| 1 |
1 января 2014 г.-31 декабря 2014 г. |
Физика мощных акустических полей - нелинейная акустика |
| Результаты этапа: Исследован процесс нагревания тонких слоев между трущимися поверхностями как за счет жидкого, так и сухого трения. Обнаружено существование оптимальных коэффициентов вязкости и трения, при которых потери максимальны. «Резонансный» характер потерь нужно учитывать при описании эффектов «медленной динамики» горных пород и материалов, подвергнутых интенсивному сейсмическому или акустическому облучению, и в технологических процессах. Развит метод решения задач, связанных с эволюцией корреляционных функций и спектров акустической и гидродинамической турбулентности, описываемой нелинейными интегро-дифференциальными уравнениями. Найдены асимптотики для полей с сильно выраженной нелинейностью. Результаты применимы к наследственным средам, включая среды с релаксацией, биоткани и геологические среды. Изложена универсальная схема конструирования нелинейных интегро-дифференциальных моделей для описания интенсивных волн в средах типа биотканей и геоструктур со сложной внутренней динамикой релаксационного типа. Описаны новые эффекты в сильно нелинейных волнах – самозахват и остановка бегущей волны, аккреция слабых возмущений на сингулярность, саморасщепление волн. Показано, что многие сингулярные решения нелинейных волновых уравнений обнаруживают корпускулярное поведение. Высказана и обоснована гипотеза, объясняющая роль скелетных мышц в защите суставов и костей сухопутных животных и человека от повреждений при ударах и нагрузках, связанных с физической активностью. Развита теория для понимания природы низкочастотных характеристик скелетной мышцы, которые несут диагностическую информацию о ее функциональном состоянии и патологии.
Предложен новый метод активного картирования кавитационной активности, возникающей в биологических тканях под действием импульсного фокусированного ультразвука высокой интенсивности, который даёт возможность не только визуализировать пузырьки, но оценить их размер и нелинейный отклик. Обнаружено явление порогового скачкообразного уменьшения скорости ультразвука в низкоконцентрированном гомохиральном растворе при переходе раствора в фазу анизометрического геля. Впервые на печени свиньи показана работоспособность нового метода неинвазивной хирургии с использованием ударно-волнового воздействия мощного фокусированного ультразвука, где разрушение ткани происходит механическим методом, без нагревания. Обнаружена селективность разрушений по типу тканей. Развита численная модель для описания распространения одномерных встречных волн в нелинейной среде с произвольным степенным законом поглощения и соответствующим законом дисперсии. Разработанный алгоритм позволяет описывать взаимодействие волн при наличии ударных фронтов в средах типа биологических тканей. Предложен новый метод обнаружения микрокальцификатов в ткани молочной железы с использованием ультразвука, основанный на воздействии на выделенную область радиационной силой и детектировании возникающих смещений. Наличие твердых микрокальцификатов приводит к изменению характера движения среды после импульсного ультразвукового воздействия. Получены результаты восстановления на основе модельных исходных данных пространственных распределений акустических характеристик мягких биологических тканей – скорости звука и коэффициента поглощения, что актуально для целей ранней диагностики доброкачественных и злокачественных новообразований в них. Получен патент «Ультразвуковой томограф», предназначенный для визуализации внутренней структуры мягких тканей организма и для дефектоскопии и неразрушающего контроля различных объектов. Проведенные эксперименты свидетельствуют о возможности создания акустического корреляционного термотомографа с предварительной фокусировкой термоакустических полей.
Проанализировано рассеяние высокочастотной волны на периодической дифракционной решетке, состоящей из поглощающих экранов, при скользящем падении. Рассмотрена задача дифракции волноводной моды на торце несимметричного волновода. Построены формулы для коэффициентов рассеяния. Рассчитаны профили интенсивных акустических волн, распространяющихся вверх в вязкой стратифицированной атмосфере. Исследовано формирование волноводного распространения нелинейных интенсивных акустических волн и ограниченных пучков в слое с газовыми пузырьками.
