Атмосферная оптоакустика мощных лазерных пучков Бочкарев Николай Николаевич

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 оптоакустнка атмосферы 94

2.1.1. Методология натурных экспериментов 95

2.1.2. Результаты натурных экспериментов 98

2.2. Лазерная допробойная оптоакустика 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 ватмосфере 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 прикладных 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 оптоакустика» 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 300

Перечень основных сокращений и обозначений 328

Приложение. Акты использования и внедрения результатов работы 334

• Особенности оптической генерации акустических волн аэрозолями
• Полуэмпирическая модель генерации оптико-акустических сигналов аэрозольным объемом
• Методология натурных экспериментов исследования приземного распространения звука
• Алгоритм численного моделирования распространения мощных звуковых волн на коротких трассах в атмосфере

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 ОА-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 9 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 зарегистрировала 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. А.М. 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., Красилышков 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 форму 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 высокоионизоваиного 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

1. Определение границ применимости известных и разработка физических основ новых ОА-методов исследования распространения МЛП в АПС.

2. 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 значимых факторов изменения среднего уровня звука, распространяющегося на приземных трассах до 1 км, а также исследование особенностей статистических свойств флуктуации приземных звуковых волн. 5. Разработка алгоритма прогноза нелинейных искажений звуковых волн в АПС на основе результатов соответствующих экспериментов.

6. Исследование влияния внешнего акустического шума на отношение сигнал-шум при регистрации ОЛ-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 положении, выносимые на защиту

1. Амплитуда оптико-акустического импульса, генерируемого при поверхностном испарении, взрывном вскипании и разрушении частиц водных аэрозолей под воздействием излучения СС 2-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 4- 0,8 -при взрывном вскипании и разрушении.

2. Акустические параметры длинной лазерной искры, возникающей в атмосфере при распространении мощного излучения СС -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 16са, генерируемого очагом пробоя размерами от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров, линейно пропорциональны размеру видимого ореола очага пробоя.

3. 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. 

4. 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.

5. 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.

6. 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 па трассах протяженностью до 1 км. Достоверность научных результатов

Достоверность результатов и выводов подтверждается:

1) обоснованностью физических предпосылок, использованных для определения параметров ОА-сигналов, которые характеризуют процесс взаимодействия МЛП с веществом атмосферы;

2) тщательной методической проработкой вопроса регистрации, обработки ОА- и акустических сигналов с учетом амплитудно- и фазочастотных характеристик приемных датчиков и регистрирующего оборудования, а таюке учетом возможных методических и экспериментальных ошибок;

3) использованием в качестве акустических приемников сертифицированных датчиков, а в качестве регистрирующего оборудования - метрологически поверенных приборов.

4) статистической обеспеченностью получаемых данных, их повторяемостью и хорошим соответствием с результатами, выполненными позднее другими авторами;

5) сравнением выводов, следующих из экспериментальных данных с результатами математического моделирования процессов генерации и распространения ОА- и акустических сигналов в АПС;

6) 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.

2. В свободной атмосфере дистанционно зарегистрированы ОА-импульсы термооптического механизма генерации АВ. ОА-измерениями подтверждена теоретически определенная линейность зависимости амплитуды акустического импульса при термооптической генерации от плотности энергии лазерного излучения.

3. 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.

4. Разработан методический подход селекции турбулентного ослаблення 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.

5. 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. 6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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 фемтосекуидного 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 исследования 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

1. Создана методика автоматизированной дистанционной (до 1 км) ОА-экспресс-диагаостики 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.

2. Установленная с помощью ОА-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.

3. 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.

4. 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 но их использованию Результаты работы использованы в следующих организациях.

1. Институт оптики атмосферы СО РАН: при выполнении госбюджетных и хоздоговорных работ в период с 1982 г. по настоящее время.

2. 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.

3. Предприятие п/я Р-6271: для экспериментального изучения акустических свойств плазмы оптического пробоя атмосферы.

4. 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.

5. 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 обработки 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.

1. 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.

2. Учет влияния флуктуации приземных звуковых воли на эффективность работы систем ОА-зондирования атмосферы и дальнего звуковещания.

3. Учет влияния нелинейного поглощения звука в атмосфере на эффективность действия систем акустического зондирования атмосферы и систем дальнего звуковещания.

