Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. ЗАДАЧИ НЕВОЗМУЩАЮЩЕЙ ДИАГНОСТИКИ
АКУСТИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ И МЕТОДЫ ИХ РЕШЕНИЯ П
1.1 .Существующие методы исследования акустических полей II
1.2.3адачи лазерной диагностики акустических полей, рассмотренные в
диссертационной работе 19
1.3.Математические методы анализа светорассеяния на частицах,
используемые для локальной диагностики 24
ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ
ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА В СРЕДЕ С АКУСТИЧЕСКОЙ ВОЛНОЙ 29
-
Введение 29
-
Постановка и метод решения задачи 30
2,З.Основные соотношения для случая плоской акустической волны 36
-
Результаты расчетов и их обсуждение 39
-
Методика оценки интегрального акустического давления 43
-
Результаты эксперимента , ., 45
-
Выводы по разделу 51
ГЛАВА 3. ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ ЛАЗЕРНЫХ ПУЧКОВ В СРЕДЕ С
АКУСТИЧЕСКИМ ПОЛЕМ И ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДОВ
ОПРЕДЕЛЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ ЛДА 53
-
Введение , 53
-
Постановка задачи и теоретическое исследование интерференции лазерных пучков при наличии акустооптического эффекта 54
-
Экспериментальная установка и результаты измерений 64
-
Определение методической погрешности измерения
локального акустического давления 68
3.5. Пути снижения методической погрешности измерений амплитуды
акустического давления 75
3.6. Выводы по разделу... 81
ГЛАВА 4. ДИФРАКЦИОННО-ТЕНЕВОЙ МЕТОД ОДНОВРЕМЕННОГО
ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗМЕРА И СКОРОСТИ МИКРОЧАСТИЦ И
ПУЗЫРЬКОВ В ЖИДКОСТИ 84
-
Введение 84
-
Одновременное измерение размера и скорости цилиндрической частицы 86
-
Одновременное измерение размера и скорости газового пузырька в жидкости 96
4.4. Выводы по разделу 107
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 109
Список литературы 114
Введение к работе
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 не возмущаю щей 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 аку сто оптического 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,
8 можно определять интенсивность акустического поля. При этом роль «измерительной линейки» для определения величины смещения частицы играет сетка интерференционных полос в области пересечения двух лазерных лучков. 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
9 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.
10 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.