Фотоакустическим методом исследовано аномальное поведение параметра Грюнайзена в монокристалле фуллерита в области ориентационных фазовых переходов. Проведены экспериментальные исследования нелинейных упругих свойств монокристалла дифосфида кадмия. В интервале температур 305-318К обнаружено аномальное поведение амплитуды фотоакустического сигнала, пропорционального нелинейному упругому параметру, обнаружена аномалия, которая объясняется фазовым переходом соизмеримая-несоизмеримая фаза, происходящим в этой области температур. Для бесконтактной диагностики материалов с низким акустическим импедансом и твердотельных пластин была разработана методика измерений с использованием воздушного ультразвука. Для генерации и приема акустических волн в воздухе в диапазоне частот от 0,08 до 2 МГц была cоздана автоматизированная ультразвуковая установка для измерений в импульсном режиме. Была разработана методика и экспериментальная установка для исследования сдвиговых свойств гранулированной неконсолидированной среды, линейные и нелинейные сдвиговые упругие свойства которой исследовались с использованием крутильных волн. Измеренные амплитуды сдвиговых упругих гармоник при различных значениях внешней статической силы позволили построить зависимости нелинейных упругих параметров второго и третьего порядков от внешнего статического давления. Исследовалось влияние статических (внешнее давление) и динамических воздействий (амплитуда зондирующей волны) на линейные и нелинейные упругие свойства флюидонасыщенной гранулированной неконсолидированной среды. Линейные упругие свойства исследовались импульсным методом, нелинейные - спектральным методом. Выполнен обзор исследований взаимодействия акустических волн в твердых телах с помещенными на их поверхность каплями жидкости; проанализированы результаты, полученные на кафедре и в зарубежных научных центрах. Оптимизирована ранее развитая параболическая теория гауссовых пучков объемных акустических волн в кристаллах. Изучена возможность существования чисто сдвиговых волноводных акустических мод с отрицательной и нулевой групповой скоростью в пластинах из сверхсильного пьезоэлектрика ниобата калия.
Исследовано влияние трехмерно-неоднородных подводных течений на работу антенн в задаче локализации источника в мелком море. Рассмотрены возможности оптимизации многочастотных гидроакустических излучателей малых волновых размеров на основе пьезоактивных систем с сосредоточенными параметрами. Изучена возможность построения пассивной модовой томографии мелкого моря по данным с одиночных донных гидрофонов. Селекция мод была осуществлена на основе данных натурного эксперимента, проводившегося в Баренцевом море. Продолжен анализ экспериментальных данных - сейсмоакустических и низкочастотных акустических сигналов, формируемых выстрелами артиллерийских орудий. Сигналы, зарегистрированные разнесенными векторными приемниками, использовались для определения местоположения источника. Проводилось изучение механизмов формирования инфразвуковых колебаний музыкальными произведениями и речью. Решены прикладные задачи архитектурной и органной акустики при создании и реконструкции ряда концертных залов. Проанализирована и обобщена историческая практика создания органов и органных залов на примере храмов и залов Петербурга.
Создан портал Информационная система «Акустика» (http://akdata.ru/), который функционирует как точка доступа к разработанным ранее на кафедре акустики информационным продуктам: поиску научных публикаций – по источникам с возможностью выбора нужного временного промежутка, авторам, ключевым словам из названий статей и их резюме, рубрикам; полнотекстовому архиву «Акустического журнала» (http://www.akzh.ru/); текущей информации по акустике в виде «Сигнальной информации» (http:// akinfo.ru/). |
| 2 |
1 января 2015 г.-30 ноября 2015 г. |
Физика мощных акустических полей - нелинейная акустика |
| Результаты этапа: В области нелинейной акустики:
