Содержание к диссертации
Введение
1. Рассеяние и поглощение звука в жидкости с пузырьками, нелинейный акустический параметр. Обзор литературы 13
1.1. Рассеяние звука на газовых и парогазовых пузырьках 13
1.2. Нелинейный акустический параметр жидкости с газовыми и парогазовыми пузырьками 23
1.3. Затухание и поглощение звука в жидкости с газовыми и парогазовыми пузырьками 29
1.4. Нелинейная генерация звука и влияние на нее газовых пузырьков 33
2. Экспериментальные средства для исследования акустических характеристик жидкости с пузырьками 37
2.1. Экспериментальные средства, применяемые в лабораторных исследованиях 37
2.1.1. Общая схема измерительной лабораторной установки 37
2.1.2. Метод генерации и контроль объема пузырьков 37
2.1.3. Средства излучения и приема акустических сигналов 41
2.1.4. Система излучения, приема и обработки акустических сигналов 44
2.2. Экспериментальные средства измерений для работы в натурных условиях 46
2.2.1. Общее описание схемы управления излучением и приемом акустических сигналов 46
2.2.2. Опускаемое измерительное устройство 47
3. Экспериментальные методы исследования акустических характеристик в жидкости с пузырьками 51
3.1. Изучение рассеяния звука на пузырьках 51
3.1.1. Связь коэффициента объемного рассеяния звука на пузырьках и характеристик рассеиваемого акустического импульса 51
3.1.2. Определение коэффициента объемного рассеяния в условиях лабораторной установки 54
3.1.3. Определение параметров рассеянного и падающего сигнала накачки 55
3.1.4. Расчет коэффициента объемного рассеяния в поперечном от оси излучения направлении 55
3.2. Экспериментальное изучение затухания и поглощения звука в жидкости с пузырьками 57
3.3. Изучение нелинейного акустического параметра 60
3.3.1. Определение величины нелинейного акустического параметра по расстоянию разрыва 60
3.3.2. Определение величины нелинейного акустического параметра по амплитуде давления волн разностной частоты 61
4. Исследование влияния фазовых превращений на акустическую нелинейность и поглощение звука в воде с парогазовыми пузырьками 64
4.1. Краткая характеристика основных экспериментов 64
4.2. Основные результаты, полученные в экспериментах с фоновой концентрацией парогазовых пузырьков 66
4.2.1. Общие статистические характеристики экспериментальных данных 68
4.2.2. Температурные зависимости коэффициента затухания, поглощения, коэффициента объемного рассеяния звука и акустического нелинейного параметра воды при низкой концентрации парогазовых пузырьков 69
4.3. Основные результаты, полученные в экспериментах с высокой концентрацией парогазовых пузырьков 74
4.3.1. Исследование температурной зависимости величины нелинейного акустического параметра в воде с высокой концентрацией парогазовых пузырьков 74
4.3.2. Исследование температурной зависимости коэффициента поглощения звука в воде с высокой концентрацией парогазовых пузырьков 78
5. Исследование поглощения и рассеяния звука и акустической нелинейности в воде при различной концентрации газовых пузырьков 80
5.1. Краткая характеристика экспериментов 80
5.2. Основные результаты, полученные в экспериментах с различной концентрацией пузырьков 81
5.2.1. Изучение зависимости рассеяния звука от тока генератора пузырьков 81
5.2.2. Экспериментальное изучение зависимости коэффициента затухания и поглощения и функции распределения пузырьков по размерам при различной концентрации пузырьков 82
5.2.3. Экспериментальное изучение зависимости нелинейного акустического параметра воды с пузырьками от величины тока генератора пузырьков 92
5.3. О нелинейной концентрационной зависимости нелинейного акустического параметра, поглощения и рассеяния звука 92
6. Изучение распределения коэффициента поглощения, нелинейного акустического параметра и рассеяния звука в морской воде в натурных условиях 98
6.1. Изучение зависимости коэффициента поглощения звука и акустического нелинейного параметра от глубины в море 98
6.2. Акустическая спектроскопия морской среды на встречных звуковых пучках 103
Заключение 110
Список литературы 112
- Нелинейный акустический параметр жидкости с газовыми и парогазовыми пузырьками
- Система излучения, приема и обработки акустических сигналов
- Расчет коэффициента объемного рассеяния в поперечном от оси излучения направлении
- Температурные зависимости коэффициента затухания, поглощения, коэффициента объемного рассеяния звука и акустического нелинейного параметра воды при низкой концентрации парогазовых пузырьков
Введение к работе
Актуальность темы
Свойства реальных жидкостей существенно отличаются от свойств идеальной жидкости из-за присутствия в них различных микронеоднородностей. Под микронеоднородностями подразумеваются малые объекты, размеры которых зачастую меньше длины звуковой волны, падающей на объект, отличающиеся от жидкости своими физическими свойствами (плотностью и сжимаемостью). От количества и свойств микронеоднородностей в значительной мере зависят кавитационная прочность, сжимаемость и эффективная теплопроводность жидкости. Особенно важно знать влияние микронеоднородностей на свойства жидкости вблизи точек фазовых переходов (кипение и кристаллизация жидкости), поскольку происходящие при этом явления могут существенно влиять на работу различных технических устройств.
