Музей истории физики в Санкт-Петербургском университете
Отделы / Радиофизика / Нелинейная акустика

Нелинейная акустика

В 1958 г. на кафедре радиофизики была организована лаборатория нелинейной акустики, во главе которой встал профессор Г.А.Остроумов. Коллектив лаборатории занимался исследованиями электрического разряда в жидкости и кавитационных разрушений твердых тел.

В эти же годы профессор Остроумов Г.А. создал одноименную выпускающую специализацию. К этому времени проф. Остроумов Г.А. уже был одним из известнейших в мире и стране радиофизиков и акустиков. Исследователь тепловой конвекции, он заинтересовался теперь конвекционными явлениями в акустических и электромагнит-ных полях.

Возникающая в электрическом поле конвекционная неустойчи-вость жидкости, известная теперь как электрический ветер, является сейчас основным объектом исследования лаборатории электрогидро-динамики под руководством доктора физ.-мат. наук Стишкова Ю.К.

Явление неустойчивости жидкости в акустических полях проявляет-ся, как и в предыдущем случае, в появлении среднего по времени массопереноса, называемого электрическим ветром. С 1969 г. в лабо-ратории началось экспериментальное исследование процессов массо-переноса в акустических полях продольных и поперечных (вязких) волн (Семенова Н.Г., Грачев Б.Е.). Их результаты позволили обоб-щить представления о природе массопереноса (течений) в волновых полях любой природы: они возникают из-за взаимодействия (в част-ности, поглощения) волны со средой и передачи ей не только энер-гии, но и импульса.

Явление массопереноса в акустических волнах известно в жи-вой природе в слоях обтекания волновых движителей: змей, угрей, жгутиковых и даже дельфинов. Аналогичные течения возникают внутри сосудов с волнообразно деформируемыми стенками, по кото-рым осуществляется транспорт, например, биологических жидкостей (крови).

Полученные экспериментальные и теоретические результаты по исследованиям массопереноса в волновых полях были использованы и внедрены в технологию нанесения в акустическом поле механиче-ских покрытий на поверхности любых материалов, в технологию по-лучения однородных по структуре слитков легких металлов в той ее части, которая определяется скоростью протекания тепло-массообменных процессов. Был разработан прибор -искусственное легкое, в котором акустические течения в поперечных волнах интен-сифицировали процесс переноса крови, насыщения ее кислородом и выделения из нее углекислого газа. Этот прибор удовлетворял по своим характеристикам всем мировым стандартам.

В 1964 г. в лаборатории параллельно с исследованиями неус-тойчивости жидкости было начато изучение нелинейных механиче-ских и акустических свойств пористых твердых сред. У начала этих работ стоял тогда студент, а ныне старший научный сотрудник Кряч-ко В.М. Исследовалось распространение импульсных волн сжатия в средах с деформируемым скелетом (пенопластах). Было обнаружено, что скорость распространения волн сжатия зависит от массовой ско-рости в волне. Определенный из этой зависимости параметр нели-нейности (показатель степени в уравнении Тэта) оказался аномально большим и достигал нескольких десятков и даже сотен единиц по сравнению с единицами в сплошных (не пористых) средах.

Следует заметить, что описываемые результаты были пионер-скими: в то недалекое время нелинейной акустики пористых сред не существовало. Исследование акустических свойств пенопластов по-ставило новые проблемы, разрешение которых могло осуществиться лишь на более простых и хорошо воспроизводимых модельных сре-дах. Одной их таких сред явилась жидкость с пузырьками газа.

Экспериментально было исследовано распространение сильных им-пульсов сжатия в глицерине и в воде с пузырьками газа (Токман А.С.). В предположении о применимости уравнения состояния в форме Тэта было определено значение нелинейного акустического параметра. Оно оказалось очень большим, достигающим значений 10000 и зависящим от объемного содержания газа в пузырьках. Уда-лось аналитически установить связь между значениями нелинейного параметра пористой жидкости и концентрацией пузырьков газа.

Нелинейный параметр оказался функцией частоты (проявление дис-персионных эффектов в жидкости с пузырьками) и интенсивности возмущения (проявление нелинейных свойств среды). Сильной нели-нейностью отличаются и водонасыщенные грунты. Их нелинейный параметр определяется концентрацией газовой компоненты (Дружи-нин Г.А.). Нелинейные свойства кавитационной области зависят от ее "возраста" (Семенова Н.Г., Горелкин Ю.П.).

Были проведены работы по отражению и прохождению удар-ных волн через границы жидкости с пузырьками и сплошной среды (Дружинин Г.А.). Обнаружились зависимость коэффициентов отра-жения и прохождения от амплитуды давления волны, эволюция при этом формы акустического возмущения. Было показано, что наличие пузырьков газа в жидкости может значительно повысить эффектив-ность такого взаимодействия волн большой интенсивности в среде с сильной нелинейностью. Этот эффект положен в основу работы па-раметрической гидроакустической антенны.

Проявление в пористых средах интересных нелинейных меха-нических и акустических свойств позволило предвидеть и аномаль-ные электрические свойства жидкости с колеблющимися в ней пу-зырьками (Крячко В.М.). Было обнаружено, что изменение электро-проводности жидких электролитов, содержащих газовые пузырьки, под действием акустической волны на несколько порядков больше, чем у сплошных электролитов.

Огромный интерес физиков и инженеров в настоящее время к поведению пористых сред, а также к явлению массопереноса в аку-стическом поле - лучшее доказательство актуальности разрабатывае-мых проблем. Над ними в лаборатории работают ученики Г.А.Остроумова. За почти 40 лет коллективом опубликовано более 200 работ, 4 монографии. Коллектив лаборатории является участни-ком практически всех российских и зарубежных акустических кон-ференций.



Назад Наверх