Введение к работе
Актуальность темы.
Всплеск исследовательской активности в области нелинейной акустики в 60 - 80-я годах способствовал значительному продвижению ісак в плане развития фундаментальных представлений о физике нелинейных волновых процессов, так и в разработке перспективных направлений прикладных акустических проблем. За это вре-мя сформировались вполне самостоятельные направления научных исследований, такие как теория одномерных нелинейных волн, нелинейные случайные волны, нелинейная геометрическая акустика однородных и неоднородных сред, нелинейная теория звуковых пучков т. д., а среди прикладных направлений можно назвать такие, как теоретические и экспериментальные исследования параметрических иэлучаодих и приемных антенн, разработка методов нелинейной акустической диагностики сред и др. с
Несмотря на это, ряд вопросов, ишшшх принципиальное зна
чение для физики нелинейных волн,исследован недостаточно. К их
числу модно отнести вопросы влияния фазовых соотношений в ис
ходном спектре волн конечной амплитуды и их возможной трансфор
мации в пространстве на характер нелинейных взаимодействий. «Эти
вопросы непосредственно"'связаны с нарушением условий фазового
синхронизма взаимодействий, с такими явлениями,. как изменение
фазовых скоростей взаимодействующих волн, нелинейная дисперсия,
а в неодномерных волнах - с нелинейной трансформацией фазовых
Фронтов волн. В акустике работы по исследованию этого круга
пробл<п< отсутствуют, 'апротив, принято считать, что перечисли.
икс -и :;;-. . ^.:., * , пк-^лпк^мкых сред не СЬСПСП'ИШи.
Отправным пунктом к изучения обозначенных здесь вопросов может служить простейшее из трехволновых взаимодействий^- вырожденное, для которого, к тому же, в силу особых частотных соотношений взаимодействующих волн'характерна сильная фазовая зависимость. -
Задачу о вырожденном параметрическом взаимодействии (ВДВ) для трехволновых нелинейных процессов в акустике можно считать эталонной. Вместе с тем в предшествующих исследованиях эта задача рассматривалась в контексте проблемы параметрического усиления слабых акустических сигналов, что ограничило решение задачи одномерными волнами, фиксированными амплитудными и фазоБы-ми соотношениями, условием большой разницы в амплитудах исходных волн. Не отражалась в достаточной степени юирокоподосность нелинейных эффектов в Сездисперсионных средах, поскольку основное внимание уделялось поведению волны основной частоты.
Реальные звуковые поля создаются, как правило, в виде звуковых пучков. Поэтому, и в связи с возможным использованием ВПБ в прикладных задачах, представляет интерес его исследование в поле звукового пучка. Вырожденное взаимодействие в звуковом пучке является частным случаем задачи немонохроматических пучков волн конечной амплитуды, которая, в отличие от шнохремати-ческого случая , практически не исследовалась. Попытки решения неодномерных нелинейных задач аналитическими методами встречают, как правило, непреодолимые математические трудности, поэтому важную роль в исследованиях пучков волн конечной амплитуда приобретают экспериментальные методы. Сравнивая результаты экспериментальных исследований с выводами упрощенной плосковолновой модели, можно проанализировать взаимное влияние нелинейных
и дифракционных эффектов.
Недостаточная разработанность задачи о ВПВ при произвольных входных параметрах до последнего времени сдерживала рабо-ты, связанные с использованием ВПВ для решения прикладных акустических задач, что требует проведения на основе исследования ВПВ анализа его возможных технических приложений.
Дедь работы-
Целью работы является:
провести анализ ВПВ в квадратично-нелинейной среде без дисперсии в общей постановке, т.е. при произвольных параметрах входных волн;
на примере ВПВ исследовать влияние фазовых соотношений в исходных волнах и их пространственной зависимости на характер трехволновых взаимодействий; исследовать пространственные зависимости абсолютных фаз и фагового инварианта спектральных компонент;
провести экспериментальное исследование ВПВ в поле звукового пучка;
на основе исследования ВПВ провести анализ возможных приложений эффектов, сопровождающих ВПВ; дать оценку эффективности использования их для решения прикладных задач; провести экспериментальные исследования этих вопросов.
Научная новизна диссертации заключается в следующем.
Предложено модельное представление о нелинейных взаимодействиях в квадратично-нелинейных средах как о двух взаимозависимых процессах - знергообмене и нелинейной дисперсии.