Среди различных микронеоднородностей можно выделить газовые и парогазовые пузырьки. Обладая выраженными резонансными свойствами, они отличаются от других микронеоднородностей значительно более существенным влиянием на свойства жидкости. Их присутствие резко увеличивает нелинейные свойства жидкости, сечение рассеяния звука на пузырьках может во много раз превышать их геометрическое сечение. Эти особенности имеют положительную и отрицательную стороны. Положительным примером применения таких жидкостей в промышленности могут быть парогазовые жидкостные смеси, применяемые в химической технологии [1]. Примером проявления нежелательных свойств микронеоднородных жидкостей являются взрывоподобные образования парогазовых смесей в трубопроводах реакторов и систем транспортирования жидкостей, которые, благодаря своим высоким нелинейным характеристикам, способствуют образованию ударных волн, приводящих к разрушению трубопроводов [2, 3].
В натурных условиях большую роль играют пузырьки, находящиеся в основном в приповерхностном слое естественных водоемов и связанные с газообменом между атмосферой и океаном. Эти процессы оказывают влияние на климат и состояние атмосферы планеты. Присутствие придонных газовых пузырьков в виде факелов и облаков часто связывают с наличием газовых и нефтяных месторождений на дне водоемов. В технике знания о свойствах микронеоднородных жидкостей необходимы для повышения надежности устройств и сооружений, разработке новых технологических процессов, получения технических жидкостей с новыми свойствами.
Исследования распространения звука в таких жидкостях, проведенные различными авторами, позволили решить многие вопросы акустики микронеоднородных жидкостей, включая создание различных методов акустической спектроскопии таких жидкостей [4-17]. Тем не менее, целый ряд разделов акустики микронеоднородных жидкостей остаются не достаточно хорошо проработанными или вовсе не изученными. К ним можно отнести, в первую очередь, вопросы, не являющиеся традиционными для акустики жидкостей при обычных температурах. Это - вопросы, связанные с влиянием фазовых превращений на акустические характеристики жидкостей с парогазовыми пузырьками, которые на практике играют значительную роль либо при высоких температурах для обычных высокотемпературных жидкостей типа воды, либо, напротив, для низкотемпературных криогенных жидкостей типа жидкого азота или водорода. Значительный интерес традиционно представляют вопросы поведения жидкостей при большой концентрации микронеоднородностей. Свойства жидкостей при большой концентрации до настоящего времени изучены крайне слабо, включая как экспериментальные, так и теоретические аспекты проблемы. Поэтому исследования изменчивости основных характеристик звукового поля в условиях большой концентрации микронеоднородностей представляются актуальными и имеют большое научное значение.
Настоящая работа посвящена экспериментальному изучению влияния фазовых превращений на поведение нелинейного акустического параметра, коэффициента поглощения и рассеяния звука в воде с парогазовыми пузырьками, изучению зависимости нелинейного акустического параметра, коэффициента поглощения и рассеяния звука в воде от концентрации газовых пузырьков, а так же разработке методов нелинейной акустической спектроскопии микронеоднородной жидкости.
Цель работы
Экспериментально изучить температурные и концентрационные зависимости нелинейного акустического параметра, поглощения и рассеяния звука в воде с пузырьками и развить экспериментальные методы акустической спектроскопии микронеоднородной жидкости.
Научная новизна
1. Выявлено существенное влияние фазовых превращений на акустическую нелинейность и поглощение звука в воде с парогазовыми пузырьками, выражающееся в усилении указанных характеристик с увеличением температуры.
2. Подробно исследована зависимость акустического нелинейного параметра, рассеяния и поглощения звука от концентрации и распределения газовых пузырьков в жидкости и на этой основе разработаны экспериментальные методы акустической спектроскопии пузырьков в жидкости.
3. Установлена нелинейная связь параметра нелинейности, рассеяния и поглощения звука от концентрации газовых пузырьков в воде при высокой их концентрации.
