 20, 50, 80 и 100°С.

Следует учитывать, что реальные условия не позволяют точно воспроизвести параметры жидкостно-газовой смеси, которые были заложены в расчеты. Экспериментальный нелинейный параметр по своим значениям ниже, чем ожидаемый модельный, хотя качественно динамика их изменения одинакова. Таким образом, приведенные модельные расчеты для коэффициента поглощения звука и нелинейного акустического параметра объясняют полученные экспериментальные результаты.

6. ИЗУЧЕНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПОГЛОЩЕНИЯ, НЕЛИНЕЙНОГО АКУСТИЧЕСКОГО ПАРАМЕТРА И РАССЕЯНИЯ ЗВУКА В МОРСКОЙ ВОДЕ В НАТУРНЫХ УСЛОВИЯХ

6.1. Изучение зависимости коэффициента поглощения звука и акустического нелинейного параметра от глубины в море

Разработанные методы исследования затухания звука и параметра акустической нелинейности были применены в условиях морского эксперимента на ПУС "Надежда" во время первого этапа кругосветного плавания.

Следует отметить, что измерения указанных параметров в океане сопряжено с большими трудностями и в научной литературе практически отсутствует информация об их распределении в деятельном слое океана. Существуют лишь отрывочные данные, причем это в основном относится к затуханию звука. Исследования нелинейности морской воды на различных глубинах проводились буквально в единичных экспериментах.

В главе 2 описан автономный измерительный комплекс, который использовался для исследования затухания звука и параметра акустической нелинейности при вертикальном зондировании приповерхностного слоя моря до глубины 100 метров.

Измерение затухания звука проводилось путем сравнения амплитуд отраженных от специальной пластины импульсов на разных глубинах. Измерения проводились при непрерывном перемещении опускаемого устройства по глубине. При движении опускаемого устройства вокруг него возникают турбулентные течения, создающие дополнительное затухание звука, поэтому измерения абсолютных величин коэффициента поглощения не представлялось возможным. При условии равномерного движения опускаемого устройства, можно считать, что вклад дополнительного затухания примерно постоянен, и наблюдать относительное изменение затухания с глубиной. Одновременно регистрировалось рассеяние звука на микронеоднородностях с помощью высокочастотного гидролокатора. Акустический нелинейный параметр определялся по изменению амплитуды разностной частоты 15 кГц при частотах накачки 700 и 715 кГц методом сравнения с калибровочным значением. На рис. 6.1 и рис. 6.2 показаны графики зависимости коэффициента рассеяния и коэффициента затухания звука от глубины в разных точках Индийского океана. При движении опускаемого устройства от поверхности вниз вначале происходит постепенное уменьшение коэффициента затухания звука, но на глубинах залегания звуко-рассеивающих слоев наблюдается увеличение коэффициента затухания звука. На рис. 6.1 наблюдается увеличение коэффициента объемного рассеяния на глубине 45 метров от поверхности моря. На рис. 6.2 видно, что на этой же глубине происходит и увеличении коэффициента затухания звука. Этот факт позволяет убедиться, что затухание звука в приповерхностном слое моря в существенной мере зависит от положения звукорассеивающих слоев.

На рис. 6.3 - 6.6 показана зависимость нелинейного параметра от глубины моря в различное время и в различных географических точках. Видно, что на определенной глубине происходит резкое увеличение нелинейного параметра примерно в среднем в полтора раза по сравнению с величиной нелинейного параметра на поверхности моря. Это очень большое увеличение, достаточно упомянуть, что имеющиеся в литературе данные по нелинейному акустическому параметру при преобразовании во вторую гармонику составляют буквально считанные проценты. При этом весь эффект влияния микронеоднородностей морской среды обычно заключался в увеличении флуктуационной компоненты нелинейного параметра. Здесь же, наряду с увеличением флуктуаций нелинейного параметра в местах расположения ЗРС, наблюдается также и резкие изменения его средних значений.

Рис. 6.1. Зависимость коэффициента объемного рассеяния звука от глубины на ст. 16 в Индийском океане. Е N

02.03.03 St,17 Indian ocean

4*>flWN; l=gf$3.№

-«/«w m*m it /а 0 1151» »pM« t a/a Sounding 81

1-1-1-1-1-1-1-'-r~

0.88 0.92 0.96 1.00 , 1.04 a/a.

