Научный совет РАН по акустике

Российские достижения в области акустики 2005 года

(Материалы предоставлены руководителями, научно-техническими, учеными советами НИИ, ректоратами вузов и руководителями профильных кафедр университетов).

Физико-технический институт имени А.Ф.Иоффе РАН

В рамках исследования акустоэлектронных и акустооптических эффектов в лазерных гетероструктурах в нетрадиционных условиях взаимодействия, когда апертура оптического излучения существенно меньше длины звуковой волны впервые разработан и осуществлен новый принцип периодической частотной перестройки излучения диодных лазеров, путем воздействии переменной деформации, обусловленной объемными и поверхностными акустическими волнами, на активную область InGaAsP/InP лазерных гетероструктур. Предложена теоретическая модель анализа изменения спектрального распределения интенсивности лазерного излучения под влиянием переменной деформации. В рамках этой модели показана возможность анализа механизмов деформационного воздействия на режим генерации гетеролазера.

**

В рамках исследования кинетических явлений в твердых телах при низких температурах. Из измерений коэффициента поглощения и скорости поверхностных акустических волн (ПАВ) в частотном диапазоне 30-300 МГц, в магнитных полях H до 18 Т, в температурном интервале 1-20 К определена комплексная высокочастотная (ВЧ) проводимость в системах Si/Ge c плотным массивом самоорганизующихся квантовых точек Ge0.7Si0.3.

Институт прикладной физики РАН

Для сред, проявляющих гистерезисные свойства и "память" о предыстории деформирования, исследован несимплексный режим взаимодействия упругих колебаний. В этом режиме колебания со сравнимыми скоростями деформаций формируют гистерезисные петли сложной структуры со вложенными петлями (принципиально не описываемые методами возмущений). Обнаружено качественное изменение характера взаимодействия при переходах от простых симплексных петель к сложным. Показано, что для одного колебания в присутствии другого возможен как эффект индуцированной прозрачности, так и сильное индуцированное поглощение. Кроме акустики и сейсмики подобные эффекты возможны для возмущений любой природы, по отношению к которым среда обладает гистерезисной нелинейностью. (Совместно с Universite du Maine, France).

**

Впервые в натурных условиях наблюдалось нелинейное взаимодействие монохроматических волн, распространяющихся в скальной породе. Оценена величина коэффициента квадратичной нелинейности, отвечающая объёмной концентрации трещин ~ 20%. Результаты натурных измерений подтверждены лабораторными измерениями характеристик образцов, взятых с места проведения натурного эксперимента. Таким образом, показана возможность оценки концентрации трещин в скальных породах в натурных условиях по измерению параметра квадратичной нелинейности.

**

Разработан и реализован на макете диагностической установки нелинейно-акустический метод раннего обнаружения трещин в конструкционных элементах и узлах. Метод основан на эффекте модуляции пробной ультразвуковой волны собственными (возбуждаемыми ударно) колебаниями образца за счет их нелинейного взаимодействия на трещине. Модельные тесты и испытания на реальных осях и дисках колесных пар железнодорожных вагонов продемонстрировали высокую чувствительность метода: контраст 30-40 дБ между нелинейным откликом оси без дефектов и оси, содержащей одиночную трещину, площадь сечения которой близка к пороговым значениям для чувствительности традиционных линейных ультразвуковых методов.

**

Разработан и реализован на макете диагностической установки нелинейно-акустический метод раннего обнаружения трещин в конструкционных элементах и узлах. Метод основан на эффекте модуляции пробной ультразвуковой волны собственными (возбуждаемыми ударно) колебаниями образца за счет их нелинейного взаимодействия на трещине. Модельные тесты и испытания на реальных осях и дисках колесных пар железнодорожных вагонов продемонстрировали высокую чувствительность метода: контраст 30-40 дБ между нелинейным откликом оси без дефектов и оси, содержащей одиночную трещину, площадь сечения которой близка к пороговым значениям для чувствительности традиционных линейных ультразвуковых методов. (Совместно с НО ВНИИЖТ)

**

Предложена процедура оптимального выбора частоты излучения и углов фазирования излучающих и приемных антенн, располагающихся в водном слое, позволяющая существенно улучшить пространственно-временное разрешение при выполнении акустической томографии слоистого дна в мелком море. Предлагаемый метод направлен на обнаружение нефтезалежи, характерным признаком которой является наличие слоя с пониженной скоростью волн сдвига. Выбор оптимальных параметров излучения и приема делается на основе детального анализа вертикальных угловых спектров импульсных сигналов при возбуждении подводного звукового канала как одиночными источниками, так и вертикальными линейными излучающими антеннами.