Научная новизна подтверждена публикациями в рецензируемых научных изданиях, представлением докладов на международных и отечественных конференциях, экспертными оценками на конкурсах РФФИ.
Научная и практическая значимость работы
1. В работе были предложены и апробированы различные методы акустической спектроскопии микронеоднородной жидкости. Были получены экспери
ментальные результаты, расширяющие научное знание об акустических свойствах микронеоднородной жидкости при больших концентрациях газа и вблизи фазовых переходов.
2. В работе были разработаны экспериментальные методы и средства для исследования свойств микронеоднородной жидкости вблизи фазовых переходов и при больших концентрациях газа.
3. В работе был разработан и апробирован акустический комплекс для исследования микронеоднородностеи морской среды в натурных экспедиционных условиях.
Значимость работы подтверждена тем, что она выполнялась в рамках ряда государственных научных программ, в том числе ФЦП "Мировой океан" и "Интеграция", а также при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований - проекты 94-02-006092, 96-02-19795, 00-02-16913, 03-02-16710, проект РФФИ-Приморье 01-05-96907.
Апробация работы
По материалам диссертации имеется 14 публикаций, из них 10 в рецензируемых сборниках, 2 работы в сборниках материалов международных конференций.
Результаты исследований докладывались на 18 Международном акустическом конгрессе (Киото, Япония, 2004 г.), 16 Международном симпозиуме по нелинейной акустике (Москва, 2002 г.) сессиях РАО (Москва, 2000 г., 2004 г.), на VI и VII семинарах СО РАН "Акустика неоднородных сред" (Новосибирск, 2002 г., 2004 г.), VI Дальневосточной акустической конференции (Владивосток, 1998 г.).
Результаты исследований, представленные в диссертации, использовались в НИР "Акустические исследования структуры океанической среды", Гос. per. №01.960.010860, НИР №2001/1 и №2001/2 проекта 5.2 подпрограммы "Исследование природы Мирового океана" ФЦП "Мировой океан".
Структура и объем работы
Работа состоит из введения, 6 глав, заключения и списка цитируемой литературы (105 наименований), включает титульный лист и оглавление, 121 страница печатного текста, 49 рисунков.
Во введении показана актуальность темы и формулируются задачи и положения, выносимые на защиту.
В первой главе дан обзор литературы по вопросу рассеяния, затухания и поглощения звуковых волн в жидкости с газовыми пузырьками и о влиянии пузырьков на акустическую нелинейность жидкости. Здесь же рассматривается вопрос о влиянии фазовых переходов на характер рассеяния и поглощения звука и на поведение акустической нелинейности жидкости. Эти вопросы рассматриваются с точки зрения возможности акустической спектроскопии жидкости. Поэтому много внимания уделяется взаимосвязи названных акустических характеристик с размерным распределением пузырьков и их объемной концентрацией.
Вторая глава посвящена техническим средствам для измерения поглощения и рассеяния звуковых волн в жидкости с газовыми и парогазовыми пузырьками и измерения акустической нелинейности. В главе описана измерительная установка, предназначенная для лабораторных экспериментов с использованием небольшого бассейна. Для натурных морских экспериментов описана установка для вертикального зондирования приповерхностного слоя моря до глубины 100 м. В установках в качестве электронного оборудования по возможности использовались приборы промышленного производства, что гарантировало их определенные метрологические характеристики. Часть оборудования, необходимого для проведения экспериментов, было разработано и изготовлено самостоятельно. В главе приводятся некоторые характеристики и особенности разработанного оборудования и примененные способы калибровки.
В третьей главе описываются предлагаемые методы для измерения рассеяния и поглощения звуковых волн и измерения акустической нелинейности в
воде с пузырьками. Поскольку выбор метода непосредственно связан с техническими возможностями существующей в распоряжении экспериментатора аппаратуры и оборудования, рассматриваются те методы, которые возможно осуществить с помощью оборудования, описанного во второй главе.
Четвертая глава посвящена описанию экспериментов по изучению зависимости рассеяния, затухания и поглощения звуковых волн и акустической нелинейности от температуры воды. В первой серии экспериментов измерения проводились при низкой концентрации газовых пузырьков на трех фиксированных частотах: 30, 50 и 70 кГц. Во второй серии экспериментов измерения проводились при высокой постоянной концентрации газовых пузырьков, которая поддерживалась специальным генератором пузырьков. Измерения проводились на тех же трех частотах, что и в первой серии экспериментов. Температура во всех экспериментах менялась от 20 до 90°С. Приведены полученные экспериментальные зависимости и обсуждаются результаты.
