Актуальность темы
.
Свойства реальных жидкостей существенно отличаются от свойств идеальной жидкости из-за присутствия в них различных микронеоднородностей. Под микронеоднородностями подразумеваются малые объекты, размеры которых зачастую меньше длины звуковой волны, падающей на объект, отличающиеся от жидкости своими физическими свойствами (плотностью и сжимаемостью). От количества и свойств микронеоднородностей в значительной мере зависят кавитационная прочность, сжимаемость и эффективная теплопроводность жидкости. Особенно важно знать влияние микронеоднородностей на свойства жидкости вблизи точек фазовых переходов (кипение и кристаллизация жидкости), поскольку происходящие при этом явления могут существенно влиять на работу различных технических устройств.
Среди различных микронеоднородностей можно выделить газовые и парогазовые пузырьки. Обладая выраженными резонансными свойствами, они отличаются от других микронеоднородностей значительно более существенным влиянием на свойства жидкости. Их присутствие резко увеличивает нелинейные свойства жидкости, сечение рассеяния звука на пузырьках может во много раз превышать их геометрическое сечение. Эти особенности имеют положительную и отрицательную стороны. Положительным примером применения таких жидкостей в промышленности могут быть парогазовые жидкостные смеси, применяемые в химической технологии [1]. Примером проявления нежелательных свойств микронеоднородных жидкостей являются взрывоподобные образования парогазовых смесей в трубопроводах реакторов и систем транспортирования жидкостей, которые, благодаря своим высоким нелинейным характеристикам, способствуют образованию ударных волн, приводящих к разрушению трубопроводов [2, 3].
В натурных условиях большую роль играют пузырьки, находящиеся в основном в приповерхностном слое естественных водоемов и связанные с газообменом между атмосферой и океаном. Эти процессы оказывают влияние на климат и состояние атмосферы планеты. Присутствие придонных газовых пузырьков в виде факелов и облаков часто связывают с наличием газовых и нефтяных месторождений на дне водоемов. В технике знания о свойствах микронеоднородных жидкостей необходимы для повышения надежности устройств и сооружений, разработке новых технологических процессов, получения технических жидкостей с новыми свойствами.
Исследования распространения звука в таких жидкостях, проведенные различными авторами, позволили решить многие вопросы акустики микронеоднородных жидкостей, включая создание различных методов акустической спектроскопии таких жидкостей [4−17]. Тем не менее, целый ряд разделов акустики микронеоднородных жидкостей остаются не достаточно хорошо проработанными или вовсе не изученными. К ним можно отнести, в первую очередь, вопросы, не являющиеся традиционными для акустики жидкостей при обычных температурах. Это — вопросы, связанные с влиянием фазовых превращений на акустические характеристики жидкостей с парогазовыми пузырьками, которые на практике играют значительную роль либо при высоких температурах для обычных высокотемпературных жидкостей типа воды, либо, напротив, для низкотемпературных криогенных жидкостей типа жидкого азота или водорода. Значительный интерес традиционно представляют вопросы поведения жидкостей при большой концентрации микронеоднородностей. Свойства жидкостей при большой концентрации до настоящего времени изучены крайне слабо, включая как экспериментальные, так и теоретические аспекты проблемы. Поэтому исследования изменчивости основных характеристик звукового поля в условиях большой концентрации микронеоднородностей представляются актуальными и имеют большое научное значение.
Настоящая работа посвящена экспериментальному изучению влияния фазовых превращений на поведение нелинейного акустического параметра, коэффициента поглощения и рассеяния звука в воде с парогазовыми пузырьками, изучению зависимости нелинейного акустического параметра, коэффициента поглощения и рассеяния звука в воде от концентрации газовых пузырьков, а так же разработке методов нелинейной акустической спектроскопии микронеоднородной жидкости.
Цель работы.
Экспериментально изучить температурные и концентрационные зависимости нелинейного акустического параметра, поглощения и рассеяния звука в воде с пузырьками и развить экспериментальные методы акустической спектроскопии микронеоднородной жидкости.
Научная новизна.
