МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Таганрогский государственный радиотехнический университет
Кафедра электрогидроакустической и медицинской техники
Программа курса
«ФИЗИКА УЛЬТРАЗВУКА И
НЕЛИНЕЙНЫЕ ЯВЛЕНИЯ»
Для специальностей 190200; 190400 и 140700
дневной и заочной формы обучения
Таганрог
Состав и содержание курса
Роль учебного курса для изучения разделов акустического неразрушающего контроля (дефектоскопия), ультразвуковой терапии и диагностики, а также для объяснения интенсифицирующего действия ультразвука на физико-химические технологические процессы в различных областях промышленности: при очистке и мойке, экстракции, изготовлении эмульсий, пропитке, сверлении хрупких твердых материалов, при электрохимической обработке, травлении и нанесении гальванопокрытий, при резании, зенковании и волочении, при сварке пластмасс, пайке и лужении алюминия, при горении и распыле горючих смесей, при сушке, при акустической коагуляции и осаждении тонкодисперсных промышленных дымов и естественных туманов, при защите от отложения осадков и парафинирования поверхностей, при диспергировании, при кавитации и др.
Раздел 1. Распространение упругих волн в анизотропных средах
Распространение монохроматических волн в монокристаллах.
Вывод характеристического дисперсионного уравнения упругой волны в монокристалле.
Общий вид уравнения поверхности волновых векторов.
Определение направляющих косинусов вектора смещений.
Доказательство ортогональности смещений.
Особенные направления в кристалле.
Основные понятия о структуре кристаллов.
Поверхности нормальных скоростей для кубического кристалла.
Направление переноса энергии в кристалле.
Расчет направления звуковых лучей в кристалле.
Получение характеристики дисперсионного уравнения плоской звуковой волны в пьезокристалле.
Отражение и преломление упругих волн на границах раздела анизотропных тел.
Граничные условия для кристаллов.
Отражение от свободной поверхности монокристалла.
Графический способ определения направления отраженных волн.
Особенности распространения упругих волн в поликристаллических средах.
Литература: [4], [6].
Раздел 2. Распространение упругих волн в слоистой
среде при наличии активного слоя
Постановка задачи. Получение выражений для амплитуд смещений.
Акустическая мощность, излучаемая в нагрузку.
Работа преобразователя при двустороннем излучении в одинаковые среды.
Зависимость акустической мощности от сопротивления нагрузки в режиме одностороннего излучения.
Влияние демпфера на частотную характеристику преобразователя.
Излучение ультразвуковых волн через переходной слой при двусторонней несимметричной нагрузке.
Зависимость акустической мощности, излучаемой в нагрузку, от толщины переходного слоя.
Зависимость излучаемой мощности от соотношений между акустическими сопротивлениями различных слоев при четвертьволновом переходном слое.
Частотные характеристики преобразователей в режиме излучения при различных толщинах переходного слоя для материалов с и .
Работа плоского преобразователя при наличии нескольких промежуточных слоев в режиме приема. Получение выражений для чувствительности в режиме приема
Зависимость чувствительности искателя дефектоскопии от толщины переходных слоев.
Влияние демпфера на частотные характеристики чувствительности слоистых преобразователей. Возможности создания щупов, работающих по необработанной поверхности.
Литература: [5], [6].
Раздел 3. Уравнения нелинейной акустики. Особенности нелинейных
процессов. Числа Маха и Рейнольдса. Малые параметры
Уравнение нелинейной акустики с точностью до квадратичных членов.
Метод медленно изменяющегося профиля. Уравнение ХЗК для звуковых пучков.
Литература: [1], [2].
Раздел 4. Распространение нелинейных волн
Плоские нелинейные волны. Уравнение Бюргерса. Решение уравнения Бюргерса для малых чисел Рейнольдса (очень вязкая среда). “Эффект насыщения”. Развитие нелинейных эффектов при больших числах Рейнольдса. Распространение нелинейных волн после образования разрыва. Гармонический состав волн конечной амплитуды. Затухание волн конечной амплитуды (нелинейное поглощение). Отражение волны конечной амплитуды о границы раздела.
