Экспериментальные исследования нелинейных эффектов в сильнонеоднородных интенсивных акустических полях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

На правах рукописи

00501^"

ДЕРЯБИН Михаил Сергеевич

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕЛИНЕЙНЫХ ЭФФЕКТОВ В СИЛЬНОНЕОДНОРОДНЫХ ИНТЕНСИВНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ПОЛЯХ

01.04.01 - Приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

1 5 Ш

Нижний Новгород 2012

005014211

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

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, доцент КАСЬЯНОВ Дмитрий Альбертович

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор физико-математических наук ЛЕБЕДЕВ Андрей Вадимович Учреждение Российской академии наук Институт прикладной физики РАН

кандидат физико-математических наук, доцент ПРОН^АТОВ-РУБЦОВ Николай Васильевич Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Нижегородский государственный университет им. Н. И. Лобачевского»

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

Защита состоится « 27 » марта 2012 г. в 16 часов 30 минут на заседании Диссертационного совета Д 212.161.01 при федеральном государственном бюджетном научном учреждении «Научно-исследовательский радиофизический институт» Министерства образования и науки Российской Федерации (ФГБНУ НИРФИ) по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Большая Печерская, 25/12а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБНУ НИРФИ.

Автореферат разослан « 24 » февраля 2012 г.

Учёный секретарь /

Диссертационного совета Д 212.161.01 У $/

Доктор физико-математических наук тг^ ^у А. Н. Караштин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

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

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

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

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

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

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

Известно, что при определенных условиях наличие свободной границы в области взаимодействия нелинейных ударных акустических волн приводит к постепенному рассасыванию ударного фронта, а затем

4

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

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

Недостаточно исследованным является вопрос о'взаимодействии интенсивных акустических полей с твёрдой границей. Хорошо известно," что при падении неоднородного акустического - поля на твёрдую границу возникает акустический пограничный слой, генерируются приграничные акустические течения. Теоретически описаны некоторые закономерности развития этих процессов, для некоторых случаев^ даны оценки скоростей течений, характерных времён их развития [19]. Однако, не - существует прямых экспериментальных исследований процессов возникновения этих течений, по крайней мере, в мегагерцовом диапазоне. Известно, что приграничные акустические течения способствуют улучшению массообмена на гетерогенной границе, и акустическое поле считается весьма перспективным средством интенсификации многих массобменнных процессов, происходящих на межфазовых границах [20-22]. Таким образом, детальное экспериментальное исследование

5

акустических течений, поиск методов управления акусто-гидродинамической обстановкой на гетерогенной границе являются весьма актуальными.

Цель и задачи исследования

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

В рамках указанной цели решались следующие конкретные задачи:

1. Разработка метода и создание экспериментальной установки для определения основных закономерностей трансформации профиля и спектра интенсивного акустического сигнала, отражённого от мягкой границы.

2. Разработка экспериментального метода оценки положения свободной границы при воздействии на неё интенсивным акустическим полем. Выработка критериев состояния мягкой границы при воздействии на неё интенсивным акустическим пучком.

_ 3. Разработка метода экспериментальной оценки скорости течения Шлихтинга, возбуждаемого на границе твёрдой и жидкой фаз сфокусированным акустическим полем мегагерцового диапазона, в целях определения возможностей сфокусированных полей для создания современного оборудования, предназначенного для интенсификации массообменных процессов на гетерогенной границе.

4. Экспериментальная оценка характерного времени развития течения Эккарта в фокусе сферического концентратора в целях выработки критерия, позволяющего в эксперименте выделить чисто волновое нелинейное взаимодействие в фокальной области.

5. Определение основных закономерностей широкоуглового рассеяния нелинейно преобразованного сигнала накачки из фокальной области сферического концентратора в целях разработки основ нового метода нелинейной диагностики сред.

Научная новизна

1. Показано, что установившаяся форма профиля ударной волны, сформированной после отражения от мягкой границы, существенным

6

образом отличается от таковой для случая распространения мощного пучка в безграничном пространстве. Формируется существенно более узкий ударный фронт с амплитудой фазы разряжения, существенно превосходящей амплитуду фазы сжатия. Исследования проведены в целях совершенствования методов разрушения объектов ударными акустическими волнами. - - - -

2. Разработан экспериментальный метод оценки положения .свободной, границы: вода-воздух при . воздействии на неё последовательностью интенсивных акустический импульсов. Показано, что условия, при которых происходит отражение интенсивных нелинейных волн от- мягкой границы, существенно различаются в зависимости от интенсивности и скважности импульсов накачки.

3. Разработан метод и проведены экспериментальные оценки скорости течения Шлихтинга,. возбуждаемого на границе твёрдой и жидкой фаз сфокусированным акустическим полем мегагерцового диапазона. Метод основан на измерении скорости спутного течения методом Р1У. -Показано, что скорость, установившегося течения Шлихтинга, созданного сильно неоднородным интенсивным акустическим полем, достаточна для существенной интенсификации массообменных процессов. _

4. В результате исследований, проведённых на специально разработанной экспериментальной установке, 'показано,, что при большой скважности существуют ограничения, накладываемые на длительность радиоимпульса накачки, при которой можно пренебречь эффектами, связанными с возникновением-акустических течений в фокальной области сферического концентратора. - ^

5". Определены основные закономерности широкоуглового рассеяния нелинейно преобразованного сигнала накачки из фокальной области сферического концентратора. Получены теоретические оценки на амплитуды .рассеиваемых сигналов и их диаграммы рассеяния в зависимости от параметров сигнала накачки. Оценки подтверждены экспериментально. Исследования проведены в целях разработки основ нового метода нелинейной диагностики сред.

Практическая значимость

Результаты, полученные в работе, будут способствовать совершенствованию техники и методов проведения гидроакустических экспериментов с-интенсивными акустическими полями мегагерцового

диапазона. Особенно, когда необходимо проведение прецизионных измерений вблизи границ. Так в работе детально исследовано и классифицировано поведение мягкой границы при падении на неё интенсивного акустического пучка. В ходе данных исследований был разработан метод определения положения границы и метод прецизионного определения скорости звука в жидкости [А4].

