Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обоснование акустического метода диагностики распространения мощных лазерных пучков в атмосфере 37
1.1. Генерация акустических волн при нелинейно-оптических взаимодействиях в аэрозолях атмосферы 37
1.2. Термооптическая генерация акустических волн в атмосфере 58
1.3. Особенности оптической генерации акустических волн аэрозолями 70
1.4. Лазерная атмосферная оптико-акустическая диагностика 86
ГЛАВА 2. Исследование допробоиных оптико-акустических эффектов в экспериментах с аэрозольными средами 94
2.1. Лазерная допробойная оптоакуетика атмосферы 94
2.1.1. Методология натурных экспериментов 95
2.1.2. Результаты натурных экспериментов 98
2.2. Лазерная допробойная оптоаку етика модельных аэрозольных сред 107
2.2.1. Особенности методологии лабораторных экспериментов 108
2.2.2. Результаты лабораторных экспериментов 113
2.2.3. Полуэмпирическая модель генерации оптико-акустических сигналов аэрозольным объемом 124
ГЛАВА 3. Акустика оптического пробоя в атмосфере 128
3.1. Акустика очага оптического пробоя в атмосфере 128
3.2. Акустика длинной лазерной искры в атмосфере 141
ГЛАВА 4. Распространение звука в приземном слое атмосферы 154
4.1. Особенности приземного распространения звука 154
4.2. Методология натурных экспериментов исследования приземного распространения звука 159
4.3. Основные факторы ослабления звука на приземных трассах 164
4.3.1. Приземный фактор изменения уровня звука 164
4.3.2. Турбулентное ослабление звука 190
4.3.3. Рефракционные факторы изменения уровня звука 198
4.4. Флуктуации приземных звуковых волн 202 4.5. Уширение частотного спектра звуковых импульсов в атмосфере 221 4.6. Амплитудно-частотные искажения оптико-акустических сигналов в
приземном слое атмосферы 232
ГЛАВА 5. Нелинейное поглощение звуковых волн в атмосфере 233
5.1. Методология натурных экспериментов с мощными звуковыми пучками 234
5.2. Амплитудно-частотные искажения мощных звуковых волн в атмосфере 237
5.3. Модификация уравнения Хохлова-Заболоцкой-Кузнецова 240
5.4. Алгоритм численного моделирования распространения мощных звуковых волн на коротких трассах в атмосфере 247
ГЛАВА 6. Высотное распределение внешних акустических шумов в приземном слое атмосферы 251
6.1. Методология натурных экспериментов исследования внешних акустических шумов в атмосфере 253
6.2. Результаты измерений внешнего акустического шума в атмосфере 254
6.3. Модель высотно-частотного распределения внешнего акустического шума в приземном слое атмосферы 257
6.4. Выбор оптимальных высот приема акустических сигналов в приклад ных задачах атмосферной акустики и оптоакустики 267
ГЛАВА 7. Методология оптико-акустической диагностики канала распространения мощного лазерного излучения в атмосфере 271
7.1. Программно-экспертная система «Атмосферная оптоакуетика» 271
7.2. Модель оперативной оценки ослабления мощного лазерного излучения в жидкокапельных атмосферных образованиях 285
7.3. Оптокустика фемтосекундного лазерного излучения 289
Заключение 297
Литература
- Термооптическая генерация акустических волн в атмосфере
- Лазерная допробойная оптоаку етика модельных аэрозольных сред
- Основные факторы ослабления звука на приземных трассах
- Модификация уравнения Хохлова-Заболоцкой-Кузнецова
Введение к работе
Состояние научной проблемы и актуальность темы
Исследование распространения мощного лазерного излучения (МЛИ) в светорассеи-вающих средах и, в частности, аэрозолях атмосферы является фундаментальной научной проблемой [1,2].
Для решения связанных с этой проблемой задач перспективным считается использование оптико-акустического (ОА) эффекта - возбуждение акустических волн (АВ) в среде при поглощении в ней модулированного по интенсивности лазерного излучения [3]. При этом формирование и распространение ОА-сигналов в атмосферном пограничном слое (АПС) определяются как характеристиками поглощенного излучения, так и оптическими, теплофизическими и акустическими свойствами атмосферы.
При поглощении в среде лазерного импульса с длительностью, много меньшей времени пробега АВ по области тепловыделения, профиль давления ОА-сигнала повторяет пространственное распределение тепловых источников в среде [3, 4]. В случае однородно поглощающей и рассеивающей среды в приближении плоской световой волны это распределение совпадает с пространственным распределением интенсивности света в среде. Таким образом, применение ОА-эффекта в задачах измерения оптических свойств сред представляется весьма целесообразным.
Начало оптоакустики связано с открытием ОА-эффекта [Bell A.G., 1881 г.] - генерации АВ в замкнутом объеме газа при прохождении через него модулированного света. Исследования ОА-эффекта послужили основой развития оптоакустики и ОА-спектроскопии газов и конденсированных сред, о чем свидетельствуют обширные исследования [2-7, 11, 13, 20-22].
Оптоакустика до 80-х годов прошлого столетия в нашей стране развивалась в основном в теоретических и экспериментальных исследованиях конденсированных сред. Было показано, если пучок проникающего излучения, интенсивность которого модулирована по амплитуде, падает на свободную поверхность жидкости, то у поверхности возникает термоакустический источник АВ вследствие нагревания и теплового расширения области жидкости, где поглощается проникающее излучение. Теоретически и экспериментально установлено, что амплитуда АВ, излучаемых этим источником, растет прямо пропорционально мощности проникающего излучения в пучке.
Форма акустического сигнала (огибающая акустического импульса) оказывается универсальной и определяется отношением времени пробега АВ по области тепловыделения к длительности лазерного импульса [5], а передаточная функция термоакустического преобразователя зависит от коэффициента поглощения света, теплофизических параметров поглощающей среды и является Фурье-образом пространственного распределения источников тепла. Таким образом, возможно применение ОА-эффекта для измерения пространственного распределения интенсивности света и оптических характеристик поглощающих сред по временной форме ОА-импульса.
Реальная атмосфера, так же как и жидкости [6], всегда содержит различные микронеоднородности: частицы пыли, загрязнений и т. д. Эти микронеоднородности приводят к появлению «дополнительного» ОА-сигнала, который оказывается помехой, когда предметом исследования является непосредственно атмосферный газ. Этот дополнительный сигнал может иметь информативность на предмет диагностики атмосферы в части ее загрязнения. Амплитуда дополнительного сигнала зависит от плотности выделившейся в атмосфере энергии лазерного излучения. При достаточно высоких плотностях энергии возможны в окрестностях частиц типично нелинейные механизмы возбуждения АВ, связанные с фазовыми переходами в среде.
Дополнительная генерация АВ может происходить вследствие теплового расширения среды, прилегающей к разогретой частице («тепловой поршень»). Возможны и такие условия, когда дополнительная генерация АВ связана с расширением самой частицы («механический поршень»). Амплитуда дополнительного сигнала, согласно данным [6], растет прямо пропорционально мощности воздействующего излучения для длинных лазерных импульсов и пропорционально энергии - для коротких лазерных импульсов.
В более общей постановке задачи в исследованиях по оптоакустике используются достижения нового научного направления - радиационная акустика [5], развивающегося на стыке акустики, ядерной физики и физики высоких энергий и элементарных частиц. Её основу составляют исследования и применения радиационно-акустических эффектов, возникающих при действии проникающего излучения на вещество.
Спецификой распространения МЛИ в реальной атмосфере является многокомпо-нентность и многообразие протекающих физических процессов, их взаимное влияние и зависимость от оптико-метеорологической ситуации. Наиболее существенное влияние на характеристики МЛИ оказывают явления нелинейного взаимодействия, обусловленные процессами диссипации, испарения, фрагментации и ионизации газовой и аэрозольной компонент атмосферы, приводящие к наведенным изменениям показателя преломления среды в мощном лазерном пучке (МЛП) [19]. В связи с этим, механизмы О А-генерации АВ в атмосфере многочисленны и по своей эффективности неравнозначны [20-22].
Выделение теплоты - одно из наиболее универсальных физических явлений, протекающих при поглощении оптического излучения. Тепловая энергия может различными путями частично преобразовываться в энергию АВ. При умеренных плотностях выделившейся энергии, когда не происходит фазовых превращений в веществе, генерация АВ происходит вследствие нагревания и теплового расширения среды в области поглощения
воздействующего излучения. Это термоупругий механизм генерации АВ. Акустические поля тогда удается описать в рамках линейной теории.
Значительно сложнее выглядит картина генерации АВ при больших плотностях вводимой в среду энергии проникающего излучения. Возникающие в этом случае закономерности носят нелинейный характер. Существенными оказываются эффекты, обусловленные возрастанием скорости расширения нагреваемого объема среды (гидродинамическая нелинейность), а также изменением термодинамических характеристик вещества в процессе действия проникающего излучения (тепловая нелинейность). При дальнейшем росте плотности выделившейся тепловой энергии развиваются более сложные процессы генерации АВ, связанные с фазовыми переходами, например в условиях так называемого пузырькового механизма генерации АВ и образования ударных волн в жидкости.
