Введение к работе
Развитие бесконтактных и дистанционных методов диагностики сред является необходимым условием прогресса во всех естественных науках. В технике растущая потребность в разнообразных методах диагностики сред связана, с одной стороны, с широким применением в промышленности новых искусственных материалов и новых технологических процессов, а с другой - с возникающими из-за развития производства проблемами окружающей среды.
При разработке эффективного метода диагностики возникают две главные задачи. Это, во-первых, задача выбора подходящего физического принципа для извлечения информации о параметрах среды, а во-вторых, задача анализа получаемого в процессе диагностики большого объема, вообще говоря, случайных данных.
Два современных достижения в технике эксперимента дают во многих ситуациях возможность решения таких задач. Это изобретение лазеров, создающих высокую концентрацию энергии в пространстве и времени, и развитие компьютеров для автоматического анализа больших рядов данных. Успех в применении этой техники во многом определяется прогрессом в исследовании нелинейных и случайных волновых явлений в различных средах.
В диссертации представлены результаты исследований в этом направлении, выполненных применительно к задачам диагностики акустических шумов и вибраций, а также волновых и турбулентных движений окружающей среды. Изучены нелинейные взаимодействия волн различной природы как средства анализа и преобразования волновых полей, исследованы импульсные гидродинамические процессы при воздействии мощного лазерного излучения, развиты новые подходы к анализу структуры случайных процессов в нелинейных системах в природе и технике.
Актуальность работы связана как с ее практической важностью для задач диагностики волновых и турбулентных движений различных сред, так и с принадлежностью к бурно развивающейся области нелинейной науки '.
Большинство физических принципов, лежащих в основе методов диагностики, так или иначе связаны с использованием волновых явлений. Традиционные активные методы диагностики основаны на анализе рассеянных или отраженных объектом волн. При этом
В англоязычной литературе этот термин более устоявшийся - nonlinear sciencies
с усложнением задач диагностики растут требования к средствам анализа, и многие современные задачи уже не решаются обычными средствами измерения угловых и частотных спектров мощности волн. Многие проблемы здесь удается решить, применяя для анализа и преобразования рассеянных волн нелинейные волновые процессы.
Другая группа методов диагностики опирается на дистанционное возбуждение и последующий анализ собственных движений среды. Здесь прогресс связан с применением мощных лазеров, концентрация излучения которых позволяет возбудить достаточно интенсивные движения.
Возможен также подход, в котором анализу подвергаются уже имеющиеся в среде волновые .т»-!гпепіи. Здесь часто приходи-i^w miuii» дел» с черезвычайно слг.жни:,:п случайными волновыми полями, и которых к тому же существенны нелинейные взаимодействия волн. Эти взаимодействия несут важную дополнительную информацию о среде, но их анализ недоступен традиционным методам спектрального анализа. В этой области перспективны фрактальные модели и методы анализа сигналов.
Цель работы состоит в исследовании различных сторон проявления нелинейных волновых процессов и присущих им фрактальных структур в задачах диагностики сред.
Научная новизна работы определяется следующими положениями, выносимыми на защиту:
1. Предложен и обоснован теоретически и экспериментально новый
подход к использованию явления динамической самодифракции
волн в методах диагностики сред, основанных на анализе рассе
янных в среде волн.
Показана возможность достижения квантового предела чувствительности при дистанционной оптической регистрации вибраций с применением явления динамической самодифракции света.
Применительно к дистанционной регистрации вибраций впервые показана возможность использования фотохромного материала на основе бактериородопсина в качестве среды для динамической самодифракции света.
2. Предложен новый подход к реализации обращения волнового
фронта (ОВФ) акустических волн в жидкости в звуковом диа
пазоне частот, основанный на взаимодействии волн при отра
жении от нелинейной поверхности. На основании исследований
акустических эффектов контактной нелинейности показана возможность реализации ОВФ-зеркала с высоким коэффициентом отражения. Сам по себе механизм взаимодействия с ОВФ на нелинейной поверхности можит служить основой новых способов диагностики нелинейных слоев.
-
Впервые предложен теоретический подход к решению задачи о гидродинамических возмущениях на свободной поверхности жидкости при испарительном режиме воздействия лазерного излучения. Проанализированы линейный, слабо- и сильнонелинейные режимы развития возмущений. В слабонелинейном случае обнаружен новый механизм нелинейной резонансной генерации дополнительных спектральных составляющих капиллярной ряби расходящимся волновым пакетом. Экспериментальные исследования показали хорошее согласие с теорией при всех режимах и возможность использования явления для диагностики поверхности жидкости и процесса взаимодействия излучения с жидкостью.