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

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

Результаты работы использовались для выполнения проектов:

- Российского фонда фундаментальных исследований (проекты 06-0217494, 08-02-00631, 08-02-99046,09-02-01239, 11 -02-00774, 11 -02-97046)

- Международного научно - технического центра, проект 2590р.

- Ведущей научной школы, грант № 3700.2010.2

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

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Экспериментально определенные основные закономерности трансформации профиля и спектра ударной акустической волны, отражённой от мягкой границы. Разработанный метод и созданная экспериментальная установка.

2. Классификация условий отражения интенсивного акустического поля от мягкой границы в зависимости от параметров падающего поля. Разработанный метод и созданная экспериментальная установка.

3. Метод измерения и непосредственное измерение скорости течения Шлихтинга, возбуждаемого на границе твёрдой и жидкой фаз сфокусированным акустическим полем мегагерцового диапазона.

4. Экспериментальное исследование динамики зарождения акустических течений в фокальной области сферического концентратора. Временной критерий на существенность влияния

.акустических течений - на процесс " волновых нелинейных преобразованийв фокальной области фокусирующей системы.

5. Определение основных закономерностей широкоуглового рассеяния нелинейно преобразованного сигнала накачки из фокальной

"области сферического концентратора." Уровень эффекта достаточен для создания нового метода нелинейной диагностики сред.

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

Апробация работы

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международном симпозиуме _по нелинейной акустике (Стокгольм 2008), Международном акустическом „форуме .(Ольбург 2011), XVIII-XX,XXII и XXIV сессиях. _ Российского акустического общества {Таганрог 2006, Нижний Новгород 2007, Москва 2008,. Москва 2010, Саратов 201Л), конференциях по радиофизике^. ННГУ (Нижний-Новгород 2005, 2006, 2009, 2011), XI Нижегородской сессии молодых ученых (Нижний Новгород 2006). -

Публикации

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

Личный вклад автора

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

Структура и объём диссертации

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

Краткое содержание диссертации _

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

Первая глав» посвящена; " экспериментальным - исследованиям взаимодействия интенсивных акустических пучков при наличии свободной границы в области нелинейной трансформации интенсивного акустического поля. _ _ ■ . _ _-_.

В главе обсуждаются результаты экспериментальных лабораторных исследований пространственного изменения профиля и эволюции спектра волньгнакачки на оси'излучения отраженного пучка большой интенсивности, -сформированного в поле плоского излучателя,

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

В параграфе 1.1 обсуждаются условия для корректной регистрации акустических сигналов в слаборасходящихся звуковых пучках с

помощью современных средств регистрации акустических полей в жидкостях. Исследования проводятся на экспериментальной установке, предназначенной для исследований процесса трансформации профиля волны накачки в ультразвуковом пучке большой интенсивности после его нормального отражения от границы раздела вода-воздух. '

В . настоящее время для ._ регистрации широкополосных высокочастотных акустических сигналов исследователи широко применяют гидрофоны с активным элементом на .основе PVDF (поливинилиденфторйд) пленок. К несомненным достоинствам PVDF гидрофонов можно отнести возможность с их помощью проводить измерения в широком диапазоне частот при сравнительно небольшой частотной неравномерности чувствительности/ Очевидно также, что весьма важной особенностью таких гидрофонов является размер чувствительного элемента. Считается, что для проведения достоверных измерений нелинейных акустических полей достаточно, чтобы чувствительный элемент гидрофона имел характерный размер, не превышающий половину длины волны сигнала накачки. Однако, по всей видимости, требование к размеру активного элемента более жесткое: необходимо, чтобы он не превышал характерные поперечные размеры парциальных (на каждой из гармоник поля) неоднородностей в пучке, а "эти неоднородности порядка длины волны на каждой из гармоник. " -

• Исследования профиля волны накачки с использованием PVDF миниатюрных гидрофонов проводились ^ на " установке, блок-схема которой представлена на рис Л. В экспериментах использовался плоский пьезокерамический излучатель 6, вмонтированный в дно ванны, с anepTypoji D = 4.5 см, работающий в импульсном режиме._ ~ Длительность импульсов и частота излучения во всех экспериментах была фиксирована и: составляла г =20.0 мкс и ./¿=1.00 МГц соответственно. - . ■ л - ". ... --

-Регистрация формы нелинейных волн в произвольной точке" отраженного пучка осуществлялось миниатюрными калиброванными (в диапазоне до 20 МГц) гидрофонами 7 (типа HPM04/01 фирмы Precision Acoustics), с размером активного элемента 5 = 1; 0.5; 0.2; 0.04 мм. Устройство перемещения гидрофона обеспечивало точность позиционирования не хуже 0.1 мм по всем координатам. Максимальное число Рейнольдса, достигнутое в эксперименте, составило Re = 620.

На рис.2 представлены профили ударной волны в падающем пучке, зарегистрированные гидрофонами различного размера, в зависимости от ориентации оси симметрии приемников относительно фронта падающей волны (точка приёма располагалась на расстоянии 34 см от апертуры излучателя).

Рис.2

Случай, представленный на рис.2а, соответствует ориентации оси гидрофонов, параллельной направлению распространения нелинейного пучка, а рис.2в г- перпендикулярной ориентации. Как видно из представленных осциллограмм (рис.2а), размер активного элемента также существенным образом влияет на прием гармоник высших - номеров и при параллельном расположении оси симметрии гидрофонов. Чем меньше размер активного элемента, тем более чувствителен гидрофон к "высокочастотной части спектра. При этом заявленная производителем гидрофонов чувствительность известна, а калибровка осуществлена лишь до 20. МГц для всех используемых гидрофонов, что подтверждено калибровочными сертификатами. Анализ этого экспериментального факта позволяет сделать вывод о том, что получение^ достоверных сведений о лрофиле нелинейных- волн, по крайней мере, на частотах накачки порядка 1 МГц, возможно лишь гидрофонами с размером активного элемента менее 0.1 мм.