4. 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.

5. 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.

6, Полученные в работе научно-технические решения и результаты можно использовать при планировании новых экспериментов но 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. Краснеико Н.П.) и лаборатории нелинейно-оптических взаимодействий (зав. лаб., д.ф.-м.н. Землянов А.А.) Института оптики атмосферы СО РАН и кафедры оптико-электронпых 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 25

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.

2. 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.

3. 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 высоко ионизованного канала - пространственной неточной 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: узко направленный 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 соотнопіения, 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 оптоакустика».

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 I 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 диссипативпых 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-Кузиецова 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.

Глава шесть посвящена обсуждению оптимального приема ОА-сигналов в атмосфере.

В решении практических задач атмосферной оптоакустики отношение сигнал-шум при регистрации акустических откликов существенно зависит от картины внешних акустических шумов, заполняющих пространство АПС и являющихся помехой, ограничивающей дальность приема ОА-сигналов и, как следствие, качество и достоверность диагностируемых ОА-методом параметров капала МЛИ.

Влияние внешних шумов на качество и достоверность ОА-измерений можно уменьшить, используя информацию о физических закономерностях распространения и распределения внешних акустических шумов в АПС. В § 6.1 приведено описание методологии проведения экспериментов по выявлению особенностей внешних акустических шумов в атмосфере, а в § 6.2 - результаты экспериментального исследования эффекта высотно-частотного распределения внешнего шума.

В § 6.3 построена модель обнаруженного в экспериментах эффекта и проведены численные расчеты, которые показывают, что высотное распределение шумов в атмосфере удовлетворяет разработанной эмпирической однопараметрической модели. Для большинства метеорологических состояний АПС высотное распределение внешних шумов зависит от среднего значения пористости грунта подстилающей поверхности.

В седьмой главе обсуждаются методологические основы дистанционной ОА-диагностики канала распространения импульсного МЛИ в атмосфере.

В § 7.1 приводятся примеры обработки ОА-сигналов с помощью ПЭС «Атмосферная оптоакустика», а также описание алгоритма и физическое обоснование заложенных в программный комплекс моделей. ПЭС позволяет учесть влияние диссипативных, дифракционных и нелинейных эффектов на форму ОА-сигналов в исследованиях, проводимых в реальном времени. Обсуждаются проблемы восстановления распределения плотности лазерной энергии по сечению МЛП и геометрических характеристик ДЛИ с учетом методических и аппаратурных погрешностей, зашумленности АПС. Выявляются преимущества и недостатки бистатической и моностатической схем ОА-зондирования. В алгоритмах ПЭС использованы результаты исследований, приведенных во 2-6-й главах работы.

В § 7.2 на основе комплексных исследований, включая разработанный акустический метод пассивной дистанционной идентификации физических процессов, инициируемых МЛИ при взаимодействии с частицами поглощающего аэрозоля, выявлены закономерности изменения коэффициента ослабления излучения СОї-лазера, зависящие от микрофизических параметров атмосферного аэрозоля и энергетических параметров МЛП. Анализ этих закономерностей позволил предложить модель инженерной оценки пропускания МЛИ для конкретной оптико-метеорологической ситуации в атмосфере.

Материалы § 7.3 демонстрируют эффективность ОА-метода в комплексных исследованиях распространения фемтосекундного лазерного излучения в атмосфере. Цель исследований: изучение нелинейно-оптических эффектов, возникающих при распространении в модельном аэрозоле и воздухе лазерных импульсов с интенсивностью, достижимой при сверхкоротких длительностях импульса, а также исследование распространения фемтосе-кундных лазерных импульсов при реализации филаментации. Результаты выполненных экспериментов пока не нашли своего строгого теоретического обоснования, а обнаруженные новые физические эффекты нуждаются в дальнейшем исследовании.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

В приложении - акты использования и внедрения результатов работы.

Повторяющиеся по тексту работы обозначения и сокращения приведены в списке: Перечень основных сокращений и обозначений.