Предложена новая точно решаемая модель теории нелинейных волн – квадратично кубичное уравнение типа Бюргерса. Уравнение описывает эффекты кубичной нелинейности во многих физических системах (сдвиговые волны в биотканях, метаматериалах, резонансных поглощающих системах), например, одновременное существование ударных волн сжатия и разрежения, самовоздействие, нелинейное поглощение. Найдены точные решения ангармонических осцилляторов с «модульными» потенциалами с одним и двумя устойчивыми состояниями. Получены точные нестационарные решения соответствующих уравнений Фоккера-Планка. Предложены и подтверждены физические механизмы эффекта эмульсификации жидкостей при воздействии на ее поверхность мощным фокусированным ультразвуком. Проведены исследования механизмов акустического фонтана и атомизации в механическом разрушении ткани с использованием метода гистотрипсии с кипением. Экспериментально исследовано распространение нелинейной N-волны, создаваемой искровым источником в воздухе, и ее отражение от плоской жесткой поверхности. Показано, что профиль давления N-волны может быть количественно восстанавлен по оптическим измерениям, выполненным с помощью шлирен-метода и интерферометра Маха-Цендера. В эксперименте наблюдалось нерегулярное отражение; исследована эволюция «ножки» Маха и измерена траектория тройной точки по мере распространения N-волны вдоль поверхности. Изучены особенности взаимодействия электромагнитного излучения терагерцового диапазона с пленками хрома нанометровой толщины, напыленными на кварцевую подложку. Измерены оптические коэффициенты тонких пленок хрома с толщиной от 1.5 до 40 нм в диапазоне частот 0.25 – 1.1. ТГц. Зарегистрирован максимум коэффициента поглощения 43% при толщине пленки 10 нм. Теоретический расчет коэффициентов R, T, A выполнен с использованием соотношений, учитывающих феноменологическую зависимость проводимости пленки от толщины. Показано, что проводимость толстых пленок хрома (20 – 40 нм) на порядок ниже, чем проводимость объемного металла. Теоретически и экспериментально изучено распространение нелинейных торсионных волн в цепочке намагниченных металлических шариков. Особенностью контакта двух намагниченных шариков является наличие гистерезисной нелинейности. Показано наличие значительного нелинейного затухания торсионных волн в такой одномерной цепочке. Проведены исследования сдвиговых волн конечной амплитуды в слое резиноподобной среды с неоднородностями в виде полостей. Сквозные полости в располагались на боковых гранях резонатора параллельно основаниям и перпендикулярно направлению колебаний. Центры полостей были смещены к одному из оснований, что позволило исследовать 2 различные конфигурации резонатора с полостями внизу и наверху. Уравнение движения частиц в резонаторе находилось с использованием модели среды с одним временем релаксации. Амплитуда и форма сдвиговых волн в резонаторе рассчитывались методом конечных элементов. Измерения проводились в резонаторе в виде прямоугольного параллелепипеда выполненного из резиноподобного полимера пластисола толщиной 15 мм. Неоднородности имели квадратное сечение со стороной 5 мм. На основе матрицы жёсткости, измеренной импульсным ультразвуковым методом, были проведены расчёты упругих параметров различных соединений с промежуточной валентностью на примере смешанных кристаллов системы Sm1-xYxS. Методом конечных элементов проведены расчёты сдвиговых волн различной поляризации в резонаторе с анизотропной средой в виде гелеобразного материала с резиновыми включениями, упругий модуль которых отличен от модуля материала. Расчёты проводились для образцов с разным объёмным содержанием резиновых включений. По материалам расчётов сделан доклад на 20-м Международном симпозиуме по нелинейной акустике (ISNA). Были измерены зависимости сдвигового напряжения от сдвиговой деформации без приложения одноосного сжатия, а также при нескольких значениях одноосного сжатия. Во всех случаях наблюдалась линейная зависимость сдвигового напряжения вплоть до деформации 40%, при которой образцы из желатина разрушаются. Линейное поведение зависимостей, измеренных в желатине при разной величине одноосного сжатия различно: с увеличением одноосного сжатия измеренный модуль сдвига возрастает. Дан анализ волноводного распространения звука в придонном слое, содержащем газовые пузырьки. Выведены эволюционные уравнения для интенсивных акустических волн и волновых пучков в среде с неоднородным распределением пузырьков. Рассчитано поле интенсивного пучка вдоль оси фокусирующего звукового канала. Вычислены коэффициенты отражения и прохождения звука из однородной среды в слой с пузырьками и обратно. Показано, что придонный слой может эффективно захватывать попадающие в него лучи и обеспечивать волноводный характер распространения. На основе аналитических решений исследованы особенности распространения акустических волн конечной амплитуды в модели изотермической вязкой стратифицированной атмосферы. Выведены обобщения уравнений Хохлова–Заболотской и Бюргерса для стратифицированной атмосферы. Найдено автомодельное решение обобщенного уравнения Бюргерса с переменной вязкостью. Построено асимптотическое решение для начального синусоидального возмущения.