Одним из проявлений нелинейных эффектов в атмосфере, так же как и в жидкостях [7], является оптический пробой, важная черта которого - пороговый характер. Частица, поглощающая лазерное излучение, разогревается до температуры, соответствующей области температур первой ионизации атомов и образованию плотной плазмы. В плазме происходит сильное поглощение лазерного излучения. Это приводит к дальнейшему сильному разогреву плазмы и образованию плазменной полости, которая расширяясь создает в воздухе ударную волну.
Развитие атмосферной оптоакустики, как научного направления, стало возможным благодаря научным работам специалистов нашей страны в области оптоакустики: Лямшев Л.М., Егерев СВ., Лямшев М.Л., Наугольных К.А., Карабутов А.А., Пеливанов И.М., Гусев В.Э., Жаров В.П., Летохов B.C., Аливердиев А.А., Джиджоев М.С. и др.
В начале 80-х годов прошлого столетия в связи с созданием и практическим использованием лазерных источников с рекордными параметрами излучения была поставлена задача изучения возможности использования ОА-эффекта совместно с атмосферно-
оптическими экспериментальными исследованиями для целей решения научных и технических программ, связанных с распространением МЛП на протяженных атмосферных трассах, построением моделей распространения МЛИ в АПС с подтверждением их лабораторными измерениями. Использование ОА-эффекта в решении указанной задачи имеет две стороны: оптическую и акустическую.
Актуальность исследований первой из них связана с появлением автономных источников МЛП разнообразного применения [14] и определяется практической потребностью в прогнозе эффективности их работы в атмосфере во всепогодных условиях, в том числе для решения задач проводки молниевого разряда по заданной траектории [15, 16], и в связи с этим, необходимостью разработки дистанционных методов определения параметров МЛП и методов дистанционного определения параметров атмосферного аэрозоля в канале МЛП.
С другой стороны, дистанционные исследований с использованием ОА-эффекта предполагают вовлечение в круг решаемых задач явлений, связанных с трансформацией возникающих в МЛП ОА-сигналов, распространяющихся в АПС до приемников АВ.
Вторая сторона - исследование распространения АВ в АПС, имеет более давнюю историю. Двухтомник «Теория звука» - первая значительная работа по акустике была опубликована Лордом Релеєм еще в 1877 г. Интерес к распространению АВ в АПС резко стимулировался в начале 70-х годов прошлого столетия развитием методов акустического [8] и радиоакустического [264] зондирования атмосферы, а также необходимостью решения нарастающих проблем техногенного общества, связанных с шумовым загрязнением АПС и его пагубным влиянием на здоровье человека. Современные радиофизические методы, основанные на взаимодействии АВ со средой распространения, играют важную роль в дистанционных исследованиях АПС, чем и обусловлена актуальность решения второй части поставленной задачи.
Таким образом, настоящая работа затрагивает актуальные проблемы оптики атмосферы, относится к области экспериментальной радиофизики, а именно, это атмосферная оптоакустика - одно из развивающихся в последние годы направлений оптоакустики. Среди различных методов исследования процессов, связанных с взаимодействием МЛИ с веществом атмосферы, атмосферная оптоакустика занимает достаточно крепкие позиции. Прежде всего, это связано с дополнительным независимым источником исследовательской информации, получаемой в изучении акустических последствий взаимодействия лазерного излучения с веществом атмосферы.
Приоритет в экспериментальных исследованиях атмосферных ОА-явлений во многом принадлежит работам сотрудников ИОА СО РАН, что стало возможным благодаря интенсивному развитию государственных научно-технических программ, выполняемых ИОА СО РАН под руководством академика Зуева В.Е.
Генерация акустических импульсов при взаимодействии МЛИ с твердофазным аэрозолем атмосферы впервые зарегистрирована специалистами ИОА СО РАН: Копытин Ю.Д., Шаманаева Л.Г., Муравский В.П., Красненко Н.П. (1980 г.) [97].
Весомый вклад в теоретических и экспериментальных исследованиях по атмосферной оптоакустике в нашей стране сделан следующими коллективами ученых: Сорокин Ю.М. с сотрудниками - Горьковский государственный университет им Н.И. Лобачевского; Воробьев В.В. с сотрудниками - Институт физики атмосферы им. A.M. Обухова РАН; Белов Н.Н. с сотрудниками - Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я. Карпова; Красненко Н.П. и Землянов А.А с сотрудниками - Институт оптики атмосферы СО РАН.
Однако аспекты, связанные с процессом распространения ОА-сигналов от места их генерации в МЛП до приемника АВ, рассмотрены не были. О степени воздействия АПС на распространение АВ свидетельствует следующее. Взаимодействие электромагнитных и
АВ с АПС можно оценить величиной показателя преломления среды, т. е. отношением фазовой скорости волн в среде к фазовой скорости при стандартных условиях [8]. Результаты сравнения для АВ с длиной волны ~1,3 см и оптических волн с длиной волны ~0,2 * 20 мкм показывают, что показатель преломления АВ чувствительнее показателя преломления оптических волн: в 1700 раз при изменении температуры на 1 К, в 3500 раз при изменении влажности на 1 мб и в 1,5 млрд. раз при изменении скорости ветра на 1 м/с.
Всесторонние теоретические и экспериментальные исследования распространения звуковых волн в турбулентной [10] движущейся [9] атмосфере в рамках линейной акустики и теоретическое описание нелинейных волновых процессов [12, 13] в сплошных средах обозначили класс нерешенных и представляющих интерес для атмосферной оптоакустики задач. Прежде всего это влияние подстилающей поверхности на распространение АВ в АПС: факторы дополнительного приземного и особенности турбулентного ослабления АВ, искажение звуковых полей, флуктуации АВ и формирование распределения внешних акустических шумов вблизи подстилающей поверхности, а также особенности нелинейных эффектов при распространении АВ в АПС.
Научное направление - изучение распространения звука в АПС, после Второй мировой войны было закрыто в нашей стране, как неперспективное. Не проводились систематические научные исследования, не защищались диссертации. Из известных экспериментальных и теоретических работ по распространению звука умененной мощности можно выделить исследования, проведенные сотрудниками Института физики атмосферы РАН (Голицын Г. С, Гурвич А. С, Татарский В. И., Красильников В. А., Калистратова М. А.), в которых определялись флуктуационные характеристики АВ, распространяющихся в атмосфере без учета влияния подстилающей поверхности, в основном, с целью сопоставления с теоретическими выводами о турбулентных характеристиках АПС.
Развитие исследований по атмосферной акустике в нашей стране возобновилось в конце 70-х годов прошлого столетия, когда были востребованы и проводились в нескольких организациях по заданию государственных органов научно-технические программы по этому направлению.
Значительный вклад в развитие атмосферной акустики в этот период принадлежит научным работам ученых: Осташев В.Е., Куличков С.Н., Чунчузов И.П. с сотрудниками -Институт физики атмосферы им. A.M. Обухова РАН; Красненко Н.П., Богушевич А.Я., Одинцов С.Л. с сотрудниками - Институт оптики атмосферы СО РАН; Руденко О.В. с сотрудниками - Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова; Гурбатов С.Н. с сотрудниками - Горьковский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, Чернов Л. А. с сотрудниками - Акустический институт им. Н.Н. Андреева РАН.
Возвращаясь к изложению вопросов, связанных с постановкой задачи, необходимо обозначить круг дополнительных вопросов, без рассмотрения которых изложение настоящего исследования будет неполным.
При решении задач атмосферной оптоакустики обычно справедливо следующее допущение. Вследствие действия силы тяжести в атмосфере средние значения ее параметров изменяются в вертикальном направлении на несколько порядков быстрее, чем в горизонтальном. Поэтому на не очень больших горизонтальных расстояниях АПС рассматривают как стратифицированную движущуюся среду, средние значения параметров которой зависят только от высоты. В АПС к параметрам среды, стратификация которых реально значима при распространении АВ, относятся только температура воздуха, скорость и направление ветра [8-10].
Преодолевая расстояние от излучателя до приемника, широкополосный акустический сигнал искажается, причем низкие частоты больше подвержены дифракции, а высокие - затуханию. Поэтому влияние диссипативных и дифракционных искажений на фор-
му ОА-сигнала рассматривается в случае сильно различающихся масштабов их проявления. Например, в задачах неразрушающей диагностики конденсированных сред обычно наблюдаются акустические импульсы небольших амплитуд, поэтому влиянием нелинейных искажений на форму ОА-сигнала пренебрегается [11].