Рис. 6.2. Зависимость коэффициента затухания звука от глубины на ст. 17 в

Индийском океане.

Необходимо подчеркнуть одно важное обстоятельство - измерения нелинейного параметра проведены не на второй гармонике, а на разностной частоте 15 кГц, когда нелинейное взаимодействие двух близко расположенных по частоте высокочастотных сигналов приводит к нелинейной генерации звука на частоте разности указанных сигналов. Видно, что этот метод регистрации нелинейной генерации звука на разностной частоте очень чувствителен к наличию микро-неоднородностей в воде. Таким образом, применение этого метода позволяет получить новые данные о наличии и свойствах микронеоднородностей.

На рис. 6.3 и рис. 6.4 показаны графики изменения акустического нелинейного параметра, построенные по двум зондированиям, сделанным в окрестностях одной точки в дрейфе с интервалом в полчаса. Из рис. 6.3 и рис. 6.4 видно, что картина носит устойчивый характер.

На рис. 6.5 и рис. 6.6 приведены графики изменения параметра акустической нелинейности с глубиной в других районах Индийского океана. Видно, что картина зависимости нелинейного акустического параметра от глубины может иметь различный характер, что говорит о гидрологических особенностях района.

Полученные результаты показывают, что значительное изменение параметра нелинейности наблюдается на границах звукорассеивающих слоев, в местах больших градиентов коэффициента рассеяния звука.

Устройство для измерения нелинейного параметра и затухания звука совмещено с измерителем скорости звука, что позволяет проводить комплексные измерения акустических свойств среды.

Рис. 6.3. Зависимость акустического нелинейного параметра от глубины на станции 16 в Индийском океане при первом вертикальном зондировании.

ЦШМ'Ммкм чд 0 5. pet г « 11

Рис. 6.4. Зависимость акустического нелинейного параметра от глубины на ст. 16 в Индийском океане, спустя полчаса после предыдущего зондирования.

1ЖН St,Hldi)« кем rfma-tfom щ Ыщк т тмчш/хи/'НлШ;

Рис. 6.5. Зависимость нелинейного параметра от глубины на станции 17 в Индийском океане.

Рис. 6.6. Зависимости нелинейного параметра от глубины на станции 24 в Индийском океане.

6.2. Акустическая спектроскопия морской среды на встречных звуковых пучках

Применение нелинейного рассеяния звука для задач акустической спектроскопии резонансных включений в жидкости было показано в главе 1. Наряду с нелинейным рассеянием звука для задач акустической спектроскопии используют линейное нестационарное рассеяние с применением параметрических акустических излучателей. Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки.

Нелинейное рассеяние звука на резонансных включениях наиболее значительно на близких дистанциях от излучателя, в то время как линейное рассеяние сформировавшегося в поле параметрического излучателя акустического сигнала на рабочих (разностных) частотах наиболее существенно на достаточно отдаленных участках среды. При этом обычно используют режим бигармони-ческого одновременного излучения акустических импульсов либо в одном и том же направлении с одного излучателя, что характерно для метода с применением параметрических излучателей, либо с пространственно разнесенных отдельных излучателей, что характерно для метода нелинейного рассеяния. В последнем случае имеется существенный недостаток, заключающийся в невозможности дистанционного зондирования морской среды [101-105]. В настоящей работе опробован метод, позволяющий реализовать дистанционную акустическую спектроскопию, как с применением метода параметрических излучателей, так и метода нелинейного рассеяния звука.

Схема эксперимента показана на рис. 6.7. Суть метода заключается в следующем. Пусть излучаются акустические импульсы на различных частотах ©i и Юг одним и тем же излучателем (1) последовательно друг за другом с интервалом At с некоторой глубины в сторону поверхности моря.

Рис. 6.7. Схема натурного морского эксперимента. 1- излучатель, 2- поверхность моря, 3 - отраженный импульс, 4 -прямой импульс, L - область нелинейного взаимодействия. 2 1

Рис. 6.8. Функциональная схема установки для акустической спектроскопии морской среды. 1 - источник управляющего напряжения; 2 - устройство, формирующее напряжения противоположной полярности; 3,4- генераторы частот накачки; 5 - двухканальный импульсный генератор; 6 - генератор задержки работы ключа;

7 - суммирующий усилитель; 8 - усилитель мощности; 9 - излучатель; 10 -диодный коммутатор; 11 - усилитель; 12 - электронный ключ; 13 - гетеродин;

14 - анализатора спектра.

