Границы раздела трех сред в области нелинейного взаимодействия (экспериментальные исследования) Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 534.222.2

ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА ТРЕХ СРЕД В ОБЛАСТИ НЕЛИНЕЙНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ (ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ) С.П. Голосов

Таганрогский государственный радиотехнический университет,

347922, Россия, г. Таганрог, пер. Шевченко, 2, каф. ЭГА и МТ, тел. (8634) 371-795, e-mail: esa@,tsure.ru

Целью проведения экспериментальных исследований является выяснение степени влияния сложного объекта, помещенного в зону нелинейного взаимодействия, на основные характеристики параметрической антенны.

Наиболее простым случаем с точки зрения теоретического и экспериментального рассмотрения ситуации является выбор объекта в виде плоскопараллельных слоев, т.е. пластин. Практически речь идет о работе параметрического излучателя в многослойной системе, каковой является, например, тело человека.

Данную задачу можно разбить на следующие этапы:

1. Выяснение зависимости параметров излучения от перечисленных параметров:

- угла между направлением излучения и плоскостью самой пластины,

- длины зазора между излучателем и пластиной,

- соотношения длин волн накачки и волны разностной частоты (ВРЧ) с толщиной пластины и длиной зазора,

-соотношения между акустическим импедансом среды и материалом пластины.

2. Установление степени сохранения или изменения пространственной картины поля ВРЧ параметрической антенны при изменении перечисленных выше параметров и их соотношений.

Основной задачей экспериментальных исследований является исследование физических закономерностей происходящих явлений при помещении сложного инородного объекта в зону нелинейного взаимодействия первичного поля акустических волн накачки по сравнению с однородной средой распространения волн.

При проведении экспериментальных исследований ставилась следующие цели:

- определить влияние угла поворота преграды, помещенной в область нелинейного взаимодействия акустических волн на характеристики параметрического излучателя;

- проверить, отвечает ли разработанный лабораторный экспериментальный стенд основным требованиям при проведении научных исследований нелинейного взаимодействия акустических волн в жидких средах.

Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях с моделированием параметров основных ситуаций.

Лабораторный стенд (рис.1) работал в импульсном режиме. Для формирования сигнала накачки использовалась схема биений от колебаний, генерируемых двумя генераторами.

/Пластина

Измерительная ванна

Рис. 1.

Схема лабораторного стенда

Частоты накачки составляли £1= 2,4 МГц и £2 = 2,5 МГц, откуда разностная частота составляла Б = 100 кГц.

В качестве преграды В области нелинейного взаимодействия акустических волн в жидкости использовалась латунная пластина толщиной d =1мм.

Как уже отмечалось, важной характеристикой параметрической антенны становится длина области нелинейного взаимодействия, в которой акустические волны сигналов накачки первичного поля определяют получаемую характеристику направленности. В реальных условиях в области нелинейного взаимодействия могут оказаться препятствия для прохождения звуковых волн, и пространство области станет неоднородным по своему составу (слоисто-дискретное и т.п.).

Наличие препятствия в этой области изменяет длину зоны нелинейного взаимодействия, что в свою очередь, приводит к изменению характеристик направленности параметрической антенны.

Предполагаем, что степень влияния преграды (в данном случае -пластины) на характеристики параметрической антенны будет зависеть от следующих факторов:

- материала пластины,

- соотнесения длины волны сигнала к размеру /толщине / пластины,

- от места расположения преграды относительно Ld - длины зоны взаимодействия (в начале зоны, в середине или в конце),

- от угла между акустической осью и плоскостью антенны.

Из предыдущих экспериментальных исследований установлено, что максимальная степень влияния пластины наблюдается, если она находится на середине области нелинейного взаимодействия.

Исходя из этих соображений, исследуемая пластина была помещена в среднюю часть области пространства нелинейного взаимодействия акустических волн. Расстояние между приемным гидрофоном и

излучателем составляло 5 Ld .

В качестве излучателя накачки использовался поршневой преобразователь диаметром 20 мм, работающий на продольных колебаниях по толщине с собственной резонансной частотой fр = 2,5 Мгц и полосой пропускания dF = 250 кГц.

После юстировки измерительной акустической системы, методика которой разработана, опробована, поворачивалась исследуемая пластина вокруг своей оси в горизонтальной плоскости на угол 6= 135 градусов. Полученные угловые зависимости уровней вторичного поля ВРЧ и первичных полей двухчастотной накачки для исследуемой латунной пластинки представлены на рис. 2.