Сферические и цилиндрические одномерные волны конечной амплитуды.
Волны в средах с дисперсией. Уравнение Кортевега – де Вриза. Метод последовательных приближений для уравнения КДВ. Стационарное решение уравнения КДВ. Солитоны. Волны на поверхности жидкости конечной глубины.
Литература: [1], [2].
Раздел 5. Кавитация
Виды кавитации: акустическая (ультразвуковая), гидродинамическая, тепловая (паровая), полезные и вредные воздействия кавитации.
Элементы теории разрыва жидкости. Экстраполяционные и реальные оценки «прочности» жидкости.
Гипотеза образования «слабых» мест в жидкостях. Зародыши кавитации.
Теория пара-газонаполненного пузырька. Критический размер пузырька. Область устойчивых и неустойчивых пузырьков. Оценка максимальной прочности жидкости.
Элементы теории паровых пузырьков. Формула Зельдовича для прочности жидкости.
Гипотеза разрыва на границе твердое тело – жидкость. Оценка прочности по Френнелю.
Поведение газовых зародышей в акустическом поле при кавитации. Резонансная частота пузырьков. Изменение радиуса пузырька в полупериоде звукового поля.
Кавитационное облако. Фаза кавитации: начальная, критическая и фаза кавитационных пузырьков.
Разрушающее действие кавитации. Время схлопывания полостей. Максимальное звуковое давление в ударной волне при схлопывании пузырька.
Элементы теории кумулятивных струй при схлопывании кавитационной полости. Оценка возникающего силового воздействия.
Порог кавитации и его зависимость о частоты звука, размеров и количества пузырьков, от амплитуды, от гидростатического давления, от вязкости, длительности воздействия и формы огибающей звукового поля.
Дегазирующее действие акустической коагуляции.
Звуковая люминесценция. Гипотезы сонолюминесценции. Показ созданного видеофильма о кавитации.
Литература: [3], [6].
Раздел 6. Акустические течения
Общая характеристика акустических течений.
Масштабы акустических течений. Течения в свободном пространстве (эккартовские), в резонансных объемах (рэлеевские), около препятствий (шлихтинговские).
Уравнение акустического течения и его качественный анализ.
Крупномасштабные течения (течение Эккарта).
Течение в стоячей волне (рэлеевское течение).
Течение в акустическом пограничном слое (шлихтинговское течение).
Диаграмма трансформации характера акустических течений.
Литература: [2], [3], [6].
Раздел 7. Параметрические антенны
Модель излучающей и приемной параметрических антенн. Общие сведения.
Теория параметрической излучающей антенны. Решение уравнения ХЗК методом последовательных приближений. Осевое распределение амплитуды и фазы волны разностной частоты. Диаграмма направленности ПА. Амплитудные характеристики ПА.
Параметрическая антенна в режиме излучения сложных сигналов. Передача ЛЧМ- сигналов. Самодетектирование акустических импульсов.
Влияние плоских отражающих границ. Особенности расчета поля ВРЧ при отражении. Анализ характеристик излучающей антенны при отражении.
Устройство излучающих параметрических антенн и некоторые особенности измерения их характеристик.
Приемные параметрические антенны.
Применение параметрических антенн.
Литература: [1], [2], [3], [7].
Раздел 8. Гидродинамическое взаимодействие частиц в
мощном звуковом поле
Осаждение промышленных дымов – важнейшая социальная научно-техническая проблема современности.
Микро – и макропроцесс акустической коагуляции тонкодисперсных аэрозолей промышленных дымов. Гипотеза акустической коагуляции. Уравнение колебания отдельной частицы в звуковом поле. Анализ решения. Ортокинетическая гипотеза.