В эксперименте поверхность моря (2) использовалась для создания отраженного импульса (3) длительности ti с частотой соь который мог бы в заданном месте относительно этой поверхности взаимодействовать с прямым импульсом (4) длительности т2 с частотой со2 (на рис. 6.7 область взаимодействия обозначена буквой L). При At=0 взаимодействие между прямым и отраженным импульсами осуществляется на глубинах с zmin=CT2/2 до zmax=cii/2. При At#0 величина Zmin изменяется и равна zmin=c(At+T2)/2. Изменяя величину задержки At можно исследовать нелинейное взаимодействие на различных глубинах. При излучении акустических импульсов одновременно без какой-либо задержки можно реализовать обычный метод параметрического излучения бигармониче-ских сигналов с целью изучения рассеяния звука на разностных частотах от различных слоев в толще морской воды.

В главе 1 было показано, что для задач акустической спектроскопии метод нелинейного рассеяния может быть непригоден в случае монотонной функции распределения пузырьков по размерам g(R). Только применение нестационарного нелинейного рассеяния позволяет надеяться на реализацию акустической спектроскопии в широком масштабе размеров.

Основные выражения, с помощью которых можно вычислить функцию g(R) по результатам измерений нелинейного рассеяния звука, приведены в главе 1 (1.17 -1.19). Окончательно функция распределения g(R) может быть определена из формул в виде:

Здесь Р0 - гидростатическое давление, у - постоянная адиабаты, у=1,4.

Предложенный метод был реализован в натурных морских условиях. Эксперимент проводился в Японском море. Применялся излучатель с частотой наглубине 15 м, при этом излучение осуществлялось вверх, в сторону морской о •

6.1) качки 150 кГц и уровнем излучения Рт =105 Па •м. Излучатель располагался на поверхности, как это показано на рис. 6.7. Разностная частота составляла величину 16 кГц. Применялись импульсы различной длительности, которые могли следовать в различной последовательности: следом друг за другом, с временной задержкой между "хвостом" предыдущего и "головой" последующего, а также одновременно. Длительность импульсов Ti и т2 изменялась от 1 мс до 10 мс.

Функциональная схема устройства для спектроскопии морской воды методом нелинейного рассеяния звука на встречных звуковых пучках представлена на рис.6.8. В устройстве использованы в основном промышленные приборы. Схема позволяет формировать пару импульсов, задержанных друг относительно друга на время от 0 до 1 сек. Длительность импульсов и время задержки задается для каждого импульса отдельно двухканальным импульсным генератором Г5-56 (5). Генераторы Г6-28 (3, 4) формируют радиоимпульсы, которые подаются на суммирующий усилитель У5-10 (7). Частоты заполнения радиоимпульсов задаются источником постоянного напряжения Б5-47 (1) через устройство, формирующее два напряжения противоположной полярности (2). Эти напряжения вызывают смещение в противоположные стороны генерируемых частот генераторов Г6-28 относительно начального значения, равного резонансу излучателя. Таким образом формируются частоты накачки для параметрического режима и частоты взаимодействия для случая последовательной посылки импульсов. Импульсы усиливаются усилителем (8) и через диодный коммутатор (10) излучаются излучателем ПИ-1 (9). Прием осуществляется излучателем в паузах между излучениями импульсов через диодный коммутатор.

Тракт приема состоит из усилителя фирмы "Брюль и Кьер" типа 2650 (11), электронного ключа (12), гетеродина на базе генератора Г6-34 (13), анализатора спектра фирмы "Брюль и Кьер" типа 2031 (14). Генератор Г5-60 (6) задает время работы ключа, который отсекает сигналы вне области взаимодействия импульсов. Гетеродин управляется постоянным напряжением источника Б5-47 так, чтобы при изменении разностной частоты генераторов Г6-28 частота гетеродина тоже изменялась, при этом полезный сигнал оставался в той же части спектра анализатора.

На рис.6.9 представлены результаты различных измерений распределения пузырьков по глубине вблизи поверхности моря (обозначены на графиках значками А и О).

Здесь же сплошными кривыми представлены аппроксимирующие кривые распределения концентрации пузырьков N(z) с глубиной z в соответствии с экспоненциальным законом спада N(z) =N0exp(z/z0), где z0 - характерная толщина верхнего слоя морской воды, содержащей газовые пузырьки.