Впервые проведено теоретическое и экспериментальное исследование нелинейной дисперсии при ВПВ акустических ЬСЗНВ СТ'.-Д^.,
не обладающих физической дисперсией.
Сформулирована задача управления ' первичнымг' акустическим
ПОЛеМ ПОСреДСТВОМ НеЛИНеЙНЫХ ЭффеКТОВ И ПреДЛОХеН ОДИН ИЗ Ш""ЄЙ
ее решения.
Предложен новый подход к проблеме подавления нелинейного поглощения волны конечной амплитуды.
Практическая ценность результатов работы.
Результаты теоретического и экспериментального исследова
ния ВИВ позволили предложить .новый подход к "практическому ис
пользованию нелинейных аффектов для управления первичным "акус
тическим полем. Результаты работы указывают на возможность ис
пользования ВШ для формирования акустических полей с различны
ми пространственно-временными спектрами, для'активного управле
ния процессами дифракции и рефракции "звуковых лучей;, что' может
послужить основой для создания новых типов локационных приборов
в мздишне, дефектоскопии, гидроакустике. " '"'.'"."'.'
.По результатам исследований ВИВ. предложен метод активного
звукогашения, который может найти применение в технике .звукога-
шения, при создании систем акустического противодействия и-зву
комаскировки..' , ' " "": -'"
Метод ^активного,подавления,-нелинейного поглощения, предложенный в .работе, может быть ^использован в гидролокационных системах дальнего действия.
В работе предложен-и экспериментально апробирован -метод измерения .нелинейного, акустического (Параметра сред, который может использоваться при создании новых приборов для нелинейной акустической диагностики, в .том -числе для медицинских целел.
На защиту выносятся следующие положения. 1. Развито представление о вырожденном взаимодействии в.-квадра-
тично - нэлинеиной среде как о двух взаимозависимых и взаимовли-яющих процессах - энергообмене и нелинейной дисперсии. Показано, что нелинейная дисперсия может быть причиной эффектов, по-добных эффектам самовоздействия в средах с нелинейностями нечетных порядков, например трансформации фазовых фронтов взаимодействующих волн - нелинейной рефракции.
-
На основе уравнения Бюргерса получены асимптотические (при 2sRe > 1) решения, описывающие трансформацию волнового профиля при ВДВ для различных соотношений амплитуд исходных волн и произвольных начальных (при х=0) фазовых соотношений. В аналитической форме получены спектральные представления найденных решений.
-
Проведено теоретическое исследование нелинейной дисперсии. Определены область и условия ее существования, связь с нелинейным поглощением, амплитудные, фазовые и частотные свойства.
-
Экспериментально исследовано ВПВ звуковых волн в пучке. Лается экспериментальное подтверждение существования в области взаимодействия волн vi и vz нелинейной дисперсии. Показано, что нелинейная дисперсия приводит к дополнительной трансформации фазовых фронтов взаимодействующих волн,которая, в зависимости от значений входных параметров, может составить конкуренцию дифракционным эффектам.
-
Теоретически в плосковолновом приближении и экспериментально в звуковом пучке исследуется явление поглощения звука звуком
.при ВПВ. Определены его пространственные и амплитудно-фазовые характеристики. Экспериментально продемонстрирована возможность использования ВПВ для управления первичным акустическим полем.
6. Предложен новый активный метод подавления нелинейного легло-
щения интенсивных акустических волн посредством введения в область взаимодействия распределенных вешних источников, работающих на удвоенной частоте. Проведено экспериментальное исследование подавления нелинейного поглощения в звуковом пучке для случая, когда внешние источники сосредоточены на входе в нелинейную среду.
Апробация работы и публикации.
По материалам диссертации опубликовано 10 работ. Основные результаты докладывались на следующих конференциях: 7-я Всесоюзная научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов. Москва, 1989 г.; 1-я Международная конференция"Актуальные проблемы фундаментальных наук!' Москва, 1990 г.; 3-я Сессия РАО "Акустика и медицина". Москва, 1994 г.; 31 и 32-я конференции профессорско - преподавательского состава. Таганрог, ТРТУ, 1992, 1993 г; на научных семинарах кафедры акустики МГУ и кафедры злёктрогидроакустики и ультразвуковой техники. Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, обзора работ по ВПВ и его приложений, трех основных глав, заключения. Содержание диссертации занимает 179 страниц машинописного тркста, включая 59 рисунков, 2 таблицы и библиография из 71 наименования.
