АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2009, том 55, № 3, с. 335-341
НЕЛИНЕЙНАЯ ^^^^^^^^^^^^^^ АКУСТИКА
УДК 534.2
НЕЛИНЕЙНАЯ АКУСТИКА: ОТ ФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ К ПРАКТИЧЕСКИМ ПРИМЕНЕНИЯМ (ИЗ ИСТОРИИ НАУКИ)
© 2009 г. K. А. Наугольных
Колорадский Университет, Боулдер, 80305 E-mail: konstantin.Naugolnykh@noaa.gov Поступила в редакцию 18.09.08 г.
Предметом нелинейной акустики являются сильные возмущения среды, для описания которых принцип суперпозиции оказывается неприменимым, и развиваются разнообразные взаимодействия звука с возмущениями среды. Быстрое развитие нелинейной акустики произошло во второй половине прошлого века благодаря прогрессу ультразвуковой технологии, обеспечившему создание источников ультразвука высокой интенсивности. Отдельные эпизоды развития нелинейной акустики, связанные с изучением распространения звука высокой интенсивности, а также разработкой и применением параметрических излучателей звука, приведены в настоящей статье.
PACS: 43.25.Vt, 43.30.Zk
ВВЕДЕНИЕ
Изучение волновых процессов в природе началось с анализа слабых возмущений, описываемых линеаризованными уравнениями механики сплошных сред, так называемых линейных волн. Однако возмущения, вызванные штормами в атмосфере и океане, или применяемые в разнообразных ультразвуковых устройствах, оказываются столь сильными, что линейные уравнения оказываются непригодными. Происходит изменение природы физических процессов, вызванных этими возмущениями. Во-первых, сильные возмущения делают среду неравновесной, и в ней развиваются процессы восстановления равновесия. Во-вторых, среда становится нелинейной, принцип суперпозиции оказывается неприменимым, развиваются различные механизмы акустических взаимодействий. Еще Фарадей наблюдал, что интенсивные вибрации камертона могут вызвать течения воздуха, способные задуть пламя свечи. Взаимодействия звука с возмущениями другой физической природы лежат в основе разнообразных процессов ультразвуковой технологии. Если первый Интернациональный симпозиум по нелинейной Акустике (ИСНА-1), Нью-Лондон, 1968, был посвящен вопросам распространения звуковых волн конечной амплитуды и взаимодействиям звук-звук, то в последующем самые разнообразные взаимодействия звука стали предметом обсуждения. Это обстоятельство стимулирует развитие многообразных приложений нелинейной акустики (НА).
Нелинейно-акустические эффекты рассматривались Релеем в начале 20 столетия [1]. Но быстрое развитие НА произошло лишь во второй половине прошлого века благодаря прогрессу
ультразвуковой технологии, обеспечившему создание источников мощного ультразвука.
Отдельные эпизоды развития НА, основанные на личных воспоминаниях, весьма субъективных, относящиеся к периоду первых ИСНА (связанные, в частности, с изучением распространения интенсивных звуковых волн и разработкой параметрических излучателей звука), приведены в данной работе.
РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЗВУКОВЫХ ВОЛН КОНЕЧНОЙ АМПЛИТУДЫ
Нелинейные волны рассматриваются в гидродинамике, физике твердого тела, оптике, радиофизике. В Акустическом Институте АН СССР изучение волн конечной амплитуды было инициировано Н.Н. Андреевым, начавшим работы по НА в 1954 г. Первый выпуск Акустического журнала открывался его статьей по НА, в которой было показано, что нелинейная теория приводит к накапливающимся искажениям интенсивной звуковой волны по мере ее распространения [2]. В это же время исследования по НА развивались в Московском государственном университете, красочная картина этих событий представлена Ру-денко и Сапожниковым [3].
Генерация второй гармоники звуковой волны наблюдалась Турасом и Дженкинсом [4], a увеличение поглощения звука с ростом его интенсивности было отмечено Фоксом и Вэлласом [5], а также Таулем и Линдсеем [6].
Экспериментальное наблюдение нелинейной эволюции звуковой волны и образования пилообразного профиля было выполнено Буровым и Красильниковым [7], и Романенко, который скон-
Н.Н. Андреев (1880—1970 гг.), советский физик, лидер советской акустики, в течение многих лет был главным редактором Журнала экспериментальной и теоретической физики.
струировал для этой цели специальные широкополосные миниатюрные датчики [8]1.
Процесс увеличения крутизны волнового профиля компенсируется диссипативными факторами — вязкостью и теплопроводностью, а также дисперсией скорости волны. Замечательная статья на эту тему была опубликована Феем [9]; a применение уравнения Бюргерса для описания волны конечной амплитуды в диссипативной среде было предложено Мендоусом [10]. Обстоятельное исследование процесса распространения нелинейной волны в среде с вязкостью и теплопроводностью, выполненное с использованием уравнения Бюргерса, было проведено Лайтхил-лом [11]. Этот подход был развит Блакстоком [12], a также Хохловым и Солуяном [13], описавшими эволюцию волны конечной амплитуды и образование пилообразного профиля. Блаксток также ввел в НА результаты Ирншоу, Стокса и т.д., представив их в современном виде. Коротковолновое приближение было использовано при рассмотрении сферических и цилиндрических волн конеч-
1 Работы Fox & Wallace, 1954, Towlet & Lindsay, 1955, привлек-
ли внимание Красильникова к изучению особенностей волн конечной амплитуде. Затем эксперименты Бурова и Красильникова, а также Романенко по наблюдению нелинейной эволюции волн и образованию пилообразного профиля поддержали американские исследования в этой области. На
3 Интернациональном Конгрессе по акустике в Штутгарте, Германия, среди многих докладов было представлено два доклада — американский и русский — по нелинейной акустике, посвященных решениям одинаковых задач.
