Теоретическое и экспериментальное обоснование лазерных методов диагностики акустического поля в жидкостях и газах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ
|
Расковская, Ирина Львовна
АВТОР
|
||||
|
кандидата физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Москва
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2005
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.04
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
На правах рукописи
Расковская Ирина Львовна
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЛАЗЕРНЫХ МЕТОДОВ ДИАГНОСТИКИ АКУСТИЧЕСКОГО ПОЛЯ В ЖИДКОСТЯХ И ГАЗАХ
Специальность 01.04.04 - «Физическая электроника»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Москва-2005
Работа выполнена в Московском Энергетическом институте (техническом университете)
Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор
РИНКЕВИЧЮС Бронюс Симович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
ВЛАСОВ Николай Георгиевич
доктор физико-математических наук, профессор САЗОНОВ Юрий Иванович
Ведущая организация: Институт радиотехники и электроники РАН
Защита состоится ¿.МНЯ 2005 г. в час. на заседании диссертационного совета К212.142.02 при ГОУ Московский государственный технологический университет «Станкин» по адресу: 127994, Москва, Вадковский пер., д. ЗА.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГГУ «Станкин». Отзывы в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью организации, просьба направлять по адресу: 127994, г. Москва, Вадковский пер., д. ЗА. Автореферат разослан
«//» (МйЯ 2005г.
Ученый секретарь диссертационного совета
"7/
Ю.П. Поляков
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования
В настоящее время широкое распространение получили бесконтактные лазерные методы измерения кинематических параметров движущихся сред, которые находят применение в научных экспериментах и промышленных технологиях, связанных с необходимостью невозмущающего контроля исследуемых процессов Большой научный и практический интерес представляет разработка методов лазерной диагностики акустических полей, поскольку это позволит в конечном итоге создать эталоны таких параметров, как звуковое давление, колебательная скорость и др., привязанные к лазерному эталону длины и частоты
Наиболее перспективным является метод измерения колебательной скорости и локального акустического давления, предполагающий использование лазерного доплеровского анемометра Принцип измерения основан на зондировании исследуемой среды лазерными пучками, регистрации излучения, рассеянного движущимися под воздействием акустического поля частицами, и определении временных и спектральных параметров принимаемых сигналов с целью оценки параметров акустического поля в области локализации частицы Однако, при обосновании и реализации указанного метода, особенно при диагностике ультразвуковых полей в жидкости, возникает ряд проблем, связанных с амплитудными и фазовыми искажениями лазерных пучков из-за модуляции плотности среды в акустическом поле, рефракционными явлениями, особенностями интерференции при наличии акустооптического эффекта и необходимостью учета неоднородности оптического поля в сечении пучка при его дифракции на большой частице Искажение оптического поля играет негативную роль в случае локальной диагностики, но в то же время несет полезную информацию об интегральных характеристиках среды, поэтому возможна разработка методов, основанных на определении акустических параметров по измеренным параметрам пучков, прошедших через среду Кроме тош, самостоятельный интерес представляют методы исследования движения пузырьков под воздействием акустических колебаний в жидкости на основе анализа дифракционного ноля лазерного пучка Таким образом,
обоснование лазерных методов диагнос
ьмаыя|в жидкостях и газах библиотека I
111 I ■ т*
с учетом закономерностей распространения, интерференции и дифракции лазерных пучков при наличии акустических колебаний в среде является, несомненно, актуальной задачей.
Обзор ранних работ по оптическим методам диагностики ультразвука, основанным на классических исследованиях Брегга, Рамана, Ната, Люка, Бикара, Номото и Рытова, содержится в монографии Бергмана /1/ Общим недостапсом этих методов, является невозможность количественного определения локальной интенсивности ультразвука в среде Новый этап в развитии методов исследования акустических полей связан с появлением лазеров, позволивших использовать для измерений коллимировашпле и когерентные оптические пучки Идея метода локальной диагносгики акустических полей на основе лазерного доплеровского анемометра изложена в работе, выполненной на кафедре Физики им В А Фабриканта МЭИ /2/, однако, без учета искажения оптического поля в среде с модуляцией коэффициента преломления Фазовые искажения лазерных пучков, проявляющиеся при их интерференции, были исследованы сотрудниками Эдинбургского университета в /3/, но только для плоских волн звукового диапазона и дистанций в среде много меньших длины акустической волны Амплитудные искажения пучка с учетом его пространственного спектра рассмотривались лишь для дифракционного оптического поля и частных случаев отношения радиуса пучка к длине акустической волны /4/ Но при измерениях, в общем случае, не известны ни частота, ни конфигурация акустического поля, поэтому используемая математическая модель должна описывать искажения пучка при произвольном распределении интенсивности ультразвука в среде и произвольном отношении радиуса пучка к длине акустической волны Обзор основных математических методов исследования распространения пучков в слабонеоднородных средах и их дифракции на больших частицах дан в главе 1 настоящей диссертации, однако требуется их синтез и специализация в соответспзии с метрологическим аспектом задачи, заключающемся в необходимости бесконтактной диагностики акустического поля
Цель диссертационной работы
Бесконтактные измерения локальной интенсивности акустического поля в жидкостях и газах лазерными методами.
• 1 к ^ ' *
* ^
Для достижения поставленной цели необходимо
- разработать математическую модель для описания комплексной амплитуды лазерного пучка в среде с акустическим полем заданной конфшурации;
- для проверки модели провести экспериментальные исследования амплитудных искажений пучка для разных отношений длины акустической волны и радиуса пучка,
- провести теоретическое и экспериментальное исследование интерференции лазерных пучков при наличии акустооптического эффекта;
- на основе -экспериментальных данных по искажениям пучков, прошедших через среду, определить звуковое давление при заданной модели акустического поля;
- определить ограничения и погрешность метода измерения локального акустического давления лазерным доплеровским анемометром;
- провести теоретическое исследование дифракции пучка на пульсирующем и перемещающемся в жидкости пузырьке при наличии акустического поля,
- на основе анализа дифракционно! о поля в окресгности оси пучка разработать методику одновременного измерения радиуса и скорости пузырька или частицы
Связь с государственными программами и НИР
Рабога по теме диссертации выполнялась в рамках программы Минобразования России, грант № РД02-212-327 и в рамках про1раммы «Университеты России», проект УР 01 01 055
Методы исследований
В работе использовались методы геометрической оптики неоднородных сред, лазерной и волновой оптики, математическое и компьютерное моделирование и физический эксперимент
Научная новизна представленной работы заключается:
- в разработанной математической модели расиросгранения лазерного пучка в акустическом поле, одновременно учитывающей объемные эффекты, обусловленные наличием двух характерных пространствеггных масштабов длины акустической волны и радиуса пучка, при произвольном соотношении указанных масштабов,
в учете искажений интерференциошгой картины лазерных пучков в акустическом поле,
в расчете методической погрешности измерения локального акустического давления в воздухе и воде лазерным доплеровским анемометром и указании путей минимизации этой погрешности;
- в разработанной математической модели дифракции лазерного пучка на газовом пузырьке в прозрачной жидкой среде, учитывающей пульсацию пузырька и искажение пучка в акустическом поле;
- в применении анализа интерференции рассеянного и прямого поля в окрестности оси пучка для одновременного измерения скорости и радиуса пузырьков или частиц при их размерах, сравнимых с радиусом пучка
Практическая значимость представленной работы заключается'
- в рекомендациях по использованию дифференциальной схемы лазерного доплеровского анемометра для измерения звукового давления в воде и воздухе,
- в определении рациональной области применения локальной диагностики при разных частотах и конфигурациях акустического поля;
- в рекомендациях но измерениям радиуса и скорости пузырьков или частиц в воздухе и прозрачной жидкой среде
Достоверность результатов
Достоверность полученных результатов подтверждается действующих макетов измерительных систем. результатами сопоставлением полученных данных с теоретическими оценками
Положения, выносимые на защиту
- Разработанная математическая модель распространения лазерного пучка в акустическом поле позволяет учесть объемные эффекты, обусловленные наличием двух пространственных масштабов длины акустической волны и радиуса пучка, и получить единое аналитическое представление для комплексной амплитуды пучка при произвольном соотношении указанных масштабов
созданием измерений
Результаты теоретического и экспериментального исследования интерференции лазерных пучков в акустическом поле позволяют ввести параметр, количественно характеризующий фазовые искажения пучков, и являются основой для разработки методов диагностики звукового давления на основе лазерного доплеровского анемометра.
- Основным ограничением для измерения локального звукового давления в жидкостях и газах является значительная методическая погрешность, обусловленная искажением лазерных пучков в акустическом поле, которая может быть минимизирована подбором параметров измерительной установки.