1. Выявлено существенное влияние фазовых превращений на акустическую нелинейность и поглощение звука в воде с парогазовыми пузырьками, выражающееся в усилении указанных характеристик с увеличением температуры.
2. Подробно исследована зависимость акустического нелинейного параметра, рассеяния и поглощения звука от концентрации и распределения газовых пузырьков в жидкости и на этой основе разработаны экспериментальные методы акустической спектроскопии пузырьков в жидкости.
3. Установлена нелинейная связь параметра нелинейности, рассеяния и поглощения звука от концентрации газовых пузырьков в воде при высокой их концентрации.
Научная новизна подтверждена публикациями в рецензируемых научных изданиях, представлением докладов на международных и отечественных конференциях, экспертными оценками на конкурсах РФФИ.
Научная и практическая значимость работы.
1. В работе были предложены и апробированы различные методы акустической спектроскопии микронеоднородной жидкости. Были получены экспериментальные результаты, расширяющие научное знание об акустических свойствах микронеоднородной жидкости при больших концентрациях газа и вблизи фазовых переходов.
2. В работе были разработаны экспериментальные методы и средства для исследования свойств микронеоднородной жидкости вблизи фазовых переходов и при больших концентрациях газа.
3. В работе был разработан и апробирован акустический комплекс для исследования микронеоднородностей морской среды в натурных экспедиционных условиях.
Значимость работы подтверждена тем, что она выполнялась в рамках ряда государственных научных программ, в том числе ФЦП «Мировой океан» и «Интеграция», а также при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований — проекты 94−02−6 092, 96−02−19 795, 00−02−16 913, 03−02−16 710, проект РФФИ-Приморье 01−05−96 907.
Апробация работы.
По материалам диссертации имеется 14 публикаций, из них 10 в рецензируемых сборниках, 2 работы в сборниках материалов международных конференций.
Результаты исследований докладывались на 18 Международном акустическом конгрессе (Киото, Япония, 2004 г.), 16 Международном симпозиуме по нелинейной акустике (Москва, 2002 г.) сессиях РАО (Москва, 2000 г., 2004 г.), на VI и VII семинарах СО РАН «Акустика неоднородных сред» (Новосибирск, 2002 г., 2004 г.), VI Дальневосточной акустической конференции (Владивосток, 1998 г.).
Результаты исследований, представленные в диссертации, использовались в НИР «Акустические исследования структуры океанической среды», Гос. per. № 01.960.10 860, НИР № 2001/1 и № 2001/2 проекта 5.2 подпрограммы «Исследование природы Мирового океана» ФЦП «Мировой океан» .
Структура и объем работы.
Работа состоит из введения, 6 глав, заключения и списка цитируемой литературы (105 наименований), включает титульный лист и оглавление, 121 страница печатного текста, 49 рисунков.
Во введении показана актуальность темы и формулируются задачи и положения, выносимые на защиту.
В первой главе дан обзор литературы по вопросу рассеяния, затухания и поглощения звуковых волн в жидкости с газовыми пузырьками и о влиянии пузырьков на акустическую нелинейность жидкости. Здесь же рассматривается вопрос о влиянии фазовых переходов на характер рассеяния и поглощения звука и на поведение акустической нелинейности жидкости. Эти вопросы рассматриваются с точки зрения возможности акустической спектроскопии жидкости. Поэтому много внимания уделяется взаимосвязи названных акустических характеристик с размерным распределением пузырьков и их объемной концентрацией.
Вторая глава посвящена техническим средствам для измерения поглощения и рассеяния звуковых волн в жидкости с газовыми и парогазовыми пузырьками и измерения акустической нелинейности. В главе описана измерительная установка, предназначенная для лабораторных экспериментов с использованием небольшого бассейна. Для натурных морских экспериментов описана установка для вертикального зондирования приповерхностного слоя моря до глубины 100 м. В установках в качестве электронного оборудования по возможности использовались приборы промышленного производства, что гарантировало их определенные метрологические характеристики. Часть оборудования, необходимого для проведения экспериментов, было разработано и изготовлено самостоятельно. В главе приводятся некоторые характеристики и особенности разработанного оборудования и примененные способы калибровки.