По тексту изложения материала в диссертационной работе принята следующая терминология, устоявшаяся среди специалистов в области атмосферной акустики и: «оптико-акустический...», но - «оптоакустика»; «термооптическая...», но - подразумевается генерация не оптических, а АВ при тепловом нагреве среды модулированным МЛИ; «приземное распространение звука» - означает распространение звука вблизи подстилающей поверхности, искажающей звуковое поле; «МЛИ» - лазерное излучение с мощностью, достаточной для проявления нелинейно-оптических эффектов; «АВ» - волны звукового, ультразвукового и гиперзвукового диапазона частот; «звук» - АВ звукового диапазона частот (20 -г 20000 Гц).  

Особенности оптической генерации акустических волн аэрозолями

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 высоко ионизованного канала - пространственной неточной 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: узко направленный 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.

Полуэмпирическая модель генерации оптико-акустических сигналов аэрозольным объемом

По разнообразию физических механизмов генерации АВ наиболее богатым является коллективный оптический разряд (КОР), возникающий в плотных аэродисперсных средах при минимальных интенсивностях в поле достаточно длинных импульсов [83]. Формирование и развитие КОР идет главным образом за счет тешгопроводпостного механизма без образования светодетонационных волн поглощения лазерного излучения, характерных для динамики ОП в разрядах типа ДЛИ. Тем не менее этот разряд является источником интенсивных АВ. Относительный максимум акустического спектра КОР существует в области 10 Гц [111].

Комплексное исследование [112, 113] динамики акустических возмущений, генерируемых областью КОР в твердом аэрозоле, позволило доказать существование здесь АВ по меньшей мере двух видов: внутренних гиперзвуковых с максимальными частотами 1 -г 10 МГц и уходящих звуковых с характерными частотами 1 -=- 10 кГц.

Анализ результатов численного моделирования и лабораторных экспериментов [112, 113] показал, что закономерности генерации некоторых гиперзвуковьгх компонент АВ в твердом аэрозоле являются сходными как для КОР, так и для разрядов других типов. Аналогичным оказывается и подход к оценке спектральных интервалов генерации отдельных низкочастотных (НЧ) компонент АВ различных оптических разрядов. Это создает основу для достаточно общей классификации АВ, генерируемых лазерным излучением по крайней мере в твердом аэрозоле.

Исходным для построения картины возникновения и эволюции АВ в твердом аэрозоле под действием не слишком коротких лазерных импульсов (гэ 10 не) является представление о формировании в окрестности интенсивно испаряющейся частицы паровоздушного ореола (ПВО), переход которого с существенным разогревом в пароплазменный микрофакел возможен лишь при выполнении некоторых пороговых условии. Независимо от факта превышения порога генерируемые в системе АВ можно разделить на два вида: внутренние или ближние гиперзвуковые, исследование которых ввиду сильною затухания возможно главным образом численными методами, и внешние звуковые, регистрируемые акустическими датчиками на различных расстояниях от области взаимодействия лазерного излучения с аэрозолем.

Гиперзвуковые АВ, возникающие уже на начальном этапе эволюции ПВО характеризуются частотами вплоть до 10 Гц. На конвективном этапе происходит быстрое уменьшение их амплитуды, сопровождающееся смещением спектра в область более низких частот: -10 Гц за время -3 мкс. Процесс идет в условиях конкуренции нелинейности и высокочастотной (ВЧ) диссипации при расширении ПВО. Связанные с ним АВ можно назвать АВ формирования ореола. Отметим, что скорость волны вытеснения буферного газа быстро падает (за время -3 мкс от 200 м/с до 40 м/с), так что АВ формирования ореола отрывается от нее и от зоны прогрева и распространяется уже в холодном буферном газе. Амплитуда АВ формирования ореола на расстоянии 1 мм при частоте 1 МГц составляет -0,02 атм. Дальнейшая эволюция этой волны и возможности ее дистанционного приема определяются линейным поглощением звука и фактором геометрической расходимости.

В ходе конвективного этапа развития ПВО идет монотонное падение скорости движения среды в точке максимума температуры. Переход от конвективного к теплопроводностному этапу эволюции ПВО происходит при выравнивании скоростей конвекции и теплопроводности в указанной области и соответствует выделению в расширяющемся ореоле двух пространственных областей: внутренней, сравнительно стабильной, в которой главную роль по-прежнему играет конвективный перенос, и внешней, определяющей максимальный размер и температуру ПВО, в которой доминирует теплопроводность, а давление близко к атмосферному. Отсюда следует, что в отсутствие существенного разогрева ПВО (то есть в допробойном режиме) новые компоненты АВ изолированной аэрозольной частицей не генерируются.

