Экспериментальные исследования акустической нелинейности, рассеяния и поглощения звука в воде с пузырьками

2.
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.........................................................6
1. РАССЕЯНИЕ И ПОГЛОЩЕНИЕ ЗВУКА В ЖИДКОСТИ С ПУЗЫРЬКАМИ, НЕЛИНЕЙНЫЙ АКУСТИЧЕСКИЙ ПАРАМЕТР. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.............................................13
1.1. Рассеяние звука на газовых и парогазовых пузырьках......13
1.2. Нелинейный акустический параметр жидкости с газовыми и парогазовыми пузырьками.......................................23
1.3. Затухание и поглощение звука в жидкости с газовыми и парогазовыми пузырьками.......................................29
1.4. Нелинейная генерация звука и влияние на нее газовых пузырьков ..............................................................33
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЖИДКОСТИ С ПУЗЫРЬКАМИ .............................................................37
2.1. Экспериментальные средства, применяемые в лабораторных исследованиях.................................................37
2.1.1. Общая схема измерительной лабораторной установки...37
2.1.2. Метод генерации и контроль объема пузырьков........37
2.1.3. Средства излучения и приема акустических сигналов..41
2.1.4. Система излучения, приема и обработки акустических сигналов 44
2.2. Экспериментальные средства измерений для работы в натурных условиях......................................................46
2.2.1. Общее описание схемы управления излучением и приемом акустических сигналов.....................................46
2.2.2. Опускаемое измерительное устройство................47
3.
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
АКУСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК В ЖИДКОСТИ С
ПУЗЫРЬКАМИ..................................................51
3.1. Изучение рассеяния звука на пузырьках.................51
3.1.1. Связь коэффициента объемного рассеяния звука на пузырьках и характеристик рассеиваемого акустического импульса......51
3.1.2. Определение коэффициента объемного рассеяния в условиях лабораторной установки..................................54
3.1.3. Определение параметров рассеянного и падающего сигнала накачки.................................................55
3.1.4. Расчет коэффициента объемного рассеяния в поперечном от оси излучения направлении...................................55
3.2. Экспериментальное изучение затухания и поглощения звука в
жидкости с пузырьками...................................57
3.3. Изучение нелинейного акустического параметра..........60
3.3.1. Определение величины нелинейного акустического параметра по расстоянию разрыва......................................60
3.3.2. Определение величины нелинейного акустического параметра по амплитуде давления волн разностной частоты..............61
4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ НА
АКУСТИЧЕСКУЮ НЕЛИНЕЙНОСТЬ И ПОГЛОЩЕНИЕ ЗВУКА В
ВОДЕ С ПАРОГАЗОВЫМИ ПУЗЫРЬКАМИ.............................64
4.1. Краткая характеристика основных экспериментов.........64
4.2. Основные результаты, полученные в экспериментах с фоновой
концентрацией парогазовых пузырьков.....................66
4.2.1. Общие статистические характеристики экспериментальных данных..................................................68
4.2.2. Температурные зависимости коэффициента затухания, поглощения, коэффициента объемного рассеяния звука и
4.
акустического нелинейного параметра воды при низкой
концентрации парогазовых пузырьков.....................69
4.3. Основные результаты, полученные в экспериментах с высокой
концентрацией парогазовых пузырьков.........................74
4.3.1. Исследование температурной зависимости величины нелинейного акустического параметра в воде с высокой концентрацией парогазовых пузырьков.......................................74
4.3.2. Исследование температурной зависимости коэффициента поглощения звука в воде с высокой концентрацией парогазовых пузырьков...................................................78
5. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОГЛОЩЕНИЯ И РАССЕЯНИЯ ЗВУКА И АКУСТИЧЕСКОЙ НЕЛИНЕЙНОСТИ В ВОДЕ ПРИ РАЗЛИЧНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗОВЫХ ПУЗЫРЬКОВ..................................80
5.1. Краткая характеристика экспериментов.......................80
5.2. Основные результаты, полученные в экспериментах с различной концентрацией пузырьков.........................................81
5.2.1. Изучение зависимости рассеяния звука от тока генератора пузырьков...................................................81
5.2.2. Экспериментальное изучение зависимости коэффициента затухания и поглощения и функции распределения пузырьков по размерам при различной концентрации пузырьков...............82
5.2.3. Экспериментальное изучение зависимости нелинейного акустического параметра воды с пузырьками от величины тока генератора пузырьков........................................92
5.3. О нелинейной концентрационной зависимости нелинейного акустического параметра, поглощения и рассеяния звука...........92
6. ИЗУЧЕНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПОГЛОЩЕНИЯ, НЕЛИНЕЙНОГО АКУСТИЧЕСКОГО ПАРАМЕТРА И РАССЕЯНИЯ ЗВУКА В МОРСКОЙ ВОДЕ В НАТУРНЫХ УСЛОВИЯХ......................98
5.