В области обратных задач рассеяния, дифракции и акустической томографии:
Рассмотрена возможность применения методов модовой томографии для восстановления характеристик дна мелкого моря на примере совместной реконструкции рельефа дна и скорости звука в дне. Показано, что различие во влиянии неоднородности рельефа и скорости звука в дне на дисперсионные зависимости мод позволяет осуществить совместное восстановление этих характеристик в единой томографической схеме. Рассмотрена возможность восстановления характеристик мелкого моря методами пассивной томографии на основе частотно-временного анализа взаимной функции корреляции шумов, принятых одиночными гидрофонами в исследуемой акватории. Получены результаты численного моделирования распространения шумовых сигналов, свидетельствующие о возможности восстановления глубины и скорости звука в водном слое в рамках предлагаемого подхода. Проведена обработка данных, полученных в ходе эксперимента по распространению акустических волн в мелком водоеме. С помощью предложенного метода удалось определить дисперсионную характеристику первой моды и частотную зависимость коэффициента ее затухания с расстоянием. Исследовано распространение акустического импульса через слой среды, плотность и сжимаемость которой являются функциями отклика резонансного типа. Показано, что если несущая частота импульса лежит в определенном диапазоне, слой среды может проявлять свойства дважды отрицательной среды. Разработана схема экспериментальной установки, осуществляющей корреляционный прием фокусированного термоакустического излучения. Для нее расcчитано отношение сигнал/помеха и проведено сравнение с экспериментальными результатами. Построено полуаналитическое решение задачи о дифракции на импедансной полосе на основе обыкновенного дифференциального уравнения с неизвестным коэффициентом. В сотрудничестве с ЦАГИ проведен эксперимент по зондированию потока звуковым сигналом в виде М-последовательности и модельный эксперимент по экранированию шума двигателя крылом самолета.
В области акустических взаимодействий в твердых телах:
Исследован вопрос о существовании в пластинах ниобата калия X и Y-срезов чисто сдвиговых обратных волн и волн с нулевой групповой скоростью. Показано, что такие волны существуют только в пластине X-среза. Модернизирована и автоматизирована экспериментальная установка для исследования линейных и нелинейных упругих свойств твердых тел и неконсолидированных гранулированных сред. Проведены исследования упругих свойств гранулированной неконсолидированной среды (ГНС) при возникновении в ней структурных фазовых переходов под действием внешних статических воздействий. В качестве модели среды использовалась система металлических шаров диаметром 2мм и 4мм. Экспериментально выявлено аномальное поведение нелинейных упругих параметров под воздействием изменяющегося внешнего статического давления, которое в свою очередь вызывает структурный фазовый переход в системе. Возникновение структурного фазового перехода в образце независимым образом подтвердилось путем измерения электрического сопротивления системы в зависимости от внешней статической силы. Результаты проанализированы на основании теории Герца. Результаты опубликованы в работах.
В области гидро- и аэроакустики
Проведены исследования уровня шума, создаваемого блоками системы охлаждения суперкомпьютера на прилегающей территории. Показано, что измеренные значения уровня шума на расстоянии 30 м от блоков системы охлаждения превышают допустимые уровни звукового давления на прилегающей территории. Отмечено, что в зимний период при наличии снежного покрова возникает дополнительное затухание уровня звукового давления примерно на 4-5 дБА. Приведены данные по выбору конструкций шумозащитных окон с вентиляционными устройствами, обеспечивающих требуемое снижение уровня шума для помещений зданий, расположенных около блоков системы охлаждения. Продолжено исследование векторно-фазовой структуры акустических и сейсмических полей импульсных источников звука (получен Патент РФ №2549919 «Способ определения пеленга источника звука при размещении акустической антенны акустического локатора на наклонных площадках поверхности Земли», зарегистрирован 03.04.2015). Продолжено исследование направленности транспортных шумов. Изучены некоторые возможности синтеза и оптимизации параметров одно- и двухслойных звукопоглощающих конструкций. Завершены работы по созданию нового органного зала в Челябинске, где время реверберации (впервые в филармоническом зале в России) составляет 2,5 с (для заполненного слушателями зала). Разработаны требования на концертный орган для Мурманской филармонии в соответствии с акустическим решением для зала филармонии.
|
