Научный совет РАН по акустике

Достижения 2010 года российских ученых в области акустики:
научные и образовательные организации,
ведущие промышленные предприятия

(по материалам, представленным руководителями организаций, кафедр,
а также по материалам, представленным членами Совета
).
Научный центр волновых исследований
Института общей физики им. А.М.Прохорова РАН

Взрывная неустойчивость ультразвука в магнетиках.

Теоретически предсказано и экспериментально продемонстрировано явление взрывной неустойчивости ультразвуковых волн в твердом теле. Неустойчивость реализуется в процессах генерации трехфононных параметрически связанных возбуждений в магнитоупорядоченных средах. Эксперименты выполнены на монокристаллах a-Fe2O3 при комнатных температурах и FeBO3 в широком интервале температур (77К-273К). Взрывная запороговая динамика трехфононных возбуждений наблюдалась в условиях электромагнитной накачки с квазисингулярной фазовой модуляцией, обеспечивающей подавление фазового механизма нелинейного ограничения амплитуды генерируемых волн. Теоретически показано, что в режиме бегущих волн взрывное развитие запороговых трехфононных возбуждений сопровождается их пространственной локализацией.

Физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова
Кафедра акустики

Мощный фокусированный ультразвук (HIFU) в неинвазивной хирургии:
основные направления исследований и последние достижения

В последнее десятилетие использование мощного фокусированного ультразвука в медицине для локального воздействия на глубоко расположенные ткани организма становится все более распространенной в клинической практике технологией. Фокусированный ультразвук высокой интенсивности (High Intensity Focused Ultrasound (HIFU)) находит широкое применение в мировой практике неинвазивной ультразвуковой хирургии. Сотрудниками кафедры акустики физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова в сотрудничестве с различными исследовательскими центрами по медицинскому ультразвуку в России и за рубежом впервые разработаны методы метрологии нелинейных полей HIFU излучателей; методы определения параметров нелинейного поля в биологической ткани по данным измерений либо моделирования в воде. Разработаны протоколы HIFU с использованием двумерных фазированных ультразвуковых решеток, обеспечивающих оптимальное терапевтическое воздействие звука на внутренние органы человека при минимальном эффекте экранировки ребрами грудной клетки. Разработанные методы и протоколы переданы в Международную электротехническую комиссию для утверждения в качестве международных стандартов.

Институт прикладной физики РАН

Экспериментальное исследование эффективности когерентных методов сейсмоакустического зондирования морского дна

По результатам натурных экспериментов, выполненных на акватории Каспийского моря, показана возможность эффективного использования когерентных методов сейсмоакустического зондирования морского дна на глубинах до ~1000 метров с использованием относительно маломощных (~100 Вт) и высокочастотных (диапазон сотен Гц) источников. Повышение помехоустойчивости и разрешающей способности зондирования достигнуто в результате излучения последовательности импульсных ЛЧМ сигналов и их когерентной обработки, которая включала согласованную фильтрацию отдельных импульсов и адаптивное траекторное накопление протяженной серии импульсов с учетом наклонов отдельных отражающих слоев донной структуры. Развиваемый подход представляет собой альтернативу используемым в настоящее время технологиям зондирования морского дна, основанным на использовании мощных импульсных источников ударного типа (пневмопушки, спаркеры), которые оказывают значительное воздействие на экосистему акватории.

Институт радиотехники и радиоэлектроники им. В.А.Котельникова РАН

Впервые установлен ряд закономерностей, присущих акустическим брэгговским структурам и СВЧ резонаторам на их основе. Показано, что собственные частоты резонаторов зависят не только от толщины слоев резонатора и скоростей звука в этих слоях (расчетная частота), но также от того положения, которая эта частота занимает в запрещенной частотной зоне брэгговской структуры. При этом могут возникать дополнительные квазигармонические моды, частоты которых близки к нечетным гармоникам расчетной частоты и нелинейно от нее зависят.