Рассматривая задачу дистанционной ОА-диагностики МЛП в атмосфере, явлениями линейной и нелинейной трансформации ОА-сигналов пренебрегать не следует [12, 13].
Практические направления исследований атмосферной оптоакустики имеют свою специфику. Например, для решения задачи проводки молниевого разряда по заданной траектории необходимы работающий в реальном масштабе времени способ диагностики оптического состояния АПС и методика прогнозирования эффективности использования тех или иных геометрических и энергетических параметров МЛП в конкретных оптико-метеорологических состояниях АПС. В качестве диагностического инструмента канала ионизации типа длинной лазерной искры (ДЛИ) можно использовать акустический метод [16], суть которого заключается в том, что об эффективности образования канала судят по принимаемому акустическому сигналу, генерируемому очагами пробоя (ОП), возникающими при взаимодействии импульса излучения СОг-лазера с твердыми частицами аэрозоля. Эффективность образования высокоионизованного канала состоит в создании высокой концентрации ОП, равномерного распределения их по длине канала МЛИ.
Существует еще один аспект использования результатов решения обсуждаемой проблемы - медицинский. В [17] показана возможность использования интенсивного лазерного излучения для удаления нежелательных образований из кровеносных сосудов за счет их фотохимического разложения. Вместе с тем, было обнаружено, что при энергетике излучения, необходимой для разрыва химических связей в удаляемом объекте, не удается избежать разрушения прилегающих здоровых тканей, непосредственно облучению не подвергающихся. Какой из механизмов разрушения тканей реализуется на практике и
вносит нежелательные побочные действия лазерного излучения следует определить на основе отработанной системы диагностики идентификации тепловых процессов, происходящих в поглощающих тканях. Для этой цели возможно использование акустического метода, позволяющего по измерениям характеристик акустического импульса идентифицировать тепловое расширение вещества тканей и реализацию фазовых переходов в регулярном и взрывном режиме [18].
Цель исследования. Изучение физических основ генерации, распространения и оптимального приема акустических волн при воздействии мощного лазерного излучения на вещество атмосферы.
Задачи исследования
Определение границ применимости известных и разработка физических основ новых ОА-методов исследования распространения МЛП в АПС.
Постановка натурных и лабораторных экспериментов для исследования процесса импульсного лазерного возбуждения АВ в атмосфере и модельных аэродисперсных средах и на этой основе - разработка и апробация методов дистанционного измерения параметров МЛП и микрофизических характеристик аэрозольных компонент атмосферы.
В части исследования влияния АПС на параметры ОА-откликов, регистрируемых удаленным ОА-приемником, предусматривается следующее.
3. Определение частотного диапазона ОА-сигналов и его зависимости от параметров
МЛП и параметров атмосферы как аэрозольной среды.
Для определенного по п. 3 частотного диапазона:
4. Создание методики экспериментальной селекции и исследования наиболее значи
мых факторов изменения среднего уровня звука, распространяющегося на приземных
трассах до 1 км, а также исследование особенностей статистических свойств флуктуации
приземных звуковых волн.
Разработка алгоритма прогноза нелинейных искажений звуковых волн в АПС на основе результатов соответствующих экспериментов.
Исследование влияния внешнего акустического шума на отношение сигнал-шум при регистрации ОА-сигналов наземным приемником.
Методы исследования
В работе использованы положения теории термооптической генерации ОА-сигналов в газах, оптической генерации АВ водными аэрозолями, линейного и нелинейного ослабления звука в атмосфере, включая численное моделирование конкретных задач ОА-генерации и распространения АВ. Экспериментальные методы включали измерение амплитудных и пространственно-временных характеристик импульсных ОА-сигналов и тональных звуковых сигналов, а также опирались на методы математической статистики при обработке результатов измерений.
Научные положения, выносимые на защиту
Амплитуда оптико-акустического импульса, генерируемого при поверхностном испарении, взрывном вскипании и разрушении частиц водных аэрозолей под воздействием излучения СОг-лазера микросекундной длительности, пропорциональна водности аэрозоля для однородно поглощающих частиц и зависит от плотности лазерной энергии по степенному закону с показателем степени: 2 - при поверхностном испарении; 0,5 * 0,8 -при взрывном вскипании и разрушении.
Акустические параметры длинной лазерной искры, возникающей в атмосфере при распространении мощного излучения СОг-лазера микросекундной длительности и состоящей из отдельных очагов пробоя, определяются концентрацией аэрозольных твердофазных частиц размерами выше критического, зависящего по обратностепенному закону от плотности лазерной энергии. Длительность и амплитуда оптико-акустического импуль-
са, генерируемого очагом пробоя размерами от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров, линейно пропорциональны размеру видимого ореола очага пробоя.
Флуктуации амплитуды звуковых волн на атмосферных трассах протяженностью до 100 м при влиянии граничных свойств подстилающей поверхности возрастают до уровня насыщения с увеличением длины трассы, частоты звука и интенсивности турбулентности атмосферы быстрее, чем в свободном пространстве. Статистические характеристики флуктуации амплитуды звуковых волн на приземных трассах до 1 км при влиянии граничных свойств подстилающей поверхности имеют масштаб подобия, зависящий от эффективной скорости ветра, поперечной трассе распространения звука, для любых метеорологических состояний пограничного слоя атмосферы.
Использование параболического уравнения Хохлова-Заболотской-Кузнецо-ва позволяет прогнозировать нелинейные искажения звуковых волн, распространяющихся в свободной атмосфере на дальности порядка 100 м, с точностью не хуже ± 1 дБ.
Высотно-частотное распределение внешнего акустического шума в приземном слое атмосферы зависит от граничного акустического импеданса подстилающей поверхности. Нейтральная частота, для которой отсутствует высотно-частотная зависимость отношения сигнал-шум при высоте приема нескольких метров над подстилающей поверхностью, зависит в однопараметрической модели импеданса подстилающей поверхности от удельного сопротивления текучести по степенному закону с показателем степени 3/5. При увеличении высоты приема отношение сигнал-шум уменьшается для частот выше нейтральной и увеличивается для частот ниже нейтральной частоты.
Прогноз амплитудно-частотных искажений звуковых сигналов при оптико-акустической диагностике распространения мощных лазерных пучков в приземном слое атмосферы позволяет более чем в 2 раза увеличить точность восстановления пространственных характеристик длинной лазерной искры на трассах протяженностью до 1 км.
Достоверность научных результатов
Достоверность результатов и выводов подтверждается:
обоснованностью физических предпосылок, использованных для определения параметров ОА-сигналов, которые характеризуют процесс взаимодействия МЛП с веществом атмосферы;
тщательной методической проработкой вопроса регистрации, обработки ОА- и акустических сигналов с учетом амплитудно- и фазочастотных характеристик приемных датчиков и регистрирующего оборудования, а также учетом возможных методических и экспериментальных ошибок;
использованием в качестве акустических приемников сертифицированных датчиков, а в качестве регистрирующего оборудования - метрологически поверенных приборов.
статистической обеспеченностью получаемых данных, их повторяемостью и хорошим соответствием с результатами, выполненными позднее другими авторами;
сравнением выводов, следующих из экспериментальных данных с результатами математического моделирования процессов генерации и распространения ОА- и акустических сигналов в АПС;
в численном моделировании и расчетах - тестированием созданных алгоритмов на известных задачах, имеющих аналитическое решение или выполненных другими авторами и получивших всеобщее признание.
Научная новизна результатов
1. ОА-исследованиями обнаружено уменьшение акустического энерговклада при светоиндуцированной взрывной фрагментации водных аэрозолей и установлены пороги взрывного вскипания и разрушения водных капель аэрозоля, хорошо согласующиеся с соответствующими оптическими исследованиями. Установлена квадратичная зависимость амплитуды ОА-импульса от плотности энергии воздействующего излучения СОг-лазера
при поверхностном испарении частиц водных аэрозолей. Зафиксирован сверхзвуковой разлет продуктов взрыва аэрозольных капель в эффективную область, превышающую эффективную область при поверхностном испарении в ~ 3 * 4 раза. На основе эффектов нелинейно-оптических взаимодействий предложен ОА-способ измерения концентрации частиц водных аэрозолей в атмосфере.
В свободной атмосфере дистанционно зарегистрированы ОА-импульсы термооптического механизма генерации АВ. О А-измерениями подтверждена теоретически определенная линейность зависимости амплитуды акустического импульса при термооптической генерации от плотности энергии лазерного излучения.
Микрофизическими и ОА-измерениями определены критические размеры частиц твердофазного аэрозоля, инициирующих оптический пробой в атмосфере. Установлено, что амплитуда и длительность акустического импульса, генерируемого квазисферическим ОП в атмосфере, определяются видимыми размерами его ореола.
