ВЛИЯНИЕ ЭФФЕКТОВ САМОВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПОЛЕ НЕЛИНЕЙНОГО АКУСТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ

А.М. Гаврилов

А.М. Гаврилов Южный Федеральный Университет

Ключевые слова: Нелинейный акустический излучатель, тепловая линза, акустические течения, волна разностной частоты, волна накачки, квадратично-нелинейные эффекты

Аннотация

Цель работы – экспериментальное исследование роли эффектов самовоздействия,
сопровождающих распространение ультразвуковых пучков бигармонической волны накач-
ки, на процесс формирования пространственных характеристик поля волны разностной
частоты. В статье изучаются изменения пространственных распределений амплитуды
волны разностной частоты при совместном действии квадратично-нелинейных эффектов
(амплитудно-зависимое нелинейное затухание, искажение временного профиля и др.), аку-
стического течения и нагрева среды волнами накачки конечной амплитуды. Эксперименты
проводились в лабораторном бассейне размерами 211 м3 с пресной водой при комнатной
температуре, где плоский пьезокерамический излучатель диаметром 20 мм горизонтально
излучал пучок волн накачки со средней частотой 2 МГц. Бигармоническая волна накачки
генерировала в воде разностную волну, частота которой принимала значения 80 кГц или
160 кГц. Гидрофон малых размеров перемещался горизонтально вдоль и поперек акустиче-
ской оси пучка накачки для регистрации осевых и поперечных распределений амплитуды
волны разностной частоты. В качестве параметров исследования использованы амплиту-
да волн накачки, длительность, период следования и скважность излучаемых импульсов.
При постоянной амплитуде излучаемых волн скважность импульсов определяет среднюю
интенсивность накачки, от которой зависит развитие эффектов самовоздействия. На-
против, квадратично-нелинейные эффекты определяются амплитудой волны накачки и не
зависят от скважности импульсов. При увеличении амплитуды волн накачки и постоянной
скважности показано совместное нарастающее влияние квадратично-нелинейных эффек-
тов и эффектов самовоздействия на пространственные характеристики поля волны раз-
ностной частоты. Для воды в условиях комнатной температуры акустическое течение и
тепловое самовоздействие привели к дефокусировке пучка накачки, что существенно уско-
рило пространственную убыль амплитуды волны разностной частоты с расстоянием от
излучателя вдоль акустической оси. Показано, что наибольшее влияние эффектов самовоз-
действия имеет место в непрерывном режиме излучения. Полученные результаты пред-
ставляют интерес для понимания особенностей и степени влияния эффектов самовоздей-
ствия на поле волны разностной частоты, что актуально при использовании нелинейного
акустического излучателя в измерительных и диагностических задачах, для передачи ин-
формации и дистанционного поиска объектов.

