Научный совет РАН по акустике

Достижения 2006 года российских научных
и образовательных организаций
в области акустики

Федеральное государственное научное учреждение "Научно-исследовательский радиофизический институт"

Разработан односкважинный акустический метод определения коэффициента фильтрации в продуктивном коллекторе добычной скважины в процессе подземного выщелачивания редких металлов. Метод основан на факте зависимости скорости реакции растворения от амплитуды наложенного акустического поля. В методе используются фокусирующие скважинные преобразователи, способные фокусировать акустическое поле в заданной зоне около скважинной области. В областях с максимальным акустическим полем скорость растворения полезного компонента увеличивается и повышается его концентрация в фильтрующемся растворе. Таким образом, в стационарном режиме фильтрации её скорость можно определить по временной отметке появления экстремума концентрации полезного компонента в откачиваемом растворе.

Институт прикладной физики РАН

Обнаружены и исследованы новые возможности повышения точности реконструкции структуры донной среды и вероятности обнаружения нефтезалежи в шельфовой зоне океана. Указанные возможности реализуются на основе данных о вертикальных угловых спектрах волн, регистрируемых при сейсмоакустическом зондировании донной структуры с использованием вертикальных фазированных излучающих и приемных гидроакустических антенн.

**

Экспериментально обнаружен и теоретически интерпретирован эффект модуляционной неустойчивости в акустическом резонаторе, в котором искусственный дефект, моделирующий трещину, обусловил появление диссипативной нелинейности, приводящей к индуцированной "прозрачности" с ростом амплитуды возбуждения. В отличие от хорошо известной в теории волн модуляционной неустойчивости, возникающей за счет комбинированного действия дисперсии и нечетной реактивной нелинейности среды, исследованный эффект обусловлен чисто диссипативным механизмом, который может проявляться и для волн другой природы. Выявлена аналогия модели эффекта с задачей о синхронизации автогенератора Ван дер Поля внешним гармоническим воздействием, но в исследованном эффекте потери в резонаторе остаются строго положительными. Проведенный анализ и численное моделирование позволили воспроизвести основные особенности эффекта.

**

Впервые в комплексе для измерения гидроакустического поля кораблей, использующем антенную решетку гидрофонов, реализован метод адаптации формы диаграммы направленности приемной системы к угловым и частотным характеристикам помехи, который одновременно обеспечивает метрологические требования к точности измерений и высокую помехозащищенность. Адаптация характеристик позволила измерять уровни акустического поля до 20 дБ ниже уровня помех. Комплекс прошел государственные испытания и принят в эксплуатацию.

**

Разработан и создан стенд для дистанционного поиска и локализации широкополосных источников виброактивности в сложных механоакустических конструкциях. В стенде впервые реализован алгоритм поиска источника на основе метода обращения волнового фронта для механоакустических систем с использованием конечно-элементных моделей исследуемых конструкций. Стенд является прототипом систем контроля состояния сложных систем типа энергетических установок и транспортных средств.

**

Впервые исследованы основные характеристики низкочастотной донной реверберации в мелком море, в том числе ее модовый состав и его изменение во времени при импульсном облучении среды. Предложена численная модель для модового описания донной реверберации, находящаяся в хорошем соответствии с экспериментальными данными. Полученные результаты могут служить основой для дистанционного моностатического определения параметров донных осадков.

**

Разработан метод, позволяющий существенно улучшить точность реконструкции климатических вариаций средней температуры океана по измерениям времен пробега звуковых импульсов. Использование новой приближенной формулы, выражающей вариации задержек принятых сигналов через усредненные по трассе неоднородности температурного поля, дало возможность кардинально уменьшить недоопределенность обратной задачи. Вместо восстановления большого числа (десятков или сотен) неизвестных коэффициентов, традиционно используемых для параметризации температурного поля, теперь можно ограничиться восстановлением гораздо меньшего числа неизвестных (обычно менее десяти), которые параметризуют распределение неоднородностей, сглаженное по дистанции.