В третьей главе описываются предлагаемые методы для измерения рассеяния и поглощения звуковых волн и измерения акустической нелинейности в воде с пузырьками. Поскольку выбор метода непосредственно связан с техническими возможностями существующей в распоряжении экспериментатора аппаратуры и оборудования, рассматриваются те методы, которые возможно осуществить с помощью оборудования, описанного во второй главе.
Четвертая глава посвящена описанию экспериментов по изучению зависимости рассеяния, затухания и поглощения звуковых волн и акустической нелинейности от температуры воды. В первой серии экспериментов измерения проводились при низкой концентрации газовых пузырьков на трех фиксированных частотах: 30, 50 и 70 кГц. Во второй серии экспериментов измерения проводились при высокой постоянной концентрации газовых пузырьков, которая поддерживалась специальным генератором пузырьков. Измерения проводились на тех же трех частотах, что и в первой серии экспериментов. Температура во всех экспериментах менялась от 20 до 90 °C. Приведены полученные экспериментальные зависимости и обсуждаются результаты.
В пятой главе приводится описание экспериментов по изучению зависимостей рассеяния, затухания и поглощения звуковых волн и акустической нелинейности от концентрации газовых пузырьков. Концентрация пузырьков менялась от низкой, до очень высокой. Высокая концентрация пузырьков создавалась с помощью генератора пузырьков. Температура воды при этом не менялась (Т=18°С). Эксперимент проводился в частотном диапазоне звуковых волн от 30 до 100 кГц на 8-ми фиксированных разностных частотах, которые нелинейно генерировались в пузырьковой среде с применением бигармонической накачки со средней частотой 700 кГц. Приведены полученные экспериментальные зависимости и обсуждаются результаты эксперимента.
Шестая глава посвящена описанию натурных морских экспериментов. Первый раздел главы посвящен экспериментальному изучению зависимости от глубины коэффициента затухания и акустической нелинейности в приповерхностном слое моря до глубины 100 м. Полученные зависимости сравниваются с данными по рассеянию на звукорассеивающих слоях, полученными высокочастотным гидролокатором на частоте 100 кГц. Измерения проводились во время кругосветной экспедиции на паруснике «Надежда» и охватывали разные районы Мирового океана. Приводятся некоторые результаты из полученного большого объема данных, которые в основном призваны показать возможности метода, а не конкретные гидрофизические особенности данной акватории.
Во втором разделе шестой главы приводится описание эксперимента по измерению функции распределения пузырьков по размерам. Был применен метод нелинейного рассеяния звука при взаимодействии высокочастотных импульсов на встречных пучках. Рассматриваются отличия этого метода от обычного параметрического метода, даны сравнительные оценки результатов, полученных в эксперименте, с ранее известными результатами.
В заключении обобщен изложенный материал, сформулированы выводы, показаны новизна результатов и перспективы дальнейших исследований.
Основные выводы, представленные в ней, справедливы также и для парогазовых пузырьков. При этом общее выражение для е (х) дает максимум также при х~х*. Полученные результаты можно проиллюстрировать расчетом, приведенным для воды с газовыми и парогазовыми пузырьками при температуре 20 и 80 °C и представленные на рис. 5.12.
Сравним данные, полученные в экспериментах по распространению звука в воде с пузырьками при различной концентрации с приведенными расчетами для коэффициента затухания звука и нелинейного акустического параметра. Область перегиба экспериментальных кривых коэффициента поглощения звука и нелинейного акустического параметра приходится на токи генератора пузырьков 500 — 600 мА. На рис. 5.11 и 5.12 видно, что для коэффициента поглощения звука и нелинейного параметра значения объемной концентрации газа в воде порядка от 5¦ 10″ 6 до 5ТО" 5 определяют начало перегиба кривых концентрационной зависимости. Абсолютные значения коэффициента поглощения, полученные экспериментальным путем, близки к расчетным.
Ю" 8 Ю" 7 Ю" 6 10″ 5 10″ 4 103 10″ 2 101 10° X.
Рис. 5.11. Расчетная зависимость коэффициента поглощения от концентрации пузырьков для температуры 80 °C на частотах от 4 до 128 кГц.