6.1. Изучение зависимости коэффициента поглощения звука и акустического нелинейного параметра от глубины в море....98
6.2. Акустическая спектроскопия морской среды на встречных звуковых пучках.........................................103
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................ПО
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..........................................112
6.
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы
Свойства реальных жидкостей существенно отличаются от свойств идеальной жидкости из-за присутствия в них различных микронеоднородностей. Под микронеоднородностями подразумеваются малые объекты, размеры которых зачастую меньше длины звуковой волны, падающей на объект, отличающиеся от жидкости своими физическими свойствами (плотностью и сжимаемостью). От количества и свойств микронеоднородностей в значительной мере зависят кавитационная прочность, сжимаемость и эффективная теплопроводность жидкости. Особенно важно знать влияние микронеоднородностей на свойства жидкости вблизи точек фазовых переходов (кипение и кристаллизация жидкости), поскольку происходящие при этом явления могут существенно влиять на работу различных технических устройств.
Среди различных микронеоднородностей можно выделить газовые и парогазовые пузырьки. Обладая выраженными резонансными свойствами, они отличаются от других микронеоднородностей значительно более существенным влиянием на свойства жидкости. Их присутствие резко увеличивает нелинейные свойства жидкости, сечение рассеяния звука на пузырьках может во много раз превышать их геометрическое сечение. Эти особенности имеют положительную и отрицательную стороны. Положительным примером применения таких жидкостей в промышленности могут быть парогазовые жидкостные смеси, применяемые в химической технологии [1]. Примером проявления нежелательных свойств микронеоднородных жидкостей являются взрывоподобные образования парогазовых смесей в трубопроводах реакторов и систем транспортирования жидкостей, которые, благодаря своим высоким нелинейным характеристикам, способствуют образованию ударных волн, приводящих к разрушению трубопроводов [2, 3].
7
В натурных условиях большую роль играют пузырьки, находящиеся в основном в приповерхностном слое естественных водоемов и связанные с газообменом между атмосферой и океаном. Эти процессы оказывают влияние на климат и состояние атмосферы планеты. Присутствие придонных газовых пузырьков в виде факелов и облаков часто связывают с наличием газовых и нефтяных месторождений на дне водоемов. В технике знания о свойствах микроне-однородных жидкостей необходимы для повышения надежности устройств и сооружений, разработке новых технологических процессов, получения технических жидкостей с новыми свойствами.
Исследования распространения звука в таких жидкостях, проведенные различными авторами, позволили решить многие вопросы акустики микроне-однородных жидкостей, включая создание различных методов акустической спектроскопии таких жидкостей [4-17]. Тем не менее, целый ряд разделов акустики микронеоднородных жидкостей остаются не достаточно хорошо проработанными или вовсе не изученными. К ним можно отнести, в первую очередь, вопросы, не являющиеся традиционными для акустики жидкостей при обычных температурах. Это - вопросы, связанные с влиянием фазовых превращений на акустические характеристики жидкостей с парогазовыми пузырьками, которые на практике играют значительную роль либо при высоких температурах для обычных высокотемпературных жидкостей типа воды, либо, напротив, для низкотемпературных криогенных жидкостей типа жидкого азота или водорода. Значительный интерес традиционно представляют вопросы поведения жидкостей при большой концентрации микронеоднородностей. Свойства жидкостей при большой концентрации до настоящего времени изучены крайне слабо, включая как экспериментальные, так и теоретические аспекты проблемы. Поэтому исследования изменчивости основных характеристик звукового ноля в условиях большой концентрации микронеоднородностей представляются актуальными и имеют большое научное значение.
8.
Настоящая работа посвящена экспериментальному изучению влияния фазовых превращений на поведение нелинейного акустического параметра, коэффициента поглощения и рассеяния звука в воде с парогазовыми пузырьками, изучению зависимости нелинейного акустического параметра, коэффициента поглощения и рассеяния звука в воде от концентрации газовых пузырьков, а так же разработке методов нелинейной акустической спектроскопии микронеодно-родной жидкости.
