Направленный дрейф частиц в мощном звуковом поле Текст научной статьи по специальности «Физика»

11. Мардер М.М., Сурков М.Н., Федосов В.П. Синтез зондирующих сигналов с малым уровнем внеполосного излучения // Изв. вузов СССР. Радиоэлектроника. Т.30, № 7, 1987. - С. 17 - 21.

НАПРАВЛЕННЫЙ ДРЕЙФ ЧАСТИЦ В МОЩНОМ ЗВУКОВОМ ПОЛЕ

Н. Н. Чернов, М. А. Тимошенко

Таганрогский государственный радиотехнический университет

В мощном акустическом поле на характер движения мельчайших частиц помимо периодического движения среды оказывает влияние еще целый ряд факторов, в результате действия которых кроме колебательного движения появляется направленное движение частиц [1].

Направленное одностороннее движение частиц в акустическом поле возникает в случае, когда смещение среды есть функция периодическая, но негармоническая.

Проведём расчёт и сравним смещение частицы в поле скоростей с гармонической и импульсной пилообразной формами смещений сплошной среды при вязком обтекании.

Пусть частица находится в гармоническом поле скорости

Пс ( ) = и ос осП (1)

и в импульсном поле скорости, изменяющейся за период по закону (2) ( рис. 1).

Рис.1. Скорость среды в импульсном поле

и ({) = и

си V / О

'?/?!; 0 < і < Т 72/(72 -Т1) - і/(Т2 -Т); Т < і < Т2.

(2)

0; Т2 < і < Т

Рассмотрим случай, когда кинетическая энергия колебания сплошной среды удовлетворяет следующему условию

і Т

\и2с (і)йг = {иСи (і)йг.

(3)

Для этого случая будем иметь следующую связь между амплитудами колебательных скоростей среды гармонического и импульсного полей:

По = и-Л ^7^ ■ (4)

Из анализа (4) видно, что для уменьшения эквивалентной амплитуды скорости при импульсном возбуждении необходимо выполнение условия Т2——Т. Такому условию генерации звука удовлетворяют, например, двухрядные динамические сирены.

Решение уравнения движения дает следующее выражение для скорости частицы в импульсном поле:

'7"т2 да 1

и и () = и0н— X-

0и 2лТ1 к=1 к2 (1+к2Л2)

2пкТ 2пкТ2

х| сое------1+сое-----2

Т Т

2тс2г

С08-

0 . 2П

-------Лк 81П-------

Т Т

\

(5)

а смещение частицы за период импульсного сигнала имеет вид

2Т3 ^ 1

£и = и

•I

°“Г128п3 к3 (1 + кЛ )

Т

\ г

со$,2лк — -1

С08

2лк^ +1 |{-кЛ[ехр (-2пЛ)]},

(6)

. 2пт

где Л =-------= сот ■

Т

Если в правую часть уравнения движения подставить гармонически изменяющуюся скорость Пс(г), то выражение для скорости частицы примет вид

Г 2п

ир=и0 П С0Б

Л

.Т

а смещение частицы за период согласно [2] можно вычислить из выражения

(7)

£ =-Пк Т • п • 8Ш р, 2п

(8)

где п = (1 + X2 ) ) - коэффициент увлечения, §1пр =--------д- - коэффициент об-

(1+ Х )2

текания и р = агог% (от) - сдвиг фазы колебаний частицы относительно среды.

Определим разницу смещений частицы за период в гармоническом и импульсном поле скоростей при условии Т2 = Т, различных значениях X и отношениях а = Т1/Т.

При вышеизложенных условиях разница в смещении Д£ будет равна

Л

Д# =

и 0Т

2—

па

(1 - а)-

шПСиЛ а —'

¿Н —

1

(9)

1

X

т,

где а= —

Т

На рис. 2 представлена расчётная зависимость разницы смещений Д£ от величины X при различном отношении времени нарастания и спада импульса Т1/Т2 (кривая 1 - 0,5; кривая 2 - 0,7; кривая 3 - 0,9).