Первая кривая соответствует значениям Л^=3-104 м"3 и z0—0,8 м, а вторая -значениям N0= 1,3• 104 м"3 и z0=l,4 м. Значения No и z0 соответствуют полученным ранее характерным значениям концентрации пузырьков и толщины пузырькового слоя, представленных в работах [21, 101] для тех же условий морской поверхности (волнение около 2-3 баллов, скорость ветра 6-8 м/с). Анализ результатов рис.6.9 показывает, что измеренные концентрации N=fe(R)dR соответствуют пузырькам, резонансным на частотах накачки в интервале размеров 1 мкм. При этом установлено, что отсутствует какая-либо зависимость от длительности импульсов в исследуемом диапазоне частот и длительностей импульсов. Иными словами оказалось, что вплоть до резонансных на частоте 150 кГц размеров R^20 мкм функция g(R) является монотонно возрастающей при уменьшении размеров R. Последний результат как качественно, так и количественно совпадает с результатами, полученными с помощью нестационарного линейного рассеяния по другой методике с применением параметрических излучателей [21,101].

Рис. 6.9. Распределение пузырьков по глубине в приповерхностном слое моря.

Таким образом, для осуществления дистанционной акустической спектроскопии в работе предложено применение нестационарного нелинейного рассеяния на встречных звуковых пучках. Предложенный метод был успешно апробирован в натурном эксперименте в условиях шельфовой зоны моря. Были получены экспериментальные данные по размерному распределению газовых пузырьков в верхнем слое морской воды.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации представлены результаты экспериментальных исследований температурных и концентрационных зависимостей акустической нелинейности, рассеяния и поглощения звука в воде с газовыми и парогазовыми пузырьками. В работе получили дальнейшее развитие экспериментальные методы акустической спектроскопии микронеоднородной жидкости, основанные на изучении особенностей распространения, поглощения и рассеяния звука. В работе предложены и апробированы методики для исследования микронеоднородной жидкости в лабораторных и натурных условиях. В работе представлены подробные описания и функциональные схемы измерительных аппаратных комплексов. Основные научные результаты состоят в следующем:

1. Экспериментально выявлено существенное влияние фазовых превращений на акустическую нелинейность и поглощение звука в воде с парогазовыми пузырьками, выражающееся в заметном росте этих характеристик с увеличением температуры воды с пузырьками, что ранее было предсказано только теоретически.

2. Подробно экспериментально исследована зависимость акустического нелинейного параметра и поглощения звука от концентрации и распределения газовых пузырьков в жидкости и установлена нелинейная связь этих характеристик при высоких концентрациях пузырьков.

3. На основе разработанных методов были получены данные о распределении параметра акустической нелинейности и затухания звука на глубинах до 100 м в различных районах Мирового океана, не упоминавшиеся ранее в научной литературе.

4. В работе был предложен метод акустической спектроскопии морской среды, основанный на нелинейном рассеянии звука на встречных звуковых пучках. Получены экспериментальные данные в экспедиционных условиях, подтверждающие возможность применения дистанционного метода для изучения распределения пузырьков газа по размерам на разных глубинах в море.

1. Ультразвук. Маленькая энциклопедия//Под ред. Голямина И.П. М.: Советская энциклопедия. 1979. 400 с.

2. Накоряков В.Е., Покусаев Б.Г., Шрейбер И.Р. Распространение волн в газо-и парожидкостных средах. Новосибирск: Институт теплофизики СО АН СССР. 1983. 238 с.

3. Акуличев В.А. Кавитация в криогенных кипящих жидкостях. М.: Наука.1978. 280 с.

4. Урик Д.Р. Основы гидроакустики. Д.: Судостроение. 1978. 448 с.

5. Клей К., Медвин Г. Акустическая океанография. Пер. с англ. М.: Мир. 1980. 582 с.

6. Физические основы подводной акустики. Пер. с англ. под ред. Мясищева В.И. М.: Сов. Радио. 1957. 740 с.

7. Исимару И. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах. М.: Мир. 1981. Т.1. 280 с. Т.2. 317 с.

8. Колобаев П.А. Исследование концентрации и статистического распределения размеров пузырьков, создаваемых ветром в приповерхностном слое океана// Океанология. 1975. Вып. 6. С. 1013-1017.