Разработан методический подход селекции турбулентного ослабления звука в ат-мосферно-акустических исследованиях на приземных трассах, позволивший экспериментально доказать справедливость положений теории турбулентного ослабления звука, полученных в малоугловом приближении. Получены эмпирические зависимости турбулентного ослабления звука от длины трассы, частоты звука и скорости среднего поперечного ветра, которые хорошо согласуются с теоретическими расчетами.
Обнаружено, что флуктуации уровня звука на атмосферных трассах до 100 м при влиянии граничных свойств подстилающей поверхности возрастают до уровня насыщения быстрее, чем в свободном пространстве. Обосновано применение для статистических характеристик флуктуации амплитуды приземной звуковой волны масштаба подобия, зависящего от эффективной скорости ветра, поперечной трассе распространения звука.
На основе эффекта уширения частотного спектра звуковых сигналов, распространяющихся в атмосфере, предложены способы измерения внешнего масштаба турбулентности атмосферы и оптимизации ширины приемной диаграммы направленности для акустического зондирования скорости ветра в атмосфере, а на основе эффекта рефракции звука - способ измерения температуры атмосферы.
Определены уровни нелинейного поглощения мощных звуковых пучков на коротких атмосферных трассах в контролируемых метеоусловиях, что позволило обосновать использование методики прогноза нелинейного поглощения звука на основе численного решения уравнения Хохлова-Заболотской-Кузнецова.
Показано, что высотно-частотные характеристики внешних акустических шумов в атмосфере зависят от граничного импеданса подстилающей поверхности. Предложен способ определения нейтральной частоты, для которой отсутствует высотно-частотная зависимость отношения сигнал-шум при высоте приема нескольких метров над подстилающей поверхностью. При увеличении высоты приема отношение сигнал-шум уменьшается для частот выше нейтральной и увеличивается для частот ниже нейтральной частоты.
При переходе от фемто- к наносекундной длительности импульса лазерного излучения для неизменной энергии излучения амплитуда генерируемого аэрозольным объемом ОА-отклика уменьшается на два порядка. Нелинейный ОА-эффект при взаимодействии фемтосекундного лазерного излучения с воздухом свидетельствует о нетривиальном поглощении лазерного излучения.
Новизна подтверждается авторскими свидетельствами на изобретения.
Научная значимость результатов работы
Методы, развитые при экспериментальном исследовании процессов вскипания жидкости и акустики взрывающихся капель, а также полученные физические результаты акустических последствий взаимодействия МЛП с веществом атмосферы важны для исследо-
вания физики конденсированного состояния вещества, физики теплового взаимодействия лазерного излучения с веществом, кинетики двухфазных сред.
Программы, методики и сопутствующее им математическое обеспечение, разработанные в процессе выполнения исследований, образуют в совокупности метод исследования распространения МЛП в атмосфере и аэрозольных компонент атмосферы. Метод можно использовать для исследований трансформации характеристик аэрозольных ансамблей различного происхождения под воздействием мощного оптического излучения, в том числе фемтосекундной длительности.
Практическая значимость результатов работы
Создана методика автоматизированной дистанционной (до 1 км) ОА-экспресс-диагностики канала распространения МЛП в АПС и программно-экспертная система (ПЭС) «Атмосферная оптоакустика», базирующиеся на прогнозе приземного распространения звука и ОА-индикации процессов взаимодействия МЛП с веществом атмосферы.
Установленная с помощью О А-измерений адекватность физических процессов взаимодействия МЛП с аэрозолем в лабораторных и натурных условиях явилась основой методологии разработки инженерной модели оценки пропускания МЛП в условиях тумана, летней дымки, дождя.
Результаты исследования высотного распределения уровня внешнего шума в атмосфере позволяют: для систем дистанционной ОА-диагностики и акустического зондирования атмосферы - значительно повысить их потенциал за счет увеличения отношения сигнал-шум на апертуре акустического приемника; для целей экологической безопасности и борьбы с шумовым загрязнением АПС - уменьшить факторы вредного воздействия на человека внешних акустических шумов техногенного характера.
Создан программный комплекс «Атмосферная нелинейная акустика», позволяющий контролировать степень нелинейных искажений звуковых волн на коротких трассах в
атмосфере, генерируемых при распространении МЛП в атмосфере, а также проектировать новые мощные средства звуковещания и акустического зондирования атмосферы. 5. Акустические свойства созданного плазменного излучателя АВ позволяют рекомендовать его в качестве эталонного источника в диапазоне частот, недоступном при других способах генерации. Плазменный излучатель АВ имеет недостижимую для известных способов генерации ширину полосы воспроизводимых частот при незначительных нелинейных и амплитудно-частотных искажениях.
Внедрение результатов работы и рекомендации по их использованию Результаты работы использованы в следующих организациях.
Институт оптики атмосферы СО РАН: при выполнении госбюджетных и хоздоговорных работ в период с 1982 г. по настоящее время.
Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН: для выполнения опытно-конструкторской работы по проблеме распространения звука в АПС, которая завершилась в 2004 г. созданием устройства прогнозирования дальности звукового вещания, изготовлением опытного образца и его государственными испытаниями.
Предприятие п/я Р-6271: для экспериментального изучения акустических свойств плазмы оптического пробоя атмосферы.
ОАО «Научно-производственное предприятие «Звукотехника»: в течение более 20 лет для прогноза распространения звуковых волн в приземном слое атмосферы и для учета нелинейного поглощения звука в атмосфере в целях совершенствования существующих и разработки новых средств дальнего звуковещания.
Предприятия ФГУП «Научно-производственный центр «Полюс» Российского авиационно-космического агентства и ООО «Научно-производственная фирма «Диамос»: многоцелевая ПЭС регистрации и обработки акустической информации, в основе алгоритмов которой служат, в частности, методы многоканальной спектральной обра-
ботки сигналов с коррекцией переходных характеристик приемных датчиков и аналоговых электронных схем оборудования, методы оптимальной фильтрации сигналов на фоне шумов и помех, а также способ, защищенный патентом Российской Федерации (патент № 2140626 от 27.10.1999 г. / Бочкарев Н.Н., Картопольцев А.В.). ПЭС служит составляющей частью прибора «Диамос», разработанного и изготовленного автором (Сертификат об утверждении типа средств измерений RU.E.28.060.AN 7903, выдан Госстандартом России 30.06.2000 г.).
6. Томский государственный университет: действующий макет плазменного акустического излучателя, разработанный и изготовленный автором, в целях учебного процесса для демонстрации нетрадиционного использования низкотемпературной плазмы. Внедрение результатов работы подтверждается актами использования. Для дальнейшего практического использования представляют интерес следующие
законченные научно-технические результаты работы.
Учет влияния высотного распределения внешнего акустического шума в атмосфере на отношение сигнал-шум в приемном тракте систем акустического и ОА-зондирования атмосферы и оценка эффективности действия систем дальнего звуковещания.
Учет влияния флуктуации приземных звуковых волн на эффективность работы систем ОА-зондирования атмосферы и дальнего звуковещания.
Учет влияния нелинейного поглощения звука в атмосфере на эффективность действия систем акустического зондирования атмосферы и систем дальнего звуковещания.
Программно-экспертный алгоритм прогноза и восстановления параметров ОА-сигналов, генерируемых МЛП в атмосфере, с учетом механизмов их трансформации при распространении в АПС, характеристик внешних акустических шумов и технических параметров регистрирующего оборудования.
Комплекс экспериментальных исследований, выполненных в области атмосферной акустики, а именно: по факторам ослабления, флуктуации и нелинейного поглощения звуковых волн, высотному распределению акустических шумов в атмосфере, перспективен в практическом использовании для модернизации существующих и создания новых технических систем передачи и приема АВ в атмосфере, а также позволяет существенно улучшить технические характеристики таких систем, повысить их эффективность и конкурентоспособность.
Полученные в работе научно-технические решения и результаты можно использовать при планировании новых экспериментов по изучению взаимодействия МЛП с веществом атмосферы.
Личный вклад автора
Диссертационная работа является обобщением исследований автора по проблеме взаимодействия МЛП с веществом атмосферы ОА-методом, выполненных в период с 1982 г. по настоящее время в рамках лаборатории атмосферной акустики (зав. лаб., д.ф.-м.н. Красненко Н.П.) и лаборатории нелинейно-оптических взаимодействий (зав. лаб., д.ф.-м.н. Землянов А.А.) Института оптики атмосферы СО РАН и кафедры оптико-электронных систем и дистанционного зондирования Томского государственного университета (зав. каф., д.ф.-м.н., член-корр. РАН ВШ Самохвалов И.В.). В исследованиях автору принадлежат: постановка научных задач; выбор методов решения; создание экспериментальной и приборной базы; планирование и проведение экспериментальных исследований; разработка алгоритмов, программ; анализ и интерпретация полученных результатов. Опубликованные по теме диссертации работы выполнены по инициативе и при непосредственном участии автора.
По существу содержания работы на различных этапах ее выполнения помощь автору была оказана следующими учеными: Погодаев В.А., Рождественский А.Е., Кабанов A.M.