**

На основе метода обращения волнового фронта сформулирован и проверен в экспериментах алгоритм поиска источников и эксплуатационных дефектов в механоакустических системах.

**

Предложен и экспериментально апробирован метод селекции модового состава акустического поля в мелком море практически не требующий учета гидрологических параметров дна и водного слоя. Метод основан на согласованной фильтрации мод с учетом их амплитудных и дисперсионных свойств, отличающийся тем, что реплики сигналов для согласованного фильтра строятся на основе аналитических зависимостей для изоскоростного волновода фиксированной толщины с импедансным дном, а подстройка модели под реальный волновод осуществляется плавной вариацией номера моды, включая нецелые значения. Метод успешно применен для определения модового состава поля, направленности отдельных мод, их выделения и когерентного и некогерентного суммирования в Баренцевом море в 2003 году.

**

Проведены исследования спектрально-угловых характеристик реверберационного сигнала, принимаемого вертикальными и горизонтальными антеннами на стационарных мелководных трассах при тональной подсветке акватории. Экспериментально и теоретически показано, что в диапазоне низких (до 500Гц) частот на средних (порядка 10 миль дистанциях) спектр рассеянного на ветровом волнении акустического сигнала на частотах волнения формируют локальные области поверхности с размерами порядка размеров зоны Френеля. Получены упрощенные выражения, позволяющие прогнозировать уровень реверберационного сигнала на частотах ветрового волнения и его угловую зависимость в вертикальной плоскости. Выполненные с применением пространственно развитых приемных систем исследования на Баренцевом и Балтийском морях подтвердили хорошее (~ 1-2 дБ) совпадение расчетов с данными морских измерений.

**

Создан комплекс для измерения параметров гидроакустического поля малошумных объектов - СИ ГАП "Нева-ИПФ". Комплекс мобилен, выполнен на цифровых технологиях сбора, передачи и обработки данных и предназначен для измерений параметров поля источника на ходовых и стояночных режимах на мелководных акваториях. Впервые для измерений подводного шума использована распределенная приемная система, для которой доказана преемственность метрологических параметров по отношению к измерениям точечным приемником. В комплексе реализованы оригинальные алгоритмы синтеза характеристик, формирующие в ближнем поле приемной системы не зависящую от частоты зону равной чувствительности размерами порядка контролируемого объекта, а также адаптивные алгоритмы подавления внешних шумов, псевдозвука и интерференционных помех. Порог измерений комплекса ниже уровня шумов моря. Комплекс аттестован как средство измерения, прошел государственные испытания и передан в эксплуатацию.

ГНЦ РФ "ЦНИИ имени академика А.Н.Крылова"

Проведены численные эксперименты, позволившие выбрать рациональную конструкцию глушителя высокоскоростных потоков газов, рациональные конструкции упругих элементов сборных резинометаллических амортизаторов и показать эффективность промежуточной рамы из полимерных композиционных материалов (ПКМ) по уровню передаваемых динамических сил по сравнению с аналогом из штатного материала. Проведенные исследования позволяют создавать средства акустической защиты, обеспечивающие акустическую эффективность на уровне мировых аналогов при снижении их массогабаритных параметров. Освоение алгоритма проектирования акустических характеристик слоистых вибропоглощающих конструкций из ПКМ позволит в 1,5 - 2 раза ускорить и удешевить разработку новых гибридных композиций, для изготовления конструкций, работающих в условиях повышенной вибрации.