Рис. 5.12. Расчетная зависимость нелинейного параметра от концентрации пузырьков на частоте 64 кГц при температурах 20, 50, 80 и 100 °C.
Следует учитывать, что реальные условия не позволяют точно воспроизвести параметры жидкостно-газовой смеси, которые были заложены в расчеты. Экспериментальный нелинейный параметр по своим значениям ниже, чем ожидаемый модельный, хотя качественно динамика их изменения одинакова. Таким образом, приведенные модельные расчеты для коэффициента поглощения звука и нелинейного акустического параметра объясняют полученные экспериментальные результаты.
6. ИЗУЧЕНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПОГЛОЩЕНИЯ, НЕЛИНЕЙНОГО АКУСТИЧЕСКОГО ПАРАМЕТРА И РАССЕЯНИЯ ЗВУКА В МОРСКОЙ ВОДЕ В НАТУРНЫХ УСЛОВИЯХ.
6.1. Изучение зависимости коэффициента поглощения звука и акустического нелинейного параметра от глубины в море.
Разработанные методы исследования затухания звука и параметра акустической нелинейности были применены в условиях морского эксперимента на ПУС «Надежда» во время первого этапа кругосветного плавания.
Следует отметить, что измерения указанных параметров в океане сопряжено с большими трудностями и в научной литературе практически отсутствует информация об их распределении в деятельном слое океана. Существуют лишь отрывочные данные, причем это в основном относится к затуханию звука. Исследования нелинейности морской воды на различных глубинах проводились буквально в единичных экспериментах.
В главе 2 описан автономный измерительный комплекс, который использовался для исследования затухания звука и параметра акустической нелинейности при вертикальном зондировании приповерхностного слоя моря до глубины 100 метров.
Измерение затухания звука проводилось путем сравнения амплитуд отраженных от специальной пластины импульсов на разных глубинах. Измерения проводились при непрерывном перемещении опускаемого устройства по глубине. При движении опускаемого устройства вокруг него возникают турбулентные течения, создающие дополнительное затухание звука, поэтому измерения абсолютных величин коэффициента поглощения не представлялось возможным. При условии равномерного движения опускаемого устройства, можно считать, что вклад дополнительного затухания примерно постоянен, и наблюдать относительное изменение затухания с глубиной. Одновременно регистрировалось рассеяние звука на микронеоднородностях с помощью высокочастотного гидролокатора. Акустический нелинейный параметр определялся по изменению амплитуды разностной частоты 15 кГц при частотах накачки 700 и 715 кГц методом сравнения с калибровочным значением. На рис. 6.1 и рис. 6.2 показаны графики зависимости коэффициента рассеяния и коэффициента затухания звука от глубины в разных точках Индийского океана. При движении опускаемого устройства от поверхности вниз вначале происходит постепенное уменьшение коэффициента затухания звука, но на глубинах залегания звуко-рассеивающих слоев наблюдается увеличение коэффициента затухания звука. На рис. 6.1 наблюдается увеличение коэффициента объемного рассеяния на глубине 45 метров от поверхности моря. На рис. 6.2 видно, что на этой же глубине происходит и увеличении коэффициента затухания звука. Этот факт позволяет убедиться, что затухание звука в приповерхностном слое моря в существенной мере зависит от положения звукорассеивающих слоев.
На рис. 6.3 — 6.6 показана зависимость нелинейного параметра от глубины моря в различное время и в различных географических точках. Видно, что на определенной глубине происходит резкое увеличение нелинейного параметра примерно в среднем в полтора раза по сравнению с величиной нелинейного параметра на поверхности моря. Это очень большое увеличение, достаточно упомянуть, что имеющиеся в литературе данные по нелинейному акустическому параметру при преобразовании во вторую гармонику составляют буквально считанные проценты. При этом весь эффект влияния микронеоднородностей морской среды обычно заключался в увеличении флуктуационной компоненты нелинейного параметра. Здесь же, наряду с увеличением флуктуаций нелинейного параметра в местах расположения ЗРС, наблюдается также и резкие изменения его средних значений.