**

Разработан мощный широкополосный гидроакустический источник монопольного типа на диапазон частот 250 - 450 Гц.

**

Создан первый в России цифровой гидрофон, который имеет сертификат (RU.E 36018.B №19209) и включен в государственный реестр средств измерений (№28067-04). Измерительный Цифровой Гидроакустический Приемник (ЦГП) может работать при непосредственном подключении к цифровым устройствам, например, к компьютеру через порт RS 485, и позволяет производить измерение акустических полей в диапазоне от 5 Гц до 10 кГц с динамическим диапазоном более 100 дБ.

**

Разработан метод и создан комплекс аппаратуры для наблюдения и определения параметров движущихся малоразмерных неоднородностей в условиях мелкого моря. Комплекс включает широкополосный акустический излучатель с усилителем и формирователем сигналов для диапазона частот 1-3 кГц, вертикальную и горизонтальную 64 канальные приемные антенны с системой регистрации и обработки данных, компьютерные программы, реализующие алгоритм обработки принятых антеннами сигналов, аппаратурное обеспечение для координатных и гидрологических измерений. На акватории Северо-западного нефтяного терминала (пролив Бьерке-Зунд, г. Приморск) с использованием созданной аппаратуры впервые в морских условиях выполнено уникальное комплексное исследование, позволившее с использованием политональных сигналов решить проблему обнаружения движущегося в мелководном канале рассеивателя, площадь сечения рассеяния которого порядка квадратного метра.

**

Разработан и экспериментально в натурных условиях реализован метод измерения частотно-углового распределения мощности дальнего гидроакустического поля малошумных объектов в мелком море. Для измерений специально разработана фокусируемая вертикальная многоэлементная приемная система с неэквидистантным распределением гидрофонов на апертуре. Преимуществами разработанного метода являются возможность измерения поля движущегося объекта при отношении сигнал/помеха << 1 и устранение интерференционных помех, связанных с волноводным распространением. Отработка метода проведена на морском полигоне в мелком море в полосе частот от 20 Гц до 5 кГц. Созданная методика измерений подготовлена к внедрению.

**

Разработаны методы определения траектории движущегося тонального источника с использованием антенных решеток, отличающиеся малой погрешностью измерений в реальных морских условиях при наличии помех. Методы прошли метрологическую аттестацию и реализованы в программном обеспечении действующих систем измерений гидроакустического поля.

Институт физики твердого тела РАН

Проведен расчет (с точностью до квадратичных членов по внешней нагрузке) влияния внешних напряжений на скорость распространения звуковых колебаний в твердом теле. Получены соотношения, связывающие изменения скоростей упругих волн в изотропном материале при его одноосном нагружении с упругими модулями третьего и четвертого порядков. Исследовано влияние одноосного упругого нагружения на скорости звуковых волн в объемном металлическом стекле Zr52.5Ti5Cu17.9Ni14.6Al10. Впервые получены экспериментальные оценки величин модулей упругости четвертого порядка в объемном металлическом стекле.

Саратовский государственный университет (кафедра прикладной оптики и спектроскопии)

Создана акустическая спектрометрическая система, работающая в непрерывном режиме в килогерцевом диапазоне частот, позволяющая получать спектральные "портреты" исследуемых объектов. Разработаны методы анализа таких спектральных "портретов" и их программная реализация. Созданная система может быть применена в дефектоскопии для автоматической отбраковки однотипных изделий, а также для изучения особенностей строения изделий сложной формы.

**

Разработан растровый акустический микроскоп, работающий в импульсном режиме и имеющий сменные широкополосные акустические объективы с улучшенными характеристиками (подавлением боковых лепестков в диаграмме направленности), имеющие рабочие частоты в диапазоне от 10 МГц до 1 ГГц. Созданная система позволяет решать целый комплекс научно-технических задач, в частности: изучать строение внутренней структуры исследуемых объектов с пространственным разрешением до единиц микрометров; измерять физические характеристики материалов, такие как, скорость звука, акустическое затухание; строить объемные томографические изображения внутренней структуры исследуемых объектов и рельефа их поверхности; выполнять метрологические тестирования (например, измерять полный набор по ГОСТ параметров резьбы) и др.