В пятой главе приводится описание экспериментов по изучению зависимостей рассеяния, затухания и поглощения звуковых волн и акустической нелинейности от концентрации газовых пузырьков. Концентрация пузырьков менялась от низкой, до очень высокой. Высокая концентрация пузырьков создавалась с помощью генератора пузырьков. Температура воды при этом не менялась (Т=18°С). Эксперимент проводился в частотном диапазоне звуковых волн от 30 до 100 кГц на 8-ми фиксированных разностных частотах, которые нелинейно генерировались в пузырьковой среде с применением бигармонической накачки со средней частотой 700 кГц. Приведены полученные экспериментальные зависимости и обсуждаются результаты эксперимента.
Шестая глава посвящена описанию натурных морских экспериментов. Первый раздел главы посвящен экспериментальному изучению зависимости от глубины коэффициента затухания и акустической нелинейности в приповерхностном слое моря до глубины 100 м. Полученные зависимости сравниваются с данными по рассеянию на звукорассеивающих слоях, полученными высокочас
тотным гидролокатором на частоте 100 кГц. Измерения проводились во время кругосветной экспедиции на паруснике "Надежда" и охватывали разные районы Мирового океана. Приводятся некоторые результаты из полученного большого объема данных, которые в основном призваны показать возможности метода, а не конкретные гидрофизические особенности данной акватории.
Во втором разделе шестой главы приводится описание эксперимента по измерению функции распределения пузырьков по размерам. Был применен метод нелинейного рассеяния звука при взаимодействии высокочастотных импульсов на встречных пучках. Рассматриваются отличия этого метода от обычного параметрического метода, даны сравнительные оценки результатов, полученных в эксперименте, с ранее известными результатами.
В заключении обобщен изложенный материал, сформулированы выводы, показаны новизна результатов и перспективы дальнейших исследований.
Нелинейный акустический параметр жидкости с газовыми и парогазовыми пузырьками
Обычно в жидкости одновременно находятся различные типы неоднородно-стей и по одной частотной зависимости отделить вклад в рассеяние отдельных типов сложно. Однако, в случае, когда время воздействия звука на рассеиватели мало (то есть меньше, чем время установления стационарных колебаний резонансных рассеивателей), реакция рассеивателей резонансного типа и нерезонансного типа существенно отличается. Нестационарное рассеяние позволяет оценить собственные резонансные свойства рассеивателей [22]. Предположим, что радиус пузырька изменяется по закону R(t) - Ro[l +z(t)], где R0 - радиус пузырька в воде при отсутствии звуковой волны, z(t) - приращение, связанное с воздействием звука, причем z(t) « Ro- На рис. 1.2 показаны графики зависимости амплитуды нестационарных колебаний газового пузырька от отношения частоты падающей звуковой волны со к собственной резонансной частоте пузырька щ. Ъяс,ъ/т=(а 02Рт)/(ЗуРо), Q — добротность пузырька. Видно, что даже для довольно мелких пузырьков с невысокой добротностью амплитуда колебаний на резонансе в десятки раз превышают амплитуду колебаний вне резонанса, а главное, зависит от длительности воздействия звукового импульса на пузырек. Время нестационарности определяется выражением [22] to=2/coS=2Q/co, а сечение рассеяния, обусловленное пузырьками, определится как
В последнее время в акустике широкое распространение получили нелинейные методы генерации низкочастотного излучения. В связи с этим, рассмотрим вопрос о сечении нелинейного рассеяния при генерации волн разностной частоты параметрическими излучателями, подробно освещенный в работе [22].
Сечение стационарного нелинейного рассеяния одиночного газового пузырька OIQ(R), когда учитывается только вынужденное рассеяние на разност ной частоте Q=a 2-C0j, описывается следующим выражением (индекс со указывает на стационарность процесса): где второй индекс в выражениях (1.19 и 1.20) для о указывает на резонансную частоту, на которой пузырьки дают наибольший вклад в рассеяние. Функция F(T/XQ) аналогична (1.14). Таким образом, при длинных импульсах, когда т То, сечение рассеяния определяется суммой OQ= GQCO+CFQQOO, а ПРИ коротких GQ= Goa.