- Учет фазовых и амплитудных искажений лазерного пучка позволяет разработать математическую модель его дифракции на пузырьке, пульсирующем в жидкой прозрачной среде при наличии акустического поля
- Анализ параметров дифракционного поля в окрестности оси пучка, позволяет проводить одновременное измерите скорости и радиуса микрочастиц и пузырьков при их размерах, сравнимых с радиусом пучка
Апробация работы
Результаты, изложенные в диссертации, докладывались и представлялись на конференции «Прикладная 01 пика -98» (С-Петербург, 1998), 5-й (Москва, 1999), 6-й (Москва,2001), 7-й (Москва, 2003) Международных конференциях «Оптические методы иследования потоков» а также на научных семинарах Института радиотехники и электроники Московского энергетического института
Личный вклад
Теорегическое исследование распространения, интерференции и дифракции лазерных пучков в жидкости при наличии акустического поля, теоретическое обоснование и определение условий применимости интерференционного метода локальной диагностики акустического поля на основе лазерного доплеровского анемометра, теоретическое обоснование методов интегральной диагностики и дифракционно-теневого метода одновременного измерения размера и скорости микрочастицы или пузырька в жидкости проведено лично Разработка методики
эксперимента и обработка результатов эксперимента, проводились совместно с сотрудниками кафедры Физики им В А Фабриканта
Публикации
По теме диссертации соискателем лично и в соавторстве опубликовано 14 печатных работ, в том числе 3 - тезисы докладов
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из 4 глав, введения и заключения Содержит 123 страницы 3 таблицы и 40 рисунков Список литературы включает 93 наименования
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность выбранной темы исследования, сформулированы цели и задачи, научная новизна, практическая значимость и основные положения, выносимые на защиту, кратко изложено основное содержание диссертации.
В первой главе сделан аналитический обзор основных методов диагностики акустического поля математических методов описания дифракции на микрочастицах и распространения лазерного излучения в средах с неоднородностью показателя преломления, обусловленной звуковой волной Указаны преимущества предлагаемого в диссертации подхода к решению проблемы певозмугцающего контроля акустического поля
Вторая глава посвящена исследованию распространения лазерного пучка в акустическом поле Традиционно, при теоретическом обосновании дошгеровских лазерных методов измерений скорости для описания пучка используется модель плоской волны, не учитывающая распределения его фазы и амплитуды в поперечном сечении, либо предполагающая это распределение неизменным Однако, как показали проведенные ранее исследования, из-за наличия модуляции показателя преломления среды звуковой волной - за счет колебаний ее плотности - возможно существенное для измерений акустического давления искажение лазерных пучков В связи с этим во второй главе на основе мегода возмущений эйконала и амплитуды разработана квазистационарная математическая модель распространения лазерного
пучка с заданным пространственным спектром в среде со слабыми неоднородностями показателя преломления, вызванными акустическим полем Особенностью рассматриваемой модели является наличие двух независимых пространственных масштабов радиуса пучка w и характерного размера оптической неоднородности Ла, отношение которых определяет характер процесса распространения пучка, описываемого в рамках единого аналитического представления
Указанное представление для оптического поля в среде при и>> -- Ла обобщает приближение Рамана-Ната для спектра нулевого порядка, учигывая объемные эффекты, возникающие при интерференции составляющих пространственного спектра, и объемные эффекты из-за рефракционной сходимости или расходимости геометрооптических лучей в пределах пучка, учитываемые на основании уравнений переноса Кроме того, рассматривается распространение пучка под углом а Ф О к фронту акустической волны, что, с одной стороны, является обобщением полученных ранее результатов, а, с другой стороны, позволяет не принимать во внимание искажений, связанных с «волноводным» распространением
Данная модель дает возможность получи 1Ъ явное представление для уравнений граекторий геометрооптических лучей в пределах пучка и ввести количественные параметры, характеризующие фазовые и амплитудные искажения поля пучка в среде Предположение о слабых отпосигельных изменениях показателя преломления 8п позволяет получигь линейное приближение для представления оптическою поля, на основе коюрого в ряде случаев может быть аналитически решена обратная задача определения ак>сшческого давления, по известным параметрам пучка, прошедшего через среду При сохранении высших членов разложения по Ъп в представлении эйконала и амплитуды решение обратной задачи может быгь получено численно на основе conocíавления расчетных и экспериментальных зависимостей Постановка задачи. Пусть в области z>О находится среда, с распространяющейся в ней вдоль оси (Ж акустической волной с длиной Аа Лазерный пучок с эффективным радиусом w распространяется в плоскости XOZ, ось пучка составляет с осью Z при z=О угол а Оптическое поле при z= О представляем в виде
Е(х,у,0) = exp {ikx sin a}A(x,y,0), (1)
где Л(х,у,о) - комплексная амплитуда пучка на входе в среду, к - волновое число в среде Зависимое 1ъ п(х,г,1) может быть представлена как
п(х,Г) =п0(2)
где Па- частота акусгических колебаний, Ка=2я/Аа, Ап - амплитуда отклонения показателя преломления от значения и0, причем выполняется соотношение
5п = Ди/«о «1 • (3)
Требуется определил, поле пучка Е(х,у,г,1) в среде в точке наблюдения (х,у,г) в момент времени /
Метод и результаты решения. Для решения поставленной задачи оптическое поле представляется в виде суперпозиции составляющих пространственного спектра лазерного пучка, поле каждой из которых в точке наблюдения определяется в приближении I еометрической оптики с использованием метода возмущения эйконала и амплитуды Использование понятия геометрооптических лучей для парциальных волн и условие отсутствия каустик накладывает следующие ограничения на дистанцию г при заданных &г, Я и \а
"Кг 8я , Леша
— «1, -«1, г<--(4)
Лд бш а ^п
С учетом указанных ограничений получаем представление оптическою поля в плоскости Х07.
Е(х^) = + + л^^г + (5)
где А°(х,г)- поле пучка в однородной среде, а функции у, Лфу, Лх и Лгх зависят от времени и параметров акустической волны и определяют искажения пучка Для функций у, Лфо, Ах и Агх получены явш.те представления и для случая гауссовского пучка проведено численное моделирование при и'« Л а, и» « Л а (рис 1) и -и*» Л а (рис 2 ) Представление (5) для комплексной амплитуды лазерного пучка справедливо в широком диапазоне соотношений м> и Ка, позволяет рассмотреть дифракционные и рефракционные эффекты, исследовать переходную область и>аЛы и описать интерференцию лазерных пучков в акустическом поле
И1',
отн. ед. -1
у, мм
Рис 1 Огибающая интенсивности пучка при Ла Ла=1 мм, 5я=310 5,2=100 мм
Рис2 01ибающая интенсивности пучка \а « и-,Ла=0 15 мм, 8и=5 К) \ мм
Третья глава посвящена исследованию интерференции лазерных пучков в акустическом поле и обоснованию методов локальной и интегральной диагностики на основе лазерного доплеровского анемометра Измеряя с помощью лазерного доплеровского аемометра амплитуду колебательной скорости микрочастиц, находящихся в среде, можно определять интенсивность акустического поля При этом роль «измерительной линейки» для определения величины смещения частицы играет сетка интерференционных полос в области пересечения двух лазерных пучков Привлекательность данного метода заключается в возможности определения именно локальных акустических параметров в области расположения частиц, причем без нарушения структуры исследуемого звукового поля При этом предполагается априорное знание прос гране гвенно-временных характеристик пучков в измерительном объеме Однако, при наличии акустических колебаний в среде из-за модуляции коэффициент преломления на пути распросгранения лазерных пучков, вид интерференционной картины может существенно изменяться (рис.З)
Рис 3 Интерференционная картина при наличии фазовых искажений поля лазерных пучков в среде с плоской акустической волной
Получены аналитические выражения, описывающие интерференционное ноле двух лазерных пучков в среде с акусгической волной Для количественной характеристики акустопшческого эффекта вводится параметр m(z). определяющий амплитуду колебаний интерференционных полос
w(2) = 2*oA»»[l-oo<*.z-tga)] (6)
К а п о sin а
Проведен анализ указанной характеристики для модели плоской акустической волны с учетом рефракции лазерных пучков и для модели акустической волны со сферическим фазовым фронтом при различных диаграммах направленности излучателя Для проверки изложенных выше теоретических положений было проведено экспериментальное измерение параметра акустоптического эффекта то(г) и сравнение его с расчетным
На основе дифференциальной схемы лазерного доплеровского анемометра создана экспериментальная установка для регистрации и исследования характеристик акустооптического эффекта (рис 4) Результаты обработки сигнала представлены на рис 5 Основу оптико-электронной части экспериментальной установки составляли гелий-неоновый лазер 1, оптический блок 2, блок сдвига частоты 7 и блок слежения за частотой и индикации 8 Данные блоки, входящие в состав лазерного анемометра фирмы 1)18А. обеспечивали формирование двух сходящихся когерентных лазерных пучков с постоянным фиксированным сдвигом частоты между ними, прием рассеянного из области измерительного объема излучения и выдачу электрического сишала на вход цифрового запоминающего осциллографа 9. соединенного посредством интерфейсной платы с персональным компьютером 10 Исследования акустооптического эффекта проводились в кювете 4 с прозрачными стенками и внутренними размерами 182x192x293 мм3 на 1ри чсчверги объема заполненной дистиллированной водой Ко дну кюветы бил прикреплен пьезоэлек грический
