Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,674

Personal portfolio

Бошенятов Б.В., Попов В.В.

Введение

Распространение звука в микропузырьковой среде сопровождается более сильным, чем в обычных гомогенных жидкостях, затуханием его амплитуды. Это происходит по следующим причинам. Во-первых, из-за рассеивания звуковых волн на газовых пузырях, которые в этом случае, согласно принципу Гюйгенса - Френеля являются источником вторичных акустических волн, уносящих с собой часть энергии падающей волны в направлениях, отличных от направления ее распространения. Во-вторых, из-за необратимых процессов, протекающих в жидкой и газовой фазах и между ними (вязкое трение и теплопередача). Теория распространения звуковых волн в газожидкостных средах с учетом межфазного взаимодействия рассматривалась во многих работах, обзор которых можно найти, например, в [1-3]. Однако исчерпывающая и экспериментально подтвержденная теория таких сред до сих пор не построена. Значительно меньше опубликовано экспериментальных работ по проверке существующих теорий. Следует отметить, что основная часть этих экспериментальных работ [4-7] проводилась на пузырьковых средах с довольно крупными пузырями (R ≥ 0,1 мм), собственная частота которых относительно невысока и составляет от единиц до десятков килогерц. Поэтому результаты, полученные в этих работах, относятся к так называемому резонансному механизму поглощения звуковых волн. Как показывает анализ [8], для резонансных пузырей с R > 10 мкм всегда справедливо неравенство LT << R, где LT - глубина прогревания газа в пузыре, R - радиус пузыря, т.е. температурный пограничный слой в газе мал по сравнению с R, а частотный состав зондирующих импульсов включает лишь частоты, близкие к резонансной частоте пузыря, формула для вычисления которой имеет вид:

f

Здесьр1 - гидростатическое давление в жидкости, γ = сp / сν - отношение удельных теплоемкостей газа, μ - коэффициент политропичности газа (изменяется от 1/γ, при изотермическом режиме колебаний, до 1 - при адиабатическом режиме сжимаемости газа), σ - коэффициент поверхностного натяжения на границе газа и жидкости, ρ1 - плотность жидкости. Таким образом, имеющиеся в литературе экспериментальные данные относятся, в основном, адиабатическому режиму сжимаемости газа в пузырях на частотах близких к резонансным. В работах авторов [3,9,10] впервые были опубликованы результаты экспериментов по исследованию гидроакустических свойств микропузырьковой газожидкостной среды (МГС) при повышенном газосодержании. В таких микропузырьковых средах резонансные частоты пузырей достигают величин f0 =0,165 МГц (для пузырьков с R = 20 мкм) и основным механизмом поглощения звука в диапазоне частот от единиц до десятков килогерц становится нерезонансный механизм. В работе [3] приведены результаты исследования поглощения звуковых волн низкочастотного диапазона f=(0,4 ÷ 2,0) кГц микропузырьковой водо-воздушной средой со средним радиусом пузырей Rср =20 мкм при объемном газосодержании φ= 0,025. Эти исследования проводились импульсным методом с использованием узкополосных зондирующих сигналов в виде квазигармонических цугов. В данной работе поглощение звука в аналогичной газожидкостной среде измеряется новым методом, основанным на анализе изменений спектрального состава широкополосного акустического сигнала (спектр кавитации) при удалении приёмного гидрофона от источника звука. Эксперимент такого типа позволяет получить значения коэффициента поглощения звука одновременно во всем интервале частот, содержащихся в спектре кавитационного сигнала. Экспериментальная установка практически не отличается от опытов [3] на квазистационарном сигнале. Основное отличие заключается в методике измерения и обработке регистрируемого широкополосного сигнала с целью получения данных по зависимости коэффициента поглощения звука от частоты.