Специфика взаимодействия МЛИ допробойной интенсивности с водным аэрозолем, связанная главным образом с фокусировкой и взрывом частиц, либо выбросом из них струй пара при сравнительно низкой температуре, качественно не меняет физический механизм генерации АВ формирования ореола как процесса распада скачков давления на фронте ПВО. Меняется, по существу, лишь геометрия последнего. Это означает, что на расстояниях, много больших радиуса частицы, следует ожидать общей асимптотики АВ формирования ореола для твердого и водного аэрозолей.

В зависимости от размеров и материала аэрозольных частиц, а также длительности импульса лазерного излучения возможны несколько механизмов возникновения микро ОП на изолированной частице. Наиболее известным из них является сравнительно высокопороговый по интенсивности механизм теплового взрыва твердых микронных частиц с последующим развитием лавины в расширяющемся термически слабоионизованном ПВО. Этот механизм хорошо согласуется с частотной зависимостью порогов пробоя крупной фракции естественного сухого атмосферного аэрозоля в разрядах типа ДЛИ при длительности импульса W8 -г 10"6 с [83]. Поскольку интенсивности при этом, как правило, достаточны для поддержания светодетонационной волны в буферном газе, генерация АВ в форме АВ формирования ореола почти сразу же сменяется генерацией сходной по пространственной структуре и спектру, но существенно более мощной АВ, длительность которой определяется уже не собственным временем формирования ПВО, а длительностью лазерного импульса. Эта АВ связана с движением фронта разогрева микро ОП и распространением светодетонационной волны и может быть названа АВ разогрева. Аналогичная картина должна наблюдаться и тогда, когда возникновение микро ОП обусловлено иными, но достаточно малоинерционными механизмами, например, фокусировкой и многофотонной ионизацией в случае водного аэрозоля. Разделение АВ формирования ореола и АВ разогрева при этом достаточно условно, тем более что при внешней фокусировке излучения водным аэрозолем этап АВ формирования ореола в чистом виде может вообще отсутствовать.

Иная ситуация возникает для сравнительно крупных частиц (а 10 мкм) в поле излучения длинных импульсов (тл 10 мкс) ближнего ИК-диапазона, когда при умеренном поглощении в ПВО возможен его самоподдерживающийся разогрев в теплопроводностном режиме при пониженной интенсивности, а генерация АВ формирования ореола и АВ разогрева разделена интервалом времени порядка 10 мкс.

Методология натурных экспериментов исследования приземного распространения звука

Существующие методы исследования распространения МЛИ на протяженных атмосферных трассах зачастую оказываются малоэффективны и имеют низкую точность. Например, при исследовании явлений оптического пробоя применяется фотографирование с целью определения погонной концентрации ОП и размеров ДЛИ. При значительной протяженности ДЛИ точность определения местоположения и размеров отдельных ОП этим методом очень низкая. Другой пример, для целей измерения энергетических характеристик МЛП используется сеточный проходной болометр -контактный прибор, вносящий искажения в исследуемый МЛП. При высоких плотностях лазерной энергии на рабочей поверхности болометра возникает оптический пробой.

Приведенные примеры указывают на необходимость разработки новых методов контроля распространения МЛИ в атмосфере. Такие методы должны обладать относительно высокой точностью, хорошей чувствительностью, бескоптактностыо и, что желательно для проведения полевых измерений - неприхотливостью к климатическим условиям эксплуатации и невысокой стоимостью. Всем отмеченным выше требованиям вполне удовлетворяет ОА-метод диагностики канала распространения МЛИ.

Дистанционное определение режимов взаимодействия МЛИ со средой распространения возможно идентифицировать также и пассивным оптическим методом по светорассеянию на основной длине волны или на вторичных длинах волн, возбуждаемьгх в процессе взаимодействия МЛИ со средой.

В главе 1 отмечалось, что физические процессы взаимодействия МЛИ с частицами аэрозоля различного химического и фазового состава изучены достаточно полно. Дистанционная индикация этих взаимодействий 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 допороговом (относительно оптического пробоя) режиме.