-
Развит метод лазерного сканирования для исследования ветрового волнения в натурных условиях с борта научно-исследовательского судна. Впервые исследованы характеристики распределения капиллярно-гравитационной ряби (КГР) по склонам волн в различных районах Мирового океана и в широком диапазоне условий. Установлено, что в режиме аэродинамически шероховатого обтекания морской поверхности ветром имеется значительная асимметрия распределения зеркальных точек по углам наклона, причем при случайной изменчивости волнения изменения асимметрии и крутизны волн динамически связаны между собой.
-
Развит метод фрактального и мультифрактального анализа применительно к акустическим и вибрационным шумам и волновым процессам. В том числе:
-
Предложена новая универсальная модель мультифрактального шума объясняющая, в частности, впервые полученные экспериментально данные о мультифрактальной структуре вибраций и шума машин.
-
Экспериментально исследована структура перемежаемости
пристеночных пульсаций давления в турбулентном пограничном слое (ТПС) при течении в трубе.
Впервые установлены универсальные скейлинговые свойства статистических моментов процесса при изменении времени усреднения в интервалах, превышающих время корреляции процесса. Для всех исследованных режимов течения совпадают показатели скейлинга и безразмерные границы интервалов скейлинга, полученные путем нормирования времени на известный средний период появления турбулентных "всплесков" . Безразмерные верхние границы интервалов скейлттттга близки к елинип.о " одинаковы для разных скоростей истока и толшин пограничною слоя. Скейлинг моментов интерпретируется в терминах мультифрактальной модели. Получен универсальный для всех режимов течения мультифракталь-ный спектр процесса.
(с) По данным лазерного сканирования установлена значительная изменчивость характеристик волнения в однородных и стационарных внешних условиях на масштабах превышающих длину энергонесущих компонент волнения. Изменчивость имеет фрактальную структуру. Показано, что крупномасштабная изменчивость присуща любой статистической системе волн с четырехволновыми взаимодействиями
Научная достоверность результатов обусловлена хорошим согласием экспериментальных данных и теоретических результатов (там где они есть), а также анализом большого объема натурных экспериментальных данных по методике, позволившей выявить универсальные для диапазона условий закономерности.
Практическая важность работы определяется тем, что полученные результаты могут быть положены в основу новых подходов к диагностике таких важных элементов окружающей среды, как акустический шум и вибрации, поверхность жидкостей, ветровое волнение и турбулентный поток.
Личный вклад автора и апробация работы. В диссертацию включены результаты исследований, проведенных автором в. 1982-1995 гг. в Акустическом институте им. акад. Н.Н.Андреева. Автор предложил и обосновал возможность использования динамической самодифракции для оптической регистрации колебаний, а также исследовал возможность применения для этой цели различных фоторе-
фрактивных сред и сформулировал задачи дальнейших экспериментальных исследований. Автор поставил задачу об обращении волнового фронта при отражении от нелинейной поверхности. Автор предложил новый подход к теории гидродинамических возмущений, возникающих помимо традиционно изучавшихся акустических импульсов при воздействии лазерного излучения на свободную поверхность жидкости. Развитая затем теория получила полное подтверждение в эксперименте. Автор обосновал принципы применения нового судового оптического локатора для исследования ветрового волненияя и провел исследования в различных районах океана. Автор провел экспериментальные исследования крупномасштабной перемежаемости пристеночных пульсаций давления в турбулентном потоке и шума машин, а также развил фрактальные модели для описания этих процесов.
Таким образом, автором поставлены задачи исследований, предложены пути их решения, разработаны методики экспериментов и теоретические модели исследуемых процессов, все результаты, включенные в диссертацию, подучены лично автором или под его непосредственным руководством.
Результаты работы докладывались на Международном симпозиуме "Прочность материалов и конструкций при звуковых и ультразвуковых частотах нагружения" (Киев, 1984), на IV Всесоюзном симпозиуме по физике акустико-гидродинамических явлений и опте-акустике (Ашхабад, 1985), на 12 международном акустическом конгрессе (Торонто, Канада, 1986), на На 4 международной конференции по нелинейным и турбулентным процессам в физике (Киев, 1989), на II Всесоюзном совещании "Фото- и электрохромные элементы технического назначения (Пущино, 1988), на международной конференции Chaos-IV (Киев, 1992), на IV школе по методам гидрофизических исследований (Светлогорск, 1992), на IV сессии Росийского акустического общества (Москва, 1995).
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Объем работы - 202 страницы, в том числе 1 таблица, 47 рисунков и список литературы из 171 наименований.