На рис.2б представлены преобразованные профили ударных волн, полученные с учетом калибровочных кривых соответствующих гидрофонов. Преобразование осциллограмм осуществлялось в полосе до 20 МГц, ФЧХ (фазо-частотная характеристика) гидрофона считалась равномерной. ~

Полученные профили ударных волн и имеющиеся калибровочные сертификаты (калибровка производилась производителем при положении гидрофонов параллельно акустической оси) позволяют провести перекалибровку гидрофонов методом сравнения. То есть получить калибровочную кривую на гидрофон, расположенный нормально к акустической оси, используя данные, полученные при положении гидрофона параллельно акустической оси. Так, на рис.3 приведены паспортные калибровочные кривые для использованных в экспериментах гидрофонов (обозначены кружками). Погрешность данных составляет 13-22%. Для гидрофона с минимальным размером чувствительного элемента 5 = 0.04мм АЧХ(амплитудно-частотная характеристика) для перпендикулярного положения гидрофона изображена квадратиками. При восстановлении профиля волны ФЧХ гидрофона также предполагалась равномерной.

В параграфе 1.2 приведены результаты экспериментального исследования влияния возмущений границы жидкость-газ вызванных падающим на границу акустическим сигналом на пространственную трансформацию профиля в отраженной нелинейной волне, при различных параметрах излучения.

Для непосредственной регистрации колебаний поверхности воды в установку был включен оптический канал, состоящий из лазерной головки (ЖУ505 - 13 и виброметра 0¥У5000 - 14 (Рис.1), с -доплеровским декодером УЭ02 фирмы Ро1>1;ес.

В параграфе показано, что условия, при которых происходит отражение интенсивных нелинейных волн от мягкой " границы, существенно различаются в зависимости от интенсивности и скважности импульсов накачки.

В параграфе 1.3 приведены основные экспериментальные результаты исследования взаимодействия интенсивных акустических пучков с - границами раздела сред. В параграфе - обсуждаются основные особенности трансформации профиля ударной волны после отражения от мягкой границы.

На рис.4 представлены результаты абсолютных измерений амплитудных значений фаз сжатия и разряжения в нелинейных акустических волнах на оси пучка в зависимости от расстояния от апертуры излучателя. Вертикальной прямой на расстоянии 43 см отмечено местоположение границы раздела вода-воздух.

МПа .2

«Л

26 2а 30 32 Э4 3б зО) 42

(«48-50 52 34 56 53 60 62 64 6666 (П "„со''

1!!<я;|!10 1! в'МГц а икшп»« н мгия

Рис.3 " ' Рис.4

Индексами Ь(1)-Ь(5) отмечены дистанции, на которых проводился анализ профиля формирующихся ударных волн, представленных на рисунке 5. Белыми треугольниками, изображены результаты измерений амплитудных значений фаз сжатия и разряжения в нелинейных акустических волнах в отсутствии границы раздела. Черными треугольниками представлены результаты для волны, испытавшей отражение. Соответствующие профили представлены на рис.5. Осциллограмма Ь(1) соответствует суммарному расстоянию в 45 см, пройденному волной, (2 см ниже границы раздела после отражения), Ь(2) - 51см, Ь(3) - 58см, Ь(4) - 65см и Ь(5) - 71 см. На рис.5 представлены как собственно осциллограммы сигналов, принятых гидрофоном,, так и результаты пересчёта в1 абсолютные значения давления с помощью калибровочной кривой Рис.3.

ыВ М Ь2 ьз м- Ь5

оУ Л 1 4 Ц Ц'

.......... - 1 1 \ 1

........... 1

!Ь-

МПа >1 ы ьз Ь4 Ь5

1У, м и Ц г\

/ 1 П У-

II и-

- —

Рис.5 14

Вторая глава диссертации посвящена исследованию акустических течений в неоднородных акустических полях.

Параграф 2.1 посвящен исследованию особенностей, проявляющихся при возникновении течения Эккарта в сфокусированном акустическом поле, экспериментально определяется время установления и исследуется его стационарная структура.

Рис. 6 ~ Рис. 7

Методика- исследования развивающихся масштабных течений отрабатывалась на модельном объекте - изучался нестационарный процесс в фокальной области сферического концентратора с точно известным пространственным распределением поля. В двух сериях экспериментов были проведены прямое измерение линейного поля акустического давления и поля скоростей течений в плоскости сечения, включающего акустическую ось. В качестве источника сфокусированного ультразвука использовался пьезокерамический излучатель (/=1.4 МГц), -представляющий собой сегмент сферы с хордой 54 мм и фокусным расстоянием 50 мм. Эксперименты проводились на специально созданной экспериментальной установке, позволяющей производить и измерения распределения скорости акустических течений методом Р1У, ' и измерения распределения акустического давления. На рис.6 показана начальная стадия развития течения (0.2 с после включения ультразвука), а на рис.7 - картина стационарного поля скорости, установившегося через ~ 6 с. По вертикальной оси на рисунках отложена величина модуля скорости, нормированная на максимальное значение.

В параграфе 2.2 продемонстрирована возможность сфокусированного акустического поля создать на гетерогенной границе потоки Шлихтинга со 'скоростями, достаточными- для эффективной интенсификации процессов массообмена на этой границе, в частности, процессов контролируемого и управляемого роста солевых монокристаллов.

В результате эксперимента показано, что., после включения звука непосредственно из того места озвучиваемой, пластинки, где позиционирована фокальная область концентратора, возникает .узкая струя, движущаяся -но акустической _оси к концентратору.- Время возникновения и стабилизации- скорости, течения в непосредственной близости от" поверхности пластинки: не превышает межкадрового интервала, т.е. 4хШ"" с. (Процесс формирования течений фиксировался видеокамерой). Очевидно, что это среднемасштабное течение Релея, наличие которого однозначно свидетельствует о возникновении пограничных^ микропотоков Шлихтинга. Поле скоростей, соответствующее полностью установившемуся течению Релея, -представлено на рис.8, время, после включения акустического поля -10с. " • -

В условиях описываемого '

эксперимента примерно через 10 секунд "начинает развиваться более медленное, но большее по масштабу." течение противоположного " направления, т.е." наблюдается картина формирования й тсонкуренциипотоков Релея и Эккарта.