Относительный вклад составных частей сечения рассеяния может быть охарактеризован их отношением: Из (1.21) видно, что результат сильно зависит от соотношения функций распределения пузырьков на частотах накачки g и разностных частотах go- Можно показать, что в случае монотонной функции g(R) сечение рассеяния на разностной частоте определяется пузырьками, резонансными на накачке. Например, для степенной функции вида (1.9) указанное обстоятельство справедливо при значениях показателя степени п 3. При этом вклад нестационарного рассеяния незначителен. Акустическая спектроскопия пузырьков в этом случае затруднена, т.к. на разностную частоту будут в основном откликаться только пузырьки резонансные на накачке и поэтому для определения g(R) потребуется изменение именно частоты накачки (а не разностной частоты) в широких пределах. Для случая функции распределения с максимумом, когда частота накачки соответствует пузырькам на ниспадающей ветви функции распределения, можно получить обратное неравенство. Именно в этом случае следует учитывать эффекты нестационарного нелинейного рассеяния. По существу наличие нестационарного нелинейного рассеяния свидетельствует об определенном устройстве функции распределения пузырьков по размерам - наличие максимума и его расположение между радиусом, резонансным на накачке и на разностной частоте. Отметим также, что только в этом случае возможна акустическая спектроскопия пузырьков с размерами Ro Rmax Применение нестационарной нелинейной спектроскопии газовых пузырьков в условиях натурного эксперимента показано в работах [60 - 61].
В работах [62-65] рассмотрен вопрос рассеяния звука на паровых пузырьках. Постоянная затухания S(R,co), представленная выражением (1.4) и используемая для расчета амплитуды рассеяния, аналогичной (1.3), в случае паровых пузырьков существенно отличается от постоянной затухания для газовых пузырьков.
Механизм потерь при колебаниях газовых пузырьков изучался различными авторами, начиная с первых работ, посвященных динамике пузырьков. Согласно обзору, проведенному в работе [22], первой достаточно полной работой, по видимому, была работа Пфрима [66], который рассчитал постоянную затухания 3 при колебаниях пузырьков с учетом радиационных, вязкостных и тепловых потерь энергии. Девиным [67] величина 8 была рассчитана другим методом и были уточнены соотношения между указанными механизмами потерь. В работах Просперити [68-69] и И.А.Чабана [70] были описаны методики и уточнены частотные зависимости (особенно на низких частотах [62]). Наиболее полно механизмы потерь при различных размерах пузырьков были проанализированы в работах ряда авторов, рассматривающих также влияние фазовых превращений [3, 63-64, 71-76].
Система излучения, приема и обработки акустических сигналов
Нелинейные эффекты в акустических полях известны давно. Классическую нелинейную акустику можно рассматривать как слабонелинейный вариант га-зо- и гидродинамики, относящейся к волнам малой, но конечной амплитуды, когда число Маха (отношение скорости движения частиц в волне к скорости звука) достаточно мало. Резкий подъем интереса к нелинейным акустическим эффектам возник к концу 50-х годов, когда появились мощные источники звука, и было обнаружено существенное накопление нелинейных явлений [81]. Характер распространения и взаимодействия волн конечной амплитуды зависит от свойств среды, таких как степень ее нелинейности, дисперсии скорости звука, эффективности диссипативных процессов. В нелинейной среде волны взаимодействуют друг с другом, порождая комбинационные тона. Особый интерес представляют волны разностной частоты (ВРЧ), распространяющиеся на большие расстояния с малым затуханием.
Задача о раскачке низкочастотных (НЧ) колебаний осцилляторов высокочастотной (ВЧ) накачкой и управление ими представляет интерес для изучения механизмов перекачки энергии по спектру не только вверх, как это имеет место при обычных нелинейных механизмах, реализующих перекачку по гармоникам, но также для изучения механизмов перекачки в субгармонические составляющие. Такая задача имеет практическую ценность при разработке методов диагностики различного рода резонансных включений в среде, а также для создания эффективных генераторов НЧ колебаний, управляемых ВЧ накачкой. В работе [22] подробно рассмотрен вопрос генерации НЧ колебаний пузырьков в поле ВЧ накачки. Важной особенностью пузырьков является их зависимость от характера потерь энергии при колебаниях, что в свою очередь определяется радиусом пузырька, частотой поля, типом жидкости, например, ее вязкостью, а также газом, заполняющим пузырек.
Большой практический интерес представляет взаимодействие волн в ограниченной области пространства, которое, как правило, энергетически мало эффективно, но зато позволяют сформировать поле заданной частоты вне этой области (параметрическое излучение) или получить сигнал, связанный с влиянием внешнего излучения на поле в этой области (параметрический прием).
В традиционных гидроакустических антеннах одновременно совмещены функции преобразователя электрической энергии в акустическую и формирователя направленного излучения и приема сигналов. Недостатком таких антенн являются узкий диапазон частот и значительные габариты на низкой частоте. Использование нелинейного взаимодействия звуковых волн при их распространении в воде позволяют разделить эти функции. Функцию устройства, формирующего диаграмму направленности, выполняет протяженный участок среды, в котором взаимодействуют волны, - так называемая параметрическая антенна. Итак, при больших интенсивностях звука антенна становится "бестелесной" и среда начинает играть активную роль в формировании направленности преобразователя.