Институт физики твердого тела РАН

Исследовано влияние процессов структурной релаксации на низкочастотное (~25 Гц) затухание звука и модуль сдвига в образцах объемного металлического стекла Pd40Cu30Ni10P20 в области температур от ~110 K до температуры стеклования (~500 K). Показано, что "необратимые" изменения модуля и затухания, происходящие в результате структурной релаксации, могут быть восстановлены с помощью специальной термической (закалки от температур выше температуры стеклования) или деформационной обработки, причем эти процедуры являются хорошо и многократно воспроизводимыми. Эти результаты свидетельствуют о том, что процессы обратимой (выше температуры стеклования) и "необратимой" релаксации контролируются одним и тем же физическим механизмом. Полученные оценки энергий активации и характерной частоты попыток процесса "необратимой" релаксации позволяют сделать вывод, что ответственные за этот процесс релаксационные центры являются малоатомными образованиями. Исследована эволюция упругих модулей третьего порядка в объемных металлических стеклах Pd40Cu30Ni10P20 и Zr52.5Ti5Cu17.9Ni14.6Al10 в результате температурных обработок. Обнаружено, что увеличение степени неравновесности структурного состояния приводит к увеличению абсолютных величин этих модулей. В то же время, максимальные их изменения (даже в результате кристаллизации) не превышают 30%.

ГНЦ РФ "Акустический институт имени академика Н.Н.Андреева"

Разработан и изготовлен опытный образец звуковизора - ультразвуковой системы визуализации подводных объектов. Принцип действия системы в том, что подводные объекты облучаются "ультразвуковыми прожекторами". Акустические изображения объектов формируются ультразвуковым объективом, осуществляющим фурье-преобразование рассеянных этими объектами ультразвуковых волн. Дальность действия звуковизора - до 50 метров, рабочая частота - 1 МГц. Система незаменима при подводных инженерных и спасательных работах в условиях недостаточной видимости. Звуковизор выполнен на современной элементной базе. Предусмотрена возможность передачи данных на рабочую станцию. Наличие в рабочей станции GPS-приемника обеспечивает ввод в каждый кадр изображения данных о координатах обеспечивающего судна.

**

Обнаружено новое явление - медленная динамика гранулированных сред при акустическом воздействии, заключающееся в том, что уровень и фаза акустического сигнала, распространяющегося в гранулированной среде, существенно флуктуируют, что свидетельствует о случайном изменении упругих свойств среды. Экспериментально установлено, что спектральная плотность таких флуктуаций с структуре из гранитной крошки монотонно возрастает с периодом в исследованном диапазоне от 10 с до 160 ч. Таким образом, среда приобретает динамические свойства в результате действия акустических сигналов даже весьма умеренной амплитуды (ускорение колебаний гранул не превышает 0.1 g).

**

Разработана обобщенная модель объёмных неоднородностей водной толщи в океане с двумя различными фрактальными размерностями и получено выражение коэффициента рассеяния, справедливое для широкого диапазона частот звука и степени пространственной анизотропии. Рассчитаны и проанализированы угловые и частотные зависимости коэффициента рассеяния, а также влияние конечных радиусов корреляции в горизонтальной плоскости на характеристики рассеянного акустического поля. Проведена верификация модифицированной версии волновой программы, основанной на широкоугловом параболическом уравнении и адаптированной к решению задачи моделирования рассеяния звука в морской среде с анизотропными неоднородностями. Обработаны и проанализированы энергетические характеристики (закон спадания интенсивности звука с расстоянием, коэффициент затухания), полученные в натурных экспериментах на двух трассах (850 и 830км) в северо-западной части Тихого океана; особое внимание было уделено таким явлениям как расщепление сигналов в классических четверках, их зашумление (предреверберация) и отличие фазового сдвига между сигналами четверки от расчета. Полученные результаты вошли в банк экспериментальных данных по дальнему распространению звука в различных районах Мирового океана.

**

В рамках работ по акустодиагностике наноструктур выполнено исследование изменения электрического сопротивления вдоль плотного слоя углеродных нанотрубок, ориентированных нормально к подложке, как функции температуры при атмосферном давлении и гидростатическом давлении 0,7 ГПа. При давлении 0,7 ГПа в образцах с однослойными нанотрубками наблюдалось резкое падение сопротивления на 6 -7 порядков в интервале температур 25- 330 К. Полученные результаты интерпретируются как возникновение сверхпроводимости вдоль слоя, связанной с существованием кольцевых токов вокруг нанотрубок. Результаты измерения сопротивления нанотрубного слоя в магнитном поле как функция угла между магнитной индукцией и нормалью к слою, подтверждают существование таких токов. (Совместно с ИРЭ РАН).

