ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2009, том 45, № 4, с. 531-538
УДК 551.46
ГЕНЕРАЦИЯ ГРАВИТАЦИОННО-КАПИЛЛЯРНЫХ ВОЛН ПОДВОДНЫМ ИСТОЧНИКОМ ЗВУКА
© 2009 г. В. Е. Прохоров, Ю. Д. Чашечкин
Институт проблем механики РАН, 119526 Москва, просп. Вернадского, 101, корп.
E-mail: prohorov@ipmnnet.ru Поступила в редакцию 16.04.2008 г., после доработки 23.07.2008 г.
Экспериментально исследуется акустический способ возбуждения поверхностных волн с помощью подводного источника высокочастотного (950 кГц) звука. Поверхностные волны возбуждаются на частоте модуляции (3-55 Гц) звукового пучка. При нормальном падении на свободную поверхность модулированный звуковой пучок эффективно генерирует волны в гравитационно-капиллярном диапазоне. При этом обеспечивается гибкая электронная регилировка основных параметров волн (частоты, амплитуды) в пакетном и непрервыных режимах. Получены амплитудно-частотные характеристики процесса генерации поверхностных волн - расчетная (на основе уравнений для скорости акустического течения и распространения гравитационно-капиллярных поверхностных волн) и экспериментальная (по измерениям волнения оптическим и контактным методами). Обе характеристики хорошо согласуются: на фоне одинакового монотонного затухания с частотой они имеют локальный провал в окрестности минимума фазовой скорости и осцилляции в области частот свыше 20 Гц. Эксперименты по возбуждению волновых пакетов одиночными акустическими посылками различной длительности и мощности, а также падающими каплями воды показали, что во всех случаях фазовые характеристики удовлетворительно согласуются между собой, при этом время прихода сигнала в точку измерения определяется групповой скоростью.
Традиционный интерес к изучению поверхностного волнения усилился в последние годы в связи с поиском условий формирования волн аномальной амплитуды, наносящих большой ущерб береговым сооружениям и судам [1]. Одним из быстро развивающихся методов контроля параметров морского волнения служит дистанционное зондирование, позволяющее определять параметры процессов на поверхности и в водной толще [2]. Для зондирования обычно используются радиоволны сантиметрового и миллиметрового диапазонов, длина которых сопоставима с длиной гравитационно-капиллярных волн. Короткие поверхностные волны, свойства которых зависят от многих факторов, интенсивно изучаются теоретически и экспериментально в натурных и лабораторных условиях [2, 3].
Теоретические исследования ориентированы в основном на описание установившегося поверхностного волнения [4, 5], анализ эффектов диссипации и нелинейности [6, 7] и уточнение дисперсионных соотношений [8]. В лабораторных исследованиях гравитационно-капиллярные волны обычно создаются механическими волнопродукторами [9, 10] с ограниченными функциональными возможностями. В качестве альтернативного способа возбуждения волн используется радиационное воздействие подводного звука на поверхность, позволяющее создать контролируемый поверхностный рельеф с заданной временной изменчивостью формы и амплитуды возвышения [3]. Область изменяющегося рельефа служит источником поверхностных волн, который, в отли-
чие от механических волнопродукторов, не создает дополнительных возмущений как волновой, так и неволновой природы (вихри, пограничные слои). В данной работе исследуются дисперсионные и фазовые свойства кольцевых гравитационно-капиллярных поверхностных волн, создаваемых дисковым подводным акустическим резонатором.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Схема экспериментальной установки показана на рис. 1. Опыты выполнены в бассейне 1 размером 145 х 50 х 60 см3, заполненным дегазированной водопроводной водой. В бассейне установлен дисковый резонатор 2 диаметром 2.5 см, изготовленный из пьезокерамики ЦТС-19 с частотой механического резонанса 950 кГц. На резонатор от генератора 3 через усилитель мощности 4 подается амплитудно-модулированный сигнал с регулируемой частотой и глубиной модуляции. Форма модулирующего сигнала определяется требованиями конкретного эксперимента. Излучаемый осесимметричный акустический пучок 5 направляется вертикально вверх и создает пульсирующее возвышение свободной поверхности, от которого распространяются кольцевые волны. Типовая ширина пятна контакта пучка со свободной поверхностью, определяющая размер области генерации волн, составляет 3 см.
Над бассейном установлен электромеханический волнопродуктор 6 с задающим генератором 7, с помощью которого создаются плоские поверхностные
531
7*
,- 7
13
Рис. 1. Схема лабораторной установки. 1 - бассейн 145 х 50 х 60 см3, 2 - высокочастотный акустический резонатор, 3 - задающий генератор, 4 - усилитель мощности, 5 - звуковой пучок, 6 - волнопродуктор поверхностного волнения с задающим генератором 7,8 - лазер с коллиматором 9,10 - диафрагма, 11 - фотоприемник, 12 -интерфейс, 13 - компьютер, 14 - микроконтактный датчик возвышения.
волны. Рабочее тело волнопродуктора - тонкая вертикальная пластина длиной 35 см, высотой 1 см, толщиной 0.5 мм, которая колеблется вертикально с амплитудой от 0.1 до 3 мм и частотой 5-70 Гц.