**

Построена лабораторная модель дистанционного анализатора акустических спектров с оптическим съемом информации. Система позволяет также определять амплитуду акустических колебаний удаленного объекта в единицах длин волн зондирующего оптического пучка, а также направление механического смещения колеблющегося объекта.

Институт биохимической физики РАН

Разработан и реализован на макете диагностической установки метод акустической микроскопии с применением частотно-модулированных (ЛЧМ) импульсов фокусированного ультразвука (до 200 МГц). Проанализированы принципы формирования выходного сигнала для ультразвуковой ЛЧМ зондирующей системы. Экспериментально показано, что использование нелинейных методов при обработке отраженных ЛЧМ сигналов позволяет регистрировать очень слабые эхо-сигналы на фоне достаточно интенсивных шумов. В результате, повышение чувствительности ультразвуковой системы за счет применения ЛЧМ техники существенно увеличивает область применения акустической микроскопии в биологических исследованиях и нанотехнологиях, в том числе и за счет возможности существенного увеличения частоты (до 5 ГГц) и повышения разрешения зондирующих ультразвуковых систем (до 100 нм).

**

На основе импульсной акустической микроскопии в диапазоне частот 25-100 МГц разработаны методики визуализации и неразрушающего контроля высокого разрешения для выявления областей неполного контакта cо стохастическим распределением множественных субмикронных дефектов в зоне контакта для сварных и клеевых соединений. Техника включает как методы непосредственного наблюдения структуры в зоне межслоевого контакта, так и теневые и смешанные методики оценки дефектного состояния контакта. Предложенные методики обеспечивают прямое наблюдение дефектов (отслоений и трещин) с латеральными размерами от нескольких десятков микрон, в т.ч. закрытых дефектов. Техника применялась для оценки дефектности лопаток турбины авиадвигателя при создании новой методики изготовления лопаток с применением сверхпластического формования и сварки давлением (ОАО "Пермские Авиадвигатели"), а также для неразрушающего контроля деталей авиадвигателей (совместно с Центральным институтом авиационного моторостроения).

**

Методами импульсной акустической микроскопии впервые исследованы структура и упругие свойства отдельных нефролитов (почечных камней). Показано, что образцы камней представляют собой сложноорганизованную структуру из хорошо сросшихся зерен. Обнаружено, что камни достаточно плотно упакованы, что позволяет проникать фокусированному ультразвуку на всю глубину образцов - 2-4 мм. Получены серии акустических изображений, которые демонстрируют эволюцию сросшихся зерен. Измерена скорость ультразвуковых волн - 5,5 км/с. Проведенные исследования решают одну из актуальных задач в медицинской практике, в т.ч. урологии для эффективного применения литотрипсии для выведения камней из почек и мочевого пузыря, когда, в зависимости от механических характеристик новообразований, является необходимым рассчитывать параметры воздействующего излучения.

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

Впервые обнаружено явление генерации подводного шума внутренними волнами больших амплитуд в океане. Исследование подводного шума в присутствии интенсивных внутренних волн было проведено в проливе Лусон Южно-Китайского моря. Проходившие под судном внутренние волны достигали высот в несколько десятков метров и сопровождались сулоями в виде полос усиленного поверхностного волнения. При этом обрушение поверхностных волн (образование "барашков") в пределах сулойных полос вызывало значительное увеличение уровня подводного шума во время прохода переднего склона внутренней волны. (Совместно с тайваньскими учеными).

**

Впервые выполнены экспериментальные исследования дисперсии сигнала параметрической антенны в мелком море. Показана возможность фокусировки во времени широкополосного акустического сигнала, распространяющегося в мелководном морском волноводе. Сделаны оценки возможности использования этого явления для повышения эффективности акустического зондирования океана на протяженных трассах (совместно с кафедрой электрогидроакустики и медицинской техники Таганрогского радиотехнического университета).