Оборудование и методика эксперимента

Рассмотрим особенности процессов измерений и обработки информации в данном эксперименте. Зарегистрированный приёмным гидрофоном шумовой акустический сигнал вначале поступал на вход предварительного усилителя, затем на фильтр верхних частот и аттенюатор, с помощью которого уровень усиленного принимаемого сигнала устанавливается в пределах, необходимых для правильной работы входного амплитудно-цифрового преобразователя (АЦП) анализатора спектра СК4/72. АЦП осуществлял оцифровку выборок входного сигнала в параллельный девятиразрядныи двоичный код. Частота взятия выборок в режиме непрерывного анализа была постоянна и составляла 60 кГц. С выхода АЦП код выборок сигнала поступал в буферное запоминающее устройство (ЗУ), которое имело ёмкость 11 девятиразрядных слов. Частота занесения выборок в буферное запоминающее устройство равна утроенной верхней частоте анализируемого диапазона частот, т е. 15 кГц при ширине полосы обзора в 5 кГц и 6 кГц при ширине полосы обзора в 2 кГц. После этого содержимое буфера переписывалось в ЗУ. Причём при обращении к ЗУ в него переписывалось сразу всё содержимое буфера. Обращение к ЗУ происходило с частотой 6 кГц, причем ёмкость ЗУ составляла 603 девятиразрядных двоичных слов. С выхода ЗУ информация в параллельном коде с тактовой частотой 3,6 МГц поступала на быстродействующий цифроаналоговой преобразователь и далее на фильтр верхних частот с частотой среда 1,2 кГц. На выходе фильтра получалась сжатая во времени копия входного сигнала. Длительность сжатой копии около 170 мкс, а ширина спектра не зависимо от диапазона входных сигналов - 1,2 МГц, с центральной частотой - 3,3 МГц. Сжатая таким образом во времени копия входного сигнала подавалась на вход встроенного аналогового анализатора последовательного типа и одновременно на вертикальные отклоняющие пластины электронно-лучевого осциллографа С1-91 для контроля правильности работы всего входного тракта измерительной аппаратуры. Полученная таким образом спектрограмма далее подавалась на интегратор для линейного усреднения спектрограмм отдельных выборок входного сигнала. В данном эксперименте это составляло 1024 выборки на спектр с общей длительность в 100 мс каждая (при верхней частоте обозреваемого диапазона 2 кГц). После линейного усреднения на интеграторе спектральный состав кавитационных шумов отображался на экране блока индикации (Я4-7) в координатах амплитуда спектральной составляющей (мВ) - частота (Гц).

После перемещения приёмного гидрофона вдоль продольной оси гидротрубы на заданное расстояние Δх = х2 - х1 , где х1 и х2 - расстояния регистрирующего гидрофона от источника звука в одном эксперименте, повторно проводилось измерение усреднённого спектра кавитационных шумов по аналогичной методике. Коэффициент поглощения рассчитывался исходя из формулы f, в которой теперь А1 и А2 - амплитуды спектральных составляющих шумов на частоте f в положениях х1 и х2, соответственно. Все эксперименты проводились при комнатной температуре 19-20 °С и объёмном газосодержании МГС φ = 2,5 • 10-2, которое задавалось с точностью не хуже ±5 %. Такое значение газосодержания обеспечивало скорость распространения звука 72 м/с.

Результаты исследований и их обсуждение

На рис. 1 приведены типичные рабочие спектрограммы шумов на различных расстояниях от источника звука, полученные в одном из экспериментов. По оси абсцисс отложена частота (Гц), по оси ординат - амплитуда измеряемого сигнала (мВ).

p

Рисунок 1. Спектрограммы кавитационных шумов на различных расстояниях от источника звука:

1 -x1 = 0,330м; 2 - х2 = 1,230 м

з

Рисунок 2. Зависимость коэффициента поглощения от частоты: Положения приемного гидрофона:

1 - (х1 = 0,33 м, х2 = 0,63 м); 2 - (х1 = 0,33 м, х2 = 0,93 м); 3 - (х1 = 0,33 м, х2 = 1,2 м)

На рис. 2 приведены рассчитанные на основе спектрограмм (аналогичных рис.1) значения коэффициента поглощения а. Расчёт проводился на ЭВМ путём предварительного интерполирования измеренных спектрограмм с использованием стандартной программы численной сплайн-интерполяции. Необходимое число и положение точек интерполяции определялось опытным путём, на основе сравнения реальной кривой, и интерполирующей её зависимости.