Скорость пограничного- течения Шлихтинга можно оценить по прямым измерениям скорости спутного потока Релея. Она оказалась не менее 4 мм/с. Это примерно на порядок ^превышает значение- оценки скорости течепия ". *

Шлихтинга, которое можно сделать, исходя из рассмотрения ситуации.

Третья глава посвящена исследованию- эффекта нелинейного рассеяния из фокальной области сферического концентратора.

В параграфе 3.1 представлен метод расчета нелинейного рассеяния из фокальной области сферическою концентратора. Данный метод применим как для непрерывного режима работы излучателя,-так и для импульсного. " ""

16

масштаб

0.015 3.92 : " мм/е

• _ ^волновой фретгг_ ^ * ' : "... Рис.8 .

Предложенная теория легко обобщается на случай произвольных неоднородностей поля, например: фокальная область цилиндрических расходящихся сфокусированных фронтов, область пересечения скрещивающихся волновых пучков, фокальная область зональных линз и т.д. - - 7

В иарафафе 3.2 обсуждается экспериментальная установка созданная для исследования эффекта нелинейного рассеяния. Блок-схема экспериментальной установки представлена на рис.9. Для генерации сфокусированного акустического поля в экспериментах использовался специально изготовленный сферический пьезокерамический концентратор, имеющий радиус кривизны 48 мм "и полный:угол раскрытия апертуры 37°. Концентратор был демпфирован, в качестве демпфера использовалась конусообразная ловушка 2 из материала с . сильнымтзатуханием на рабочей частоте концентратора (3,6 МГц) и высоким акустическим импедансом. В результате подобного демпфирования удалось достигнуть добротности концентратора Q ~ 6.

Сигналом накачки служила последовательность "радиоимпульсов с большой скважностью, гарантирующей при используемых интенсивностях излучаемого сигнала - невозможность образования акустических течений. "" : :

Акустический сигнал нелинейного рассеяния из фокальной "области сферического-концентратора принимался гидрофоном В&К 8103. Принятый гидрофоном сигнал "усиливался кондиционирующим усилителем В&К Nexus 2690. Дальнейшая регистрация сигнала производилась осциллографом Tektronix-3032. " -"Б параграфе 3.1 описаны основные результаты экспериментального исследования нелинейного рассеяния из фокальной области сферического концентратора.

В ходе эксперимента были исследованы зависимость амплитуды сигнала- нелинейного рассеяния от направления, рассеяния, а также зависимости формы сигнала нелинейного рассеяния "и его амплитуды от длительности сигнала накачки. Также проверялись зависимость амплитуды нелинейно рассеянного сигнала, от амплитуды напряжения на концентраторе и её зависимость от расстояния до геометрического фокуса концентратора. _

На рис.10 представлены осциллограммы исследуемых сигналов. Приведены экспериментально полученные формы сигналов, характерные для трех разных углов рассеяния и при различных

18

длительностях сигнала накачки. Амплитуды нелинейно рассеянных сигналов слабо зависят от длительности импульса накачки. Амплитуды принимаемых импульсов (под амплитудой в данном случае понимается размах), приведённых на рис. 10, для направления 135° составляют

0.07...0.09.Па, для направления 90° - 0,25...0,3 Па. для направления 45° - 0,8...0,85 Па. На рис.6 изображены также н теоретически рассчитанные формы импульса.

Амплитуды нелинейно рассеянных сигналов, получаемые из теоретических оценок, превышают экспериментальные на 30-40%. В целом экспериментально и теоретически полученные результаты в достаточной мере сходны.

В приложении приведены материалы патента «Способ определения скорости звука в жидких средах». Патент РФ № Яи 2436050.

В заключении диссертационной работы приводятся основные результаты и выводы.

Основные результаты диссертационной работы

1. Создана экспериментальная установка и разработан метод для определения основных закономерностей трансформации профиля и спектра интенсивного акустического сигнала, отражённого от мягкой границы. Показано, что установившаяся форма профиля ударной волны, сформированной после отражения от мягкой границы, существенным образом отличается от таковой для случая распространения мощного пучка в безграничном пространстве. Основной особенностью нелинейного взаимодействия гармоник в пучке после отражения является формирование более узкого ударного фронта по сравнению с фронтом, сформированным до отражения. В эксперименте зарегистрировано уменьшение длительности ударного фронта более чем в 2 раза. Спектр отраженного сигнала характеризуется немонотонностью распределения амплитуд гармоник в зависимости от их номера.

2. Разработан экспериментальный метод оценки положения свободной границы при её взаимодействии с импульсным интенсивным акустическим полем. Показано, что условия отражения интенсивных нелинейных волн от свободной границы при реализованных в экспериментах амплитудах существенно зависят от скважности импульсов накачки, и их можно разделить на три группы:

- Отражение происходит практически от невозмущенной гладкой поверхности при скважностях сигнала больше 106.

- При скважностях сигнала ЮМО2 отражение волны происходит в условиях эффективного возбуждения капиллярных волн, что приводит к нестационарности смещения границы. Это, однако, не приводит к значительным изменениям профиля. и спектрального состава в отраженной нелинейной волне по сравнению с сигналами предыдущей группы. .. " . .

- При скважностях сигнала меньше 1О2 на поверхности границы раздела возникает осесимметрйчное "стационарное искривление, приводящее к фокусировке отраженного импульса, что оказывает существенное влияние на динамику дальнейшего формирования нелинейных волн.

3. Разработан способ определения скорости звука в жидкости, позволяющий учитывать изменение температуры за время измерения и воздействие температуры на элементы конструкции измерителя.

4. Разработан метод и проведены экспериментальные оценки скорости течения Шлихтинга, возбуждаемого на границе твёрдой и жидкой фаз сфокусированным акустическим полем мегагерцового диапазона. В эксперименте была зафиксирована скорость 4 мм/с. Достигнутая скорость ~ 4 мм/с даёт возможность существенного ускорения массобменных процессов на гетерогенной границе, что подтверждается результатами опыта по акустической . интенсификации процесса скоростного роста солевых монокристаллов," проведённого в строго контролируемых лабораторных условиях.