Рис 4 Структурная схема экспериментальной установки
* Digit an™ НЕЗКЗ
Rle Run QmMop ! üfindow Help
Рис 5 Резульгагы обработки сигнала
ультразвуковой излучатель 5, питание которого осуществлялось от генератора гармонических колебаний 6 В качестве рассеивателя использовался неподвижный экран 3, который мог устанавливаться в любую зону кюветы Лазерные пучки распространялись через воду и фокусировались на неподвижном рассеивателе (область интерференции), который мог быть установлен на различном расстоянии от плоскости входа лазерных пучков в воду При движении интерференционных полос с выхода диафрагмированного фотоприемника через фильтр верхних час ют блока 8 на вход осциллографа поступал сигнал в виде частотно-модулированного колебания U(t) = U0co^2if0t+mcos(nat-Kax)l (7)
где fo= 1 М 'ц - фиксированный сдвиг час юты двух зондирующих пучков, Qa=2nFü - круювая частота акустических колебаний (Fa - 128 кГц) Значения параметра т, пропорционального скорости движения полос и представляющего собой индекс частотой модуляции сигнала (7), оценивались путем обработки записанных в память компьютера массивов отсчетов сигнала В основу используемого алгоритма обработки была заложена известная процедура восстановления фазы у жополосного
(8)
сигнала по дискретным отсчетам ею мгновенных значений Согласно данной процедуре, полная фаsa cp, (I) и мгновенная частота т0 (J) у жопо госного сигнала (7) могут быть найдены из соотношений
Фи (0 = 2я/о' + т cos(Qat -Ках) = arctg jjp
U {l)
где fí(t) - сигнал, связанный с сигналом (7) преобразованиями Гильберта Д.гя формироваггия квадрату ргп,гх составтягоших, используемътх при расчете параметра т методом квадратурной обработки, используется известное значение частоты акустических колебаний Qa На рис 6 результаты измерений m(z) сравниваются с результатами соответствующих расчетов для сферического фронта при Лп/п0 =8-10_6 Данному значению Аи/«о соответствует значение давления в акустической во шс Ар= 0,66 атм, те результаты эксперимента могут быть использованы догя оценки звукового давления
Рис 6 Расчетная -1 и экспериментальная -2 кривые зависимое! и параметра акустооптического эффекта от дистанции
Четвертая глава посвящена теоретическому и экспериментальному обоснованию дифракционно-1енево1 о метода одновременного измерения размера и скорости микрочастиц и пузырьков в жидкости При наличии и при отсутствии акустического поля исследуется дифракция гауссова лазерного пучка на пульсирующем и перемещающемся в жидкости сферическом газовом пузырьке, радиус которого сравним с радиусом пучка Показано, что в направлении распространения пучка дифракционная компонента рассеянного пузырьком поля преобладает над преломленной и отраженной компонентами Дифракционная компонента моделируется на основе теории рассеяния сферической часгицей в приближении Кирхгофа Для установления общих физических закономерностей используется модель дифракции гауссова пучка на цилиндрической частице
Результатом исследования является методика измерения размеров и скорости газовых пузырьков в жидкости, основанная на анализе интерференции рассеянной на пузырьке волны и прямого лазерного пучка в окрестности его оси В этом случае максимально используется мощность пучка, что должно приводит!, к повышению точности измерений Результат интерференции проявляется в виде тени от пузырька, которая перемещается при его движении (рис 7-8)
Рис 7 Тени от пузырьков в лазерной Рис 8 Интерференция прямого и
плоскости рассеянного пузырьком излучения
На рис 9 показаны геометрические параметры оптической схемы регистрации 1ени от пузырька или частицы При известных параметрах лазерного пучка (распределении амплитуды и фазы) в плоское гях расположения пузырька
х
2и- Чо
г
Рис 9 Геометрическая модель оптической схемы 1 - лазерный пучок, 2 - пузырек или частица, 3 - тень от частицы или пузырька в плоскости регистрации, 4 -огибающая гауссова пучка в плоскоеги перетяжки; 5 - огибающая гауссова пучка в плоскости регистрации
и регистрации интерференционной картины параметры этой тени содержат информацию об амплигуде и фазе рассеянного поля, необходимою Д1Я определения размера и скорости пузырька
Рис 10,а,б иллюсгрир>ет изменение амплигуды |Л(0,0,г)[ в центре пучка при
смещении час!ицы хр Симметрично расположенные максимумы па рис 10,6 соответствуют ситуации когда при движении часгаца перекрывает вторую зону Френеля, но первая еще открыта Для достаточно больших частиц, полностью перекрываюпщх вторую зону, рассюяние между этими максимумами равно сумме диаметров первой зоны Френеля и частицы
где 1 - гр - расстояние от частицы до точки наблюдения Кроме того, из графиков
рис 10,6 следует, что амплитуда (и сигнал на фото детекторе в точке наблюдения) дифракционного поля при хр = 0 монотонно зависит от радиуса частицы а Эту
зависимость при заданных параметрах X г, к можно применить для восстановления размера частицы по измеренным значениям сигнат Вычисляя Т. при известном значении а и заданных X, г, а затем, определяя по реализации сигнала
(9)
а)
Рис 10 Зависимость сигнала в центре дифракционной картины от смещения частицы а)г=1000мм,2р = 0, <7=100 мкм и 1-и>=1500 мкм, 2-^=700 мкм; 3-^=500 мкм; 4- и>=300 мкм; б)и>=358 мкм, 7=1613 мм, гр=728 мм и 1-я=30 мкм, 2 - а=150 мкм, 3 - а=235мкм
соответствующее время пролета частицы Аг, можно рассчитать скорость частицы
Дня проверки теоретических положений, служащих для обоснования методики измерений, была со дана экспериментальная установка, представленная па рис 11 Источником излучения являлся одномодовый гелий-неоновый лазер 1 тина ЛГН-223-1 с длиной волны излучения 0,6328 мкм и выходной мощностью 10 мВт На расстоянии 280 мм от выходного торца лазера исходный лазерный пучок пересекался вертикально расположенными движущимися с постоянной линейной скоростью V =0,56 м/с цилиндрическими частицами 3 разного диаметра (от 20 до 470 мкм) Частицы поочередно закреплялись на боковой поверхности вращающегося с постоянной угловой скоростью массивного металлического диска 2 диаметром 367 мм На расстоянии 885 мм от частицы в центре лазерного пучка располагался торец одномодового световода 5 с диаметром сердцевины 5 мкм, второй конец которого был закреплен на корпусе фотоэлектронного умножителя 6 типа ФЭУ-79 Таким образом, на фотодетектор направлялось излучение из центральной части лазерного пучка и излучение, рассеянное на цилиндрической частице При этом дифракционная картина смещалась в плоскости фотоприемника в соответствии с законом движения частицы Выходной сигнал фотодетектора поступал на вход цифрового запоминающего осциллографа 7 типа С9-8, с аналоювого выхода которого через плату сопряжения сигнал передавался на персональный компьютер 8 Пакет прикладных программ давал возможность получить временную реализацию и спектр сигнала Частица радиусом я=235 мкм пересекала пучок на расстоянии от перетяжки
7р~11% мм со скоростью у=0,56 м/с В результате применения описанной выше методики с усреднением по реализации многих сигналов найдено значение а =225 мкм, а из соотношения (10) при подстановке в него а - значение V =0,54 м/с Измеренное значение Д/ при этом составило 2,8 мс Охраничетгия метода обусловлены в основном возможностями измерения малых изменений сигната фотоприемника при пролете мелкой частицы и возможностями измерения слабого сигнала, который получается при достаточно крупной частице из-за сущес гвенно1 о затенения ею поля пучка в плоскости наблюдения
(10)
Рис 11 Структурная схема экспериментальной установки, 1 - лазер, 2 -вращающийся диск. 3 - цилиндрический или сферический рассеиватеть' 4 - торцевая часть световода, 5 - волоконный одномодовый световод, 6 - ФЭУ, 7 - цифровой осциллограф; 8 - персональный компьютер
Методическая погрешность, связанная с математическими приближениями, не превышает долей процента Сделана оценка погрешности измерений радиуса пузырька, возникающей из-за смещения его траектории относительно центра пучка
Основные выводы
1 Синтез спектрального метода и метода возмущений эйконала и амплитуды позволяет разработать математическую модель распространения лазерного пучка в среде с акустической волной, включающую рефракционные эффекты и интерференцию составляющих пространственного спектра в условиях неоднородной среды, что дает возможность одновременно учитывать объемные эффекты, обусловленные наличием двух пространственных масштабов' длины акустической волны и радиуса пучка
2 Ограничение протяженности среды позволяет получить простое аналитическое представление для поля пучка, единое для произвольного соотношения указанных масштабов, и явные выражения для уравнений траекторий геометрооптических лучей в пределах пучка, что может быть использовано для разработки методики восстановления звукового давления по известным искажениям пучков при заданной модели акустического поля
3 Сопоставление эксперимешальных и расчетных зависимостей амплитуды модуляции огибающей пучка подтверждает правомерность теоретических выводов и дает возможность оценки усредненного акустического давления
4 Теоретическое и экспериментальное исследование интерференции лазерных пучков в поле плоской акустической волны и в поле акустического излучателя с заданной диаграммой направленности позволяет количественно характеризовать искажения интерференционной картины лазерных пучков и разработать алгоритм восстановления акустического давления по измеретшм фазовым искажениям пучков
5 Расчет методической погрешности измерения локального звукового давления и указание путей ее минимизации определяет рациональную область применения дифференциальной схемы лазерного доплеровского анемометра для измерения локального звуковм о давления в воздухе и воде
6 Учет искажений лазерного пучка позволяет разработал математическую модель его дифракции на пузырьке, пульсирующем в жидкости при наличии акустического поля.