Вызванные волнами вариации наклона и положения свободной поверхности регистрировались дистанционными 8-13 и контактными 12-14 инструментами. Оптическая система для измерения волновых наклонов, традиционно используемая в лабораторных экспериментах с поверхностными волнами [11], состоит из полупроводникового лазера 8 с длиной волны 0.650 мкм, коллиматора 9 для фокусировки луча в заданной точке поверхности, визуализирующей диафрагмы 10, фотоприемника 11, установленного на юстировочном столике и подключенного через интерфейс 12 к компьютеру 13. Визуализирующая диафрагма 10 отсекает часть светового пучка, и позволяет регистрировать форму возвышений и впадин.
Разработанный специально для данного эксперимента интерфейс 12 имеет четыре независимых входа, в каждом из них имеется программируемый усилитель с коэффициентом от -40 до + 40 дБ, 12-разрядный АЦП и блок памяти. Схема управления осуществляет сжатие информации по всем каналам и передачу ее в компьютер по шине USB.
Интерфейс пользователя дает возможность выбрать измеряемые каналы, и индивидуально в каждом канале задать время выборки, коэффициент усиления, задержку на измерение, длину реализации.
Чувствительный элемент контактного измерителя возвышений 14 (торец капилляра диаметром 0.8 мм, в который вставлен отделенный изолирующей прослойкой центральный электрод из платиновой проволоки [12]) находился в подводном положении на расстоянии около 0.3 мм от свободной поверхности. Волновые колебания приводили к заметным вариациям поля электропроводности вблизи чувствительного элемента и соответствующему изменению выходного сигнала. Градуировочная характеристика измерителя, аппроксимированная функцией
2ах ( а2 2\ Лоренца г = а0 + — -- + а2 , показана
п Ч( и - и2) )
сплошной линией на рис. 2 (эмпирические константы равны а0 = -0.012, ах = -0.98, а2 = 0.011, и0 = -1.02). Из градуировочной характеристики следует, что чувствительность на рабочем участке составляет 6.6 В/мм. В процессе измерений волн датчик не пересекал свободную поверхность, благодаря чему существенно повышалось его быстродействие.
Перед началом эксперимента проводилась юстировка оптической системы 8-11, калибровка контактного измерителя при невозмущенной свободной поверхности, производилась настройка акустического и механического волнопродукторов и сквозной контроль линейности измерений.
Форму акустического пучка иллюстрирует его теневое изображение (рис. 3а). Для получения наглядной картины на зажимы резонатора подавалась повышенная мощность. В режиме генерации волн мощность была существенно меньше, изображение
X, мм
0
А
° ° п от.
-1.15
-1.10
-1.05 С, В
Рис. 2. Градуировочная кривая контактного датчика (светлые кружки - эксперимент, сплошная линия - аппроксимация функцией Лоренца). Точкой А отмечен горизонт установки чувствительного элемента.
пучка - малоконтрастным, и геометрия пучка определялась по поперечному распределению освещенности Е, нормированной на максимальное значение в центре пучка Е0 (рис. 36). На рис. 36 видно, что боковые лепестки выражены слабо, и их вклад в деформацию поверхности незначителен.
Регистрация волнового поля проводилась после окончания переходных процессов и установления стационарной волновой картины. В ряде опытов проводилось сравнение характеристик коротких волновых пакетов, создаваемых кратковременным включением акустического пучка или падением водяной капли.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Типичная картина кольцевых гравитационно-капиллярных волн, создаваемых акустическим пучком, показана на рис. 4. Центральная часть рисунка - темное пятно радиуса Я маркирует область деформации поверхности акустическим пучком. В большинстве опытов звуковая мощность устанавливалась небольшой, и амплитуда волн удовлетворяла требованиям линейной теории [11, 12].
Одна из задач экспериментов - изучение возможности выделения волновых компонент, созданных акустическим пучком, на фоне плоских волн от механического волнопродуктора. В этих опытах световое пятно оптической системы фокусировалось в точку диаметром 2 мм, которая располагалась на линии, соединяющей центры пластины и звукового пятна. Расстояния от светового пятна до пластины и центра пучка равнялись соответственно 15 и 30 см. За счет большего удаления фронт волны, приходящей от звукового источника в точку измерения, становился более плоским.
Регистрограммы сигналов с выхода фотоприемника, нормированных на максимальное значение, иллюстрируют изменение формы суммарного волнения при увеличении частот обеих типов волн (рис. 5а). Отношение частоты модуляции звукового пучка к частоте механического волнопродуктора во всех случаях равнялось 0.3. Относительный вклад каждого из источников в суммарный сигнал иллюстрируют спектры, приведенные на рис. 56. В низкочастотной области преобладает вклад звукового генератора (рис. 561), а при высоких частотах - электромеханического (рис. 564).
(а)
4 см
Е /Е
(б)
4 см
-0.5
0.5 х, см
Рис. 3. Акустический пучок: а - теневая картина при трехкратной номиналь
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.