Разработка широкополосных гидроакустических технологий и аппаратуры для гидрологических и океанологических исследований

Проведен анализ научно-технической литературы и других материалов, относящихся к разрабатываемой теме. Приведены литературные данные экспериментальных исследований по поглощению акустических волн в море и особенностям их распространения в различных гидрологических условиях. На основе приведенных данных сформулированы требования к аппаратуре гидроакустической связи для обеспечения надежной передачи информации в различных гидрологических условиях. Показано, что гидроакустический канал нестационарен по своей природе, его передаточная характеристика подвержена изменениям во времени и зависит от множества факторов, как естественного происхождения, так и техногенного характера. Анализ особенностей распространения акустических волн в морской воде при передаче информации показывает, что: для увеличения дальности связи необходимо уменьшать среднюю частоту сигнала; относительно широкополосный сигнал претерпевает значительные частотные искажения при прохождении через морскую среду; широкополосный акустический сигнал при отражении от границ моря существенно теряет свою интенсивность и подвергается частотным искажениям; акустическая волна в приповерхностном подводном звуковом канале распространяется по цилиндрическому закону на десятки километров по нескольким лучам, причем интенсивность и начальная фаза волны в этих лучах довольно быстро изменяются (интервал корреляции этих процессов измеряется десятками миллисекунд), а частота может иметь доплеровское смещение, даже при неподвижном приемнике и передатчике. Временная задержка в приходе волны по различным лучам также не постоянна, но незначительна (не более нескольких миллисекунд), поэтому они интерферируют между собой, что приводит к нестационарным во времени, селективным частотным искажениям широкополосных сигналов; акустическая волна в условиях отрицательного градиента скорости звука распространяется на очень малые расстояния, не более нескольких километров, как правило, по одному лучу, причем ее интенсивность и начальная фаза стабильны; акустическая волна в зоне конвергенции и в подводном звуковом канале распространяется по цилиндрическому закону на сотни километров по нескольким лучам, причем интенсивность и начальная фаза волны в этих лучах довольно стабильны (интервал корреляции этих процессов превышает несколько секунд). Временная задержка в приходе волны по различным лучам также изменяется довольно медленно, но может достигать сотен миллисекунд. Показано, что интерференция лучей между собой приводит к стабильным селективным частотным искажениям широкополосных сигналов; для повышения надежности передачи информации на малых дистанциях, когда потери поглощения и рассеяния еще невелики, необходимо повышать среднюю частоту сигналов; при разработке аппаратуры гидроакустической связи необходимо предусматривать меры для борьбы с мощными как импульсными, так и тональными помехами. При разработке аппаратуры гидроакустической связи необходимо учитывать, что мультипликативные помехи естественного и техногенного происхождения ограничивают интервал когерентности сигналов, принимаемых аппаратурой; ошибка вычислений доплеровского смещения частоты по приближенной формуле, в некоторых случаях, может оказаться существенной; при взаимном движении приемника и передатчика акустических сигналов, происходит существенное изменение не только несущего колебания, но и длительности сигналов на приемной стороне.

**

Развит прецизионный акустооптический (АО) метод измерения углового спектра монохроматического излучения, основанный на использовании свойств высокоселективной брэгговской дифракции в оптически анизотропной среде. На базе кристалла парателлурита (TeO2) получено 1400 разрешимых угловых положений при быстродействии 80 мкс, что превосходит параметры альтернативных методов (механические сканеры, видеокамеры и т.п.). В отличие от этих методов АО метод позволяет анализировать излучение предельно высокой интенсивности (до 100 кВт/см2).

**

Предложена и обоснована новая архитектура построения спектрально эффективного синтезатора многочастотных импульсных радиосигналов с программируемым спектром дискретных частот, основанная на исполь-зовании дисперсионных линий задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Оценки показывают, что в дециметровом диапазоне длин волн спектральная эффективность синтезаторов нового типа может быть существенно выше (до 8-ми раз), чем в чисто электронных синтезаторах сигналов, широко применяемых в системах с последовательной перестрой-кой радиочастоты. Такие синтезаторы, совместно с устройствами свёртки на ПАВ, могут быть использованы в широкополосных системах связи с ортогональным частотным мультиплексированием данных.

**

Изготовлен и испытан промерный эхолот диапазона 50 КГц, предназначенный для работ в глубоком море. В эхолоте использован зондирующий сигнал с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) и цифровая система корреляционной обработка эхо-сигналов. Показаны преимущества разработанного эхолота по сравнению традиционным эхолотом, использующим тональные зондирующие импульсы - выше помехозащищенность, больший энергетический потенциал.

**

Экспериментально исследовано влияние плотности материала наночастиц, внедряемых в матрицу полиэтилена высокого давления, на продольные модули упругости и коэффициенты вязкости получаемого нанокомпозитного материала. Показано, что с увеличением плотности материала наночастиц продольные модули упругости нанокомпозитных материалов уменьшаются, а их эффективные коэффициенты вязкости, характеризующие суммарные потери, практически не изменяются. Таким образом, показана возможность целенаправленного изменения акустического импеданса создаваемых нанокомпозитных материалов путем использования наночастиц из материалов с различной плотностью.