Литература

1. Novikov B.K., Rudenko O.V., Timoshenko V.I. Nelineynaya gidroakustika [Nonlinear underwater
acoustics]. Leningrad: Sudostroenie, 1981, 264 p.
2. Novikov B.K., Timoshenko V.I. Parametricheskie antenny v gidrolokatsii [Parametric antennas
in sonar]. Leningrad: Sudostroenie, 1989, 256 p.
3. Naugol'nykh K.A., Ostrovskiy L.A. Nelineynye volnovye protsessy v akustike [Nonlinear wave
processes in acoustics]. Moscow: Nauka, 1990, 237 p.
4. Zarembo L.K., Shklovskaya-Kordi V.V. K voprosu o skorosti rasprostraneniya ul'trazvukovykh
voln konechnoy amplitudy v zhidkosti [On the issue of the velocity of propagation of ultrasonic
waves of finite amplitude in a liquid], Akusticheskiy zhurnal [Akusticheskij zhurnal], 1960,
Vol. 6, No. 1, pp. 47-51.
5. Naugol'nykh K.A. K voprosu o potokakh, vyzvannykh zvukom[On the issue of flows caused
by sound], Doklady AN SSSR [Reports of the USSR Academy of Sciences], 1958, Issue 123,
No. 6, pp. 1003-1006.
6. Romanenko E.V. Eksperimental'noe issledovanie akusticheskikh potokov v vode [Experimental
study of the acoustic flow in the water], Akusticheskiy zhurnal [Akusticheskij zhurnal],
1960, Vol. 6, No. 1, pp. 92-95.
7. Shutilov V.A. Osnovy fiziki ul'trazvuka [Fundamentals of ultrasound physics]. Leningrad: Izdvo
Leningr. un-ta, 1980, 280 p.
8. Statnikov Yu.G. Potoki, vyzvannye zvukom konechnoy amplitudy [Flows caused by sound of finite
amplitude], Akusticheskiy zhurnal [Akusticheskij zhurnal], 1967, Vol. 13, No. 1, pp. 146-148.
9. Bakhvalov N.S., Zhileykin Ya.M., Zabolotskaya E.A. Nelineynaya teoriya zvukovykh puchkov
[Nonlinear theory of sound beams]. Moscow: Nauka, 1982, 198 p.
10. Zabolotskaya E.A. Samodefokusirovka zvukovogo puchka pri nalichii akusticheskikh techeniy
[Self-focusing of the sound beam in the presence of acoustic currents], Akusticheskiy zhurnal
[Akusticheskij zhurnal], 1976, Vol. 22, No. 2, pp. 222-225.
11. Zabolotskaya E.A., Khokhlov R.V. Teplovoe samovozdeystvie zvukovykh voln [Thermal self-action
of sound waves] Akusticheskiy zhurnal [Akusticheskij zhurnal], 1976, Vol. 22, No. 1, pp. 28-31.
12. Gusev V.E., Rudenko O.V. Nestatsionarnye kvaziodnomernye akusticheskie techeniya v
neogranichennykh ob"emakh s uchetom gidrodinamicheskoy nelineynosti [Non-stationary quasione-
dimensional acoustic flows in unlimited volumes taking into account hydrodynamic nonlinearity],
Akusticheskiy zhurnal [Akusticheskij zhurnal], 1979, Vol. 25, No. 1, pp. 875-881.
13. Andreev V.G., Karabutov A.A., Rudenko O.V., Sapozhnikov O.A. Nablyudenie effekta
samovozdeystviya moshchnogo ul'trazvukovogo puchka v vode [Observation of the self-action
effect of a powerful ultrasonic beam in water], Akusticheskiy zhurnal [Akusticheskij zhurnal],
1985, Vol. 31, No. 5, pp. 657-658.
14. Rudenko O.V., Sapozhnikov O.A. Yavleniya samovozdeystviya puchkov voln, soderzhashchikh
udarnye fronty [Phenomena of self-action of wave beams containing shock fronts], Uspekhi
fizicheskikh nauk [.Advances in physical sciences], 2004, Vol. 174, No. 9, pp. 973-989.
15. Askar'yan G.A. Samofokusirovka i fokusirovka ul'tra- i giperzvuka [Self-focusing and focusing
of ultra-and hypersound], Pis'ma ZHETF [ZETP Letters], 1966, Vol. 4, No. 4, pp. 144-147.
16. Bunkin F.V., Volyak K.I., Lyakhov G.A. Effekty samovozdeystviya i vynuzhdennogo
rasseyaniya zvukovykh puchkov v pogloshchayushchikh zhidkostyakh – teplovaya
samofokusirovka [Effects of self-action and forced scattering of sound beams in absorbing liquids-
thermal self-focusing], ZHETF [Journal of Experimental and Theoretical Physics], 1982,
Vol. 83, No. 2, pp. 575-584.
17. Bunkin F.V., Kravtsov Yu.A., Lyakhov G.A. Akusticheskie analogi nelineynykh opticheskikh
yavleniy [Acoustic analogs of nonlinear optical phenomena], Uspekhi fizicheskikh nauk [Advances
in physical sciences], 1986, No. 149, pp. 391-411.
18. Zarembo L.K., Krasil'nikov V.A. Vvedenie v nelineynuyu akustiku [Introduction to nonlinear
acoustics]. Moscow: Nauka, 1966, 520 p.
19. Moshchnye ul'trazvukovye polya [Powerful ultrasonic fields], ed. by L.D. Rozenberga. Moscow:
Nauka, 1968, 268 p.
20. Eckart C. Vorticity generated by sound, Phys. Rev., 1948, Vol. 73, No. 1, pp. 68.