9. Breitz N., Medwin Н. Instrumentation for In Situ Acoustical Measurements of Bubbles Spectra under Breaking Waves //J. Acoust. Soc. Am. 1989. V. 86. N 2. P.739.

10. Crowther P.A. Acoustical scattering from near-surface bubble layers //Cavitation and inhomogeneities in underwater acoustics / Ed. W. Lauterborn. Gottingen.1979. P. 194-204.

11. Farmer D.M., Lemon D.D. The Influence of Bubbles on Ambient Noise in the Ocean at High Wind Speeds // J. Phys. Ocean. 1984. V.14. P.1762-1778.

12. Vagle S., Farmer D. The measurements of bubble-size distributions by acoustical backscatters // J. of Atmospheric and Oceanic Technology. 1992. V.9. No 5. P.630-664.

13. Ling S.C., Pao H.P. Study of Micro-Bubbles in the North Sea In.: Sea Surface Sound. Proc. of the NATO Advanced Research Workshoip. Italy (1987). / Ed. B.R. Kerman. Hamburg: Kluwer Academic Publishers. 1988. P.197-210.

14. Lovik A. Acoustical Measurements of gas bubble spectrum in water //Cavitation and inhomogeneities in underwater acoustics / Ed. W. Lauterborn. Gottingen.1979. P.211-218.

15. Medwin H., Daniel A. Acoustical Measurements of Bubble Production by Spilling Breakers // J. Acoust. Soc. Am. 1990. V.88. N1. P.408-412.

16. Medwin H. Acoustical bubble spectrometry at sea //Cavitation and inhomogeneities in underwater acoustics / Ed. W. Lauterborn. Berlin: Springer.1980. P. 167-193.

17. Medwin H. In situ acoustic measurements of microbubbles at sea // J. Geophys. Res. 1977. V. 82. P. 971-975.

18. Исакович M.A. Общая акустика, M.: Наука. 1973. 495 с.

19. Андреева И.Б., Самоволькин В.Г. Рассеяние акустических волн на морских организмах. М.: Агропромиздат. 1986. 104 с.

20. Подводная акустика. Пер. с англ. Житковского Ю.Ю. и Лысанова Ю.П. под. ред. Бреховских JI.M. М.: Мир. 1970. 495 с.

21. Акуличев В.А., Буланов В.А., Кленин С.А. Акустическое зондирование пузырьков в морской среде//Акуст. журн. 1986. Т.32. вып.З. с. 289-295.

22. Буланов В.А. Введение в акустическую спектроскопию микронеоднородных жидкостей. Владивосток: Дальнаука. 2001. 280 с.

23. Колобаев П.А. Объемное рассеяние звука в мелком море //Вопросы судостроения, сер. Акустика. 1980. С. 128-135.

24. Кобелев Ю.А., Островский JI.A. Модели газожидкостной смеси, как нелинейной диспергирующей среды //В сб.: Нелинейная акустика.

25. Теоретические и экспериментальные исследования. Горький: ИПФ АН СССР. 1980. С. 143-159.

26. Буланов В.А. Акустический мониторинг деятельного слоя моря // Вестник ДВО РАН. Владивосток: Дальнаука, 1998. № 3. С. 19-33.

27. Акуличев В.А., Буланов В.А., Кленин С.А. Исследование нестационарного рассеяния звука на микронеоднородностях морской воды/Ютчет по НИР "Мальта". Гос. per. №Я26781. Владивосток: ТОЙ ДВНЦ. 1984. 32 с.

28. Baldy S. Bubbles in the Close Victinity of Breaking Waves: Statistical Characteristics of the Generation and Dispertion Mechanism // J. Geophys. Res. 1988. V.93.NC7. P.8239.

29. Blanchard D.C., Woodcock A.H. Bubble formation and modification in the seaits meteorological // Tellus. 1957. V.2. P. 145-158.

30. Crawford G.B., Farmer D.M. On the special distribution of ocean bubbles //J. Geophys. Res. 1987. V.92. No C8. P.8231-8243.

31. Dalen J. Lovik A. The influence of wind-induced bubbles on echo integration surveys // J. Acoust. Soc. Am. 1981. V. 69. No 6. P. 1653-1659.

32. Farmer D., Vagle S. Waveguide propagation of ambient sound in the ocean surface bubble layer // J. Acoust. Soc. Am. 1989. V.86. N5. P.1897-1908.

