Том 70, № 4 (2024)

Исследовано распространение изгибных упругих волн в металлических разрезных стрежнях прямоугольного сечения с увеличением глубины прорезей по степенному закону с помощью численного моделирования и экспериментально методом лазерной сканирующей виброметрии. Рассмотрены три типа расположения прорезей: равномерное, учащенное и разреженное к концу стержня. Такие конструкции проявляют свойства акустической черной дыры. В диапазоне частот 10-100 кГц экспериментально обнаружено увеличение амплитуды и уменьшение длины изгибной волны по мере приближения волны к концу стержня для всех исследуемых образцов. Показано, что существует критическая частота, выше которой моды имеют участок с сильно уменьшенным значением амплитуды колебаний.

Решается практическая задача контроля образцов из различных металлов с использованием принципов нелинейной акустики. Для контроля использована поверхностная акустическая волна, процесс распространения которой в силу нелинейных эффектов сопровождается генерацией волны удвоенной частоты. Использовано экспериментальное устройство, позволяющее контролировать структурное состояние металла образца путем регистрации изменения нелинейного акустического параметра. Для возбуждения поверхностной волны использовался клиновый преобразователь с резонансной частотой 1 МГц. Прошедшая волна регистрировалась клиновым преобразователем с резонансной частотой 2 МГц. Показано, что нелинейный параметр для исследуемых материалов в исходном состоянии имеет разное значение не только для материалов, относящихся к разным классам, но и для материалов одного структурного класса, но с разным химическим составом (12Х17Г9АН4 и 12Х18Н10Т). Пластическая деформация на 2% не приводит к изменению нелинейного параметра для сплава АМг6 и сталей 12Х17Г9АН4, 20Х13Н4Г9 и 10ХСНД. Изменение нелинейного параметра в результате пластической деформации на 2% для нержавеющих сталей 12Х18Н10Т и 08Х17Н4М3 обусловлено изменением их фазового состава, связанного с мартенситным превращением. Представленные данные по изменению нелинейного параметра от ранних стадий упругопластического деформирования до предразрушения для АМг6 и 10ХСНД демонстрируют возможность его использования в качестве прогностического критерия предельного состояния материала.

Экспериментально исследована акустическая линия задержки, состоящая из двух пластин ниобата лития Y–X среза толщиной 0.2 мм, расположенных друг на друге. На краю каждой пластины расположен встречно–штыревой преобразователь. На один преобразователь подается ВЧ напряжение (импульсное или непрерывное), которое возбуждает пьезоактивную акустическую волну с поперечно–горизонтальной поляризацией, бегущую в первой пластине. Электрическое поле этой волны, проникая во вторую пластину, возбуждает в ней акустическую волну, которая преобразуется в электрический сигнал с помощью второго встречно–штыревого преобразователя. Меняя расстояние между преобразователями путем сдвига одной пластины относительно другой, можно менять фазу выходного сигнала и время задержки.

Получено уравнение и впервые решена задача о динамике формирования и излучения квазипустой пульсирующей сферической полости в кавитирующей жидкости с влиянием изменяющейся скорости звука в зоне кавитации и концентрации кавитационных зародышей. Данные по динамике полости, по излучению и скорости схлопывания для спектра значений внутреннего начального давления показали, что при максимальной концентрации газовой фазы пульсации отличаются степенью сжатия. Они имеют практически одинаковый характер — после первого схлопывания совершается только один полупериод с выходом на различные постоянные равновесные радиусы. Условие равенства давления в зоне кавитации и внутри сферической полости на ее границе позволило впервые установить динамическую связь объемной концентрации (скорости звука) в зоне кавитации с радиусом сферической полости. При расчете и построении решения меняется условие, согласно которому начальный размер полости принимает значение, соответствующее величине начального давления. Построены зависимости амплитуды излучения по всему диапазону прилагаемых давлений. Оказалось, что амплитуда излучения увеличивается на 5 порядков при изменении начального давления в полости на 3 порядка с 10^–2 атм до 10^–5 атм.