**

Развит оригинальный метод томографии течений в океане с помощью многочастотных акустических сигналов. Метод позволяет определить пространственную структуру течений с помощью одной акустической трассы (вместо известных томографических схем, построенных на использовании разветвленной в пространстве сети многих акустических трасс). В предложенном методе пространственная обработка сигналов заменяется анализом сигналов в частотной области (совместно с NOAA / Environmental technology Lab. / ZelTech / University of Colorado (США)).

**

Построена модель рассеяния звука на резко анизотропных (мелкомасштабных по глубине и крупномасштабных в горизонтальной плоскости) объемных фрактальных неоднородностях. Модель обобщена на случай неоднородностей с двумя фрактальными размерностями, что обеспечивает ее применимость для широкого диапазона частот и позволяет получить прогностические оценки характеристик неоднородностей. Предложен метод учета влияния неоднородностей на распространение звука в стратифицированном океане (подводном звуковом канале, включая зону тени). Путем сопоставления результатов натурных экспериментов и расчетов характеристик звуковых полей в зоне тени по волновой программе и методом сочетания лучевой акустики с волновым описанием актов рассеяния в окрестности каустик доказана адекватность обоих методов реальным процессам рассеяния и распространения звука в океане с тонкоструктурной стратификацией, а также возможность использования их для решения обратных задач акустической диагностики тонкоструктурных неоднородностей фрактального типа.

**

Разработан метод широкополосного активного гашения шумов, основанный на использовании резонансных рассеивателей и поглотителей звука с расширенной за счет управляемой электроакустической обратной связи резонансной полосой. Особенностью метода является относительная простота реализации: не требуется компьютерная обработка и управление сигналами, обратная связь может быть выполнена на аналоговых элементах, при использовании нескольких устройств каждое из них является автономным (необходимость в перекрестных связях отсутствует). Испытания действующих макетов устройств активного гашения звука в вентиляционных каналах подтвердили их высокую эффективность. Полученные результаты позволяют рекомендовать разработанный метод для широкого использования в разнообразных задачах борьбы с шумом и вибрациями.

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

По проблеме снижения вибраций и шума на судах разработан новый принцип компоновки средств вибро- и звукоизоляции, энергетической установки и вспомогательного оборудования. Одним из основных элементов компоновки является закрепленная на виброизоляторах опорная "рама-масса", имеющая большую массу и высокую первую собственную частоту. Механическое сопротивление этой "рамы-массы" значительно превосходит сопротивления присоединенных к ней элементов блока, включая энергетическое оборудование и звукоизолирующие щиты, закрывающие шумящее оборудование. В результате обеспечивается снижение уровней вибраций и воздушного шума, обусловленных работой оборудования, на величину до 10-15 дБ. Существенным прикладным результатом выполненных исследований является возможность существенно повысить комфортность проектируемых и строящихся судов.

Научный центр волновых исследований Института общей физики РАН

Получены новые результаты в области техники обращения волнового фронта (ОВФ). Экспериментально установлено, что наличие потоков в среде распространения, в отличие от статических неоднородностей, приводит к некомпенсируемому фазовому сдвигу обращенной ультразвуковой волны на источнике излучения. На этой основе разработаны новые принципы ультразвуковой диагностики потоков в неоднородных и нелинейных средах с применением техники ОВФ.

**

С помощью ОВФ одной из высших гармоник зондирующего ультразвукового пучка получено акустическое изображение объекта, замаскированного фазово-неоднородным слоем. Показано, что предложенный способ позволяет восстанавливать изображения исследуемых объектов в условиях сильных акустических аберраций, когда применение традиционных методов акустоскопии затруднено.