33. Johnson B.D., Cooke R.C. Bubble populations and spectra in coastal water: Photographic approach//J. Geophys. Res. 1979. V. 84, No. 7. P. 3761-3766.

34. Lu N., Prosperetti A., Yoon S. W. Underwater Noise Emissions from Bubble Clouds // IEEE J. of Ocean Eng. 1990. V.15. N4. P.275-281.

35. Medwin H., Breitz N. Ambient and Transient Spectral Density in Quiescent Seas and Under Spilling Breakers // J. Geophys. Res. 1989. V.94. P. 12751-12759.

36. Medwin H. Acoustic Fluctuations Due to Microbubbles in the Near-Surface Ocean//J. Acoust. Soc. Am. 1974. V.56. N4. P.l 100-1104.

37. Medwin H. Acoustical Determination of Bubble Size Spectra //J. Acoust. Soc. Am. 1977.V.62. P. 1041-1044.

38. Medwin H. Counting bubbles acoustically: a review//Ultrasonics. 1977. V.15. No 1. P.7-14.

39. Medwin H., Fitzgerald J., Rautmann G. Acoustic Miniprobing for Ocean Microstructure and Bubbles//! Geophys. Res. 1975. V.80. N3. P.405-413.

40. Medwin H. In situ acoustic measurements of bubble populations in coastal ocean water//J. Geophys. Res. 1970. V.15. No.3. P.599-611.

41. Merlivat L., Memery L. Gas Exchange Across an Air-Water Interface: Experimental Results and Modeling of bubble Contribution to Transfer/Л. Geophys. Res. 1983. V.88. P.707-724.

42. Pumphrey H., Flowcs J. Williams Bubbles as Sources of Ambient Noise // IEEE J. of Ocean Eng. 1990.V.15. N4.P.268-274.

43. Pumphrey H.C., Elmore P. A. The Entrainment of Bubbles by Drop Impacts //J. Fluid Mech. 1990. V.220. P.539-567.

44. Thorpe S.A. A Model of the Turbulent Diffusion of Bubbles Below the Sea Surface //J. Phys. Ocean. 1984. V.14. P.841.

45. Thorpe S.A. On the Determination of К in the Near-Surface v Ocean from Acoustic Measurements ob Bubbles // J. Phys. Ocean. 1984. V.14. P.855-863.

46. Thorpe S.A. The Effect of Langmuir Circulation on the Distribution of Submerged Bubbles Caused by Breaking Wind Waves // J. Fluid Mech. 1984. V.142. P.151-170.

47. Thorpe S.A. On the Clouds of Bubbles Formed by Breaking wind-waves in deep water, and their role in air-sea gas transfer // Phil. Trans. R. Soc. Lond. 1982. V.A304. P.155-210.

48. Thorpe S.A., Hall A. J., Packwood A.R., Stubbs A.R. The Use of a Towed Side-Scan Sonar to Investigate Processes Near the Sea Surface // Cont. Shelf Res. 1985. V4. P.597-607.

49. Thorpe S.A., Hall A.J. The Characteristics of Breaking Waves, Bubble Clouds, and Near-Surface Currents Observes Using Side-Scan Sonar // Cont. Shelf Res. P.353-384.

50. Thorpe S.A., Stubbs A.R. Bubbles in a Freshwater Lake //Nature 1979. У219. 1983.V.1. P.403-405.

51. Thorpe S.A. On the clouds of bubbles formed by breaking wind- wave in deep water and the ir role in air-sea gas transfer //Phil. Trans. Royal Soc. 1981.V. 304. No A1483. P.155-210.

52. Thorpe S.A. The effect of Langmuir circulation on the distribution of submerged bubbles caused by breaking wind waves //J. Fluid Mech. 1984. V.142. P.151-170.

53. Thorpe S.A. Measurements with an automatically recording inverted echo sounder; ARIES and the bubble clouds // J. Phys. Oceanography. 1986. V. 16.

54. Turner W.R. Microbubble Persistence in Fresh Water // J. Acoust. Soc. America. 1961. V. 33. N 9. P. 1223-1233. P. 1462-1478.

55. Walsh A., Mulbearn P. Photographic Measurements of Bubble Populations from Breaking Wind Waves at Sea // J. Geophys. Res. 1987. V.92. NC13. P.1453.