В простейшем случае параметрический излучатель генерирует в пространство водной среды (в область взаимодействия) высокочастотные волны накачки с близкими частотами щ и со2 (этот режим получил название бигармонический режим [81]). Такой излучатель был предложен в начале 60-х годов Вестервель-том [96]. При достаточной интенсивности первичных волн уже нельзя пользоваться линейными уравнениями гидродинамики без учета главных нелинейных членов, поскольку их вклад становится заметным, что фактически означает появление в среде волн с новыми частотами, которых не было в исходном спектре. Видно, что в среде происходит нелинейный процесс генерации вторых гармоник 2ft i и 2ю2, а также волн суммарной і+сог и разностной О, = Юі-Юг частот. Сама среда проявляет нелинейное воздействие на распространяющуюся в ней акустическую волну. Из-за сильной частотной зависимости вязкого поглощения все более высокочастотные волны затухают раньше, чем волны разностной частоты. Поэтому за пределами области взаимодействия первичных волн, ограниченной длиной их затухания, может существовать лишь разностная волна. Уникальные свойства параметрических преобразователей заключаются в том, что волны разностной частоты распространяются в основном вперед -вдоль оси распространения пучков накачки и под малыми углами к оси, при практически полном отсутствии боковых лепестков. Изменяя частоты «і и со2 в пределах резонансной кривой преобразователя накачки, можно добиться плавной перестройки частоты Q. в широких пределах (в 300 и более раз). Недостатком таких антенн являются большие энергетические затраты, поскольку величина давления в волне разностной частоты на 2 - 3 порядка меньше, чем в волнах накачки. [81, 97, 98]. Эффективность параметрического излучения существенным образом зависит от нелинейных характеристик среды. Жидкость с пузырьками представляет собой газожидкостную смесь, которая является сильно нелинейной системой. Взаимодействие звука с веществом здесь носит нелинейный характер, что приводит к изменению эффективности параметрического излучения. В зависимости от соотношения между параметрами излучателей диаметром d и частотами накачки и волн разностной частоты (со и Q.) существуют различные режимы работы параметрических излучателей. 1. Условие K(f/4X»l/am (здесь d - диаметр излучателя, X - длина волны накачки) соответствует случаю, когда волна накачки затухает в прожекторной зоне и длина взаимодействия определяется длиной затухания (взаимодействие плоских волн). Это так называемый режим Вестервельта. 2. Условие Tt(f/4X«l/am соответствует случаю, когда взаимодействие происходит на стадии сферически расходящихся волн. Это режим Берктея. В работе [85] показано, что эффективность параметрического взаимодействия связана с функцией распределения пузырьков по размерам g(R). Для случая, когда g(R) - монотонна и не зависит от координат, амплитуда давления ВРЧ определяется выражением:
Расчет коэффициента объемного рассеяния в поперечном от оси излучения направлении
Для изучения особенностей нелинейной генерации, рассеяния и поглощения звука в натурных морских условиях разработан автономный измерительный комплекс, включающий в себя бортовую установку и опускаемое измерительное устройство. Бортовая установка включает тракты излучения и приема звука, средства обработки информации со спутниковой навигационной системой GPSMAP-130. Опускаемое измерительное устройство предназначено для измерения гидрофизических параметров среды на глубинах до 100 м.
Выходная мощность тракта излучения при нагрузке на параметрический излучатель с частотой накачки 145 кГц составляет около 500 Вт. Частотный диапазон тракта излучения от 100 кГц до 1000 кГц. Для улучшения согласования с излучателем предусмотрен набор индуктивностей. Приемный тракт предназначен для работы в диапазоне частот 5 - 1000 кГц. Приемный тракт выполнен по схеме с преобразованием сигнала по частоте. Это позволяет использовать один селективный фильтр с высокой добротностью для всех разностных частот. Частота гетеродина может управляться внешним устройством. Возможность внешнего управления трактом излучения и приема позволяют автоматизировать эксперименты.
Для ввода данных в компьютер использовались 12-ти разрядная платы ввода ADS-1B с максимальной частотой оцифровки 200 кГц и 12-ти разрядная платы ввода LabPC+ с максимальной частотой оцифровки 80 кГц.
