Акустооптическая информационная система инфранизких частот Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 534:621.382

АКУСТООПТИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА ИНФРАНИЗКИХ ЧАСТОТ

Марат Саматович Хайретдинов

Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, главный научный сотрудник; Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, тел. (383)330-87-43, е-mail: marat@opg.sscc.ru

Борис Викторович Поллер

Институт лазерной физики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 13/3, зав. лабораторией; Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, тел. (383)306-28-20, e-mail: lablis@mail.ru

Александр Викторович Бритвин

Институт лазерной физики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 13/3, научный сотрудник, тел. (383)306-28-20, e-mail: lablis@mail.ru

Галина Федоровна Седухина

Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, научный сотрудник, тел. (383)330-87-43, е-mail: galya@opg.sscc.ru

Приводятся краткое обоснование и характеристика созданной авторами акустооптиче-ской информационной системы инфранизких частот. Приводятся результаты натурных экспериментов по сравнительной регистрации акустических колебаний акустическими и лазерными приемниками.

Ключевые слова: акустические колебания, акустооптическая система, инфранизкие частоты, сейсмический вибратор, лазерная измерительная линия, натурные эксперименты.

ACOUSTO-OPTICAL INFRA-LOW FREQUENCY INFORMATION SYSTEM

Marat S. Khairetdinov

Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics, Siberian Branch of RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Lavrentiev Ave, 6, Senior Researcher; Novosibirsk state technical University, 630073, Russia, Novosibirsk, K. Marx Ave., 20, tel. (383)330-87-43, е-mail: marat@opg.sscc.ru

Boris V. Poller

Institute of Laser Physics, Siberian Branch of RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Lavrentiev Ave, 13/3, Head of Laboratory; Novosibirsk state technical University, 630073, Russia, Novosibirsk, K. Marx Ave., 20, tel. (383)330-71-20, е-mail: lablis@mail.ru

Aleksandr V. Britvin

Institute of Laser Physics, Siberian Branch of RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Lavrentiev Ave, 13/3, Researcher, tel. (383)330-71-20, е-mail: jeepo@yandex.ru

Galina F. Sedukhina

Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics, Siberian Branch of RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Lavrentiev Ave, 6, Researcher, tel. (383)330-87-43, е-mail: galya@opg.sscc.ru

The short characteristic created by authors of ultralow frequencies acousto-optic systems is resulted. Results of natural experiments on comparative registration of acoustic oscillations by acoustic and laser s of receivers are resulted.

Key words: acoustic oscillations, acousto-optic system, ultralow frequencies, seismic vibrator, laser measuring line, experimental works.

Вопросы акустооптического взаимодействия имеют давнюю историю и связаны они в основном с изучением дифракции света в ультразвуковом и радиочастотном диапазонах [1-3]. При этом практически неисследованными остаются вопросы акустооптического взаимодействия в области инфранизких частот. Это обусловлено отсутствием специальных акустических излучателей в этом диапазоне частот. В тоже время сегодня существуют сейсмические вибраторы, которые способны наряду с сейсмическим волнами в земле излучать инфраниз-кочастотные акустические колебания в атмосфере. К ним, в частности, относятся центробежные вибраторы ЦВ-100 и ЦВ-40 [4]. Акустические колебания от них регистрируются на удалениях в несколько десятков километров. Несомненно, это открывает возможности проведения экспериментальных исследований по акустооптическим взаимодействиям в рассматриваемых диапазонах частот. Этим определяется интерес авторов данной работы к проведению исследований по акустооптическим взаимодействиям в инфранизком диапазоне частот.

В основе регистрации акустических колебаний в атмосфере с помощью лазерного луча лежат процессы, связанные с волновым возмущением лазерного излучения внешним акустическим полем. Возмущенная атмосфера в локальных точках пространства обуславливает изменение параметров распространения лазерного излучения, включая характеристики поглощения и рассеяния. Следствием этого могут быть вариации скорости распространения световых волн, их фазо-частотных характеристик, определяющих возможности «лучевого приема» акустических колебаний. Условия осуществимости такого приема, основанные на соотношениях параметров внешнего акустического поля и измерительных колебаний, определяются следующими соотношениями:

где, у, с0,ст - угловая частота, средняя скорость и амплитуда параметрического измерения скорости распространения колебаний в измерительном луче; Ь,с1- длина и диаметр измерительного луча;

со, Л, и - угловая частота, длина волны и скорость распространения внешних акустических колебаний;

г1 - радиус пространственной корреляции неоднородностей среды.

V/ СО » Cq/ и, L/г I »1, X/d> 0.82

Пусть внешнее поле задается в виде плоской синусоидальной волны: х^) = А 8т(<2# - к г), где г - радиус-вектор, к - волновой вектор и \к| = к = со/и. При выполнении условия А » А0, где А0- длина волны в измерительном луче, имеет место модуляция скорости распространения измерительной волны: ф) = с0± ст -кг). Здесь с0 - скорость распространения колебаний в измерительном луче при отсутствии возмущений.