56. Weitendorf E.A. Complementing discussion contribution to the papers of H. Medwin, P. Schippers and A. Lvik. // Cavitation and inhomogeneities in underwater acoustics. / W. Lauterborn. Berlin: Springer Verlag, 1980. P. 21.

57. Акуличев B.A., Буланов B.A., Кленин C.A., Киселев В.Д. Исследование обратного рассеяния звука и распределение пузырьков по размерам в море //В сб.: X Всесоюзная акустическая конференция. М.: АКИН. 1983. Ду-8. С. 89-92.

58. Буланов В.А., Корсков И.В., Попов П.Н., Полоничко В.Д., Соседко С.Н. Исследование рассеяния звука и параметров верхнего слоя океана //В сб.: Морские технологии. Вып. 2. Владивосток: Дальнаука. 1998. С. 132-156.

59. Буланов В.А., Корсков И.В., Попов П.Н., Соседко С.Н. Исследования рассеяния звука в мелком море//В сб.: Морские технологии. Вып. 3. Владивосток: Дальнаука. 2000. С. 254-263.

60. Акуличев В.А. Ультразвуковые волны в жидкостях с парогазовыми пузырьками //Акуст. журн. 1975. Т.21. №3. С. 351-359.

61. Акуличев В.А., Алексеев В.Н. Акустические волны в жидкостях с парогазовыми пузырьками // В сб.: Нелинейные волновые процессы в двухфазных средах. Новосибирск: Институт теплофизики СО АН СССР, 1977. С. 114-121.

62. Хабеев Н.С. Резонансные свойства паровых пузырьков // В сб.: IX всесоюзная акуст. конференция. М.: Акустический инст-т. 1977. С. 95-98.

63. Акуличев В.А., Алексеев В.Н., Буланов В.А. Периодические фазовые превращения в жидкостях. М.: Наука, 1986. 280 с.

64. Pfriem Н. Zur thermischen Dumping in kugelsymmetrisch schwingenden Gasblasen // Akust. Ztschr. 1940. Bd. 5. S.202-212.

65. Devin C. Servey of thermal, radiation and viscous damping of pulsating air bublles in water//J. Acoust. Soc. Am. 1959. V. 31. No 12. P. 1654-1667.

66. Prosperetti A. Nonlinear oscillaion of gas bubbles in liquids. //J. Acoust. Soc. Am. 1975. V.57, N4. P.810-820.

67. Prosperetti A. Bubble dynamics: a review and recent results // Applied Scientific Research. 1982. No 38. p. 145-164.

68. Чабан И.А. О затухании колебаний газовых пузырьков в жидкости связанном с теплообменом //Акуст. журн. 1989. Т.35. Вып.1. С. 182-183.

69. Хабеев Н.С. Эффекты теплообмена и фазовых переходов при колебаниях паровых пузырьков //Акуст. журн. 1975. Т. 21. № 4. С. 815-821.

70. Хабеев Н.С. Резонансные свойства паровых пузырьков // Прикл. мат. и мех. 1981. Т.45. № 4. С. 696-703.

71. Нигматуллин Р.И., Хабеев Н.С. Динамика паровых пузырьков. //Изв. АН СССР. Механ. жидк. и газа. 1975. № 3. С. 59-67.

72. Нагиев Ф.Б., Хабеев Н.С. Эффекты теплообмена и фазовых превращений при колебаниях парогазовых пузырьков //Акуст. журн. 1979. Т.25. Вып.2. С. 271-279.

73. Нигматулин Р. И. Основы механики гетерогенных сред. М.: Наука, 1978. 336 с.

74. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Механика. М.: Наука, 1973. 208 с.

75. Буланов В.А. Нелинейная восприимчивость и акустическая нелинейность жидкостей с фазовыми переходами // В сб.: Морские технологии. Вып. 3, Владивосток: Дальнаука. 2000. С. 159-188.

76. Буланов В.А., Корсков И.В. Акустическая нелинейность и поглощение звука в воде с парогазовыми пузырьками//В сб.: Морские технологии. Вып. 3. Владивосток: Дальнаука. 2000. С. 189-199.

77. Bulanov V.A. Acoustical nonlinearity of microinhomogeneous liquids. //In: Advances in nonlinear acoustics / Ed. H. Hobaek, Singapore-London-New Jersey: World Scientific. 1993. P. 674-679.