Экспериментальные исследования распространения импульсного МЛИ на атмосферных приземных трассах были проведены с использованием двух стендов, первый из которых описан в [86]. Методики измерений на этих установках во многом идентичны, но имеются технические детали особенностей оптического оборудования, входящего в состав каждого из стендов. Обобщенная блок-схема ОА-измерений приведена на рис. 2.1.

В стендах использовался однотипный источник - моноимпульсный электроионизационный лазер на смеси C02:N2 с предионизацией активной среды электронным пучком, длина волны Я = 10,6 мкм. Форма импульса генерации имела главный пик с полушириной (3 - 5)-10"7с и пологий задний фронт длительностью (1,5 + 2,5)-10" с. В переднем фронте сосредоточено 75% от всей энергии лазерного импульса. Плотность энергии составила: 0,1 -=- 20 Дж/см .

Для формирования структуры пучка в стенде № 1 использовалось зеркало типа Кассегрена с фокусным расстоянием 50 -ні50 м, диаметром большого зеркала 0,5 м и малого 0,12 м. Лазер устанавливался в передвижную кабину. Трасса распространения лазерного излучения имела протяженность 100 - 250 м и проходила на высоте 2 2,5 м над ровной подстилающей поверхностью.

Применялось фотографирование канала лазерного излучения и контроль энергии лазерного излучения в начале и конце трассы.

Стенд № 2 предназначен для работы на трассах длиной 560 м. Высота трассы над подстилающей поверхностью 3,5 т4м. Фокусное расстояние зеркала - 480 м. Энергия излучения контролировалась проходными болометрами. В начале и в конце трассы форма импульса контролировалась фотоприемниками «Дубна» или ФП-3. Применялось фотографирование и съемка на кинокамеру РФК-5. Размеры МЛП контролировались в различных участках трассы по ожогам на бумаге.

В ходе экспериментов измерялись метеопараметры атмосферы и микроструктура аэрозоля фотоэлектрическим счетчиком АЗ-5 и фотометром, регистрирующим прединдикатрису рассеяния в малые утлы. Массовая концентрация и химический состав сухой фракции аэрозолей определялись путем забора частиц на фильтры с последующим лабораторным анализом.

Акустические сигналы регистрировались одновременно на два однодюймовых микрофона MK102/MV102, подключаемых к прецизионным шумомсрам PSI00017 фирмы Robotron. Микрофоны размещались на удалении 1 30 м от оси МЛП на высоте 2 4- 4 м над подстилающей поверхностью. Сигналы с шумомеров записывались на аналоговый высококачественный магнитофон. Позднее, данные, записанные на магнитном носителе, обрабатывались с использованием двенадцатиразрядного АЦП с частотой дискретизации около 40 кГц и персонального компьютера, на котором для целей обработки данных было установлено специально разработанное автором программное обеспечение.

Общий сквозной частотный диапазон акустического стенда составил 20 Гц - 20 кГц при динамическом диапазоне не хуже 54 дБ. Замеряемые уровни звукового давления: 35 4 140 дБ (10 200 Па) при основной абсолютной погрешности измерения не более ±12 %.

Перед началом измерений было установлено, что стрелочными индикаторами шумомеров для регистрации пиковых значений звуковых давлений пользоваться нельзя. В начальный момент импульса МЛИ сильная электромагнитная наводка ложным импульсом выводит из штатного режима работы «схему удержания импульса», собранную в шумомере фактически на открытом входе полевого транзистора. Поэтому для абсолютной калибровки всего измерительного тракта использовались тестовые акустические сигналы от пистонфонов 05000 фирмы Robotron, которые записывались и обрабатывались по той же схеме, как и данные экспериментов. Слабо регистрируемый импульс электромагнитной наводки использовался впоследствии при обработке данных для синхронизации работы акустического стенда с началом импульса МЛИ, а также при геометрических изменениях схемы регистрации АВ для определения расстояния от пучка МЛИ до приемных микрофонов при известных метеоданных, согласно формуле (1.20).