Амплитуда волновых возмущений связана с амплитудой Ат изменения параметра, влияющего на скорость распространения в канальных участках луча,

дф)

соотношением ст =

дА

■А

т ■

Приведенные соотношения определяют требования к оптимальным условиям регистрации акустических колебаний с помощью лазерной измерительной линии. Исследование отмеченных характеристик усугубляется влиянием состояния атмосферы, характеризуемой атмосферным давлением, температурой, концентрацией частиц и др. В этих условиях важное значение приобретают экспериментальные исследования.

Для проведения исследований авторами создан макет акусто-оптической информационной системы (рис. 1) в составе сейсмического вибратора ЦВ-40 (акустического излучателя), оптического стенда, включающего в себя лазерного излучателя и приемника лазерного излучения.

б) Метеостанция

Рис. 1. Компоненты акустооптической системы

Дополнительно включены комплекс многоканальной цифровой регистрации сейсмических и акустических сигналов с помощью сейсмо- и акустических датчиков, научная метеостанция «Oregon» модели LW301. Основные предпосылки к созданию подобной системы обусловлены методикой проведения экспериментальных работ, предусматривающей выполнение строго повторяющихся во времени актов излучения и регистрации акустических колебаний с учетом влияния метеопараметров в окружающей атмосфере. Структура оптического стенда регистрации сигналов представлена на рис. 2.

Излучатель

Генератор

Аккумулятор

ОС

ОС

Фотодиод - » Усилитель

J Ь к \

Аккумулятор Регистратор

Рис. 2. Структурная схема оптического стенда. (ОС - оптическая система)

Генератор формирует последовательность управляющих электрических импульсов с заданными частотой, длительностью и током. Сигналы подаются на излучатель для формирования оптических импульсов (рис. 3).

1.9 1.91 1.92 1.93 1 94 1.95 1.96 1.97 1.98 1.99 2

Рис. 3. Запись оптического сигнала с несущей 1 кГц, модулированного по амплитуде акустическим сигналом и внешним шумом

В экспериментах в качестве лазерного излучателя использовался лазерный диод ИЛПИ-107 с длиной волны 850-930 нм, мощностью излучения до 6 Вт, частотой повторения импульсов 1 кГц, расходимостью излучения по углу5°. Приемник излучения собран на основе фотодиода КФД-113А2, имеющего спектральный диапазон от 400 до 1100 нм, чувствительность в рабочем диапа-

■у

зоне 0,5 А/Вт, эффективная фоточувствительная площадь фотодиода 2,75 мм , коэффициент усиления операционного усилителя 10 000, собирающая излучение линза диаметром 38 мм и фокусным расстоянием 28 мм. Регистрация сигнала осуществлялась USB осциллографом-приставкой АСК-3116 (Фирмы Ак-таком) с записью файлов на компьютер. С помощью акустосейсмического комплекса оцениваются уровни акустического давления, вносимого акустическими излучателями вдоль трассы прокладки лазерной измерительной линии, а также

скорости сейсмических колебаний. Для учета влияния метеопараметров на распространение акустических и световых волн осуществляется регулярный контроль направления и скорости ветра, температуры и влажности окружающего воздуха, а также атмосферного давления.

С помощью созданной акустооптической системы были выполнены полевые эксперименты по регистрации, обработке и анализу результатов акустоопти-ческих взаимодействий. Частный пример регистрации монохроматических акустических колебаний от вибратора ЦВ-40 на частотах 8, 8.5, 9, 9.5, 10, 10.5 Гц с использованием высокоразрешающей спектральной обработки представлен на рис. 4; в верхней части рисунка представлены спектры с выходов трех акустических датчиков, последовательно расположенных с шагом 50 м; в нижней части - спектры на выходе лазерной измерительной линии. Результаты соответствуют расстоянию «излучатель-приемник» 920 м, базе лазерного луча 302 м, скорости ветра 7 м/с (ветер навстречу фронту распространения волны от источника).

Рис. 4. Быстровский полигон: спектры акустических и оптических сигналов

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Корпел А. Акустооптика- Acousto-optics - М.: Мир, 1993.

2. Дамон Р., Мэлон В., Мак-Магон Д. Взаимодействие света с ультразвуком:явление и применение // Физическая акустика. - М.:Мир, 1974. - Т.7.

3. ТакерДж., Рэмптон В. Гиперзвук в физике твердого тела.- М.: Мир, 1975.

4. Алексеев А.С., Глинский Б.М., Ковалевский В.В., Хайретдинов М.С. и др. Активная сейсмология с мощными вибрационными источниками / Отв. ред. Г.М. Цибульчик. - Новосибирск: ИВМиМГ СО РАН, Филиал "Гео" Издательства СО РАН, 2004. - 387с.

© М. С. Хайретдинов, Б. В. Поллер, А. В. Бритвин, Г. Ф. Седухина, 2016