78. Bulanov V.A., Bjorno I.K., Bjomo L. Acoustic nonlinearity of two-phase media. Theory. //Report of Dept. Industrial Acoustics, Techn. Univ. Denmark: DK-2800. Lyngby. 1994.

79. Наугольных К.А., Островский JI.А. Нелинейные волновые процессы в акустике. М.: Наука. 1990. 237 с.

80. Буланов В.А. Влияние фазовых превращений на акустическую нелинейность микронеоднородных жидкостей // В сб. трудов X сессии РАО. Т.1, М.: ГЕОС. 2000. С. 82-86.

81. Буланов В.А. Корсков И.В. Экспериментальные исследования акустической нелинейности и затухания звука в воде с парогазовыми пузырьками//В сб. трудов X сессии РАО, Т.1, М.: ГЕОС, 2000. С. 78-81.

82. Буланов B.A., Полоничко В.Д. Эффективность параметрического взаимодействия акустических волн в приповерхностном слое моря, содержащем газовые пузырьки. Препринт АН СССР. Владивосток: ДВО ИПМТ. 1990. 35 с.

83. Буланов В.А., Корсков И.В. Влияние фазовых превращений на акустическую нелинейность и затухание звука в воде с парогазовыми пузырьками //В сб.: Акустика неоднородных сред. №1 П.Новосибирск: Институт гидродинамики. 2001. С. 82-86.

84. Красильников В.А., Крылов В.В. Введение в физическую акустику. М.: Наука, 1984. 400 с.

85. Гольдберг З.А. О распространении плоской волны конечной амплитуды //Акуст. журн., 1957. Т. 3. Вып.4. С. 322-326.

86. Горкавенко В.В. Флуктуации акустической нелинейности в шельфовой зоне Японского моря //В сб.: Доклады Дальневосточной акустической конференции. Владивосток: ТОВВМУ. 1994. С. 58-61.

87. Горкавенко В.В. Пространственная и временная изменчивость поля акустической нелинейности на шельфе Японского моря //В сб. Морские технологии. Вып. 1. Владивосток: Дальнаука. 1996. С. 230-240.

88. Горкавенко В .В. Результаты исследования параметра акустической нелинейности в море и некоторые предположения о его физической природе //В сб.: Морские технологии. Вып. 2. Владивосток: Дальнаука. 1998. С. 186-194.

89. Таблицы физических величин. Справочник.// Под ред. Кикоина И.К. М.: Атомиздат. 1976. 1008 с.

90. Ноздрев В.Ф., Федорищенко Н.В. Молекулярная акустика. М.: Высшая школа. 1974. 288 с.

91. R.I.Nigmatulin, N.S.Khabeev, F.B.Nagiev. Dynamics, Heat and Mass Transfer of Vapor-gas Bubbles in a Liquid. //Int. J. Heat and Mass Transfer. 1981. V.24. P. 1033-1044.

92. Foldy L.L. Multiple scattering of waves // Phys. Rev. 1945. V.67. No 3/4. P. 107119.

93. Westervelt P.J. Parametric acoustic array//Ibid. 1963.Vol.35. N4. P. 535 537.

94. Новиков Б.К., Тимошенко В.И. Параметрические антенны в гидролокации. Л.: Судостроение. 1990. 255 с.

95. Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика. Л.: Судостроение. 1981. 264 с.

96. Соседко С.Н. Программа SCATTER для обработки и визуализации импульсных сигналов обратного рассеяния звука // В сб.: Морские технологии. Вып. 4. Владивосток: Дальнаука. 2001. С. 204-210.

97. Буланов В.А., Корсков И.В., Попов П.Н. Возможности акустической спектроскопии морской среды при нелинейном рассеянии звука с обращенным волновым фронтом //В сб.: Морские технологии. Вып. 1. Владивосток: Дальнаука. 1996. С. 199-206.

98. Буланов В.А., Корсков И.В., Попов П.Н. Акустическая диагностика морской среды при нелинейном рассеянии звука с обращенным волновым фронтом// В сб.: Исследование и освоение мирового океана. Владивосток: Дальнаука. 1998. С. 34-40.

99. Акуличев В.А., Буланов В.А., Корсков И.В., Попов П.Н. Исследование распространения и рассеяния звука в шельфовой зоне Японского моря //В сб. Акустика океана под ред. акад. Л.М.Бреховских, М.: ГЕОС. 2004. С. 3538.