5. Усовершенствована" методика проведения гидроакустического эксперимента по исследованию нелинейных эффектов в фокальной области фокусирующих систем. Экспериментально показано, что при большой. скважности существует критерий, накладывающий ограничение на длительность радиоимпульса накачки, при которой

^ можно пренебречь эффектами, связанными- с возникновением акустических течений в фокальной области сферического концентратора, а именно: влиянием акустических течений на чисто волновые нелинейные взаимодействия в фокальной области. Для амплитуд поля 105 - 10б Па, достигаемых в описанных экспериментах в фокальной области сферического концентратора, акустические течения практически отсутствуют в течение 100-200 мс после включения излучателя.

6. Обосновано применение широкоуглового рассеяния нелинейно преобразованного сигнала накачки из фокальной области фокусирующей системы для создания метода нелинейной диагностики. Определены основные закономерности широкоуглового рассеяния нелинейно преобразованного сигнала накачки из фокальной области сферического концентратора. При небольших пространственных размерах импульса накачки длительность принимаемого сигнала определяется в основном размерами фокуса. При пространственных длинах импульса накачки, значительно превышающих характерный размер фокуса, сигнал нелинейного рассеяния распадается на две части, соответствующие фронту нарастания импульса накачки и фронту спадания. Форма нелинейно-рассеянного сигнала существенно зависит от направления рассеяния: чем меньше угол рассеяния к акустической оси, тем короче принимаемый сигнал. В область начальной апертуры рассеиваются более низкочастотные составляющие сигнала накачки, вперед - более высокочастотные. Данное обстоятельство связано со спектральной избирательностью фокальной области. Получены теоретические оценки на амплитуды рассеиваемых сигналов и их диаграммы рассеяния в зависимости от параметров сигнала накачки. Оценки подтверждены экспериментально. При рабочих давлениях в фокальной области 3 - 5х105 Па в экспериментах были зафиксированы амплитуды нелинейно рассеянных сигналов от 0,1 до 1 Па в зависимости от угла рассеяния. , Цитируемая литература: ,

1. Зарембо JI.K., Красилышков В.А. Введение в нелинейную акустику. - М.: Наука, 1966,520 с.

2. Источники мощного ультразвука. Под ред. Л.Д. Розенберга -М.: Наука. 1967. 380с.

3. Мощные ультразвуковые поля. Под ред. Л.Д. Розенберга - М.: Наука. 1968, 380 с.

4. Физическая акустика, под ред. У. Мэзона, т. 2, ч. Б, Мир, 1969.

5.Witham G.B. Linear and Nonlinear Waves. N.Y.-Sydney-London-Toronto: Wiley, 1974.

6. Руденко О. В., Солуян С. И. Теоретические основы нелинейной акустики. - М.: Наука, 1975,288 с.

7. Физические основы ультразвуковой технологии. Под ред. Л.Д. Розенберга. - М.: Наука, 1970, 688 с.

8.Ультразвуковая технология Под ред. Б. А. Аграната.-М.: Металлургия, 1974, 504 с.

9. Кузнецов О. Л., Ефимова С. А. Применение ультразвука в нефтяной промышленности,- М., 1983,192 с.

10. Маргулис М. А. Основы звукохимии. — М.:Высшая школа, 1984, 272 с.

11. Акустическая технология в обогащении полезных ископаемых Под ред. В. С. Ямщикова,- М.: Недра, 1988. 232 с.

12. Новиков Б.К. Тимошенко В.И. Параметрические антенны в гидролокации JL: Судосторение, 1990, 256 с.

13. Westervelt P.J. Parametric Acoustic Array// JASA, v.35, N 4, pp.535-537.

14. Зарембо JI.К. Акустическая параметрическая антенна//УФН, т. 128, вып.4, с. 713-720.

15. Ультразвук в медицине. Физические основы применения. Под ред. К. Хилла, Дж. Бэмбера, Г. тер Хаар. Пер с англ. под ред. Л.Р. Гаврилова, В.А. Хохловой, О.А. Сапожникова. - М.: Физматлит, 2008, 544 с.

16. Сапожников О.А. Мощные ультразвуковые пучки: диагностика источников, самовоздействие ударных волн и воздействие на среду при литотрипсии, Дисс. на соискание учёнеой степени доктора физико-математических наук, М., МГУ, 2008. ■

17. Касьянов Д. А., Шапашов Г. М. Способ нелинейного акустического каротажа. -А.С. № 1608608 опубликовано 23.11.1990 БИ № 43.

18. Бахвалов Н.С., Жилейкин Я.М., Заболоцкая Е.А., Нелинейная теория звуковых пучков. М., 1982, 176 с.

19. Ниборг В. Акустические течения, в кн. «Физическая акустика», под ред. У. Мэзона, т. 2, часть Б, «Свойства полимеров и нелинейная акустика», М.: Мир, 1969, с. 302-377.

20. Ганжа В. Л., Журавский Г. И., Симкин Э. М. Тепломассоперенос в многофазных системах.-Минск, 1990.

21. Кузнецов О. Л., Симкин Э. М., Чилингар Дж. Физические основы вибрационного и акустического воздействия на нефтегазовые пласты.- М.: Мир, 2001,250 с.

22. Новицкий Б. Г. Применение акустических колебаний в химико-технологических процессах.— М., 1983, 211 с.

23. Ершов В.П., Касьянов Д.А., Родченков В.И., Сергеев Д.А. Исследование процессов растворения и роста солевых монокристаллов в неоднородных акустических полях. I. Стоячая волна// Кристаллография, 2008, т. 53, № 1 с. 181 -186.

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

А1. Дерябин М.С., Касьянов Д. А., Курин В.В. О детектировании гшпульсного сигнала в фокальной области сходящегося волнового фронта!/ Акустический журнал, 2010, Т. 56, №4, с.1-6.

