Статья опубликована в №46 (июнь) 2017
Разделы: Физика, Оптика
Размещена 23.06.2017. Последняя правка: 01.07.2017.
Просмотров - 3020

Термооптическое возбуждение звуковой волны

Чекин Сергей Константинович

к.ф.-м.н.

МИФИ

СНС

УДК 534.142

В работах [l-З] изучалось распространение звуковых волн, возбуждаемых сравнительно  "узким" лазерным пучком,  когда а«λ_зв,  где а - радиус лазерного луча,  λ_зв - длина звуковой волны.

Между тем для прикладных целей интересен также случай осуществления "широкого" лазерного пучка, а»λ_зв, когда в припо­верхностном слое жидкости  первоначально формируется плоская звуковая волна, которая при дальнейшем распространении дифра­гирует, трансформируясь в сферическую с узкой диаграммой нап­равленности

[4-6].

В настоящей работе исследовалось возбуждение и распрост­ранении такой волны в открытом водоёме до глубины 50 метров, с борта научно-исследовательского судна в присутствии волне­ния (см.Фиг 3).

Звуковая волна возбуждалась с помощью лазера на неоди­мовом стекле (λ =1,06 мкм), длительность импульса которого варьировалась дискретной  t_a= 0,03;6;200 мкс с энергией в импульсе E =1;3;5 Дж, соответственно.  Луч лазера расширялся системой линз, что позволяло создать на поверхности воды световое пят­но с радиусом 1м.

Акустический приёмник представлял собой сферу из кера­мики ЦТС-19 диаметром

40 мм о чувствительностью ~ 250 мкВ/Па, помещённую в фокусе параболического отражателя из стали диамет­ром 360 мм, что увеличивало чувствительность устройства при длительности звукового импульса  t_a = 40мксек  в  6 раз. Приёмник вместе c предварительным усилителем погружался в воду на ка­беле РК-75 под центром светового пятна. Сигнал, прошедший через полосовом фильтр, регистрировался на

осциллографе C8-13.

На фиг. 1и 2 изображены осциллограммы акустических   импульсов, зарегистрированных на глубинах 0,5 м и 30 м, соот­ветственно. Первому импульсу соответствует волновой параметр К= l/l_g= 0,1, где l- глубина наблюдения, l_g = а ²/ λ_зв - длина дифракции (см. например [6]), второму К=3. Видно, что форма сигнала харак­терная для плоской волны (фиг.1), трансформируется при уве­личении глубины и соответствует сферической волне в "даль­нейзоне".  Уменьшение амплитуды сигнала с глубиной при К >1 также согласуется с величиной дифракционной расходимости звукового пучка.  Длительность лазерного импульса здесь t_a =0,03 мксек, λ_зв≈µ^-1≈ 6см, µ - показатель поглощения света водой.

Амплитуды и формы импульсов в пределах ошибки экспе­римента ( 30%) хорошо согласуются с теорией [4,5] как в случае "широкого пятна", так и при а«λ_зв , когда реализуется сферическая звуковая волна, возбуждаемая лазерным лучом естественной ширины  а  = I см.  Так при Е=1Дж, а = 90 см вблизи поверхности воды был зарегистрирован импульс давления P₀ с амплитудой, близкой (±12%) к теоретическому значению

P₀= Eβµc²/2c_pS, здесь β - коэффициент объём­ного расширения, с - скорость звука в воде, c_p- теплоёмкость, S = площадь пятна.

При длительности оптического импульса t_a = 200мкс наблюдалось уменьшение относительной амплитуды звукового импульса в 12 ÷ 15 раз по сравнению с "коротким" импульсом  (t_a « µc)^-1 ) , при этом безразмерная длина лазерного им­пульса

θ = µct_a≈ 5 . Такое уменьшение амплитуды импульса объяс­няется интерференцией падающего импульса и отражённого от поверхности воды при θ >> 1. B этом случае амплитуда звукового импульса p=2p₀/θ² (формула получена нами). Для сравнения заметим, что при Ξ = 1, p=p₀/2 для формы светового импульса J=J₀₍ t/ t_a)exp(-t/ t_a).