7 Анализ параметров дифракционного поля в окрестности оси пучка, позволяет разработать алгоритм одновременного измерения скорости и радиуса микрочастиц и пузырьков при их размерах, сравнимых с радиусом пучка
Полученные в диссертации результаты составляют теоретически и экспериментально обоснованную базу для развития лазерных измерительных методов, ориентированных на применение в научных исследованиях и технологиях, связанных с необходимостью нево з му тающего контроля локальных и пространственных характеристик акустического поля в жидкостях и газах Основные результаты диссертации отражены в публикациях /5-18/
Литература
1 Бергман Л Ультразвук и его применение в науке и технике// М Иностранная литература - 1957
2 Ринкевичюс Ь С, Сильвестров С В, Трохан А М О применении ЛДА для измерения колебательной скорости гидроакустического поля // Проблемы
метрологического обеспечения гидроакустических измерений —М Изд-во НПО ВНИИФТРИ, 1992 —С 41-49
3 Crickmore RI, Jack S Н, Hann D В , Greated С A Laser Doppler Anemometry and the Acousto-optic effect // Optics and laser technology, 1999, V 31, PP 85-94
4 Коломиец CM Некоторые особенносга дифракции гауссова пучка на ультразвуке // Оишческий журнал - 2000, Т. 67, № 9.
5 Расковская ИЛ Влияние неоднородности поля в лазерном пучке на дифракционную картину Фраунгофера // Оптические метода исследования потоков Тезисы 4-й Межгосударственной научно-технической конференции - М Изд-во "Валанг", 1997- С.15-17.
6 Гагина Н М, Расковская И Л, Ринкевичюс Б.С Фаза дифракционного ноля неоднородной волны в области Фраунгофера // Прикладная оптика - 98' Труды конференции - С-Петербург, 1998 - С. 138
7 Расковская И Л, Ринкевичюс Б С Рассеяние неоднородной волны на большой цилиндрической частице // Вестник МЭИ - 1998 №12 - С 93-100
8 Расковская И Л Распространение гауссова пучка в среде с бегущей акустической волной // Оптические методы исследования потоков Тезисы 5-й Международной научно-технической конференции - М Изд-во МЭИ, 1999 - С 40-41.
9 Расковская И Л, Ринкевичюс Б С , Джек С X., Ханн Д Б , Грейтид К А Влияние акус 1 соишческого эффекта на точность лазерных измерений колебательной скорости частиц // Оптические методы исследования потоков Тезисы 5-й Международной научно-технической конференции -М Изд-во МЭИ, 1999 - С 42^13
10 Гречихин В А , Расковская ИЛ., Ринкевичюс Б С Влияние акустооптического эффекта на погрешность измерений колебательной скорости частиц лазерным доплеровским анемометром//Автометрия. - 2000 №5 - С. 92-101
11 Гречихин ВА, Расковская И.Л, Ринкевичюс БС, Толкачев AB Измерение параметров гидроакустическою поля лазерным доплеровским анемометром // Оптические методы исследования потоков Труды 6-й Международной научно-технической конференции/ ред Дубншцев Ю Н , Ринкевичюс Б С - М Изд-во МЭИ,2001 -С. 436-439
12 Расистская И Л Акустоопшческий эффект и анализ условий его компенсации при определении параметров акустического поля лазерным доплеровским анемометром // Оптические методы исследования потоков Труды 6-й Международной научно-технической конференции/ ред Дубтгащев ЮН, Ринкевичюс Б С - М Изд-во МЭИ, 2001 -С 472-475.
13 Гречихин ВЛ, Расковская ИЛ, Ринкевичюс Б С Методическая погрешность измерений локального давления звуковою поля лазерным доплеровским анемометром//Измерительная техника -2002, №6 - С 33-38
14 Гречихин В Л , Расковская И Л , Ринкевичюс Б С , Толкачев А В Исследование акустооптического эффекта в области интерференции лазерных пучков // Квантовая электроника - 2003, №8 - С 742-746
15 Расковская И Л Искажения лазерного пучка в среде с акустическим полем // Оптические методы исследования потоков Труда 7-й Международной научно-технической конференции/ ред Дубнигцев ЮН, Ринкевичюс БС- М. Изд-во МЭИ, 2003 - С 164-167
16 Расковская И Л, Ринкевичюс Б С , Скорнякова Н М, Толкачев А В Дифракционный метод одновременного определения размера и скоросги большой цилиндрической частицы//Измерительная техника -2004, №2 -С 25-29
17 Расковская И Л. Ринкевичюс Б С , Скорнякова IIМ Дифракционно -теневой метод одновременного измерения радиуса и скорости газового пузырька в жидкости // Прикладная математика и техническая физика' Сб науч тр - 2004,№1 -С 37-52
18 Расковская И Л Распространение лазерного пучка в среде с аку стической волной // Радиотехника и электроника -2004, №11 -С 1382-1389
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Расковская Ирина Львовна
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЛАЗЕРНЫХ МЕТОДОВ ДИАГНОСТИКИ АКУСТИЧЕСКОГО ПОЛЯ В ЖИДКОСТЯХ И ГАЗАХ
Лицензия на издательскую деятельность ЛР №01741 от 11 05 2000 Подписано в печать 5 05 2005 Формат 60x90'/],, Уч изд л 1,5. Тираж 80 экз. Заказ № 82
Отпечатано в Издательском Центре МГТУ «СТАНКИП» 103055, Москва, Вадковский пер , д.За
РНБ Русский фонд
2006-4 6071
ВВЕДЕНИЕ.
ГЛАВА 1. ЗАДАЧИ НЕВОЗМУЩАЮЩЕЙ ДИАГНОСТИКИ
АКУСТИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ И МЕТОДЫ ИХ РЕШЕНИЯ.
1.1 .Существующие методы исследования акустических полей.
1.2.3адачи лазерной диагностики акустических полей, рассмотренные в диссертационной работе.
1.3.Математические методы анализа светорассеяния на частицах, используемые для локальной диагностики.
ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА В СРЕДЕ С АКУСТИЧЕСКОЙ ВОЛНОЙ.
2.1. Введение.
2.2. Постановка и метод решения задачи.
2.3.Основные соотношения для случая плоской акустической волны.
2.4. Результаты расчетов и их обсуждение.
2.5. Методика оценки интегрального акустического давления.
2.6. Результаты эксперимента.
2.7. Выводы по разделу.
ГЛАВА 3. ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ ЛАЗЕРНЫХ ПУЧКОВ В СРЕДЕ С АКУСТИЧЕСКИМ ПОЛЕМ И ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ ЛДА.
3.1. Введение.
3.2. Постановка задачи и теоретическое исследование интерференции лазерных пучков при наличии акустооптического эффекта.
3.3. Экспериментальная установка и результаты измерений.
3.4. Определение методической погрешности измерения локального акустического давления.
3.5. Пути снижения методической погрешности измерений амплитуды акустического давления.
3.6. Выводы по разделу.
ГЛАВА 4. ДИФРАКЦИОННО-ТЕНЕВОЙ МЕТОД ОДНОВРЕМЕННОГО
ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗМЕРА И СКОРОСТИ МИКРОЧАСТИЦ И
ПУЗЫРЬКОВ В ЖИДКОСТИ.