А2. Дерябин М. С., Касьянов Д.А., Родченков В.И., Сергеев Д.А., Экспериментальное исследование акустических течений в сфокусированном ультразвуковом полеН ПМТФ, 2010, Т. 51, №5, с. 1-7.

A3. S. N. Gurbatov, М. S. Deryabin, D. A. Kasyanov, V. V. Kurin, V. 1. Rodchenkov,and D. A. Sergeev, The Influence of a Nonuniform Acoustic Fieldon Small Scale Processes at a Heterogeneous Boundary)/ Acoustical Physics, 2010, Vol. 56, No. 6, pp. 856-860.

A4. Жогликов В. А., Лебедев E. В., Ванягин А. В., Дерябин М. С. Способ определения скорости звука в жидких средах// Патент RU 2436050 С1, заявка: 2010116919/28, от 28.04.2010.

А5. Deriabin M.S., Kasiyanov D.A. About Diffraction Phenomena Accompanying Nonlinear Transformations in Focused Acoustic Fieldsll Nonlinear Acoustics -Fundamentals and Applications (ISNA 18), 18th International Symposium of Nonlinear Acoustics, AIP Conference Proceedings //1022, NY, 2008, P. 107-110.

А6. Gryaznova I. Yu., Gurbatov S. N., Kasiyanov D.A, Deriabin M. S., Kurin V. V., Storozhev E. N. Diffraction and Nonlinear Effects in the Generation of Higher Harmonics in High-Intensity Acoustic Beams/I Nonlinear Acoustics - Fundamentals and Applications (ISNA 18), 18th International Symposium of Nonlinear Acoustics, AIP Conference Proceedings #1022, NY, 2008, P. 111-114.

A7. Deriabin M., Kasyanov D., Kurin V. Laboratory experiments on interaction of powerful acoustic pulses with water-air free boundary!I FORUM ACUSTICUM 2011 27. June -1. July, Aalborg, p. 915-919..

A8. Дерябин M.C., Касьянов Д.А. Детектирование импульсного сигнала в « фокальной области сходящегося волнового фронта!/ Сб. трудов XVIII сессии Российского акустического общества. М.: ГЕОС, 2006, том 1, с. 152-156.

А9. Дерябин М.С., Касьянов Д.А., Курин В.В. Экспериментальное исследование детектирования импульсного сигнала в фокальной области сходящегося волнового фронта Н Сб. трудов XIX сессии Российского акустического общества. М.:ГЕОС,2007, том 1 ,с. 170-173.

АЮ.Дерябин М.С., Касьянов Д.А., Курин В.В,. Сторожев E.H. О конкурирующем влиянии дифракционных и нелинейных эффектов на форму слабых ударных волн в интенсивных акустических пучках. Лабораторный эксперимент// Сборник трудов XX Сессии Российского Акустического общества, том 1, с. 130 - 134, М., ГЕОС, 2008.

АП.Гайниев A.B., Дерябин М.С., Курин В.В. Экспериментальное исследование характеристик объёмных акустических резонаторов// Сборник трудов XXII Сессии Российского Акустического общества, том 1, с. 123-127, М., ГЕОС, 2010.

А12.Грязнова И.Ю., Дерябин М.С., Касьянов Д.А., Курин В.В. Особенности проведения экспериментов по исследованию нелинейного взаимодействия волн в ограниченных средах в лабораторных условиях// Сборник трудов Научной конференции «Сессия Научного совета РАН по акустике и XXIV сессия Российского акустического общества». Т.1,-М.:ГЕОС,2011,с.158-161.

А13.Дерябин М.С., Касьянов Д.А. Об импульсном режиме работы ультразвукового концентратора// Труды научной конференции по радиофизике, ННГУ, 2005, с. 257-258.

АН.Дерябин М.С., Касьянов Д.А. О нелинейном рассеянии из фокальной области сферического концентратора, работающего в импульсном режиме// Труды научной конференции по радиофизике, ННГУ, 2006, с. 49-50.

А15.Дерябин М.С., Касьянов Д.А., Курин В.В. Экспериментальные исследования детектирования импульсного сигнала в фокальной области сферического концентратора// Труды научной конференции по радиофизике, ННГУ, 2007, с. 173175.

А16.Гайниев A.B., Дерябин М.С., Курин В.В. Исследование характеристик объёмных акустических резонаторов Ч Труды научной конференции по радиофизике, ННГУ, 2009, с. 194-195.

А17. Дерябин М.С. О нелинейном рассеянии из фокальной области пьезокерамического концентратора// Сборник трудов XI Нижегородской сессии молодых ученых, Естественнонаучные дисциплины, 2006, с. 12.

ДЕРЯБИН Михаил Сергеевич

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕЛИНЕЙНЫХ ЭФФЕКТОВ В СИЛЬНОНЕОДНОРОДНЫХ'ИНТЕНСИВНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ

ПОЛЯХ

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Подписано в печать 10.02.2012 г. Формат 60x90/16. Бумага писчая. Усл. п. л. 1. Тираж 100. Заказ 5614

61 12-1/725

Министерство образования и науки Российской Федерации федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Научно-исследовательский радиофизический институт»

На правах рукописи

Дерябин Михаил Сергеевич

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕЛИНЕЙНЫХ ЭФФЕКТОВ В СИЛЬНОНЕОДНОРОДНЫХ ИНТЕНСИВНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ПОЛЯХ

01.04.01 - Приборы и методы экспериментальной физики

диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород 2012

Оглавление

Введение 4

Глава 1 Нелинейные эффекты в акустических пучках, отраженных от 19 акустически мягкой границы

1.1 Экспериментальная установка 21

1.1.1 О влиянии ориентации гидрофонов на форму принимаемых 25 сигналов

1.1.2 Влияние точности позиционирования гидрофонов на форму 32 регистрируемого сигнала

1.2 Исследование взаимодействия мощных акустических импульсов и 36 свободной границы раздела вода-воздух

1.3 Особенности формирования ударных акустических волн в 47 ограниченных пучках большой интенсивности при наличии мягкой границы в области взаимодействия