ной амплитуды на основе обобщенного уравнения Бюргерса [14, 15].
Теория сходящихся сферических волн была использована для расчета нелинейного режима работы ультразвуковых фокусирующих систем [16—18]. Такие системы широко используются в медицине и ультразвуковой технологии для получения звуковых полей высокой интенсивности в ограниченной области пространства. Важный вклад в развитие ультразвуковой технологии был сделан Розенбергом [19].
Р. В. Хохлов был замечательным руководителем, способным заинтересовать сотрудников разных лабораторий и привлечь их к работам по НА. В 1975 г. ИСНА-6 состоялся в Москве, подводя итоги достигнутым к тому времени результатам. Сотрудники лабораторий разных стран приняли участие в этом событии, в том числе Р. Бейер, редактор английского перевода русского Акустического журнала, специалист по волнам конечной амплитуды, написавший книгу по НА [20]. Издание Акустического журнала на английском языке способствовало распространению акустических знаний2. Бейер был очень живым, энергичным человеком, внесшим большой вклад в деятельность Американского акустического общества.
Четкое изложение проблемы волн конечной амплитуды представлено в книге Руденко и Солу-
яна [21]3.
Звуковые поля высокой интенсивности в жидкости могут вызвать кавитацию, сопровождающуюся многочисленными эффектами. В 1960 г. Розенберг инициировал изучение процесса захлопывания кавитационного пузырька, и Акуличев и др. разработали приближение Кирк-вуда-Бете для расчета излучения сферической волны кавитационным пузырьком [22]. Позднее этот подход был применен при расчете ударных волн, излучаемых электрическим разрядом, а также при лазерном оптическом пробое жидкости [23]. Лазерная генерация пузырьков в жидкости, их взаимодействие, возбуждение волн на поверхности пузырька исследовались в работах третьего Физического института, Геттинген, Германия, где под руководством Лаутерборна был выполнен цикл работ по динамике пузырьков, кавитации и сонолюминесценции, развитию хаоса [24].
2 Будучи редактором английского перевода Акустического журнала, Р. Бейер интересовался особенностями русского языка. Он, в частности, спрашивал, как по имени узнать, является ли автор мужчиной или женщиной. Ему объяснили, что имена русских дам, обычно, заканчиваются буквой "а". Бейер немедленно ответил: "например, Капица!".
3 Солуян в те годы сумел написать и поставить на сцене Московского государственного университета оперу "Архимед".
В.А. Красильников и Д.Т. Блаксток на ИСНА-5, Копенгаген, 1973 г.
Распространение звуковых пучков определяется конкурирующим влиянием процессов нелинейности, диссипации и дисперсии, описываемым уравнением Хохлова—Заболотской—Кузнецова [25]. Это уравнение широко используется в НА (см., например, [26]).
Свойства акустических шумов большой интенсивности были последовательно рассмотрены в работах Гурбатова и его сотрудников: вопросы взаимодействия случайно-модулированных волн, нелинейной трансформации широкополосного спектра высокой интенсивности, распространения регулярной волны в шуме и т.д. [27, 28]. К этим работам примыкают исследования Рыбака по распространению интенсивного звука в условиях совместного воздействия нелинейных и стохастических эффектов [29], а также влияния неустойчивости [30]. Обзор работ этого направления представлен в статье [31]. Обстоятельное
исследование нелинейности твердых тел было проведено Бреазилом, выполнившем измерения параметра Б/А различных металлов, сплавов, и минералов [32] .
Бреховских с сотрудниками рассмотрели процесс генерации инфразвука в океан и в атмосферу нелинейно-взаимодействующими встречными волнами на поверхности океана [33, 34]. Дальнейшее развитие этой проблемы было выполнено в Национальном центре по физической акустике, Оксфорд, США, Хетцером и др. [35]. Дальнее распространение инфразвука в атмосфере, сопровождаемое нелинейными эффектами, исследовалось Обуховым в Институте физики атмосферы, см., например, обзор Кулич-кова [36].
ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ИЗЛУЧАТЕЛИ
Параметрический излучатель (ПИ) — это нелинейный преобразователь, который создает остронаправленный, лишенный боковых лепестков, пучок низкочастотного звука в результате нелинейного взаимодействия высокочастотных волн накачки. ПИ был предложен Вестервелтом в 1963 г., одновременнно аналогичные устройства разрабатывались Зверевым и Калачевым в СССР. Концепция ПИ сформировалась у Вестервелта во время его работы в Лондоне, Англия, в 1952 г., где он познакомился с работами Лайтхи
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.