4.1. Введение.
4.2. Одновременное измерение размера и скорости цилиндрической частицы.
4.3. Одновременное измерение размера и скорости газового пузырька в жидкости.
4.4. Выводы по разделу.
Проблема диагностики акустических полей в жидкостях и газах включает в себя определение пространственных и временных характеристик распределения интенсивности звука, что находит применение в физике атмосферы и океана, медицине, промышленных технологиях и лабораторных измерениях. Измерения интенсивности звука за последние двадцать лет прошли путь от темы научного исследования до полезного измерительного инструмента и проводятся повседневно для нахождения источников шумов, определения мощности источника и звукопоглощающей способности структур. Успешные разработки в области гидроакустики, а также развитие компьютерных технологий сформировали основу для интенсивного развития гидроакустических измерений в целях изучения подводного распространения звука, реверберации и направленности шума окружающей среды, развития методов подводной акустической томографии, включая международную программу АТОС (Acoustic Thermometry and the Ocean Climate) [1].
Однако перечисленные выше исследования проводятся, как правило, с использованием гидрофонов, вносящих возмущение в диагностируемое поле и не обеспечивающих достаточную точность измерения параметров высокочастотных ультразвуковых полей. В связи с этим представляется целесообразным проведение анализа возможности диагностики акустических полей на основе бесконтактных лазерных методов. Бесконтактные лазерные методы в настоящее время получили широкое распространение при измерениях кинематических параметров движущихся сред [2] и некоторые из них могут быть использованы для невозмущающей диагностики акустического поля в жидкости или газе [3]. Разработка методов лазерной диагностики акустических полей позволит в конечном итоге создать эталоны таких параметров, как звуковое давление, колебательная скорость и др., привязанные к лазерному эталону длины и частоты.
Наиболее перспективным является метод измерения колебательной скорости и локального акустического давления, предполагающий использование лазерного доплеровского анемометра (ЛДА). Принцип измерения основан на зондировании исследуемой среды лазерными пучками, регистрации излучения, рассеянного движущимися под воздействием акустического поля частицами, и определении временных и спектральных параметров принимаемых сигналов с целью оценки параметров акустического поля в области локализации частицы. Однако, при обосновании и реализации указанного метода, особенно при диагностике ультразвуковых полей в жидкости, возникает ряд проблем, связанных с амплитудными и фазовыми искажениями лазерных пучков из-за модуляции плотности среды в акустическом поле, рефракционными явлениями, особенностями интерференции при наличии акустооптического эффекта и необходимостью учета неоднородности оптического поля в сечении пучка при его дифракции на большой частице.
Искажение оптического поля играет негативную роль в случае локальной диагностики, но в то же время несет полезную информацию об интегральных характеристиках среды, поэтому возможна разработка методов, основанных на определении акустических параметров по измеренным параметрам пучков, прошедших через среду. Кроме того, самостоятельный интерес представляют методы исследования движения пузырьков под воздействием акустических колебаний в жидкости на основе анализа дифракционного поля лазерного пучка. Таким образом, обоснование лазерных методов диагностики акустического поля в жидкостях и газах с учетом закономерностей распространения, интерференции и дифракции лазерных пучков при наличии акустических колебаний в среде является, несомненно, актуальной задачей.
В связи с выше сказанным цель диссертационной работы -бесконтактные измерения локальной интенсивности акустического поля в жидкостях и газах лазерными методами.
Предмет исследования - локальные и интегральные лазерные методы диагностики акустического поля в жидкостях и газах.
Научная проблема заключается в необходимости теоретического и экспериментального обоснования указанных методов с учетом особенностей распространения, интерференции и дифракции лазерных пучков в акустическом поле.
Основные направления исследований предполагают теоретический анализ распространения и интерференции лазерных пучков при наличии акустооптического эффекта, разработку способов экспериментальной проверки теоретических положений, обоснование и определение границ применимости лазерных методов диагностики, поиск путей снижения методической погрешности измерений.
Для исследования предполагается использовать методы геометрической оптики неоднородных сред, волновой оптики, математическое и компьютерное моделирование и физический эксперимент.
Научная новизна представленной работы заключается:
- в разработанной математической модели распространения лазерного пучка в акустическом поле, одновременно учитывающей объемные эффекты, обусловленные наличием двух характерных пространственных масштабов: длины акустической волны и радиуса пучка, при произвольном соотношении указанных масштабов;
- в учете искажений интерференционной картины лазерных пучков в акустическом поле;
- в расчете методической погрешности измерения локального акустического давления в воздухе и воде лазерным доплеровским анемометром и указании путей минимизации этой погрешности;
- в разработанной математической модели дифракции лазерного пучка на газовом пузырьке в прозрачной жидкой среде, учитывающей пульсацию пузырька и искажение пучка в акустическом поле;
- в применении анализа интерференции рассеянного и прямого поля в окрестности оси пучка для одновременного измерения скорости и радиуса пузырьков или частиц при их размерах, сравнимых с радиусом пучка.
В первой главе сделан обзор основных методов диагностики акустического поля, математических методов описания дифракции на микрочастицах и распространения лазерного излучения в средах с неоднородностью показателя преломления, обусловленной звуковой волной. Указаны преимущества предлагаемого в диссертации подхода к решению задачи невозмущающего контроля акустического поля.
Вторая глава посвящена исследованию распространения лазерных пучков в акустическом поле и обоснованию методов диагностики, основанных на восстановлении акустического давления по известным амплитудным искажениям пучка. На основе метода возмущения эйконала и амплитуды для каждой составляющей пространственного спектра пучка получены аналитические выражения, описывающие искажения комплексной амплитуды лазерного пучка в среде со слабым возмущением показателя преломления, вызванным акустической волной. Исследованы эффекты, связанные с пространственной ограниченностью пучка, рассмотрены искажения его огибающей, обусловленные интерференцией составляющих пространственного спектра. Дано описание рефракционных и дифракционных эффектов на основе единого представления для широкого диапазона соотношений длины акустической волны и радиуса пучка; получено явное представление для траектории пучка, распространяющегося под углом к фронту акустической волны. Проведено теоретическое и экспериментальное обоснование методов определения звукового давления при заданной модели акустического поля.
Третья глава посвящена исследованию интерференции лазерных пучков в акустическом поле и обоснованию метода локальной диагностики на основе лазерного доплеровского анемометра (ЛДА). Измеряя с помощью ЛДА амплитуду колебательной скорости микрочастиц, находящихся в среде, можно определять интенсивность акустического поля. При этом роль «измерительной линейки» для определения величины смещения частицы играет сетка интерференционных полос в области пересечения двух лазерных пучков. Привлекательность данного метода заключается в возможности определения именно локальных акустических параметров в области расположения частиц, причем без нарушения структуры исследуемого звукового поля. При этом предполагается априорное знание пространственно-временных характеристик пучков в измерительном объеме. Однако, при наличии акустических колебаний в среде из-за модуляции коэффициента преломления на пути распространения лазерных пучков, вид интерференционной картины может существенно изменяться. Искажение поля лазерных пучков и, соответственно, интерференционной картины под влиянием акустического поля принято называть акустооптическим эффектом (АОЭ).
Получены аналитические выражения, описывающие интерференционное поле двух лазерных пучков в среде с акустической волной. Введены количественные характеристики, позволяющие судить о степени проявления АОЭ в области интерференции.
Четвертая глава посвящена теоретическому и экспериментальному обоснованию дифракционно-теневого метода одновременного измерения размера и скорости микрочастиц или пузырьков в жидкости. Метод предполагается использовать для локальной диагностики акустического поля. Теоретически и экспериментально исследуется дифракция гауссова лазерного пучка на движущемся и пульсирующем в жидкости сферическом газовом пузырьке, радиус которого сравним с радиусом пучка. Показано, что в направлении распространения пучка дифракционная компонента рассеянного пузырьком поля преобладает над преломленной и отраженной компонентами. Дифракционная компонента моделируется на основе теории рассеяния сферической частицей в приближении Кирхгофа. Для установления общих физических закономерностей используется модель дифракции гауссова пучка на цилиндрической частице. Результатом этого исследования является новый метод одновременного измерения размеров и скорости газовых пузырьков в жидкости, основанный на анализе интерференции рассеянной на пузырьке волны и прямого лазерного пучка в окрестности его оси. В этом случае максимально используется мощность пучка, что должно приводить к повышению точности измерений. Результат интерференции проявляется в виде тени от пузырька, которая перемещается при его движении.
В заключении сформулированы основные результаты работы.