Московский государственный университет (физический факультет)

Получены результаты в области архитектурной акустики. Выполнен акустический проект капитальной реконструкции Большого зала Ростовской филармонии с целью установки в нем органа, включая подготовку технического задания на новый орган и виброизоляцию органа (совместно с МНИИП "Моспроект-4" и Ростовским университетом). Ведется научное сопровождение реставрации исторического органа Петербургской Капеллы.

**

Исследовано явление распространения и отражения объемных акустических волн в акустооптических кристаллах с большой упругой анизотропией. Обнаружено, что в современных материалах акустооптики, например, в парателлурите, каломели, бромиде и йодиде ртути, а также в других соединениях ртути и теллура, распространение и отражение упругих волн происходит весьма неожиданным образом. В исследованных материалах упругие волны могут распространяться с углами акустического сноса, превышающими 70 . Показано, что при наклонном падении волны на свободную поверхность границы раздела "кристалл-вакуум" энергетический поток отраженной волны может быть направлен навстречу потоку энергии падающей волны. Также доказано, что существует много возможностей реализации обратного отражения без задания специальных условий, причем энергетический коэффициент отражения волны, распространяющейся строго назад, может достигать 100 %. Оказалось, что эффект обратного отражения существует не только в акустооптических кристаллах, но и в других средах, обладающих сильной анизотропией упругих свойств. Использование необычного поведения упругих волн при отражении от границы раздела позволяет улучшить параметры уже существующих устройств, а также создать новые классы акустоэлектронных и акустооптических приборов.

Институт радиотехники и электроники РАН

Обнаружен эффект когерентного рассеяния эхо сигналов при вертикальном акустическом зондировании дна с высоким пространственным разрешением, при котором неслучайная начальная фаза эхо сигналов содержит информацию о скорости распространения акустической волны в донных отложениях. На основе этого эффекта разработан принципиально новый метод стратификации донных осадков по плотности, на основе вычисления изменений скорости звука в осадочных слоях по вариациям фазы эхо сигналов. Метод экспериментально опробован для классификации донных грунтов при акустическом профилировании в диапазоне 5 кГц (филиал "Фрязино").

**

Впервые аналитически решена задача о захвате энергии колебаний в составной резонаторной структуре, предназначенной для работы в СВЧ диапазоне. Структура содержит относительно толстую пластинку кубического кристалла с нанесенной на нее пьезоэлектрической пленкой с электродами и работает на высоких гармониках основной частоты слоя.

**

Получено точное согласие между результатами теории и данными экспериментов, проведенных в СВЧ диапазоне в резонаторах на основе иттрий-алюминиевого граната. Полученные формулы позволяют анализировать возможность получения высокой добротности составной резонаторной структуры на желаемой частоте, что важно при создании резонаторов для малощумящих СВЧ генераторов.

**

Исследованы особенности транспорта тепловых фононов в наноструктурной керамике на основе ZrO2:Y2О3, что позволило измерить толщину и акустический импеданс межзеренных границ, оценить вклад геометрического рассеяния на зернах керамики соразмерных с длиной волны тепловых фононов.

**

Для слоистой структуры "пленка AlN / "толстая" изотропная алмазная пленка / подложка из Si кристалла" с помощью компьютерного моделирования рассчитаны акустические скорости для мод поверхностных акустических волн (ПАВ) и псевдо-ПАВ. Для псевдо-ПАВ также определен коэффициент затухания, обусловленный "утечкой" энергии акустической волны от поверхности структуры в глубь подложки. Впервые найдено, что при увеличении толщины изотропной алмазной пленки для псевдо-ПАВ наблюдается периодические изменения скорости и затухания в зависимости от отношения толщины изотропной алмазной пленки к "длине акустической волны". Эти изменения объяснены возникновением резонансов в "толстой" изотропной алмазной пленке для неоднородной объемной сдвиговой акустической волны, которая является одной из составляющих псевдо-ПАВ.