Рис. 6.1. Зависимость коэффициента объемного рассеяния звука от глубины на ст. 16 в Индийском океане. Е N.
02.03.03 St, 17 Indian ocean.
4*>flWNl=gf$ 3.№.
-«/"w m*m it /а 0 1151» «pM» t a/a Sounding 81.
1−1-1−1-1−1-1-'-r~.
0.88 0.92 0.96 1.00, 1.04 a/a.
Рис. 6.2. Зависимость коэффициента затухания звука от глубины на ст. 17 в.
Индийском океане.
Необходимо подчеркнуть одно важное обстоятельство — измерения нелинейного параметра проведены не на второй гармонике, а на разностной частоте 15 кГц, когда нелинейное взаимодействие двух близко расположенных по частоте высокочастотных сигналов приводит к нелинейной генерации звука на частоте разности указанных сигналов. Видно, что этот метод регистрации нелинейной генерации звука на разностной частоте очень чувствителен к наличию микро-неоднородностей в воде. Таким образом, применение этого метода позволяет получить новые данные о наличии и свойствах микронеоднородностей.
На рис. 6.3 и рис. 6.4 показаны графики изменения акустического нелинейного параметра, построенные по двум зондированиям, сделанным в окрестностях одной точки в дрейфе с интервалом в полчаса. Из рис. 6.3 и рис. 6.4 видно, что картина носит устойчивый характер.
На рис. 6.5 и рис. 6.6 приведены графики изменения параметра акустической нелинейности с глубиной в других районах Индийского океана. Видно, что картина зависимости нелинейного акустического параметра от глубины может иметь различный характер, что говорит о гидрологических особенностях района.
Полученные результаты показывают, что значительное изменение параметра нелинейности наблюдается на границах звукорассеивающих слоев, в местах больших градиентов коэффициента рассеяния звука.
Устройство для измерения нелинейного параметра и затухания звука совмещено с измерителем скорости звука, что позволяет проводить комплексные измерения акустических свойств среды.
Рис. 6.3. Зависимость акустического нелинейного параметра от глубины на станции 16 в Индийском океане при первом вертикальном зондировании.
ЦШМ’Ммкм чд 0 5. pet г «11.
Рис. 6.4. Зависимость акустического нелинейного параметра от глубины на ст. 16 в Индийском океане, спустя полчаса после предыдущего зондирования.
1ЖН St, Hldi)" кем rfma-tfom щ Ыщк т тмчш/хи/'НлШ;
Рис. 6.5. Зависимость нелинейного параметра от глубины на станции 17 в Индийском океане.
Рис. 6.6. Зависимости нелинейного параметра от глубины на станции 24 в Индийском океане.
6.2. Акустическая спектроскопия морской среды на встречных звуковых пучках.
Применение нелинейного рассеяния звука для задач акустической спектроскопии резонансных включений в жидкости было показано в главе 1. Наряду с нелинейным рассеянием звука для задач акустической спектроскопии используют линейное нестационарное рассеяние с применением параметрических акустических излучателей. Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки.
Нелинейное рассеяние звука на резонансных включениях наиболее значительно на близких дистанциях от излучателя, в то время как линейное рассеяние сформировавшегося в поле параметрического излучателя акустического сигнала на рабочих (разностных) частотах наиболее существенно на достаточно отдаленных участках среды. При этом обычно используют режим бигармони-ческого одновременного излучения акустических импульсов либо в одном и том же направлении с одного излучателя, что характерно для метода с применением параметрических излучателей, либо с пространственно разнесенных отдельных излучателей, что характерно для метода нелинейного рассеяния. В последнем случае имеется существенный недостаток, заключающийся в невозможности дистанционного зондирования морской среды [101−105]. В настоящей работе опробован метод, позволяющий реализовать дистанционную акустическую спектроскопию, как с применением метода параметрических излучателей, так и метода нелинейного рассеяния звука.
Схема эксперимента показана на рис. 6.7. Суть метода заключается в следующем. Пусть излучаются акустические импульсы на различных частотах (c)i и Юг одним и тем же излучателем (1) последовательно друг за другом с интервалом At с некоторой глубины в сторону поверхности моря.