Глава2 О некоторых особенностях акустических течений, 57 возникающих в неоднородных акустических полях

2.1 Акустические течения в фокальной области сферического 59 концентратора

2.2 Акустические течения в неоднородных акустических полях при 70 наличии жесткой границы

ГлаваЗ Нелинейное рассеяние из фокальной области сферически 81

сходящегося волнового фронта

3.1 Теоретическое описание нелинейного рассеяния из фокальной 82 области сходящегося волнового фронта

3.2 Экспериментальная установка для исследования нелинейного 93 рассеяния из фокальной области сферического концентратора и предварительные измерения

3.3 Результаты экспериментального исследования нелинейного 98 рассеяния

Заключение Приложение Список литературы

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

106 109 119 130

Введение

Нелинейные эффекты в интенсивных акустических полях исследуются достаточно давно, где-то с середины прошлого века, когда появились эффективные акустические преобразователи, изготавливаемые из материалов со стрикционными эффектами. К концу 1970-х годов появились уже общеизвестные обобщающие монографии, посвященные исключительно исследованию нелинейных акустических явлений и методам генерации интенсивных акустических полей в различных средах [1-7] На это же время приходится пик применения силовой экспериментальной акустической аппаратуры, работающей, в основном, на частотах начала ультразвукового диапазона, в различных технологических процессах [8 - 12 и др.]. Полезное действие акустического поля, если оно достигалось, было основано на «вторичных», нелинейных эффектах в акустическом поле, таких как кавитация, акустические течения и др. В настоящее время эти разработки имеют ограниченное применение. Пожалуй, единственным ярким примером удачного в то время применения нелинейных акустических эффектов для разработки практически значимой аппаратуры является разработка «параметрических антенн», востребованных в гидролокации [7, 13 - 15 и др]. Здесь использовался чисто волновой нелинейный эффект [16 - 17], связанный с детектированием акустического поля распространяющегося в виде узкого пучка, что позволило создать направленное низкочастотное излучение и существенно усовершенствовать технологию гидролокации.

В конце 1970-х годов стало ясно, что нелинейные акустические исследования также востребованы в медицинских приложениях. Ультразвук использовался в медицине давно, однако усовершенствование акустической аппаратуры и появление новых задач сделали медицинскую акустику, во многом, нелинейной [18]. Появилось оборудование, в котором принципиально используются мощные ультразвуковые поля - литотриптеры,

и, в настоящее время, экстракорпоральная литотрипсия - это достаточно рутинная операция. Разработка и совершенствование подобных приборов потребовало развития нелинейной акустики, особенно в плане исследования распространения сильно нелинейных волн и пучков этих волн, в том числе сфокусированных, в сложных средах [19].

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

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

Во-первых, поля, излучаемые преобразователями, принципиально неоднородны. Это связано с конечным размером излучателей, что приводит к весьма сложному распределению поля в ближней зоне и зоне дифракции Френеля. Кроме этого, реальные излучатели имеют на своей апертуре неоднородное, часто изрезанное начальное распределение амплитуды поля, связанное с возникновением стоячих поверхностных волн на поверхности излучателя. Это также способствует созданию пространственных неоднородностей поля. Специальными конструкциями заглушек, накладываемых на тыльную сторону преобразователя это явление можно существенно уменьшить, но полностью его подавить не удаётся. Однако, пространственные неоднородности поля, в том числе искусственно создаваемые, например, фокусированием, могут способствовать получению

информации о физических параметрах области среды, где эти неоднородности локализованы [20 - 22]. Таким образом, изучение основных закономерностей нелинейного рассеяния поля, особенно под широкими углами, из области среды, где локализована неоднородность поля, является весьма актуальной задачей.

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

Известно, что при определенных условиях наличие свободной границы в области взаимодействия нелинейных ударных акустических волн приводит к постепенному рассасыванию ударного фронта, а затем к его новому формированию. Этот эффект связан с противофазным взаимодействием высокочастотных гармоник в нелинейной волне, образовавшихся до отражения от границы, с гармониками, порождаемыми после отражения [13]. Следует отметить, что конкуренция нелинейных волн порождаемых до и после отражения от свободной поверхности проявляется не только в высокочастотной части спектра. В частности, подобный механизм взаимодействия нелинейных волн накачки, приводит к образованию более узкого углового спектра излучения волны разностной частоты в параметрических источниках звука.

При распространении акустических волн в слаборасходящихся пучках большой интенсивности и достаточно больших числах Рейнольдса непременно формируется ударная волна. При этом совместное действие дифракционных и нелинейных механизмов приводит к тому, что амплитуда фазы сжатия значительно превышает амплитуду фазы разряжения, см., например, [23]. В нелинейной акустике, в частности, в медицинских ее приложениях, особый интерес представляет задача о генерации мощных

импульсов, в которых амплитуда фазы разрежения превышала бы амплитуду фазы сжатия. Одной из возможностей создать такой сигнал, является отражение ударной волны от акустически мягкой границы. Таким образом, исследование основных закономерностей поведения ударных волн, созданных реальными излучателями и отражённых от мягкой границы так же весьма актуально.

Недостаточно исследованным является вопрос о взаимодействии интенсивных акустических полей с твёрдой границей. Хорошо известно, что при падении неоднородного акустического поля на твёрдую границу возникает акустический пограничный слой, генерируются приграничные акустические течения. Теоретически описаны некоторые закономерности развития этих процессов, для некоторых случаев даны оценки скоростей течений, характерных времён их развития [8, 24 и др]. Однако не существует прямых экспериментальных исследований процессов возникновения этих течений, по крайней мере, в мегагерцовом диапазоне. Известно, что приграничные акустические течения способствуют улучшению массообмена на гетерогенной границе и акустическое поле считается весьма перспективным средством интенсификации многих массобменнных процессов, происходящих на межфазовых границах [8, 25 - 30 и др]. Таким образом, детальное экспериментальное исследование акустических течений, поиск методов управления акусто-гидродинамической обстановкой на гетерогенной границе являются весьма актуальными.