Гидродинамическое взаимодействие частиц при вязких режимах обтекания. Стоисовское и осееновское взаимодействия частиц. Уравнения движения и их анализ при центральном и нецентральном взаимодействии. Зависимость микропроцесса акустической коагуляции от параметров звукового поля и аэродисперсной среды.
Структура и параметры агрегатов, образующихся при акустической коагуляции субмикронных частиц.
Кинетика (макропроцесс) акустической коагуляции промышленных аэрозолей. Уравнение диффузии и его решение. Эйнштейновский коэффициент диффузии частиц и его модификация для субмикронных аэрозолей.
Экспериментальное уравнение регрессии акустической коагуляции для чччччччч и промышленных аэрозолей. Уравнение кинетики. Сравнение теории и эксперимента.
Основные факторы, влияющие на процесс кинетики акустической коагуляции промышленных аэрозолей.
Акустические схемы осаждения промышленных дымов и использование электростатического (электрофильтры), центробежного (трубы Вентури) и инерциального (циклоны) осадителей.
Мощные источники звука для акустического осаждения и воздействия на тепло – и массоперенос.
Литература:[3], [6].
Раздел 9. Радиационная акустика
Общие сведения о преобразовании энергии радиационных потоков в акустическое излучение.
Принцип действия опто-термоакустической антенны (ОТАА). Механизма излучения звука ОТАА.
Уравнения, описывающие поле при излучении ОТАА. Случай плоской световой волны с модуляцией. Максимальная амплитуда звуковой волны. Численные оценки интенсивности звука.
Движущиеся лазерные опто-термоакустические антенны.
Импульсный режим ОТАА.
Диаграмма направленности лазерной опто-термоакустической антенны.
Энергетический коэффициент преобразования ОТАА.
Литература: [1], глава 9; [3].
Раздел 10. Упругие нелинейные волны в твердых телах
Пятиконстантная нелинейная теория упругости (изотропное твердое тело).
Взаимодействие волн в изотропном твердом теле. Взаимодействие коллинеарных волн. Взаимодействие неколлинеарных волн.
Элементы нелинейной теории упругости кристаллических диэлектриков.
Элементы нелинейной теории пьезоэлектриков. Основы теории. Линейные волны в пьезоэлектриках. Нелинейные электроупругие эффекты.
Нелинейные эффекты в пьезополупроводниках. Основные уравнения. Усиление звука дрейфом носителей.
Магнитоупругие волны. Нелинейность ферромагнитных кристаллов. Некоторые сведения из теории ферромагнетизма. Спиновые волны. Термодинамика магнетика. Магнитоупругая связь и волны. Агнитоупругие нелинейности.
Литература: [2], [3], [6].
Литература
- Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. «Нелинейная гидроакустика», Издательство «Судостроение», Л., 1981.
- Зарембо Л.И., Тимошенко В.И. «Нелинейная акустика», Издательство МГУ, М., 1984.
- «Гидроакустическая энциклопедия», под редакцией В.И. Тимошенко, Таганрог, ТРТУ, издание 1-ое 1999г., издание 2-ое – 2000.
- Старченко И.Б., Тимошенко В.И. «Распространение упругих волн в анизотропных средах», Уч. Пособие по курсу «Физика ультразвука», ТРТУ, Таганрог, 1998г.,№2636.
- Старченко И.Б., Тимошенко В.И. «Упругие волны в слоистой среде при наличии активного слоя», Уч. Пособие по курсу «Физика ультразвука», ТРТУ, Таганрог, 1998г. №2579.
- «Ультразвук», под ред. И.Б. Галяминой, Энциклопедия. Издательство «Наука», М., 1985.
- Новиков Б.К., Тимошенко В.И.»Параметрические антенны в гидролокации», Издательство «Судостроение», Л., 1990.
Программу составил проф. В.И. Тимошенко
P.S. Два контрольных задания по “Физике ультразвука” и по “Нелинейным явлениям” студенты ФБФО готовят в течении семестра и присылают для проверки преподавателю до начала сессии. (до лекции)