- проведение экспериментов, интерпретация результатов исследования ОА-эффектов взаимодействия МЛИ с модельными аэрозолями ( 2.2); проведение экспериментов по приземному распространению звука - Муравский В.П. ( 4.2); проведение экспериментов с мощными звуковыми пучками в атмосфере - Клочков В.А., Фомичев А.А. ( 5.1); численное моделирование распространения мощных звуковых пучков - Коняев П.А. ( 5.4).
Апробация работы 1. Результаты диссертационной работы докладывались на: 7-ом и 8-ом Всесоюзных симпозиумах по лазерному и акустическому зондированию атмосферы, Томск - 1982 и 1984; 8-ом и 11-ом Всесоюзных симпозиумах по распространению лазерного излучения в атмосфере, Томск - 1986 и 1992; 1-ом, 2-ом, 4-ом, 6-ом, 7-ом, 8-ом, 10-ом 11-ом Межреспубликанских и Международных симпозиумах «Оптика атмосферы и океана», Томск - 1994, 1995, 1997, 1999, 2000, 2002, 2004, Иркутск - 2000; 3-ем Всесоюзном совещании по распространению лазерного излучения в дисперсной среде, Обнинск -1985; 19-ой Всесоюзной конференции по распространению радиоволн, Ленинград -1984; Всесоюзном симпозиуме по фотохимическим процессам земной атмосферы, Черноголовка - 1986; 2-ой Всесоюзной конференции молодых исследователей «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики», Новосибирск - 1987; 2-ом Межотраслевом акустическом семинаре «Модели, алгоритмы, принятие решений», Москва - 1988; 5-ой Международной школе по квантовой электронике «Laser-physics and applications», Болгария, Солнечный берег - 1988; Российской аэрозольной конференции, Москва - 1993; 14-ом Международном конгрессе по акустике, Китай, Пекин - 1993; 4-ом рабочем семинаре СНГ «Акустика неоднородных сред», Новосибирск - 1996; Международном конгрессе «Advanced high power laser and application. AHPLA'99», Япония, Осака - 1999; заседании 9-й рабочей группы «Аэрозоли Сибири», Томск - 2002; Международном симпозиуме «Lasers Material Interaction», С-
Петербург - 2003; 6-м Международном симпозиуме «Atomic and molecular pulsed lasers», Томск - 2003; Международной конференции «Современные проблемы физики и высокие технологии», Томск - 2003; 15 сессии Российского акустического общества, Нижний Новгород - 2004.
Представленные в диссертационной работе исследования выполнялись в рамках государственных и региональных программ. Среди них: госбюджетная тема №16 «Дистанционное зондирование атмосферы с использованием акустических волн» (гос. регистр. № 810026207), Федеральная целевая комплексная научно-техническая программа «Экологическая безопасность России», программы СО РАН «Исследование нелинейно-оптических взаимодействий в атмосфере» и «Волновые процессы при взаимодействии лазерного излучения с компонентами атмосферы». Работа выполнялась при финансовой поддержке гранта РФФИ № 03-05-64431.
На конкурсе прикладных работ СО АН СССР в 1989 г. в составе авторского коллектива за цикл работ по приземному распространению звука (частичное содержание 4-й и 6-й глав) работа получила диплом второй степени, а в 1987 г. за исследование энергетических и статистических характеристик интенсивного оптического излучения в регулярных и случайно-неоднородных средах (частичное содержание 2-4-й и 7-й глав) в составе авторского коллектива была удостоена премии Ленинского комсомола.
По теме диссертационной работы опубликовано: статей в центральных отечественных и зарубежных научных журналах и тематических сборниках - 35; тезисов докладов на отечественных и международных конференциях и семинарах - 38; авторских свидетельств на изобретения - 8.
Структура и объем диссертации: введение, семь глав, заключение, список литературы и приложение. Объем диссертации - 339 страниц основного текста, включая 92 рисунка, 3 таблицы. Список литературы - 271 наименование.
Краткое содержание диссертации
Во введении содержится краткий анализ состояния научной проблемы. Сформулированы цели и задачи работы, обосновывается ее актуальность, раскрывается научная новизна и практическая значимость работы, приводятся основные положения, выносимые на защиту. Кратко изложено содержание диссертации.
В первой главе приводится исторический обзор важнейших работ по научной проблеме, дана оценка результатов данных исследований с точки зрения обоснования акустического метода диагностики распространения МЛП в атмосфере и методологических возможностей применения ОА-эффекта в задачах дистанционной диагностики оптических свойств атмосферы, как аэрозольной среды.
Основные сведения об аэрозольной атмосфере, указанные в 1.1, раскрывают вопросы, связанные с ослаблением излучения МЛП в АПС и основные механизмы оптической генерация звука, связанные с этим поглощением. В зависимости от степени воздействия лазерного излучения на вещество атмосферы, согласно принятой терминологии, внимание акцентировано на следующих наиболее значимых механизмах ОА-генерации АВ в атмосфере: тепловой (термооптический, фотоакустический), поверхностное испарение, взрывное вскипание, оптический пробой.
В отличие от традиционных ОА-исследований в замкнутых объемах (ОА-ячейках) [9] атмосферная оптоакустика имеет дело с переменной составляющей генерируемого лазерным пучком акустического давления, возникающего в момент действия импульса лазерного излучения или в результате амплитудной модуляции последнего. Поэтому термооптический механизм генерации звука рассматривается в 1.2 для импульсного и гармонически модулированного лазерного излучения, распространяющегося при относительно слабом поглощении оптического излучения в АПС.
Особенности наиболее существенных механизмов оптической генерации звука, таких как взрывное испарение и фрагментация аэрозольных частиц, оптический пробой атмосферы рассмотрены в 1.3.
Процессы поверхностного испарения, взрывного вскипания, происходящие в жидких аэрозолях при воздействии импульсного лазерного излучения, приводят к возмущению плотности воздуха вокруг частиц и формированию АВ. В атмосфере, концентрации аэрозоля невелики, поэтому влияние аэрозоля сводится к возмущению газодинамических параметров среды.
ОА-эффекты в аэрозолях, связанные с быстрым и неоднородным прогревом двухфазных систем как в допороговых, так и в сверхпороговых для развития оптического разряда режимах взаимодействия с оптическим излучением, представляют собой целый класс физических процессов. Рассмотрен ряд эффектов, возникающих на твердом и жидком аэрозоле в сверхпороговых для развития оптического разряда режимах взаимодействия с излучением, дана классификация возникающих АВ, проанализированы возможности дистанционной ОА-диагностики параметров МЛП и аэрозоля.
В 1.4 сформулирована задача разработки метода атмосферной ОА-диагностики МЛП и аэрозолей. Показано, что для решения поставленной задачи, необходимо рассмотреть комплекс вопросов, связанных не только с физическими механизмами генерации АВ при взаимодействии МЛП с веществом атмосферы, но и сопутствующие вопросы распространения АВ в АПС с учетом искажающего влияния подстилающей поверхности и внешних акустических помех на ОА-прием.
Отмечается, что изучение плазмообразования в атмосфере под действием МЛИ важно не только для решения проблемы передачи лазерной энергии на большие дистанции, но и для лазерной проводки молниевого разряда по заданной траектории, когда требуется
повышение эффективности формирования высокоионизованного канала - пространственной четочной ДЛИ.
Контролируя энергетические параметры лазерного излучения в АПС с помощью многоканальной ОА-диагностики, имеется возможность восстанавливать коэффициент поглощения МЛИ. Например, прозрачность атмосферы для излучения СОг-лазеров в конкретный момент времени обусловлена количественным содержанием водяного пара и аэрозоля. В связи с этим ОА-диагностика позволяет получать информацию о коэффициенте пропускания атмосферы при различных метеосостояниях АПС.
Построение физической ОА-модели взаимодействия МЛП с веществом атмосферы требует знания зависимости коэффициента аэрозольного ослабления МЛИ от энергетических параметров МЛИ. Исследование такой зависимости следует проводить в контролируемых лабораторных условиях. Необходимым условием разработки такой модели является уверенность в идентичности физических процессов, протекающих при взаимодействии МЛП с веществом атмосферы в лабораторных и натурных условиях.
Вторая глава посвящена вопросам экспериментальных исследований распространения МЛИ импульсных СОг-лазеров микросекундной длительности на атмосферных приземных трассах в условиях тумана, мороси, дождя ( 2.1) и в лабораторных условиях в модельных аэрозолях ( 2.2).
Дистанционная индикация взаимодействия МЛИ с частицами аэрозоля различного химического и фазового состава в атмосфере возможна благодаря фазовому переходу жидкокапельного аэрозоля и оптическому пробою, развивающемуся на отдельных частицах. Индикационными характеристиками таких процессов являются генерация АВ и изменение рассеивающих свойств аэрозоля при фазовом взрыве частиц.