Из приведённых графиков следует, что при импульсном возбуждении поля скоростей наибольшее смещение частица получает при величине X = 0,4. Полученный результат может быть полезным при расчёте узла генерации динамических сирен для различных технологических установок.

Подобным образом может быть рассчитан дрейф аэрозольных частиц при других формах импульсов: прямоугольных, трапецеидальных, колокообразных и др., однако ограничимся только кратким анализом этого дрейфа аэрозольных частиц. Рассмотренный дрейф аэрозольных частиц может играть определенную роль в процессе увеличения локальной концентрации частиц и способствовать коагуляции при импульсном озвучивании, что дает дополнительные объяснения эффекту акустической коагуляции при импульсном озвучивании

Рис. 2. Зависимость разницы смещений частицы

в импульсном и гармоническом поле от величины X

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Фукс Н.А. Механика аэрозолей. М.: Изд-во АН СССР, 1955.

2. Тимошенко В.И., Чернов Н.Н. Взаимодействие и диффузия частиц в звуковом поле. Ростов-на-Дону: Ростиздат, 2003.

ПЕЛЕНГОВАНИЕ ГИДРОЛОКАЦИОННЫХ ЦЕЛЕЙ В ЗОНЕ ФРЕНЕЛЯ

Г. М. Махонин, О. В. Ершова

ФГУП НИИ «Бриз», г. Таганрог

Сочетание требований, предъявляемых к главным метрологическим характеристикам современных многолучевых эхолотов, таковы, что эти средства должны работать внутри зоны Френеля, причем достаточно далеко от ее внешней границы, т.е. при дальностях, значительно меньших, чем расстояние до границы дальней зоны (зоны Фраунгофера).

Анализ паспортных данных эхолотов таких известных фирм, как Simrad, Reason, Atlas Marine Electronics и др. показал, что около 35% из этих эхолотов имеют наименьшие значения рабочей наклонной дальности в 3-5 раз меньше, чем расстояние до границы дальней зоны, около 60% - в 5-20 раз меньше последнего. Приблизительно для 80% таких эхолотов наименьшая рабочая глубина в 5-20 раз меньше расстояния до границы дальней зоны.

Аналогичная ситуация имеет место и для гидролокаторов бокового обзора (ГБО), предназначенных для поиска таких объектов, как фрагменты потерпевших аварию летательных аппаратов, их "черных ящиков", донных мин, контейнеров с ценными или опасными веществами, трубопроводов и т.п.

В задачу поиска таких объектов обычно входит сближение с обнаруженной целью до дистанции, необходимой для ее доклассификации, уточнения расположения и т.п. Эта дистанция практически всегда оказывается значительно меньше, чем расстояние до границы дальней зоны.

Здесь и далее расстоянием до границы дальней зоны гд считается расстояние

Гд = 2LL, (1)

д X

где L - наибольший размер акустической антенны, X - длина волны, соответствующая частоте наибольшей энергетически значимой спектральной составляющей сигнала. Для узкополосных сигналов можно считать X = Х0 = с0Г0, где f0 - центральная частота спектра сигнала.

Исходя из общих физических представлений о механизме формирования акустического поля в зоне Френеля, можно ожидать, что модуль и фазовая характеристика диаграммы направленности (ДН) антенны в этой зоне будут отличаться от соответствующих характеристик в дальней зоне и что это может существенно повлиять на главные параметры гидроакустических средств (ГАС).

В паспортных данных упомянутых эхолотов и других серийных ГАС сведения об их метрологических характеристиках в зоне Френеля не приводятся.

Рассмотрение в [1, 2] особенностей диаграмм направленности антенн при работе их в этой зоне показало, что при увеличении отношения гд к расстоянию до цели r амплитудный метод определения направления на цель (пеленгования) становится все менее эффективным как из-за расширения ДН, так и из-за возникновения неоднозначности оценки пеленга вследствие появления локальных минимумов внут-