Для измерения гидрофизических характеристик воды в натурных условиях было разработано опускаемое измерительное устройство. По сути, опускаемое измерительное устройство представляет собой вариант лабораторного бассейна, но приспособленный к морским условиям. Главным несущим элементом устройства является штанга длиной 70 см. На одном конце штанги расположен излучатель. Характеристики излучателя идентичны описанному выше лабораторному излучателю. Ось излучения ориентирована параллельно штанге. На другом конце штанги расположена отражающая пластина, выполняющая функцию противоположной стенки в бассейне. Излучатель и отражатель находятся на строго заданном базовом расстоянии, обеспечиваемым жесткостью штанги. Они образуют акустическую измерительную систему, предназначенную для определения нелинейного параметра и коэффициента поглощения и рассеяния звука. Кроме нее на штанге установлен измеритель температуры, измеритель скорости звука и гидростатического давления.
Измеритель температуры воды аналогичен описанному в предыдущем разделе датчику температуры.
Измеритель скорости звука основан на измерении числа циклов пробега звукового импульса на базовой длине в единицу времени. Суть метода заключается в том, что короткий импульс излучается в сторону отражателя, находящегося на строго заданном расстоянии Z=5 см. Отраженный импульс, возвратившись, повторно запускает схему излучения. Циклы запуска повторяются с частотой/ пропорциональной скорости звука с, а именно f=c/2L. Не трудно видеть, что при существующей длине базы (2L = 0,1 м) частота/численно совпадает со скоростью звука, но на порядок выше, то есть при скорости звука 1500 м/сек частота, характеризующая ее равна 15000 Гц. Таким образом, при измерении частоты с точностью до 1 Гц разрешающая способность метода по скорости звука составляет 0,1 м/сек. Обычный частотомер типа 43-54 позволяет измерять частоту с точностью до 0,1 Гц. Источником погрешностей измерения могут быть неточность установки длины базы (L) и задержка в электронных цепях схемы повторного запуска. Оценим их. Базовая длина устанавливается винтовым регулятором с помощью микрометра. Минимальная цена деления микрометра А/=0,01 мм, таким образом, относительная погрешность установки базовой длины не превышает Al/L= 2-Ю"4. Такая погрешность измерения длины вызывает погрешность измерения скорости звука до 0,3 м/сек. Погрешность, вызванная задержкой в электронных цепях, проявляется в увеличении суммарного времени между посылками. Если t - время пробега акустического импульса на длине базы (t=2L/c), то At - задержка электронных цепей, которая для высокочастотных трактов (частота излучения 2 МГц) составляет порядка единиц наносекунд. Тогда относительная погрешность составит Atl{t+At)-1,5-10"5 или в пересчете на скорость звука 0,0225 м/сек. Таким образом, суммарная погрешность измерения скорости звука в основном определяется погрешностью установки длины базы и не превышает 0,3 м/сек. Пример применения измерителя скорости звука в натурных экспериментах приведен в [100].
Внешний вид опускаемого устройства показан на рис. 2.10. Излучатель (1) закреплен на штанге (2). Здесь же закреплены измеритель скорости звука, температуры и гидростатического давления (3). Устройство опускается на кабель-тросе (4), по которому передаются сигналы излучения, напряжение питания для измерителя скорости звука, принятые акустические сигналы накачки и волн разностной частоты, датчика температуры, скорости звука и гидростатического давления. На другом конце штанги находится отражающая пластина (5).
Нелинейность воды определяется по измерениям генерируемых волн разностной частоты, а затухание звука - по спаду отраженного от пластины сигнала накачки. Подробная методика определения нелинейного параметра, затухания и рассеяния описана в третьей главе. Принципиальная схема акустической системы измерительного устройства изображена на рис. 2.11. Функционально выделяются три части: I - тракт излучения, II - измерительная база, III - тракт приема и обработки. Тракт излучения включает формирователь длительности импульса (5), управляющий работой генераторов накачки (6), (7), сумматора, формирующего бигармонический сигнал (8), который поступает на усилитель мощности (9) и коммутатор сигналов (4). Далее сигнал по кабелю поступает на излучатель (1) измерительной базы, закрепленный на штанге (2). Принятый излучателем в паузе между посылками отраженный от пластины (3) сигнал по кабелю передается через коммутатор сигналов в тракт приема и обработки на входные фильтры (11), (12), где происходит выделение сигналов накачки и разностной частоты. Выделенные сигналы поступают на соответствующие усилители (13), (14), детекторы (15) и компьютер обработки данных (16).
Температурные зависимости коэффициента затухания, поглощения, коэффициента объемного рассеяния звука и акустического нелинейного параметра воды при низкой концентрации парогазовых пузырьков
Для исследования влияния фазовых превращений на акустическую нелинейность и поглощение звука в воде с парогазовыми пузырьками были проведены 2 серии экспериментов.