В 2.1 рассмотрены вопросы постановки экспериментальных исследований механизма генерации звука аэрозольными частицами в атмосфере в допробойном режиме распространения МЛИ, приводятся и обсуждаются полученные результаты.
Отмечается, что уровень акустического сигнала, генерируемого импульсным МЛИ, достаточен для его уверенной регистрации на расстояниях в несколько километров при использовании направленного акустического приема: узконаправленный микрофон, параболическая антенна со звукозащитной блендой. Такой результат имеет практическую значимость для задач дистанционной диагностики распространения МЛП в атмосфере и для целей зондирования некоторых метеорологических параметров АПС ОА-способом.
При регистрации ОА-сигналов приемником, расположенным вблизи подстилающей поверхности, возникают отраженные АВ, которые при решении задач атмосферной оп-тоакустики представляют серьезную помеху. Компенсация таких помех требует исследования физических эффектов при распространении АВ вблизи подстилающей поверхности.
Обсуждению количественных данных об изменении основных характеристик регистрируемого акустического отклика, генерируемого при испарительном и взрывном взаимодействии лазерного излучения с малым объемом поглощающего вещества в лабораторных условиях, и установлению причины этих изменений посвящен 2.2. Эти исследования проводились с целью определения набора характерных параметров процесса, наиболее полно характеризующих исследуемый эффект взрывного вскипания, причем таких, по которым, учитывая специфику задачи, можно проводить сравнение и корректировку теоретических моделей с экспериментальными данными.
Экспериментальные исследования показали, что амплитуда генерируемых ОА-сигналов пропорциональна водности аэрозоля. Получена нелинейная зависимость амплитуды ОА-сигнала от плотности лазерной энергии при переходе от поверхностного испарения жидкокапельного водного аэрозоля к его взрывному вскипанию и разрушению.
В 2.3 рассмотрена модель импульсного ОА-эффекта в аэродисперсной среде, представляющей собой пространственно-ограниченный объем в виде сферы или длинного цилиндра. Исходя из предположения об изменении размера области формирования акустического импульса, проводилось численное моделирование процесса формирования регистрируемого акустического отклика. Для импульса воздействующего лазерного излучения конечной длительности регистрируемый акустический сигнал представляет собой свертку возникающего акустического сигнала с расчетной переходной характеристикой пространственных условий регистрации сигналов.
На основании проведенных модельных экспериментов сделан вывод о том, что форма акустического сигнала, формируемого при тепловом взаимодействии лазерного излучения с малым объемом поглощающего вещества, определяется режимом взаимодействия и существенно от него зависит. Полученные количественные данные амплитудных и временных зависимостей акустического давления позволяют проводить идентификацию режима взаимодействия МЛИ с поглощающим веществом.
Третья глава посвящена акустике оптического пробоя в атмосфере.
Оптический пробой обладает наиболее высоким коэффициентом преобразования падающей лазерной энергии в акустическую. Поскольку ДЛИ характеризуется несколькими существенно различными пространственными масштабами, в том числе размером ОП и средним расстоянием между соседними ОП, это позволяет выделить связанные с ними низкочастотные компоненты АВ, генерируемых ДЛИ, и интерпретировать нелинейные потери энергии МЛП на трассе распространения.
В 3.1 приведено описание методики проведения измерений и представлены результаты экспериментов по регистрации акустических откликов, генерируемых квазисферическими ОП в канале импульсного МЛИ.
Путем многократной одновременной регистрации видимого размера ОП и генерируемого им акустического импульса найдены эмпирические соотношения, связывающие диаметр ОП с длительностью и амплитудой генерируемого им акустического импульса. Показано, что квазисферический ОП, как источник акустического импульса, является излучателем нулевого порядка. Поэтому, амплитуда и длительность генерируемого им акустического импульса зависят только от его геометрических размеров. Это позволяет по измерению параметров генерируемых ОП акустических откликов на трассе распространения МЛП определить размеры отдельных ОП в ДЛИ и их распределение по размерам, после чего построить гистограммы, иллюстрирующие области нелинейных потерь в МЛП.
В 3.2 проанализированы принципиальные отличия акустических сигналов, генерируемых ДЛИ и отдельными ОП, и рассмотрены особенности регистрации ОА-сигналов, генерируемых ДЛИ в канале распространения МЛИ.
Отмечается, что в ранее опубликованных работах не проводилась обработка акустических свойств ДЛИ в реальном времени и приводятся примеры обработки ОА-сигналов, генерируемых ДЛИ, с помощью ПЭС «Атмосферная оптоакуетика».
Специфика разрядов типа ДЛИ проявляется на поздних стадиях, когда ОП расширяются в окружающий газ по механизму светодетонационной волны. Область пробоя характеризуется несколькими пространственными масштабами: средний размер ОП, среднее расстояние между соседними ОП и общий размер области пробоя. Эти пространственные масштабы в частотной области проявляют себя в виде спектральных особенностей, по которым можно оперативно оценить указанные выше масштабы. Чем точнее первичные измерения для определения частотных спектров, тем выше точность измерения пространственных масштабов области пробоя.
Четвертая глава посвящена особенностям и прогнозу приземного распространения звука в рамках линейного приближения для задач диагностики распространения МЛП в
атмосфере. Изложение материала в форме обзора включает исследования автора и анализ известных публикаций в отечественной и зарубежной литературе.
В 4.1 указаны особенности научных задач при исследовании распространения звука вблизи подстилающей поверхности, а 4.2 приведена методология проведения натурных экспериментальных исследований по ослаблению и флуктуациям амплитуды приземных звуковых волн на трассах до 1 км.
В 4.3 классифицированы по степени значимости известные факторы искажения (ослабления или усиления) звуковых волн при распространении в АПС вблизи поверхности земли на дальностях до 1 км. Особое внимание акцентировано на следующих факторах: влияние подстилающей поверхности, как границы, обладающей конечным модельным импедансом; турбулентное ослабление звука, зависящее от частоты звуковой волны, интенсивности турбулентности атмосферы и взаимного размещения источника, приемника звука и подстилающей поверхности; влияние рефракции при волноводном и антивол-новодном режимах распространения звука.
Теоретическое описание флуктуации амплитуды и фазы звуковой волны детально выполнено для случая распространения звука в свободном пространстве [10]. Соответствующей теории для распространения звука над импедансной поверхностью нет. В 4.4 обсуждаться рамки применимости уже существующей теории, исходя из сопоставления теоретических и экспериментальных результатов.
Получено, что при распространении звуковых волн вблизи поверхности земли относительная дисперсия флуктуации уровня звука способна к более быстрому насыщению (достижению максимума), нежели при распространении в свободном пространстве, то есть измеряемые значения дисперсии флуктуации оказываются значительно больше прогнозируемых. Для статистических характеристик флуктуации амплитуды волн звукового
диапазона частот обосновано применение масштаба подобия, зависящего от эффективной скорости ветра, поперечной к трассе распространения звука.
Уширение частотного спектра ОА-сигналов при распространении от источника к приемнику АВ, обусловленное турбулентностью атмосферы рассмотрено в 4.5. Эффект уширения, обусловленный беспорядочной модуляцией частоты звукового импульса, создается взаимным влиянием турбулентности и поперечного ветра.
Основные искажения ОА-сигналов, распространяющихся в атмосфере, проанализированы в 4.6. Отмечается, что в слаботурбулентной атмосфере при распространении звука на расстояния порядка 1 км наиболее слабому ослаблению подвержены частоты ниже 200 Гц. Средние частоты будут ослабляться влиянием поверхности земли, а высокие -влиянием классического и молекулярного поглощения. При увеличении интенсивности турбулентности в атмосфере средние частоты будут ослабляться меньше, поскольку уменьшается фактор ослабления за счет подстилающей поверхности. Высокие частоты будут существенно подвержены влиянию турбулентного ослабления, если источник или приемник АВ обладает узкой диаграммой направленности. Рефракция оказывает малое влияние на ослабление звука при углах наблюдения к горизонту больших, чем ~5 до расстояний распространения звуковых волн порядка 1 км.
Нелинейное поглощение звуковых пучков в атмосфере рассмотрено в пятой главе. Методология натурных экспериментов по выявлению уровней нелинейного поглощения мощного звукового пучка в диапазоне частот 1 +3,5 кГц на атмосферных приземных трассах до 200 м приведена в 5.1, а в 5.2 обсуждаются полученные результаты.
Показано: эффект нелинейного поглощения экспериментально зафиксирован в исследованном диапазоне звуковых частот и трасс распространения звука, что стало возможным благодаря уникальным техническим характеристикам использованного в экспериментах мощного излучателя звука.
Теория нелинейной акустики [13] позволяет получить простые соотношения для оценки нелинейного поглощения звука при значительной разнице в масштабах проявления нелинейных, дифракционных и диссипативных эффектов. Строгий учет нелинейных эффектов требует использования совместного учета влияния нелинейности, дифракции и диссипации на распространение звуковых пучков.