Цель работы

Диссертационная работа посвящена разработке методов экспериментальных исследований и созданию экспериментальных установок для изучения нелинейных эффектов, проявляющихся при взаимодействии интенсивных акустических волн со средами и границами раздела сред в

целях использования изучаемых нелинейных эффектов для создайия новых приборов и методов, предназначенных для исследования сред и воздействия на них.

В рамках указанной цели решались следующие конкретные задачи:

1. Разработка метода и создание экспериментальной установки для определения основных закономерностей трансформации профиля и спектра интенсивного акустического сигнала, отражённого от мягкой границы.

2. Разработка экспериментального метода оценки положения свободной границы при воздействии на неё интенсивным акустическим полем. Выработка критериев состояния мягкой границы при воздействии на неё интенсивным акустическим пучком.

3. Разработка метода экспериментальной оценки скорости течения Шлихтинга, возбуждаемого на границе твёрдой и жидкой фаз сфокусированным акустическим полем мегагерцового диапазона в целях определения возможностей сфокусированных полей для создания современного оборудования, предназначенного для интенсификации массообменных процессов на гетерогенной границе.

4. Экспериментальная оценка характерного времени развития течения Эккарта в фокусе сферического концентратора в целях выработки критерия, позволяющего в эксперименте выделить чисто волновое нелинейное взаимодействие в фокальной области.

5. Определение основных закономерностей широкоуглового рассеяния нелинейно преобразованного сигнала накачки из фокальной области сферического концентратора в целях разработки основ нового метода нелинейной диагностики сред.

Научная новизна

1. Показано, что установившаяся форма профиля ударной волны, сформированной после отражения от мягкой границы, существенным

образом отличается от таковой для случая распространения мощного пучка в безграничном пространстве. Формируется существенно более узкий ударный фронт с амплитудой фазы разряжения существенно превосходящей амплитуду фазы сжатия. Исследования проведены в целях совершенствования методов разрушения объектов ударными акустическими волнами.

2. Разработан экспериментальный метод оценки положения свободной границы вода-воздух при воздействии на неё последовательностью интенсивных акустических импульсов. Показано, что условия, при которых происходит отражение интенсивных нелинейных волн от мягкой границы, существенно различаются в зависимости от интенсивности и скважности импульсов накачки.

3. Разработан метод и проведены экспериментальные оценки скорости течения Шлихтинга, возбуждаемого на границе твёрдой и жидкой фаз сфокусированным акустическим полем мегагерцового диапазона. Метод основан на измерении скорости спутного течения методом Р1У. Показано, что скорость установившегося течения Шлихтинга, созданного сильно неоднородным интенсивным акустическим полем достаточна для существенной интенсификации массообменных процессов.

4. В результате исследований, проведённых на специально разработанной экспериментальной установке, показано, что при большой скважности существуют ограничения, накладываемые на длительность радиоимпульса накачки, при которой можно пренебречь эффектами, связанными с возникновением акустических течений в фокальной области сферического концентратора.

5. Определены основные закономерности широкоуглового рассеяния нелинейно преобразованного сигнала накачки из фокальной области сферического концентратора. Получены теоретические оценки на амплитуды

рассеиваемых сигналов и их диаграммы рассеяния в зависимости от параметров сигнала накачки. Оценки подтверждены экспериментально. Исследования проведены в целях разработки основ нового метода нелинейной диагностики сред.

Практическая значимость

Результаты, полученные в работе, будут способствовать совершенствованию техники и методов проведения гидроакустических экспериментов с интенсивными акустическими полями мегагерцового диапазона. Особенно, когда необходимо проведение прецизионных измерений вблизи границ. Так в работе детально исследовано и классифицировано поведение мягкой границы при падении на неё интенсивного акустического пучка. В ходе данных исследований был разработан метод определения положения границы и метод прецизионного определения скорости звука в жидкости [31].

Исследование взаимодействия интенсивного неоднородного поля с твёрдой границей, разработка способа определения скорости приграничных акустических течений позволят совершенствовать методы интенсификации массообмена на гетерогенной границе, в частности, методы скоростного роста солевых монокристаллов в акустических полях [32, 33].

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

диагностики нелинейных сред в различных отраслях знаний - от геофизики до медицины.

Результаты работы использовались для выполнения различных проектов:

- Российского фонда фундаментальных исследований (проекты 06-0217494, 08-02-00631, 08-02-99046, 09-02-01239, 11-02-00774, 11-02-97046)

- Международного научно - технического центра, проект 2590р.

- Ведущей научной школы, грант № 3700.2010.2

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

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Экспериментально определенные основные закономерности трансформации профиля и спектра ударной акустической волны, отражённой от мягкой границы. Разработанный метод и созданная экспериментальная установка.

2. Классификация условий отражения интенсивного акустического поля от мягкой границы в зависимости от параметров падающего поля. Разработанный метод и созданная экспериментальная установка.

3. Метод измерения и непосредственное измерение скорости течения Шлихтинга, возбуждаемого на границе твёрдой и жидкой фаз сфокусированным акустическим полем мегагерцового диапазона.

4. Экспериментальное исследование динамики зарождения акустических течений в фокальной области сферического концентратора. Временной критерий на существенность влияния акустических течений на процесс волновых нелинейных преобразований в фокальной области фокусирующей системы.

5. Определение основных закономерностей широкоуглового рассеяния нелинейно преобразованного сигнала накачки из фокальной области

сферического концентратора. Уровень эффекта достаточен для создания нового метода нелинейной диагностики сред.

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

Апробация работы

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международном симпозиуме по нелинейной акустике (Стокгольм 2008), Международном акустическом форуме (Ольбург 2011), XVIII, 1ХХ, XX, XXII и XXIV сессиях Российского акустического общества (Таганрог 2006, Нижний Новгород 2007, Москва 2008, Москва 2010, Саратов 2011), конференциях по радиофизике ННГУ (Нижний Новгород 2005, 2006, 2009, 2011), XI Нижегородской сессии молодых ученых (Нижний Новгород 2006).

Публикации

Ма