Для низкочастотного звукового сигнала, распространяющегося в горизонтально-неоднородном волноводе мелкого моря, на основе статистического моделирования в рамках метода поперечных сечений исследовано влияние флуктуирующей границы раздела между водным слоем и жидкими донными осадками. Моделирование проведено для гидрологических условий, во многих ситуациях соответствующих мелководным зонам шельфа российских арктических морей. Особенностью этих акваторий является присутствие почти однородного водного слоя, лежащего на слабо консолидированных донных осадках с разнообразными характеристиками, в том числе с высокой степенью газонасыщенности. Изучена зависимость средней интенсивности звукового сигнала и составляющих его отдельных мод от параметров задачи: характерного масштаба флуктуаций границы раздела и импеданса этой границы, определяющего ее пропускающие свойства. Показано, что влияние флуктуаций батиметрии на среднюю интенсивность акустических мод имеет свои особенности по сравнению с влиянием случайных объемных неоднородностей скорости звука в водном слое и осадках, установленным ранее. Так, донные шероховатости относительно небольшого масштаба приводят в среднем к усилению затухания звукового сигнала при распространении в волноводе, причем это может происходить на сравнительно небольших расстояниях от источника. Увеличение отражательной способности неровной донной границы ослабляет эффект повышенного затухания звука так, что для типичных значений скорости звука в дне затухание на дистанциях 10–20 км от источника мало отличается от такового для невозмущенной горизонтальной границы.

Гидроакустическое зондирование на частотах, близких к резонансным частотам колебаний пузырьков, является перспективным методом для обнаружения и изучения сипов, выхода газа (преимущественно метана) из морского дна при высвобождении газогидратов. Это соответствует снижению рабочей частоты, относительно традиционного метода изучения сипов высокочастотных гидролокаторов, поэтому предложенный метод будем относить к низкочастотным. Проведены оценки силы рассеяния с учетом коллективного взаимодействия. Продемонстрирована возможность применения низкочастотных гидроакустических систем для обнаружения сипов на примере результатов морского эксперимента с использованием имитационной пузырьковой струи. Предложен метод обработки данных для обнаружения нестационарных рассеивателей.

Приводятся и обсуждаются результаты измерений кавитационных порогов и некоторых гидрологических и гидрохимических параметров морской воды в различных районах Мирового океана. Показана устойчивая временная изменчивость величины кавитационных порогов на временных масштабах нескольких суток. Выявлена суточная, полусуточная и другие периодичности изменения величины кавитационных порогов.

Предложена модификация метода Дина для определения импеданса в случае неоднородного звукового поля на лицевой и донной поверхности резонатора. Модификация заключается в использовании вместо акустических давлений в формуле Дина коэффициентов собственных функций, которые соответствуют однородному распределению акустического давления на лицевой и донной поверхности резонатора. Собственная задача решается методом конечных элементов, коэффициенты при собственных функциях находятся методом наименьших квадратов. На текущей стадии исследований натурный эксперимент заменен численным моделированием в линейной постановке распространения звука в импедансной трубе с нормальным падением волн с присоединенным к ней сотовым резонатором. Неоднородность поля давления по сечению резонатора создается за счет разного положения отверстий в лицевой пластине резонатора. Исследование проводится для разного числа точек измерений звукового давления на дне резонатора. Расчеты показывают, что предложенный метод является работоспособным и дает хорошее согласование с прямым методом определения импеданса. Однако возможности применения модификации метода Дина в натурных измерениях оказываются ограниченными, т.к. для точного определения импеданса резонатора требуется большое количество точек измерений.

Исследованы акустические и электрические характеристики 128-элементного ультразвукового излучателя, разработанного для создания фокусированных акустических пучков высокой интенсивности в воздухе в диапазоне низких ультразвуковых частот. Для подавления паразитных дифракционных максимумов использовано спиральное расположение пьезоэлектрических элементов на сферической чаше. Рабочая частота излучения равна 35.5 кГц, диаметр источника и фокусное расстояние составляли около 50 см и намного превышали длину волны (порядка 1 см). Указанный выбор параметров позволил обеспечить эффективную фокусировку с локализацией волновой энергии в фокальной области малого размера и за счет этого достигнуть экстремально высоких уровней интенсивности ультразвука. Параметры ультразвукового поля изучены в рамках комбинированного подхода с использованием методов измерения акустической радиационной силы, действующей на конический отражатель, определения реальных граничных условий по измерению распределения амплитуды и фазы акустического давления микрофоном на плоскости перед источником и численного моделирования нелинейного распространения мощных волн на основе решения уравнения Вестервельта. Достигнутый уровень акустического давления составил 173 дБ при размере фокального пятна, соответствующем масштабу длины волны.