Зная расстояние, на которое перемещается приемный гидрофон поперек измерительной акустической ванны и, измерив ширину полученных угловых зависимостей по ленте самописца, нетрудно определить величины характерных углов, при которых принимаемый сигнал имеет или максимальное пли минимальное значения уровней первичного и вторичного полей.

Выбираем четыре наиболее характерных угла:

Ш = 24° и £12= 45°, при которых величина принятого сигнала максимальна; £13= 35° и £14= 52°, при которых принятые сигналы первичных и вторичных полей минимальные.

Далее фиксируя пластину поочередно под этими углами поворота, снимаются поперечные распределения поля ВРЧ в горизонтальной и вертикальной плоскостях (рис. 3.). Осевые распределения уровня давления вторичного поля ВРЧ параметрического излучателя для этих же углов поворота латунной пластины приведены на рис.4.

В целом возможно снятие полной угловой диаграммы по всем частотам накачки и разностной, вращая исследуемую пластину (в данном случае - латунную пластину) вокруг оси на 100° для частот накачки £1= 2,4 МГц и £2=2,5 МГц.

Такого рода диаграммы представлены на рис. 2

По полученным результатам можно сделать вывод, что степень влияния преграды на характеристики параметрического излучателя будет зависеть от параметров:

- материала пластины,

- соотношения длины волны сигнала к размеру (толщине) пластины,

- угла между акустической осью и плоскостью антенны.

Также в ходе эксперимента подтвердилось, что разработанный лабораторный экспериментальный стенд измерительный обеспечивал:

- необходимый уровень мощности излучаемых сигналов,

- их высокую временную стабильность,

- хорошее согласование сопротивления электрической схемы с излучателем акустическим,

- широкополосность усиления принимаемых сигналов,

- оперативный переход в работе с одной антенной акустической на другую, что в целом позволяет обеспечивать проведение экспериментальных исследований на высоком техническом и научном уровне.

Рис.2.

Угловая зависимость уровней вторичного поля ВРЧ и первичных полей двухчастотной накачки В воде для пластины (латунь d=1мм).

Рис.3

Горизонтальные и вертикальные поперечные распределения амплитуды ВРЧ за пластиной (латунь d=1мм) при различных углах ее

поворота для случаев максимумов и минимумов уровней вторичного поля.

Рис. 4

Осевые распределения амплитуды ВРЧ за пластиной при различных углах ее поворота для случаев максимумов и минимумов уровней вторичного поля

ВРЧ

ЛИТЕРАТУРА

1. Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика. - Л.: Судостроение, 1981. - 264. с.

2. Заграй Н.П., Голосов С.П. Влияние преграды в области нелинейного взаимодействия акустических волн на характеристики параметрического излучателя. - Сб. НТО им. А.Н. Крылова, 1980, вып. 334.

3. Заграй Н.П., Голосов С.П. Работа акустического параметрического излучателя через систему пластин в области нелинейного взаимодействия. -Сб. НТО им. А.Н. Крылова, 1980, вып. 334

ИССЛЕДОВАНИЯ ФОРМЫ СВОБОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПОТОКОВ В КАНАЛЕ СО ЩИТОМ Л.В. Толмачева

ТРТУ, кафедра психологии и безопасности жизнедеятельности, тел/факс (8634)312-016, E-mail: env@fib.tsure.ru

Рассмотрим канал с постоянным уклоном дна при i >0. Имеем случай неравномерного безнапорного установившегося движения воды в канале, характеризуемый условиями непостоянства высоты и скорости потока вдоль сечения. Задачу о построении кривой свободной поверхности решаем по следующей форме:

- считаем заданными характеристики русла канала (форма, размеры, уклон, шероховатость) и расход Q;

- составляем дифференциальное уравнение неравномерного течения воды;

- интегрируя дифференциальное уравнение, получаем координаты точек кривой свободной поверхности.

Рассмотрим продольный разрез потока (рис. 1).

Оси координат показаны на рисунке:ось глубины h - вертикальная; ось S - по дну канала.

Выделим два плоских вертикальных живых сечения:

1-1 и 2-2, расположенных на расстоянии dS друг от друга. Обозначим потерю напора на пути dS потока через dh2. Напорная линия Е-Е расположена выше поверхности жидкости на расстоянии:

а¥2

---= hv, т.е. падение свободной поверхности равно сумме

2 g

увеличения кинетической энергии и потерь напора:

dz = dhe + dhv, (1)

В данном уравнении dz есть величина поднятия или паления свободной поверхности на длине dS.

При безнапорном движении пьезометрическая линия Р-Р совпадает со свободной поверхностью, поэтому обозначим:

- - = 1, (2)

dS

где I - пьезометрический уклон;