Видно, что с приближением регистрирующего гидрофона к верхнему срезу гидроакустической трубы значение коэффициента поглощения на более высоких частотах уменьшаются. Данный эффект, по-видимому, связан с интерференцией в месте расположения приемного гидрофона прямых и отраженных от верхнего конца гидротрубы акустических волн.

На рис.3 приведены зависимости коэффициентов поглощения звуковых волн а в от от безразмерной частоты f*  = f / f0. Данные настоящей работы -светлые и темные кружки, и результаты работы [3] (светлые треугольники) получены при частотах в 100-200 меньших резонансной. Эксперименты работы [7] проводились при близком газосодержании φ = 10-2, но для более крупных пузырей: d = 5,48 мм (светлые квадраты) и d = 6,8 мм (темные квадраты), т.е. - вблизи резонансной частоты пузырей (f0= 1-1,3 кГц).

p

Рисунок 4. Коэффициент поглощения звука в микропузырьковой газожидкостной среде в зависимости от безразмерной частоты. Светлые и темные круглые точки авторы - газосодержание φ = 0,025,d = 10- 100 мкм; светлые треугольники - результаты работы [3], φ = 0,025 d = 0,02-0,08 мм; светлыеи темные квадратные точки - результаты работы [7], φ = 0,01, d = 5,48 - 6,8 мм; ------- -  расчет для d = 6 мм

Видно, что экспериментальные данные настоящей работы практически совпадают с данными работы [3]. Данные Зильбермана [7] качественно согласуются с теоретическим расчетом в предположении разреженной пузырьковой среды и, говоря словами автора, «дают пригодную оценку величин коэффициентов поглощения» пузырьковой средой. В то время как, расчеты по той же методике для микропузырьковой газожидкостной среды при f* = 1,2 ·10-2 ÷ 2,5 · 10-3 дают явно заниженные результаты.

Таким образом, результаты настоящего исследования, с использованием принципиально отличной от работы [3] методики измерения, полностью подтверждают экспериментальные данные и выводы работы [3] о том, что теоретическое описание распространения звуковых волн в микропузырьковой среде при повышенных газосодержаниях, основанное на предложении о разреженной пузырьковой среде, не позволяет правильно оценить величину коэффициента поглощения звука.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

  1. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред, 4.1-2 - М.: Наука, 1987. - 464 с, 360 с.
  2. Попов В.В. Микропузырьковая газожидкостная среда. //Диссертация на соискание степени кандидата физ. - мат. наук. - Долгопрудный, МФТИ, 1991, 111 с.
  3. Бошенятов Б.В. Исследование нерезонансного эффекта затухания низкочастотных звуковых волн в микропузырьковой газожидкостной среде. // Известия ВУЗ. Физика. - 2005. - № 11. - Приложение. -с.43-48.
  4. Domenico S.N. //Geophysics. - Vol.47. - № 3, March, 1982, pp. 345-353.
  5. Macpherson J.D. // Proc. Phys. Soc. - 1957, V.70, pt. 1, pp. 85-92.
  6. Fox F.E., Gurley S.R., Larson G.S. // J. Acoustic. Soc. Am. - 1955, V.27, № 3, pp. 534-539.
  7. Silberman E. // J. Acoustic Soc. Am. - 1957. -V. 29.-pp. 925-933.
  8. Гаврилов Л.Р. Содержание свободного газа и методы его измерения. //Физика и техника мощного ультразвука, том III. Физические основы ультразвуковой технологии, под ред. проф. Л. Д. Розенберга. -М: Наука, 1970.-е. 393-426.
  9. Бошенятов Б.В., Попов В.В. Об измерении газосодержания микродисперсных газожидкостных сред акустическим методом. //В сб.: Гидродинамические проблемы технологических процессов, отв. ред. академик В.В. Струминский. -М.: Наука, 1988, с. 211 -215.
  10. Bosheniatov B.V., Popov V.V. // Fluid Mechanics - Soviet Research. - Vol. 19. - № 2, March -
    April, 1990.-pp. 112-117.

Работа представлена на IV общероссийскую научную конференцию «Современные проблемы науки и образования», г. Москва, 17-19 февраля 2009 г. Поступила в редакцию 19.12.2008