Положения, выносимые на защиту:
- Разработанная математическая модель распространения лазерного пучка в акустическом поле позволяет учесть объемные эффекты, обусловленные наличием двух пространственных масштабов: длины акустической волны и радиуса пучка, и получить единое аналитическое представление для комплексной амплитуды пучка при произвольном соотношении указанных масштабов.
- Результаты теоретического и экспериментального исследования интерференции лазерных пучков в акустическом поле позволяют ввести параметр, количественно характеризующий фазовые искажения пучков, и являются основой для разработки методов диагностики звукового давления на основе лазерного доплеровского анемометра.
Основным ограничением для измерения локального звукового давления в жидкостях и газах является значительная методическая погрешность, обусловленная искажением лазерных пучков в акустическом поле, которая может быть минимизирована подбором параметров измерительной установки.
- Учет фазовых и амплитудных искажений лазерного пучка позволяет разработать математическую модель его дифракции на пузырьке, пульсирующем в жидкой прозрачной среде при наличии акустического поля.
Анализ параметров дифракционного поля в окрестности оси пучка, позволяет проводить одновременное измерение скорости и радиуса микрочастиц и пузырьков при их размерах, сравнимых с радиусом пучка.
Работа по теме диссертации выполнялась в рамках программы Минобразования России, грант № РД02-212-327 и в рамках программы «Университеты России», проект УР 01.01.055.
11
4.4. Выводы по разделу
На основе проведенного исследования можно утверждать, что при прохождении газового пузырька в жидкости через достаточно узкий лазерный пучок, радиус которого сравним с радиусом пузырька, в области дифракции Фраунгофера можно регистрировать заметную тень от пузырька (Рис.4.11-4.12). Наличие тени обусловлено интерференцией первичного поля пучка и поля, рассеянного пузырьком. В рассеянном поле преобладает дифракционная компонента, несущая в себе информацию о размерах и положении пузырька.
Рис.4.11. Тени от пузырьков в лазерной Рис.4.12. Интерференция прямого плоскости и рассеянного пузырьком излучения
При поперечном перемещении пузырька на оси пучка в плоскости регистрации будет изменяться амплитуда поля и соответственно сигнал фотоприемника. Наличие осцилляций амплитуды сигнала и, в частности, локального максимума в его центре при смещении пузырька для заданных параметров z и zb зависит от wc, т.е. радиуса первой зоны Френеля. При w(zp)&wc пучок «фильтрует» высшие зоны Френеля, поэтому в центре дифракционной картины зависимость значений сигнала от смещения пузырька хь получается более простой и удобной для измерений по сравнению со случаем плоской волны (или более широким пучком). График этой зависимости имеет несколько выраженных экстремумов, положение и амплитуда которых задают характерные значения, используемые для определения размера и скорости пузырька. При уменьшении радиуса пучка w экстремумы исчезают, что ограничивает возможность измерений с заданной погрешностью. Таким образом, для измерений рекомендуется выбирать w(zp ) « wc. Заметим, что с точки зрения снижения погрешности, связанной с неопределенностью удаления траектории пузырька от оси, следует использовать возможно более узкие пучки.
Изменение размера пузырька или частицы не меняет характера сигнала фотоприемника, а вносит лишь количественные изменения, влияя на амплитуду главного экстремума и положение боковых экстремумов сигнала. Указанные количественные зависимости для исследованного диапазона параметров являются монотонными и могут быть использованы для решения обратной задачи.
Полученные расчетные соотношения сопоставляли с результатами эксперимента для частицы, при этом было получено хорошее совпадение теоретических и экспериментальных зависимостей. На основе проведенного исследования был предложен метод одновременного измерения размера и скорости пузырька или частицы и получены значения указанных величин, с удовлетворительной погрешностью совпадающие с соответствующими тестовыми значениями.
109
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе выполнения диссертационной работы решены актуальные задачи измерительной оптики и физической электроники и сформулированы следующие результаты и выводы.
1. На основе метода возмущений эйконала и амплитуды разработана квазистационарная математическая модель распространения лазерного пучка с заданным пространственным спектром в среде со слабыми неоднородностями показателя преломления, вызванными акустическим полем. Особенностью рассматриваемой модели является наличие двух независимых пространственных масштабов: радиуса пучка w и характерного размера оптической неоднородности Аа, соотношение которых определяет характер процесса распространения пучка описание которого проводится в рамках единого аналитического представления для произвольного соотношения названных масштабов.
Указанное представление для оптического поля в среде при w» Аа обобщает приближение Рамана-Ната для нулевого спектра, учитывая объемные эффекты, возникающие при интерференции составляющих пространственного спектра, и объемные эффекты из-за рефракционной сходимости или расходимости геометрооптических лучей в пределах пучка, учитываемые на основании уравнений переноса. Кроме того, рассматривается распространение пучка под углом а^О к фронту акустической волны, что, с одной стороны, является обобщением полученных ранее результатов, а, с другой стороны, позволяет не принимать во внимание искажений, связанных с «волноводным» распространением.
2. Получено явное представление для уравнений траекторий геометрооптических лучей в пределах пучка и введены количественные параметры, характеризующие фазовые и амплитудные искажения поля пучка в жидкости или газе при наличии акустического поля. Эти результаты использованы для разработки методики восстановления звукового давления по известным искажениям пучков в среде при заданной модели акустического поля.
3. Дополнительным результатом является измерение амплитуды модуляции огибающей пучка в УЗ поле в воде при разных параметрах установки. Сопоставление экспериментальных и расчетных зависимостей подтверждает правомерность теоретических выводов и дает возможность оценки усредненного акустического давления.
4. Теоретически и экспериментально исследована интерференция лазерных пучков в поле плоской акустической волны и в поле акустического излучателя с заданной диаграммой направленности. Введен параметр, количественно характеризующий искажения интерференционной картины лазерных пучков в акустическом поле, найдены теоретические и экспериментальные дистанционные зависимости этого параметра при разных моделях акустического поля, позволяющие разработать методику восстановления акустического давления по измеренным фазовым искажениям пучков.
5. Проведено экспериментальное измерение параметра акустооптического эффекта. На основе дифференциальной схемы лазерного доплеровского анемометра предложен метод определения звукового давления, основанный на измерении скорости движения интерференционных полос в области пересечения пучков.
6. Сформулированы условия, при которых возможно использование дифференциальной схемы лазерного доплеровского анемометра для измерения локального звукового давления в воздухе и воде. Определена методическая погрешность метода локальной диагностики и указаны пути ее минимизации.
7. Разработаны математические модели дифракции лазерного гауссовского пучка поля на сферических и цилиндрических частицах и газовых пузырьках в жидкости при отсутствии и при наличии акустического. На основе этих моделей разработан новый дифракционно-теневой метод одновременного определения радиуса и скорости поступательного движения указанных объектов и проведены измерения для цилиндрической и сферической частиц.
Полученные в диссертации результаты составляют теоретически и экспериментально обоснованную базу для развития лазерных измерительных методов, ориентированных на применение в научных исследованиях и современных технологиях, связанных с необходимостью невозмущающего контроля локальных и пространственных характеристик акустического поля в жидкостях и газах.
Практическая значимость результатов
- Разработан и реализован в виде действующего макета интерференционный метод диагностики акустического поля на основе дифференциальной схемы ЛДА. Определены условия применимости локальной диагностики с использованием ЛДА и разработана методика снижения методической погрешности. Проведено теоретическое и экспериментальное обоснование методов интегральной диагностики акустического поля по известным амплитудным искажениям пучка. Разработан и экспериментально проверен дифракционно-теневой метод одновременного определения радиуса и скорости пузырьков и частиц в жидкости. Эти разработки создают теоретически и экспериментально обоснованную базу развития лазерных измерений акустического давления в жидкостях и газах.
Достоверность результатов
Достоверность полученных результатов подтверждается созданием действующих макетов измерительных систем, результатами измерений, сопоставлением полученных данных с теоретическими оценками.
Апробация работы
Результаты, изложенные в диссертации, докладывались и представлялись на: конференции «Прикладная оптика -98». (С-Петербург, 1998), 5-й (Москва, 1999), 6-й (Москва,2001), 7-й(Москва, 2003) Международных конференциях «Оптические методы иследования потоков» а также на научных семинарах Института радиотехники и электроники МЭИ.
Личный вклад
Теоретическое исследование распространения, интерференции и дифракции лазерных пучков в жидкости при наличии акустического поля, теоретическое обоснование и определение условий применимости интерференционного метода локальной диагностики акустического поля на основе ЛДА, теоретическое обоснование методов интегральной диагностики и дифракционно-теневого метода одновременного измерения размера и скорости микрочастицы или пузырька в жидкости проведено лично. Разработка методики эксперимента и обработка результатов эксперимента, проводились совместно с сотрудниками кафедры Физики им. В. А. Фабриканта МЭИ (ТУ).
Публикации
По теме диссертации соискателем лично и в соавторстве опубликовано 14 печатных работ.