Институт радиотехники и электроники РАН

Впервые обнаружен и интерпретирован эффект взрывоподобного возникновения и коллапса газовых образований с размерами 10-15 мм и временем жизни в несколько миллисекунд, проявляющийся при распространении интенсивного фокусированного ультразвука (с частотой единицы мегагерц и интенсивностью порядка 10000 Вт/см2), в вязкой жидкости. Эффект позволил объяснить природу возникновения полостей при хирургическом воздействии высокоинтенсивного сфокусированного ультразвука (HIFU) на биологические ткани (Фрязинский филиал).

**

Исследованы температурные зависимости скорости и упругой вязкости акустических волн СВЧ диапазона в широком диапазоне частот для главных кристаллографических направлений в ряде новых кристаллов. Оказывается, что в СВЧ диапазоне, такие материалы, как La3Ga5.5Nb0.5Si0.5O14, Ca3Ga5TaSi2O14 по величине достижимой акустической добротности (малости коэффициента поглощения) не уступают кварцу и ранее изученному лангатату. Экспериментально установлено, что с ростом температуры коэффициенты поглощения акустических волн в материалах лангаситной группы возрастают, причем для продольных волн - монотонно. В случае же поперечных волн имеет место параболический закон для мод, распространяющихся вдоль оси Z и оси Y. Найдены коэффициенты, описывающие параболическую зависимость изменения частоты от температуры. Результат важен для создания высокодобротных акустических СВЧ резонаторов на основе этих материалов. (Совместно с ИК РАН).

**

Предложена модель, описывающая кинетику высокочастотных фононов в микро- и наноструктурных материалах (керамиках), согласующаяся с оригинальными экспериментальными данными, полученными для широкого набора керамических материалов. Модель позволила оценить толщины межзеренных границ и позволяет получить информацию о свойствах материала, образующего границы.

**

Показано, что в сверхпроводниках второго рода возможно распространение поверхностных акустических волн с единственной сдвиговой компонентой смещения (типа волн Гуляева-Блюштейна), обусловленное взаимодействием волны с вихрями магнитного потока через потенциал пиннинга. Частотный диапазон существования сдвиговых ПАВ и глубина проникновения определяются величинами объемного и поверхностного пиннинга, магнитного поля и вязкости вихрей. Глубина проникновения рассматриваемой волны значительно превосходит глубину проникновения поверхностной релеевской волны.

**

Предложен, теоретически и экспериментально изучен новый метод управляемого высокоэффективного демультиплексирования (разделения) мощного лазерного излучения в несколько независимых каналов. Метод основан на обнаруженной особенности брэгговской акустооптической дифракции - расщеплении брэгговского порядка в несколько лучей на поличастотной, фазово-оптимизированной акустической волне. Эффект направлен на применение в многоканальных лазерных системах связи и обработки материалов.

**

Экспериментально обнаружено, что акустическое излучение, испускаемое пьезопреобразователями приемников акустического излучения, имеет диаграмму направленности, отличающуюся от приемной. Явлению дано объяснение на основе учета того, что области на поверхности преобразователей, имеющие повышенные потери при приеме сигналов, на основании флуктуационно-диссипационной теоремы обладают повышенной излучательной способностью. Таким образом, области поверхности пьезопреобразователей, где происходит эффективный прием сигналов, и испускание собственного излучения не совпадают, следовательно, их диаграммы направленности (являющиеся Фурье - преобразованиями от пространственных распределений) различны.

**

Предложен и экспериментально опробован новый способ управления температурным коэффициентом задержки (TCD) акустических волн в пьезоэлектрических пластинах. Он основан на использовании контакта с жидкостью, которая подбирается с учетом зависимости ее диэлектрической проницаемости от температуры. Тип используемой жидкости зависит также от типа волны, материала и толщины пьезоэлектрической пластины. На примере SH0 волны в пластине Y-X ниобата лития, контактирующей с бутилацетатом, продемонстрирована возможность снижения ТСД на порядок при сохранении значения коэффициента электромеханической связи К2=30% (Саратовский филиал).