В 5.3 на основе уравнения Хохлова-Заболотской-Кузнецова обсуждаются вопросы разработки численного алгоритма решения этого уравнения, а также сравнения результатов численного моделирования с результатами эксперимента. Предложенная схема численного моделирования распространения мощного звукового пучка в атмосфере уверенно согласуется с результатами экспериментальных исследований и может быть рекомендована для проведения наиболее тщательных расчетов нелинейных искажений звуковых волн в атмосфере.
В 5.4 численно моделируются с использованием разработанной программы "Атмосферная нелинейная акустика" различные ситуации трансформации частотного спектра и формы ОА-сигналов при их нелинейном распространении в АПС.
Термооптическая генерация акустических волн в атмосфере
Пороговые интенсивности пробоя на крупной (а 1 мкм) фракции аэрозольных частиц для импульсов МЛИ ближнего ИК-диапазона длительностью 10" -г- 10" с R Q 9 11 составляют 10 10 Вт/см . Для сравнения величина порога в чистом газе составляет 10 9 17 Вт/см . Соответствующие величины для дальнего ИК-диапазона (Л 10 мкм) равны 10 R 9 10 9 Вт/см (пороги пробоя в чистом газе на данной длине волны превышают 10 Вт/см ). В плотном пылевом облаке за счет коллективных эффектов порог пробоя по интенсивности в длинных импульсах ( 10" с) может быть снижен до 10 -ь 10 Вт/см . Однако в естественной атмосфере данная ситуация реализуется крайне редко.
Известно, что уже при / 10 Вт/см (А = 1,06 мкм) эффективный коэффициент поглощения корундового аэрозоля существенно возрастает, что связывается, в частности, с поверхностными дефектами.
Повышение эффективности локального поверхностного разогрева и последующего плазмообразования на аэрозольных частицах неправильной формы может быть связано, главным образом, с двумя факторами - усилением поля вблизи выступов, ребер и острий; относительным снижением теплоотвода от указанных участков поверхности по сравнению со случаем поглощающей неоднородности в объеме аэрозольной частицы.
Оптические свойства ОП определяются, с одной стороны, формой ОП и динамикой пространственного распределения электронов в нем, с другой, - комплексным показателем преломления плазмы на длине волны воздействующего излучения. В видимом и ближнем ИК-диапазонах, где комплексный показатель преломления ОП в воздухе 1, задачи динамики плазмы могут быть решены в приближении заданного поля.
Влияние изолированного ОП на лазерный пучок является слабым и сводится, главным образом, к малоугловому рассеянию. Для излучения дальнего ИК-диапазона расчет самосогласованной динамики ОП осложняется быстрым изменением во времени и пространстве внутренних электромагнитных полей ОП, а его влияние на лазерный пучок становится сильным и при определенных условиях проявляется в блокировании излучения. Из общих соображений следует, что ОП имеют сферическую форму, по крайней мере, до тех пор, пока ослабление излучения плазмой не приведет к анизотропии энерговыделения на границах ОП.
В условиях реальной атмосферы и достаточно широких лазерных пучков возникает линейно протяженная четочная структура ОП - ДЛИ. Накопленный к настоящему времени экспериментальный материал не оставляет сомнений в аэрозольной природе ДЛИ. Этому способствуют не только надежная корреляция частоты возникновения ОП с концентрацией аэрозольных частиц размером не менее критического при неизменных параметрах лазерного излучения, но и непосредственная пространственно-временная идентификация возникающих ОП с конкретными аэрозольными частицами.
В [1] приведены результаты экспериментальных исследований зависимости концентрации ОП в ДЛИ, возникающей под действием микросекундных импульсов с X = 10,6 мкм. Аналогичные исследования на Л = 1,06 мкм выполнены в [62], а в [63] построена теория вероятности возникновения сгустков плазмы при фокусировке излучения в аэрозоле для случая, когда порог пробоя не зависит от радиуса частиц.
Число NQJJ сгустков плазмы на единицу длины лазерного луча (погонная концентрация) определяется соотношением [1]: где S(ri) - площадь части сечения лазерного пучка, во всех точках которой интенсивность превышает порог I id) оптического пробоя на частицах радиуса a, fid)- функция распределения аэрозольных частиц по размерам, интеграл от которой равен концентрации частиц в диапазоне размеров частиц [щ,(]
С увеличением мощности лазерного излучения величина Sid) становится отличной от нуля, а интенсивность достигает величины Inop id) .
В [64] показано, что порог оптического пробоя для микросекундных лазерных импульсов с Л = 10,6 мкм не зависит от вещества аэрозольных частиц по крайней мере в диапазоне а = 1 + 100 мкм. В [62] показано, что для частиц корунда а = 0,5 + 5 мкм при длительности лазерного импульса Тл = 80 не и Л = 1,06 мкм справедлива следующая аппроксимационная формула: hoP(a) = K3-a-k (1.5) где эмпирические константы имеют следующие значения: К = 2,9-10 [Вт-мкм" -см" ], кэ= 1,5. Аналогичная (1.5) зависимость получена в [65] с эмпирическим коэффициентом кэ= 1 +2. Формула (1.5) позволяет определить критический (минимальный для инициирования ДЛИ) размер аэрозольных частиц при заданной интенсивности.
Лазерная допробойная оптоаку етика модельных аэрозольных сред
В [2] времена взрыва исследовались оптическим методом по изменению прозрачности аэрозольного слоя и сигналу светорассеяния. Было отмечено уменьшение Тез от 3 до 1 мкс при увеличении Ел от 2 до 10 Дж/см . Эти результаты хорошо согласуются с экспериментальными данными, полученными другими авторами, выполненными по независимым методикам, а также с теоретическими расчетами [2]. Зафиксированное в [134] уменьшение времени задержки Т3 при увеличении значений Ел в тех же пределах, что и в работе [2], примерно на порядок больше величины Твз и не может быть объяснено изменением времени взрыва. Такое уменьшение может быть обусловлено еще двумя причинами: первая - значительный рост избыточного давления в области взаимодействия лазерного излучения с аэрозолем и, как следствие, рост нелинейных акустических эффектов: искажение профиля АВ, увеличение скорости ударной волны на ранних стадиях ее возникновения; вторая - увеличение размеров области генерации акустического импульса за счет разлета продуктов взрыва аэрозольных частиц после воздействия лазерного излучения. Первой из указанных причин согласно условиям проведения измерений можно пренебречь, поскольку нелинейные эффекты в генерируемых акустических импульсах ничтожно малы. Соответствующая оценка показывает, что параметр нелинейности N (число Хохлова) [12] принимает значения: М = (у + \)-(р0/р )-(7Г-аэ/А)2«\, (2.8) аэ - эффективный размер области формирования акустического импульса; р у -РI С0 - возмущение плотности. Очевидно, что возникшую АВ можно считать линейной уже на ранних стадиях ее распространения от объема взаимодействия.
Таким образом, в качестве возможной причины, приводящей к уменьшению величины Т3 с ростом плотности энергии лазерного излучения, следует считать изменение размера области формирования акустического импульса.
Относительная изменчивость временных параметров акустического отклика от плотности лазерной энергии экспериментально исследована с использованием модельной среды типа 3 (водный цилиндр, подраздел 2.2.1) и представлена на рис. 2.13 [140, 141]. В качестве величин /Q использованы соответствующие значения временных параметров импульса давления при Ел =0,14 Дж/см .
Из рис. 2.13 следует, что при тепловом и испарительном механизме формирования акустического сигнала величина Т3 не изменяется и соответствует времени распространения импульса давления от источника до приемника со звуковой скоростью. При переходе к взрывному вскипанию облучаемого объема величина Т3 резко сокращается, что говорит об изменении механизма формирования акустического сигнала. При смене режимов взаимодействия наблюдаются существенные изменения формы сигнала. Изменяются соотношения между общей длительностью фазы сжатия и ее передним фронтом. Поскольку при возбуждении объема взаимодействия коротким лазерным импульсом форма переднего фронта акустического импульса должна повторять распределение термооптических источников [3], то значительное уменьшение величины Т3 и увеличение Тф свидетельствуют о том, что размеры области генерации АВ, которая заполнена фрагментами взрыва капель, существенно увеличиваются при Ел 2 Дж/см .
Полученная в экспериментах [140, 141] зависимость пикового акустического давления Р+ в регистрируемом сигнале от плотности энергии воздействующего излучения Ел при d = 5 см показана на рис. 2.14 и близка к полученным ранее в [89, 128, 130, 134].