Благодарности Автор выражает особую благодарность научному руководителю профессору кафедры Физики им. В.А.Фабриканта МЭИ Ринкевичюсу Б.С. за постоянное внимание и интерес к работе, полезные обсуждения и замечания. Автор благодарен ведущему научному сотруднику Толкачеву А.В. за создание экспериментальных установок и проведение ряда экспериментальных исследований, а также всему коллективу кафедры Физики им. В.А.Фабриканта за всестороннюю помощь и поддержку. Автор признателен профессору кафедры Антенных устройств и распространения радиоволн МЭИ Пермякову В.А., профессору кафедры Основ радиотехники МЭИ Гречихину В.А., а также другим сотрудникам ИРЭ МЭИ за обсуждения и консультации. За помощь в оформлении работы автор выражает благодарность студенту МЭСИ Расковскому В.В.
1. Бьерно Л. Гидроакустика: от Аристотеля до наших дней // Акустический журнал. 2003, Т.49, №1, С.30-37.
2. Ринкевичюс Б.С. Лазерная диагностика потоков. М.: Изд-во МЭИ, 1990.
3. Ринкевичюс Б.С., Сильвестров С.В., Трохан A.M. О применении ЛДА для измерения колебательной скорости гидроакустического поля // Проблемы метрологического обеспечения гидроакустических измерений. — М.: Изд-во НПОВНИИФТРИ, 1992. —С.41-49.
4. Лямшев Л.М., Челноков Б.И. Основные механизмы генерации звука проникающим излучением в конденсированных средах // Радиационная акустика. М.: Наука, 1987.
5. Гусев В.Э., Карабутов А.А. Лазерная оптоакустика. М: Наука, 1991, 304с.
6. Сазонов Ю.И. Амплитудные и фазовые искажения в акустическом тракте системы измерения пульсаций давления плазмы // Радиотехника и электроника 2004, Т.49, №9. - С. 1105-1114.
7. Сазонов Ю.И. Электромагнитно-акустические эффекты в конденсированных средах. 2004, Т.49, №4. - С.481-487.
8. Сазонов Ю.И. Акустическая кавитация в магнитном поле // Радиотехника и электроника. 2004, Т.49, №3. - С.341-342.
9. Максимов А.О., Соседко Е.В. Особенности нелинейной динамики газового пузырька под действием резонансного и шумового акустических полей // Письма в ЖЭТФ. 2003, т.29, №3, С.40-45.
10. Wagner J. W. / Optical detection of ultrasound // Ultrason. Meas. Meth. — Boston ctc., 1990. —P. 201-266.
11. Martarelli M., Revel G.M., Tomasini E.P. Laser Doppler vibrometry and near field acoustic holography: Different approaches for surface velocity distribution measurements // Proc. SPIE. 2002, V.48, P.426-438.
12. Steven E., Palmer C., Harvey J. Precision ultraconic wave measurements with simple equipment // Res. Nat. Inst. Stand. And Technol. 2001, V.106, No.5, P.833-841.
13. Rinkevichius B.S. Laser Diagnostics in Fluid Mechanics. N-Y: Begell House Inc. 1998.342 р.
14. Karasik, A.Ya., Rinkevichius, B.S, Zubov.V.A. Laser Interferometry Principles/ Ed. by B.S.Rinkevichius., Moscow and Boca Raton: Mir Publishers and CRC Press, 1995. 448 p.
15. Optical Diagnostics for Flow Processes/ Ed. L. Lading at al., New York and London: Plenum Press, 1994.436 p.
16. Ринкевичюс Б.С. Современные лазерно-компьютерные методы диагностики газовых потоков // Международная конференция «Фундаментальные проблемы высокоскоростных течений». Жуковский, Московская область, Россия, сентябрь 21-24, 2004.
17. Fomin N.A. Speckle Photography for Fluid Mechanics Measurements. Berlin: Springer, 1998.
18. Raffel M., Willert C.E., Kompenhans J. Particle Image Velocimetiy. Berlin: Springer, 1998.
19. Settles, G.S. Schlieren and shadowgraph techniques: visualizing phenomena in a transparent media. Berlin: Springer, 2001.
20. Дубнищев Ю.Н. Лазерные доплеровские измерительные технологии. Новосибирск: НГТУ, 2002.
21. Albrecht Н-Е., Borys М., Damashke N., Tropea С. Laser Doppler and Phase Doppler Measurement Techniques. Berlin: Springer, 2003.
22. Ринкевичюс B.C. Современные оптические методы в исследованиях задач тепломассообмена. / Вторая Российская национальная конференция по теплообмену. Т .1. М.: Изд-во МЭИ, 1998. С. 70 75.
23. Grechikhin V.A., Rinkevichius B.S. Hilbert transform for processing of laser Doppler vibrometer signals. Optics and Lasers in Engineering. 1998. Vol. 30, PP. 151-161.
24. Гречихин B.A., Ринкевичюс B.C. Цифровые методы обработки сигналов в лазерной анемометрии и виброметрии. Автометрия, 1999.№1, с. 59 67.
25. Yesin M.V., Grechikhin V.A., Rinkevichius B.S. The wavelet analysis of LDA signals for two-phase flows. / Proc. Laser Anemometry Advances and Applications. / Eds. A.Cenedese, D.Pietrogiacomi. Roma: 1999, PP. 207 214.
26. Гречихин B.A., Евтихиева O.A., Есин M.B., Ринкевичюс B.C. Применение вейвлет-анализа моделей сигналов в лазерной доплеровской анемометрии. Автометрия, 2000. №5, С. 51-57 .
27. Rinkevichius В. S., Evtikhieva О.А., Grechikhin V. A. Visualization of LDA signals with use of wavelets. / CD Rom Proc. 9th International Symposium on Flow Visualization. Edinburgh: August 22-25, 2000. Paper No.253, 2000.PP.1-8.
28. Rinkevichius B. S., Grechikhin V. A. The features of analysis of the composite Doppler signals by digital methods. / Proc. Laser anemometry. Advances and applications. /Ed. J. Turner. Limerick: 2001. PP. 221- 230.
29. Yesin M., Rinkevichius В., Tolkachev A. Unsteady 3D Flow Visualization With Laser Tomography. /CD Rom Proc. The Millenium 9th Int. Symp. on Flow Visualization. Edinburgh: 2000. Paper No. 329.
30. Meyers J.F., Komine H. Doppler global velocimetry a new way to look at velocity./ Proc. ASME Fourth International Conference on Laser Anemometry. Cleveland: 1991.
31. Дубнищев Ю.Н., Ринкевичюс B.C., Фомин H.A. Новые методы лазерной анемометрии в исследованиях сложных газодинамических течений. ИФЖ/ 2003 .т.76, №6, С. 3-12.
32. Raffel M., Kompenhans J. PIV measurements of unsteady transonic flow fields above a NACA 0012 airfoil / Proc .5th Intern. Conf. on Laser Anemometry. Veldhoven: Netherlands. 1993. PP.527-535.
33. Hann D.B., Greated С.А. Measurement of acoustic particle velocity using Particle Image Velocimetry techniques // Actra-Acustca. 1997, V.83, P.354-358.
34. Ruck В., Pavlovski B. Laser Tomography for Flow Structures Analyses. High Temperature. 2000.Vol. 38, No. 1, PP.106 117.
35. Yesin M.V., Rinkevichius B.S., Tolkachev A.V. 3D visualization of the unsteady flows and vortexes./ Laser Anemometry Advances and Applications. Limerick: Ireland, 2001, PP. 317-325.
36. Yesin M.V., Rinkevichius B.S., Tolkachev A.V. 3D Images Reconstruction of the Objects with Indistinct Boundaries.// Proc. SPIE 2002, Vol. 4900. PP.1140- 1146.
37. Васильев Л.П. Теневые методы. M.: Наука, 1968.
38. Евтихиева O.A., Имшенецкий А.И., Ринкевичюс B.C., Толкачев A.B. Компьютерно-лазерный рефракционный метод исследования оптически неоднородных потоков.// Измерительная техника, 2004. № 6, С. 15 19.
39. Meier G.E.A. Computerized background-oriented schlieren. Experiments in Fluids, 2002 , Vol. 33, PP.181-187.
40. Skornyakova N. M., Popova E. M., Rinkevichius B. S. and Tolkachev A. V. Correlaton processing of BOS pictures./CD Proc. 5th International Symposium on Particle Image Velocimetry. Paper 3209. Pusan: Korea, 2003, 11 pp.
41. Skornyakova N.M., Popova E. M., Rinkevichyus B.S., Tolkachev A.V. The investigation of heat transfer by Background Oriented Shlieren Method./ CD-ROM Proc. 12th International Symposium on Application of Laser Techniques to Fluid Mechanics. Lisbon: 2004.