Цель работы
Экспериментально изучить температурные и концентрационные зависимости нелинейного акустического параметра, поглощения и рассеяния звука в воде с пузырьками и развить экспериментальные методы акустической спектроскопии микронеоднородной жидкости.
Научная новизна
1. Выявлено существенное влияние фазовых превращений на акустическую нелинейность и поглощение звука в воде с парогазовыми пузырьками, выражающееся в усилении указанных характеристик с увеличением температуры.
2. Подробно исследована зависимость акустического нелинейного параметра, рассеяния и поглощения звука от концентрации и распределения газовых пузырьков в жидкости и на этой основе разработаны экспериментальные методы акустической спектроскопии пузырьков в жидкости.
3. Установлена нелинейная связь параметра нелинейности, рассеяния и поглощения звука от концентрации газовых пузырьков в воде при высокой их концентрации.
Научная новизна подтверждена публикациями в рецензируемых научных изданиях, представлением докладов на международных и отечественных конференциях, экспертными оценками на конкурсах РФФИ.
Научная и практическая значимость работы
1. В работе были предложены и апробированы различные методы акустической спектроскопии микронеоднородной жидкости. Были получены экспери-
9.
ментальные результаты, расширяющие научное знание об акустических свойствах микронеоднородной жидкости при больших концентрациях газа и вблизи фазовых переходов.
2. В работе были разработаны экспериментальные методы и средства для исследования свойств микронеоднородной жидкости вблизи фазовых переходов и при больших концентрациях газа.
3. В работе был разработан и апробирован акустический комплекс для исследования микронеоднородностей морской среды в натурных экспедиционных условиях.
Значимость работы подтверждена тем, что она выполнялась в рамках ряда государственных научных программ, в том числе ФЦП "Мировой океан" и "Интеграция", а также при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований - проекты 94-02-006092, 96-02-19795, 00-02-16913, 03-02-16710, проект РФФИ-Приморье 01-05-96907.
Апробация работы
По материалам диссертации имеется 14 публикаций, из них 10 в рецензируемых сборниках, 2 работы в сборниках материалов международных конференций.
Результаты исследований докладывались на 18 Международном акустическом конгрессе (Киото, Япония, 2004 г.), 16 Международном симпозиуме по нелинейной акустике (Москва, 2002 г.) сессиях РАО (Москва, 2000 г., 2004 г.), на VI и VII семинарах СО РАН “Акустика неоднородных сред” (Новосибирск, 2002 г., 2004 г.), VI Дальневосточной акустической конференции (Владивосток, 1998 г.).
Результаты исследований, представленные в диссертации, использовались в НИР "Акустические исследования структуры океанической среды", Гос. рег. №01.960.010860, НИР №2001/1 и №2001/2 проекта 5.2 подпрограммы "Исследование природы Мирового океана" ФЦ11 "Мировой океан".
10.
Структура и объем работы
Работа состоит из введения, 6 глав, заключения и списка цитируемой литературы (105 наименований), включает титульный лист и оглавление, 121 страница печатного текста, 49 рисунков.
Во введении показана актуальность темы и формулируются задачи и положения, выносимые на защиту.
В первой главе дан обзор литературы по вопросу рассеяния, затухания и поглощения звуковых волн в жидкости с газовыми пузырьками и о влиянии пузырьков на акустическую нелинейность жидкости. Здесь же рассматривается вопрос о влиянии фазовых переходов на характер рассеяния и поглощения звука и на поведение акустической нелинейности жидкости. Эти вопросы рассматриваются с точки зрения возможности акустической спектроскопии жидкости. Поэтому много внимания уделяется взаимосвязи названных акустических характеристик с размерным распределением пузырьков и их объемной концентрацией.
Вторая глава посвящена техническим средствам для измерения поглощения и рассеяния звуковых волн в жидкости с 1-азовыми и парогазовыми пузырьками и измерения акустической нелинейности. В главе описана измерительная установка, предназначенная для лабораторных экспериментов с использованием небольшого бассейна. Для натурных морских экспериментов описана установка для вертикального зондирования приповерхностного слоя моря до глубины 100 м. В установках в качестве электронного оборудования по возможности использовались приборы промышленного производства, что гарантировало их определенные метрологические характеристики. Часть оборудования, необходимого для проведения экспериментов, было разработано и изготовлено самостоятельно. В главе приводятся некоторые характеристики и особенности разработанного оборудования и примененные способы калибровки.
В третьей главе описываются предлагаемые методы для измерения рассеяния и поглощения звуковых волн и измерения акустической нелинейности в