Рис. 6.7. Схема натурного морского эксперимента. 1- излучатель, 2- поверхность моря, 3 — отраженный импульс, 4 -прямой импульс, L — область нелинейного взаимодействия. 2 1.
Рис. 6.8. Функциональная схема установки для акустической спектроскопии морской среды. 1 — источник управляющего напряжения- 2 — устройство, формирующее напряжения противоположной полярности- 3,4- генераторы частот накачки- 5 — двухканальный импульсный генератор- 6 — генератор задержки работы ключа;
7 — суммирующий усилитель- 8 — усилитель мощности- 9 — излучатель- 10 -диодный коммутатор- 11 — усилитель- 12 — электронный ключ- 13 — гетеродин;
14 — анализатора спектра.
В эксперименте поверхность моря (2) использовалась для создания отраженного импульса (3) длительности ti с частотой соь который мог бы в заданном месте относительно этой поверхности взаимодействовать с прямым импульсом (4) длительности т2 с частотой со2 (на рис. 6.7 область взаимодействия обозначена буквой L). При At=0 взаимодействие между прямым и отраженным импульсами осуществляется на глубинах с zmin=CT2/2 до zmax=cii/2. При At#0 величина Zmin изменяется и равна zmin=c (At+T2)/2. Изменяя величину задержки At можно исследовать нелинейное взаимодействие на различных глубинах. При излучении акустических импульсов одновременно без какой-либо задержки можно реализовать обычный метод параметрического излучения бигармониче-ских сигналов с целью изучения рассеяния звука на разностных частотах от различных слоев в толще морской воды.
В главе 1 было показано, что для задач акустической спектроскопии метод нелинейного рассеяния может быть непригоден в случае монотонной функции распределения пузырьков по размерам g®. Только применение нестационарного нелинейного рассеяния позволяет надеяться на реализацию акустической спектроскопии в широком масштабе размеров.
Основные выражения, с помощью которых можно вычислить функцию g® по результатам измерений нелинейного рассеяния звука, приведены в главе 1 (1.17 -1.19). Окончательно функция распределения g® может быть определена из формул в виде:
Здесь Р0 — гидростатическое давление, у — постоянная адиабаты, у=1,4.
Предложенный метод был реализован в натурных морских условиях. Эксперимент проводился в Японском море. Применялся излучатель с частотой наглубине 15 м, при этом излучение осуществлялось вверх, в сторону морской о •.
6.1) качки 150 кГц и уровнем излучения Рт =105 Па •м. Излучатель располагался на поверхности, как это показано на рис. 6.7. Разностная частота составляла величину 16 кГц. Применялись импульсы различной длительности, которые могли следовать в различной последовательности: следом друг за другом, с временной задержкой между «хвостом» предыдущего и «головой» последующего, а также одновременно. Длительность импульсов Ti и т2 изменялась от 1 мс до 10 мс.
Функциональная схема устройства для спектроскопии морской воды методом нелинейного рассеяния звука на встречных звуковых пучках представлена на рис. 6.8. В устройстве использованы в основном промышленные приборы. Схема позволяет формировать пару импульсов, задержанных друг относительно друга на время от 0 до 1 сек. Длительность импульсов и время задержки задается для каждого импульса отдельно двухканальным импульсным генератором Г5−56 (5). Генераторы Г6−28 (3, 4) формируют радиоимпульсы, которые подаются на суммирующий усилитель У5−10 (7). Частоты заполнения радиоимпульсов задаются источником постоянного напряжения Б5−47 (1) через устройство, формирующее два напряжения противоположной полярности (2). Эти напряжения вызывают смещение в противоположные стороны генерируемых частот генераторов Г6−28 относительно начального значения, равного резонансу излучателя. Таким образом формируются частоты накачки для параметрического режима и частоты взаимодействия для случая последовательной посылки импульсов. Импульсы усиливаются усилителем (8) и через диодный коммутатор (10) излучаются излучателем ПИ-1 (9). Прием осуществляется излучателем в паузах между излучениями импульсов через диодный коммутатор.