42. Попова E.M. Обработка картин теневого фонового метода построением поля направлений. //«Оптический журнал», Т. 71, №9, 2004, С. 8-12.
43. Yesin M.V., Rinkevichius B.S., Tolkachev A.V. Digital filtering of gas bubbles images for DPIV measurements. /CD-ROM Proc. 4th International Symposium on PIV. Goettingen: Germany. 2001. Paper № 1091.
44. Расковская И.JI. Влияние неоднородности поля в лазерном пучке на дифракционную картину Фраунгофера // Тезисы докладов IV Межгосударственной научно-технической конференции "Оптические методы исследования потоков". М.: Изд-во "Валанг", 1997. С.15-17.
45. Гагина Н.М., Расковская И.Л., Ринкевичюс Б.С. Фаза дифракционного поля неоднородной волны в области Фраунгофера // Прикладная оптика -98: Труды конференции.- С-Петербург: 1998.- С.138.
46. Расковская И.Л., Ринкевичюс Б.С. Рассеяние неоднородной волны на большой цилиндрической частице // Вестник МЭИ. 1998. №12.- С.93-100.
47. Расковская И.Л. Распространение гауссова пучка в среде с бегущей акустической волной // Оптические методы исследования потоков: Тезисы докладов 5-й Международной научно-технической конференции.-М.: Изд-во МЭИ, 1999. С. 40-41.
48. Гречихин В. А., Расковская И. Л., Ринкевичюс Б.С. Влияние акустооптического эффекта на погрешность измерений колебательной скорости частиц лазерным доплеровским анемометром // Автометрия. -2000. №5.- С. 92-101.
49. Гречихин В.А., Расковская И.Л., Ринкевичюс Б.С. Методическая погрешность измерений локального давления звукового поля лазерным доплеровским анемометром // Измерительная техника. 2002, № 6. -С.33-38.
50. Гречихин В.А., Расковская И.Л., Ринкевичюс Б.С., Толкачев А.В. Исследование акустооптического эффекта в области интерференции лазерных пучков // Квантовая электроника. 2003, №8. - С.742-746.
51. Расковская И.Л. Искажения лазерного пучка в среде с акустическим полем // Оптические методы исследования потоков: Труды 7-й Международной научно-технической конференции / ред. Дубнищев Ю.Н., Ринкевичюс Б.С.- М.: Изд-во МЭИ, 2003. С.164-167.
52. Расковская И.Л., Ринкевичюс Б.С., Скорнякова Н.М., Толкачев А.В. Дифракционный метод одновременного определения размера и скорости большой цилиндрической частицы // Измерительная техника. 2004, №2. - С.25-29.
53. Расковская И.Л., Ринкевичюс Б.С., Скорнякова Н.М. Дифракционно-теневой метод одновременного измерения радиуса и скорости газового пузырька в жидкости // Прикладная математика и техническая физика: Сб.науч. тр. 2004, №1. - С.37-52
54. Расковская И. Л. Распространение лазерного пучка в среде с акустической волной // Радиотехника и электроника. 2004, №11. -С.1382-1389.
55. Jack S.H., Hann D.B., Greated C.A. The Influence of the Acousto-optic effect on Laser Doppler Anemometry signals // Review of Scientific Instruments, 1998, V.69, №12, P. 4074-4081.
56. Hann D.B, Greated C.A. The measurement of sound fields using laser Doppler anemometry // Acta acustica, 1999,V.85, PP.401-411.
57. Crickmore R.I., Jack S.H., Hann D.B., Greated C.A. Laser Doppler Anemometry and the Acousto-optic effect // Optics and laser technology, 1999, V.31, PP.85-94.
58. Балакший В. И., Парыгин В. И., Чирков Jl. Е. Физические основы акустоооптики. М: Радио и связь. 1985, 279 С.
59. Korpel A. Acoustooptics. Inc. New York and Basel: Marcel Dekker, 1988
60. Мартынов A. M. Дифракция произвольного цилиндрического светового пучка на широкополосном ультразвуковом сигнале. — Радиотехника и электроника, 1977, Т. 22, № 3, С. 533 — 540.
61. Парыгин В. Н., Танковский Н. С., Чирков JI. Е. Дифракция света на гармонической акустической волне в изотропной среде. — Радиотехника и электроника, 1982, Т. 27, № 7, С. 1422 — 1425.
62. Коломиец С.М. Модуляция интенсивности нулевого порядка дифракции света на бегущей акустической волне // Тез. докл. 5-й НТК «Оптические методы исследования потоков», 23-25 июня 1999, Москва М.: Изд-во МЭИ, 1999. С. 40.
63. Коломиец С.М. Некоторые особенности дифракции гауссова пучка на ультразвуке. // Оптический журнал. 2000, Т. 67, № 9.
64. Kolomiets S.M. Laser beam diffraction at thin phase grating (Frenel diffraction) // Phys Vibr. 2002, V.10, №4, p.212-221.
65. Виноградова М.Б., Руденко O.B., Сухоруков А.П. Теория волн. М.: Наука, 1979. 384 С.
66. Пермитин Г.В. О возможности сопоставления поля широкого волнового пучка в плавно неоднородной среде с полем пучка в вакууме.// Изв. вузов: Радиофизика, 1973, Т. 16, № 2, С. 254.
67. Гавриленко В.Г., Степанов Н.С. О преобразовании спектра волн в среде с плавными пространственно-временными флуктуациями. // Изв. вузов: Радиофизика, 1973, Т. 16, № 1, С. 69.
68. Кравцов Ю.А., ОрловЮ.И. Геометрическая оптика неоднородных сред-М.: Наука, 1980.304 с.
69. Баранов В.А., Кравцов Ю.А. Метод возмущений для лучей в неоднородной среде. // Изв. вузов: Радиофизика, 1975, т. 18, № 1, с. 52.
70. Боровиков B.A., Кинбер Б.Е. Геометрическая теория дифракции. — М.: Связь, 1978.
71. C.Yeh and etc. Scattering of sharply focused beams by arbitrarily shaped dielectric particles: an exact solution. //Appl. Opt. 1982,. 21,4426-4433
72. E.E.M. Khaled and etc. "Scattered and internal intensity of a sphere illuminated with a Gaussian beam.// IEEE Trans. Antennas propag. 41, 1993, 295-303
73. Saffman M., Buchhave P., and Tanger H. Simultaneous measurements of size, consentration and velosity of spherical particles by a laser Doppler method. // Laser Anemometry in Fluid Mechanics-II LADOAN-Lisbon: 1984. P.85-104.
74. Tolkachev A., Gagina N., Grechikhin V., Evtikhieva O., Rinkevichius В., Stepanov A. "Experimental Research of LDA Signals from a Large Particle"//
75. Proc. of the 7th International Conference "Laser Anemometry Advances and Applications", Karlsruhe, Germany, September 8- 11, 1997. P.371-378.
76. Гагина H.M., Ринкевичюс Б.С. Влияние размера гауссова пучка на точность дифракционных измерений// Измерительная техника, 1997,№ 11, С.34-37.
77. Grechikhin V.A., Kononenko V.L., Rinkevichius B.S., Stepanov A.V.,Tolkachev A.V. Complex structure of Doppler spectrum of a single large particle//IMechE Conference Transaction. 1996, V.3, P.393-402.
78. Gouesbet G., Grehan G., and Maheu B. Expressions to compute the coefficients gnm in the generalized Lorenz-Mie theory using finite series. // J. Optics (PARIS), Vol.l9(l), 1988. P.35-48.
79. Gouesbet G., Grehan G., and Maheu B. A localized interpretation to compute all the coefficients gnm in the generalized Lorenz-Mie theory. // J. Opt. Soc. Amer. A, Vol. 7(6), 1990. P.998-1007.
80. Grehan G., Maheu В., and Gouesbet G. Scattering of laser beams by Mie scatter centers: numerical results using a localized approximation. // Applied Optics, Vol. 25(19), 1986. P.3539-3548.
81. Вахрушева M.B., Власов Н.Г. О решении фазовой проблемы и близких к ней задач // Оптические методы исследования потоков: Труды 7-й Международной научно-технической конференции / ред. Дубнищев Ю.Н., Ринкевичюс Б.С.- М.: Изд-во МЭИ, 2003.
82. Вахрушева М.В., Власов Н.Г. Сведение фазовой проблемы к расчету интерферограмм сдвига // Прикладная математика и техническая физика: Сб.науч. тр. 2003, Т.2, №4. - С.3-5.
83. Власов Н.Г., Гудков Л.Д., Степанов Б.М. Сравнение методов голографической интерферометрии и лазерной анемометрии //Голографические методы обработки информации: Межв. сб. 1978, М.: МИРЭА, С.33-47.