**

Обнаружен эффект и определены условия возникновения шнуровидной коагуляции частиц в водно-гетерогенных системах различной природы: взвеси твердых металлических и диэлектрических частиц, коллоидные растворы, масляные эмульсии в конфокальном акустическом резонаторе в мегагерцовом диапазоне ультразвука. Установлено, что скорость шнуровидной коагуляции частиц нано- и микроразмеров может в десятки раз превышать естественную (гравитационную). Показана практическая значимость эффекта как нового технологического принципа очистки жидкостей и сепарации примесей (филиал "Фрязино").

**

Установлено, что при брэгговской дифракции монохроматического света на периодически модулированной по фазе (или частоте) звуковой волне пространственный спектр поля дифракции не содержит интермодуляционных искажений, не зависит от амплитуды звука и точно соответствует акустическому спектру в пределах полосы акустооптического (АО) взаимодействия. Данная закономерность позволяет обеспечивать эффективность многолучевой дифракции первого порядка вплоть до 100 %. Экспериментально подтверждена возможность многолучевой АО дифракции - до 11 лучей с эффективностью не менее 80 %. Результаты являются основой для разработки нового класса АО устройств для систем мультипликации каналов связи, модуляции и деления мощного лазерного луча в системах обработки высокопрочных материалов, проекционной развертки лазерного излучения и др. (филиал "Фрязино").

**

Впервые экспериментально подтверждено, что угол между фазовой скоростью и скоростью переноса энергии (PFA) SH0 волны в пьезоэлектрической пластине Y+220-X ниобата лития при электрическом закорачивании одной ее поверхности может менять свой знак и изменение величины этого угла достигает 150. Полученный результат может быть использован для создания акустических переключателей и сканеров (Саратовский филиал).

**

Впервые предложен и обоснован новый подход к определению потенциальной энергии акустических волн с точки зрения теоретической механики. Показано, что в отличие от классического подхода мгновенная плотность полной энергии для плоской акустической волны любого типа в любой точке среды всегда является интегралом движения (Саратовский филиал).

**

Впервые теоретические исследования показали возможность существования антисимметричных, симметричных и поперечно-горизонтальных обратных волн высших порядков в пьезоэлектрических пластинах из материалов, принадлежащих любым кристаллографическим классам. Показано также, что электрическое закорачивание поверхности пластины всегда приводит к увеличению скорости этих волн, в отличие от прямых акустических волн любого типа (Саратовский филиал).

**

Решена задача распространения чисто сдвиговых волн объёмного распространения и свойств фононного спектра сверхрешётки сегнетоэлектрических кристаллов типа BaTiO3, образованной равномерно движущимися 180-градусными доменными границами. Выведено дисперсное соотношение для сдвиговых волн объёмного распространения и установлено наличие зонной структуры мод. На основе сопоставления профилей сдвиговых смещений мод и распределения электрических потенциалов дана систематика дисперсионных ветвей. Описаны особенности анизотропии распространения сдвиговых волн в сверхрешётке, вносимые движением доменных границ. Практическая значимость результатов исследований акустических свойств сверхрешёток сегнетоэлектриков с движущимися доменными стенками заключается в возможности создания акустоэлектронных устройств с регулируемым частотным выходом (Ульяновский филиал).

**

Исследовано влияние относительного продольного движения пьезокристаллов на поведение электрозвуковых поверхностных волн в щелевой структуре типа пьезоэлектрик-зазор-пьезоэлектрик. Показано, что при дозвуковых скоростях относительного движения пьезоэлектрических кристаллов имеет место стационарное распространение симметричной моды щелевой электрозвуковой волны. При сверхзвуковых скоростях происходит потеря устойчивости и, в зависимости от направления относительного продольного перемещения кристаллов, имеет место усиление или ослабление антисимметричной моды. Продемонстрирована возможность полного торможения электрозвуковой волны за счёт встречного волне относительного продольного перемещения кристаллов с околозвуковой скоростью. Результаты исследований могут составить теоретическую базу для расчёта датчиков скорости, перемещения и акселерометров (Ульяновский филиал).