Что касается влияния волнения водной поверхности, то материала,  пригодного для статистической обработки, собрать не удалось из-зa непригодности такого размера судна (водоизмещение 16 т) для работы в условиях качки и резкого увеличения уровня акустических шумов моря. Однако о достаточной досто­верностью можно заключить, что учёт только крупных неровнос­тей [7] в нашем случае приводит к завышению значения амплиту­ды давления в акустическом импульсе по сравнению с экспери­ментально измеренным.

Так при переходе от штиля к волнению с высотой волны 0,5м, длиной 3 м. ветре ~10 м/сек и при длине звуковой волны - 6 см было зарегистрировано падение сигнала в 2 раза большее, чем предсказанное с учётом только крупных неровностей  p/p₀ = 1/√(1+Δ²), где 

Δ= а*tg(α)/ λ, α - угол крутизны волны.

Таким образом, впервые проведены натурные исследования в реальной морской акватории применения лазера для возбуждения и распространения акустической волны на глубины до 50 метров в условиях штиля и морского волнения.

Фиг 1

Фиг 2

Фиг 3

1.Дунина Т.А., Егерев С.В., Лямшев Л.М., Наугольных К.А. «О ближнем поле импульсной термоакустической антенны». Акустический журнал, 25, 1, с. 60-64 (1979) 2.Бункин Ф.В., Комиссаров В.М. «Оптическое возбуждение звуковых волн. (Обзор)» Акустический журнал, 19, 3, с. 305-320 (1973). 3.Карабутов А.А., Портнягин А.И., Руденко О.В., Черепецкая Е.Б. «Экспериментальное исследование распространения коротких акустических импульсов при термооптическом возбуждении» Акустический журнал, 26, 2, с. 296-299 (1980). 4.Касоев С.Г., Лямшев Л.М. «О генерации звука в жидкости лазерными импульсами произвольной формы» Акустический журнал, 24, 4, с. 534-539 (1978). 5. А.И.Божков, Ф.В.Бункин "Генерация звука в жидкости при поглощении в ней лазерного излучения c модулированной интенсивностью" Квантовая электроника, 1975, 2, №8, 1763-1776. 6.Карабутов А.А., Руденко О.В., Черепецкая Е.Б. «К теории термооптической генерации нестационарных акустических полей» Акустический журнал, 25, 3, с. 383-394 (1979). 7.Касоев С.Г., Лисовская М.Г., Лямшев Л.М., Седов Л.В. «Генерация звука лазерным излучением в жидком полупространстве с двумя типами неровностей границы» Акустический журнал, 25, 3, с. 401-407 (1979).

Рецензии:

23.06.2017, 14:13 Сухарев Илья Георгиевич
Рецензия: Рецензия на статью "Термооптическое возбуждение звуковой волны" (автор Чекин Сергей Константинович, к.ф.-м.н., МИФИ, СНС). По материалу статьи ясно, что работа имеет практическую направленность и конкретные результаты. Вопросы есть по качеству подаваемого материала. В статье нет упомянутых иллюстраций (фиг.1-3), присутствуют орфографические и технические небрежности в тексте, не понятно зачем надо было употреблять странную литеру Ξ (?). Отсутствует завершающий вывод и оценка полученных результатов. С учетом и исправления данных замечаний, статью считаю возможной к опубликованию

24.06.2017, 12:46 Манин Константин Владимирович
Рецензия:  Уважаемый Сергей Константинович! Ваша статья очень интересная, но требует полной перестройки! 1. В списке литературы необходимо указать название статьи, а не только журнал, чтобы читатель не знакомый с Вашей тематикой мог бы это прочитать! 2. Не хватает вводной части в статье. К какой области относится Ваша статья (радиоволны или ультразвук)? Опять таки, многие исследования 60-80-х гг. путали ЭМП и радиоволны. 3. Если среди Ваших ссылок есть секретная информация, то тем более переделать список литературы. 4. Часть данных вывести в таблицу для более лучшего восприятия. Фраза формула p=2p0/=2, которая выведена нами, должна быть в аннатации. При исправлении недостатков Ваша статья может быть опубликована в журнале. К.б.н. Манин К.В.



Комментарии пользователей:

27.06.2017, 12:13 Манин Константин Владимирович Отзыв: Уважаемый Сергей Константинович! Статья рекомендована к публикации в журнале. С наилучшими пожеланиями Манин К.В.

Оставить комментарий