Тракт приема состоит из усилителя фирмы «Брюль и Кьер» типа 2650 (11), электронного ключа (12), гетеродина на базе генератора Г6−34 (13), анализатора спектра фирмы «Брюль и Кьер» типа 2031 (14). Генератор Г5−60 (6) задает время работы ключа, который отсекает сигналы вне области взаимодействия импульсов. Гетеродин управляется постоянным напряжением источника Б5−47 так, чтобы при изменении разностной частоты генераторов Г6−28 частота гетеродина тоже изменялась, при этом полезный сигнал оставался в той же части спектра анализатора.
На рис. 6.9 представлены результаты различных измерений распределения пузырьков по глубине вблизи поверхности моря (обозначены на графиках значками, А и О).
Здесь же сплошными кривыми представлены аппроксимирующие кривые распределения концентрации пузырьков N (z) с глубиной z в соответствии с экспоненциальным законом спада N (z) =N0exp (z/z0), где z0 — характерная толщина верхнего слоя морской воды, содержащей газовые пузырьки.
Первая кривая соответствует значениям Л^=3−104 м" 3 и z0—0,8 м, а втораязначениям N0= 1,3• 104 м" 3 и z0=l, 4 м. Значения No и z0 соответствуют полученным ранее характерным значениям концентрации пузырьков и толщины пузырькового слоя, представленных в работах [21, 101] для тех же условий морской поверхности (волнение около 2−3 баллов, скорость ветра 6−8 м/с). Анализ результатов рис. 6.9 показывает, что измеренные концентрации N=fe®dR соответствуют пузырькам, резонансным на частотах накачки в интервале размеров 1 мкм. При этом установлено, что отсутствует какая-либо зависимость от длительности импульсов в исследуемом диапазоне частот и длительностей импульсов. Иными словами оказалось, что вплоть до резонансных на частоте 150 кГц размеров R20 мкм функция g® является монотонно возрастающей при уменьшении размеров R. Последний результат как качественно, так и количественно совпадает с результатами, полученными с помощью нестационарного линейного рассеяния по другой методике с применением параметрических излучателей [21,101].
Рис. 6.9. Распределение пузырьков по глубине в приповерхностном слое моря.
Таким образом, для осуществления дистанционной акустической спектроскопии в работе предложено применение нестационарного нелинейного рассеяния на встречных звуковых пучках. Предложенный метод был успешно апробирован в натурном эксперименте в условиях шельфовой зоны моря. Были получены экспериментальные данные по размерному распределению газовых пузырьков в верхнем слое морской воды.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В диссертации представлены результаты экспериментальных исследований температурных и концентрационных зависимостей акустической нелинейности, рассеяния и поглощения звука в воде с газовыми и парогазовыми пузырьками. В работе получили дальнейшее развитие экспериментальные методы акустической спектроскопии микронеоднородной жидкости, основанные на изучении особенностей распространения, поглощения и рассеяния звука. В работе предложены и апробированы методики для исследования микронеоднородной жидкости в лабораторных и натурных условиях. В работе представлены подробные описания и функциональные схемы измерительных аппаратных комплексов. Основные научные результаты состоят в следующем:
1. Экспериментально выявлено существенное влияние фазовых превращений на акустическую нелинейность и поглощение звука в воде с парогазовыми пузырьками, выражающееся в заметном росте этих характеристик с увеличением температуры воды с пузырьками, что ранее было предсказано только теоретически.
2. Подробно экспериментально исследована зависимость акустического нелинейного параметра и поглощения звука от концентрации и распределения газовых пузырьков в жидкости и установлена нелинейная связь этих характеристик при высоких концентрациях пузырьков.
3. На основе разработанных методов были получены данные о распределении параметра акустической нелинейности и затухания звука на глубинах до 100 м в различных районах Мирового океана, не упоминавшиеся ранее в научной литературе.
4. В работе был предложен метод акустической спектроскопии морской среды, основанный на нелинейном рассеянии звука на встречных звуковых пучках. Получены экспериментальные данные в экспедиционных условиях, подтверждающие возможность применения дистанционного метода для изучения распределения пузырьков газа по размерам на разных глубинах в море.