Алгоритм численного моделирования распространения мощных звуковых волн на коротких трассах в атмосфере

Приращение плотности водяных паров в объеме взаимодействия можно выразить через полную степень испарения отдельной аэрозольной частицы которая определяется отношением водности тумана в конце дкн перед действием импульса излучения qn: Хвз =\ — qKIqH. Для однородно поглощающих частиц (Я = 10,6 мкм) степень испарения практически не зависит от их размера, а целиком определяется энергетическими параметрами импульса излучения [54]. Наличие в аэрозоле значительной доли крупной фракции (#Q 10 мкм), как в случае используемого в экспериментах полидисперсного тумана, может существенно изменить мощностные параметры генерируемого акустического импульса. Поскольку в крупных частицах поле тепловыделения неоднородно, то реализуется взрывное вскипание не всего объема капли, как мелких частиц, а лишь поверхностного слоя, толщиной порядка длины поглощения излучения в воде. Если Хвз - полная степень испарения этого слоя, то степень испарения всей капли - X — Хвз Vnc IVK, где Vnc и VK - объем взрывающегося поверхностного слоя и капли, соответственно. Тогда для приращения плотности водяных паров после взрыва полидисперсного аэрозоля имеем: начальная функция распределения аэрозоля, которая для использованного в экспериментах полидисперсного аэрозоля хорошо аппроксимируется Г-распределением ат= 4 мкм. Проведя интегрирование в (2.17), получим:

Таким образом, с учетом (2.14, 2.16, 2.18) можно сделать вывод, что акустическое возмущение при взрыве мелкокапельного тумана примерно в 2,5 раза больше, чем в случае полидисперсного тумана с крупной фракцией, при условии равенства их начальных водностей.

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. При этом переходная характеристика регистрирующего оборудования не учитывалась, так как ее влияние ничтожно мало в исследуемом диапазоне частот. В соответствии с геометрией эксперимента и в допущении, что область возникновения акустического сигнала представляет собой сферу, дифракционные искажения регистрируемого акустического отклика учитывались на основе решения задачи об импульсном излучении сферы (область возникновения акустического сигнала) на поршневую диафрагму (мембрану микрофона). При этом колебания поверхности сферы аппроксимировались функцией вида где т - длительность акустического импульса, п 3 3,8 - эмпирическая константа.

Поскольку область генерации акустического импульса имеет существенное отличие по теплофизическим характеристикам от окружающего пространства, было сделано предположение возможности отождествления этой области как излучателя звука нулевого порядка (пульсирующая сфера) радиуса а и, совершающей колебания с частотой (о и создающей звуковое давление [153,267]: где X = ка, к — 1-7ГІЯ; 0 - скорость поверхности сферы; г координата.

Соотношение (2.20), в частности, показывает, что эффективность передачи энергии сферой при к а 1 стремится к чисто мнимой величине и значительно снижается. Следовательно, для импульса вида (2.19) эффективно излучаемая длина волны будет связана с размером сферы соотношением X К а.

В рамках изложенных допущений проведено численное моделирование временной зависимости акустического давления в волне, генерируемой в различных режимах взаимодействия лазерного излучения с модельной средой №3 (п.2.2,1, рис.2.9). Результат моделирования представлен на рис. 2.13 пунктирными кривыми.

Сравнение данных модельных расчетов и результатов проведенных экспериментов позволяет сделать следующие выводы. В испарительном режиме временная задержка соответствует движению фронта акустической волны от области возбуждения до приемника со скоростью звука, а форма фронта импульса сжатия соответствует области генерации акустического импульса с эффективным размером а = 1,3 мм. Соответствующее условие оптимальности излучения сферой дает значение, равное а = 1,5 мм.

После взрыва облучаемого объема конденсированные фрагменты разлетаются на различные расстояния и заполняют область радиусом а 3,4 мм, а расстояние фиксации импульса давления уменьшается до величины порядка 3,8 мм. Длительность переднего фронта увеличивается до 7 мкс, что по условию оптимальности излучения пульсирующей сферы соответствует а =Ъ мм. Заметное расхождение в значениях модельных расчетов и экспериментальных данных для длительности переднего фронта импульса можно объяснить неравномерностью заполнения продуктами взрыва области генерации звука.

Таким образом, переход от регулярного испарения к взрывному вскипанию отмечен увеличением размера области генерации ОА-отклика, что объясняется сверхзвуковым разлетом продуктов взрыва и заполнением ими эффективного объема (рис, 2.9).

На основании проведенных модельных экспериментов можно сделать 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, по их совокупности, проводить идентификацию режима взаимодействия лазерного излучения с поглощающим веществом.