Как следует из первой главы, с ростом температуры коэффициент поглощения в чистой воде падает, что естественно связано с уменьшением сдвиговой вязкости и, соответственно, уменьшением потерь на внутреннее трение. Известно, что отстаивание воды не позволяет избавиться от пузырьков настолько, чтобы можно было не учитывать их присутствие. Можно говорить об их слабой концентрации или о фоновой концентрации. Целью первой серии экспериментов было исследование температурной зависимости затухания, поглощения и рассеяния звука, акустического нелинейного параметра в воде при фоновой концентрации парогазовых пузырьков.
В первой серии были исследованы температурные зависимости затухания и рассеяния звука, акустической нелинейности при фоновом уровне пузырьков в пресной воде на трех значениях разностной частоты 30, 50 и 70 кГц при средней частоте накачки 700 кГц. Вода нагревалась от температуры 18С до 90С.
Запись акустических сигналов и данных датчика температуры велась непрерывно в течении всего времени нагрева воды с дискретностью в 2 секунды. Прием сигналов накачки, отраженных от противоположной стенки бассейна и рассеянных на пузырьках, проводилась через параметрический излучатель в паузах между посылками. Прием сигналов волн разностной частоты также проводилась через параметрический излучатель в паузах между посылками. Прием сигналов рассеяния на разностных частотах осуществлялся гидрофоном. Гидрофон был расположен у боковой стенки бассейна вне характеристики направленности излучателя на половине длины бассейна. Это позволило избавиться от проникновения мощных импульсов накачки в чувствительные приемные тракты канала рассеяния. Положение гидрофона у боковой стенки соответствовало месту, в которое приходит звук, рассеянный от пространственно распределенных по объему бассейна фоновых пузырьков под разными углами вне оси излучателя.
Вторая серия экспериментов проходила при фиксированной величине тока генератора пузырьков 100 мА на тех же частотах накачки и разностных частотах 30, 50 и 70 кГц. Вода нагревалась от температуры 18С до 90С. По мере нагрева через каждые 5С проводились измерения амплитуды акустических сигналов накачки и волн разностной частоты. Измерения сигналов разностной частоты проводились измерительным гидрофоном, причем для получения более однородной пространственной картины нарастания и затухания волн разностной частоты измерения проводились в два этапа. На первом этапе измерения проводились при непрерывном перемещении гидрофона вдоль оси излучателя от одной до другой стенки бассейна, а на втором этапе - выбирались максимальные значения в каждой серии измерений. Такая процедура позволяла получить более однородные данные об амплитуде волны разностной частоты, постепенно генерируемой вдоль оси излучения благодаря нелинейному взаимодействию волн накачки. Запись сигналов накачки проводилась через излучатель в паузах между посылками.
В результате проведенных экспериментов по исследованию влияния фазовых превращений на акустическую нелинейность и затухание звука в воде с парогазовыми пузырьками получены данные о температурной зависимости (от 20С до 92С) акустической нелинейности и коэффициента затухания звука в воде с парогазовыми пузырьками.
Общую картину процессов, происходящих при распространении бигармо-нического сигнала накачки в воде с пузырьками, можно проследить на рис. 4.1. Мощный бигармонический импульс накачки, распространяясь в воде с пузырьками, вызывает вначале сильное рассеяние звука на микронеоднородностях воды, причем пузырьки дают наибольший вклад на частоте собственного резонанса и комбинационных частотах. По мере распространения зарождается волна разностной частоты в результате нелинейного взаимодействия частот накачки. На рис. 4.1 показаны экспериментальные зависимости от расстояния амплитуды давления волн накачки Р(со), амплитуды давления сигналов рассеяния на разностной частоте 30 кГц Ps(@), принятые гидрофоном, и амплитуды давления волн разностной частоты 30 кГц P(Q), генерированные в процессе нелинейного взаимодействия в среде волн накачки. Для наглядности вертикальный масштаб изменен таким образом, чтобы размах всех кривых был примерно одинаков, а кривые не накладывались друг на друга.
Итак, на малых расстояниях, когда волна разностной частоты еще мала, сильное рассеяние на разностной частоте вызвано воздействием на пузырьки высокочастотной накачки. Это в основном нелинейное рассеяние. Нелинейная генерация разностной волны продолжается в среде до расстояния 2-3 метров от излучателя. В этой области наблюдается непрерывный рост акустического давления волн разностной частоты (точное расстояние разрыва определить невозможно, так как регистрировались только отраженные импульсы). Можно считать, что на расстояниях более 2.5 - 3 м от излучателя и дальше рассеяние на разностной частоте постепенно приобретает в основном линейный характер.