На основании зависимостей, представленных на рис. 2.11, 2.12, 2.14 и аппроксимаций (2.9-2.12), отклонение которых от соответствующих экспериментальных массивов данных не превышает 12%, можно сделать следующий вывод. Амплитуда оптико-акустического импульса, генерируемого при поверхностном испарении, взрывном вскипании и разрушении частиц водных аэрозолей под воздействием излучения СОг-лазера микросекундной длительности, пропорциональна водности аэрозоля для однородно поглощающих частиц и зависит от плотности лазерной энергии по степенному закону с показателем степени: 2 - при поверхностном испарении; 0,5 0,8 - при взрывном вскипании и разрушении (пункт 1 «защищаемых положений», введение).
Представленные в 2.2.1 и 2.2.2 результаты реализованы в способе измерения объемной концентрации аэрозольных частиц [145]. Способ может быть использован для оперативного дистанционного измерения объемной концентрации аэрозолей естественного и антропогенного происхождения. Способ заключается в следующем. Направляют излучение маломощного лазера в исследуемую область атмосферы и регистрируют фотоприемником отраженный сигнал Ен [Вт/см ] из углов 180 ± arctg(S /(2R)), где R - расстояние до области воздействия, S - ее поперечный размер, затем соосно с маломощным излучением посылают МЛИ, и регистрируют фотоприемником отраженный сигнал Е [Вт/см], вычисляют отношение д = Е / Ен.
Основные факторы ослабления звука на приземных трассах
В ходе проведения экспериментов параллельно измерялись значения структурной характеристики флуктуации показателя преломления CN Величина CN определялась по измерениям относительной дисперсии флуктуации уровня звука на фиксированной 30 м трассе при частоте тонального сигнала 4 или 8 кГц. Для этой цели использовались ненаправленный источник и приёмник звука, размещаемые на высоте 4 м.
Регистрация сигналов проводилась циклами, содержащими последовательные записи длительностью 20 с 9 мин. для каждой из фиксированных частот. Из всего экспериментального материала было обработано около ста сорока таких циклов.
До 1953 г. дополнительное ослабление, называемое сегодня «приземным» [157], в некоторой степени было непонятным и приписывалось турбулентности [166]. В [167-169] была найдена небольшая корреляция этого ослабления с порывистостью ветра, то есть с турбулентностью, а также показано, что свойства подстилающей поверхности влияют на величину и спектр дополнительного ослабления. Высокая степень влияния этого вида ослабления на эффективность работы систем активного акустического зондирования атмосферы была исследована в [241], где были даны рекомендации по использованию этого явления для улучшения параметров систем зондирования.
В [170] было замечено, что наряду с прямой и отражённой подстилающей поверхностью волн при распространении звука над землёй возникает так называемая «боковая» волна (более подробно в [238, с. 176-183]) при падении звуковой волны на границу раздела двух сред (воздух-грунт) под углом внутреннего отражения. Время распространения по пути, который проходит «боковая» волна, может оказаться меньше времени распространения по прямому пути: от источника к приёмнику. Это объясняется разницей между скоростью распространения звука в первой и во второй среде. Результирующее поле в точке приёма определяется как сумма прямой, отражённой и «боковой» волн [170].
Теоретическое описание распространения звука вдоль границы, обладающей конечным импедансом, зависит от начальных условий, сделанных для граничного слоя. В настоящее время существуют три уровня подхода к аналитическому решению такой задачи, где подстилающая поверхность предполагается: а) локально отражающей средой, причём волнами внутри неё пренебрегают; б) изотропической средой, в которой могут распространяться продольные волны, возникающие в результате падения звука на поверхность раздела; в) эластичной твёрдой средой, в которой могут распространяться как продольные, так и сдвиговые волны.
Теоретические модели для последних двух случаев построены [170-171] и показывают, что для более полного решения задачи приземного распространения звука недостаточно использования первого, самого простого уровня. Однако рассмотрение задачи на этом уровне позволяет быстро получить решение.
Поскольку для реального участка земной поверхности трудно определить толщину отражающего слоя, то в целях упрощения полагается, что этот участок представляет собой слой полубесконечной толщины с локально отражающей границей, а именно, звуковые лучи отражаются в плоскости падения и нормали к поверхности, а акустический импеданс поверхности не зависит от угла падения лучей. Асимптотические методы расчёта звукового поля вблизи локально отражающей поверхности рассмотрены в [174-182], причём одни авторы дают точное решение, другие пользуются упрощённой моделью, а в [176] учитывается турбулентность атмосферы.
В месте приёма звука (рис. 4.5) возникает сумма двух волн: непосредственно от источника и отраженной от поверхности земли. В случае падения на подстилающую поверхность плоской волны коэффициент отражения по давлению имеет вид [163, 173]: где Ц1 - угол отражения, отсчитываемый от поверхности земли, z-i и z2 _ акустические импедансы, а кл и к2 волновые числа для воздуха и грунта, соответственно.
Поскольку скорость звука в воздухе меньше скорости звука в грунте, то коэффициент отражения меняется от 1 при угле полного внутреннего отражения х0 =arcsin(c0/cr), (4.5) где СА И С Г - скорость звука в воздухе и грунте, соответственно, до значения Rp sin 4х—1 :2) sin + 2j (4.6) при нормальном падении волны на поверхность (sin Ч = 1) Случай, полубесконечных как первой, так и второй сред, рассмотрен в [170-173], где коэффициент отражения полагался в виде (4.4). Коэффициент отражения (4.6) используется для локально-отражающей границы [174-182].
Для того, чтобы ввести изменения как амплитуды, так и фазы волны при отражении волны, используется комплексная запись для z2 = - + 2 Реактивность поверхности зависит тогда от частоты, но не зависит от угла падения.
Модификация уравнения Хохлова-Заболоцкой-Кузнецова
В литературе под термином «турбулентное ослабление» понимают ослабление, обусловленное рассеянием турбулентностью атмосферы энергии из звукового пучка [200]. Такое ослабление было подробно рассмотрено в ряде работ, например, [157, 200, 201, 218], основной вывод которых сводится к тому, что турбулентное ослабление будет существенным для трасс большой протяжённости и для узкой диаграммы направленности источника и приемника.
В инерционном интервале турбулентности теоретический анализ рассеяния звуковой энергии приведен в [10] для случая размера неоднородностей много меньше внешнего масштаба турбулентности в атмосфере.
В [200] была получена следующая формула для оценки турбулентного ослабления: 1 =\0-\g-{i + 0AS-ku/5 -D2 -d6/5 -С /5), (4.28) где D - диаметр излучателя, Ctr структурная характеристика флуктуации показателя преломления. Вывод уравнения (4.28) проводился на основе малоуглового приближения, широко используемого в теории распространения оптического излучения. При этом использовалось допущение X « LQ , где LQ - внешний масштаб турбулентности. Однако позднее в [158] ставятся под сомнение выводы [203], поскольку степень аппроксимации и ошибки, появляющиеся при замене условия X « /А , используемого в оптике, на условие X « Ln - для акустики, пока неизвестны (/А - внутренний масштаб турбулентности атмосферы).
В [242] было предложено оценку потерь на турбулентное ослабление в приземном слое атмосферы проводить с учетом коэффициентов рассеяния флуктуациями температуры и скорости ветра, полученных авторами с использованием кармановскои модели спектральной плотности энергии турбулентности.
Экспериментальное исследование величины LT проведено в [201] на вертикальной трассе с помощью привязного аэростата. Сопоставить такие измерения с расчётами по (4.28) сложно, поскольку значения Ctr существенно влияют на поведение ослабления Lj,, а сопутствующие измерения профилей Ctr в [201] не проводились.
Измерение турбулентного ослабления на горизонтальной трассе сопряжено со значительными трудностями, связанными с необходимостью селекции турбулентного ослабления на фоне других типов ослабления, характерных для приземного распространения звука. Поэтому описание подобных измерений в литературе отсутствует. Соответствующие экспериментальные исследования позволяют сделать вывод о применимости (4.28) в задачах прогноза распространения звука. Подобные измерения в дальнейшем позволят решить обратную задачу, то есть для конкретных атмосферных условий, типов подстилающей поверхности, геометрий расположения источника и приёмника, прогнозировать величину L .
Экспериментальное подтверждение применимости (4.28), а также эффективности расчетов по методике [239], для целей прогноза турбулентного ослабления звука на горизонтальных приземных трассах проведено в [217, 218].
На установке, описанной в 4.2, были проведены измерения, позволившие на основе селекции большого экспериментального материала разделить основные типы ослабления и изучить каждое из них в отдельности. Полученные результаты были сопоставлены с имеющимися в литературе теоретическими сведениями.
Вклад величины L в полное ослабление рассчитывался по эмпирическим формулам (4.3). В наблюдаемых диапазонах изменения метеовеличин значения L , как правило, были малы по сравнению с полным ослаблением, составляя от него не более 1,5% для частоты 4 кГц и трассы 835 м. При последующей интерпретации вкладов различных типов ослаблений получаемые таким образом значения L вместе со значениями L h вычитались из измеренных значений полного ослабления звука.