**

Для более адекватного описания взаимодействия акустического излучения с движущимися доменными границами в активных кристаллах (сегнетоэлектрики, ферриты) рассмотрено отражение ими ограниченных пучков (цугов) волн с заданным спектром пространственных гармоник. Показано, что за счет монохроматических компонент, соответствующих тупым углам рефракции, возможны изменения апертуры отраженного пучка: уширение в режиме прямого прохождения и сжатие в режиме двойного прохождения (Ульяновский филиал).

**

Впервые экспериментально подтверждена пространственно временная когерентность акустических эхо сигналов с длиной волны 30 см. при гидролокации морского дна. Когерентная обработка последовательной серии рассеянных дном ЛЧМ импульсов позволила реализовать доплеровское сужение диаграммы направленности вдоль линии движения, повысить детальность и информативность акустических изображений дна. Практически реализован не фокусированный синтез апертуры гидроакустической антенны. С использованием гидролокационных комплексов с ЛЧМ зондирующими сигналами и когерентной обработкой эхосигналов, разработанных в ФИРЭ РАН, проведено гидрографическое обследование дна Татарского пролива под прокладку оптоволоконного кабеля с материка на остров Сахалин (Фрязинский филиал).

**

Разработан принципиально новый метод высокоточных линейных и угловых измерений, основанный на использовании бегущей акустической волны СБММ диапазона в качестве измерительной шкалы. В порядке реализации этого метода разработан, смонтирован и испытан макет акустического линейного датчика, обеспечивающего абсолютную точность порядка 10 мкм на дистанциях до 1 м. Основу волноводной системы датчика составляет волокно плавленого кварца, обладающее высокой пространственной однородностью и температурной стабильностью (Фрязинский филиал).

Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова, кафедра акустики

Разработан метод корреляционной обработки экспериментальной информации, обеспечивающий несмещенность оценок и приспособленный к обработке информации большого объема в задачах активно-пассивного термоакустического томографирования с использованием многоэлементных антенных решеток. Выполнено численное моделирование в узкополосном и широкополосном вариантах. Оценены потенциальные возможности метода (температурная чувствительность, разрешающая способность) в зависимости от уровня сложности системы. Показано, что повышение чувствительности возможно путем снижения требований на разрешающую способность восстанавливаемого изображения.

**

Разработаны акустические решения и выполнено научное сопровождение при реконструкции и вводе в строй в 2005 году двух концертных залов (Органный зал в Набережных Челнах и Концертный зал Детской Школы Искусств имени Е.А.Мравинского в Санкт-Петербурге), а также при реставрации Концертного зала Академической Капеллы Санкт-Петербурга (2003-2005). (Совместно с МНИИП "Моспроект-4").

**

Проведены комплексные акустические измерения в основных классических залах Санкт-Петербурга - в Большом и Малом залах Филармонии, в Консерватории, в Академической Капелле, в Мальтийской Капелле (где только что установлен орган), в двух Школах искусств. Эти измерения дали картину акустики в основных залах Петербурга на сегодняшний день. (Совместно с МНИИП "Моспроект-4").

**

На основе результатов Международного океанологического эксперимента WOCE (World Ocean Circulation Experiment) и численного моделирования даны оценки влияния бентического (придонного) фронта, разделяющего Антарктическую донную воду и глубинную воду в Мировом океане, на распространение звуковых волн (для лучевой и модовой моделей). Работа велась в рамках Федеральной целевой программы "Мировой океан".

Санкт-Петербургский государственный университет, Лаборатория квантовой акустики и ультразвуковой спектроскопии

Получен важный результат в области физической акустики твердого тела: разработан системный подход к проведению акустических исследований фазовых переходов в наноструктурированных композиционных структурах. На этом пути получены существенные новые данные по размерным эффектам в процессах плавления и кристаллизации металлов в ограниченной геометрии.

Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций
им. проф. М.А.Бонч-Бруевича

Закончена разработка алгоритма и на его основе программного обеспечения для объективной оценки качества кодеков с компрессией цифровых аудиоданных. Метод оценки соответствует международным требованиям и рекомендациям.

Комитет ТК 358 "Акустика" Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии

Завершена разработка стандартов:
ГОСТ (МС ИСО 15667:2000) "Шум. Руководство по снижению шума кожухами и кабинами".
ГОСТ (МС ИСО 11689:1996) "Методы сравнения данных о шуме машин и оборудования" (Совместно с научными организациями России).