**

Разработан новый способ подавления паразитных колебаний в пьезоэлектрическом резонаторе с поперечным электрическим полем путем покрытия части электродов демпфирующим слоем. Экспериментально показано, что этот способ позволяет менять добротность резонатора от 500 до 8000. Возможности способа продемонстрированы на примере продольной акустической волны, распространяющейся в пластине ниобата лития X-среза.

**

Впервые экспериментально показано, что скорость акустической волны с поперечной электрической поляризацией увеличивается благодаря пьезоэффекту, причем относительное увеличение квадрата скорости равно произведению коэффициента электромеханической связи и показателя, связанного с апертурой волны. Для апертуры волны порядка 1-2 длин волн этот показатель лежит в пределах 0.24-0.27.

**

Рассмотрены дисперсионные спектры мод щелевых электрозвуковых волн в структуре с зазором относительно движущихся пьезоэлектрических кристаллов гексагональной и тетрагональной симметрии. На примере антисимметричной моды показано, что при дозвуковых скоростях относительного продольного перемещения кристаллов имеет место невзаимность распространения щелевой электрозвуковой волны с заметной дисперсией и параметрическим преобразованием спектра перемещением кристаллов на длинах волн порядка толщины зазора.

Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе РАН

Ультразвуковое расщепление дырочных уровней
в квантовой яме InGaAsP/InP - лазерных гетероструктур

Перестраиваемые источники ИК излучения являются важным элементом лазерной спектроскопии сверхвысокого разрешения и оптических систем связи. При этом системы контроля быстропротекающих процессов так же, как и оптические системы связи нуждаются в разработке методов быстрой перестройки, частоты, поляризации и направления излучения. Впервые были выполнены исследования воздействия ультразвуковой деформации на спектральные характеристики генерируемого излучения InGaAsP/InP гетеролазеров.

Результат. Показана возможность управления быстрой и непрерывной периодической перестройкой частоты гетеролазеров в диапазоне 60 GHz за половину периода звука с сохранением неизменной интенсивности излучения благодаря синфазности акустоэлектронного и акустооптического взаимодействий. Возможно, также, управление направлением генерируемого излучения. Получены первые результаты исследования деформационного воздействия ультразвуковых волн на тонкий спектр квантовых состояний носителей заряда в активной зоне лазерной гетероструктуры.

Поляризационный анализ показал:

  1. В исследованных InGaAsP/InP лазерных структурах наблюдается единственная равновесная мода излучения.
  2. Введение ультразвуковой деформации приводит к модуляции интенсивности излучения с периодичностью звуковой волны.
  3. Поляризационные характеристики обнаруженных "структурных" компонент обусловлены видом волновых функций тяжелых и легких дырок в присутствии технологически обусловленных напряжений в квантовых ямах активного слоя.
  4. Появление противофазной компоненты свидетельствует о регистрации излучения, возникающего вследствие модуляции расщепления дырочных уровней ультразвуковой деформацией.
Институт Физики Земли им. О.Ю.Шмидта

Разработана и успешно применена методика шумовой томографии на нефтегазовых месторождениях в Татарии, Западной Сибири и др., диапазон частот 0,1-200 Гц.

**

Выявлено возбуждающее влияние массовых бомбардировок (Югославия, Афганистан, Ирак и др.) на сейсмичность и интенсивность микросейсм 1-20 Гц и геодинамических движений земной коры в течение 2-4 месяцев после окончания бомбежек.

**

Разработан метод изучения строения верхней части земной коры по вертикальной компоненое микросейсмический волн Релея 0,05-5 Гц. Метод прошел опытно-методическую проверку в ряде районов Сибири, в Татарии, на Северном Кавказе и на Европейской равнине для поисков нефтегазовых месторождений и месторождений твердый ископаемых.

Центральный аэрогидродинамический институт и Акустический институт

Подавление шума и вибраций в гофрированных волноводах

Для доставки добываемого природного газа от подводных скважин к плавучим газодобывающим платформам и от плавучих газодобывающих платформ к береговым сооружениям газового хозяйства (газохранилищам или газоперекачивающим станциям) необходимы гибкие газопроводы (шланги), гибкость которых, как правило, обеспечивается выполнением газопровода из труб гофрированного профиля (гофрированные газопроводы).

Для гофрированных газопроводов (например, Штокмановское месторождение) остро стоит проблема так называемой "поющей гофрированной трубы", вызванная тем, что поток газа (в частности, воздуха) в трубе при достижении им скорости 1,5-2,0 м/с генерирует в гофрированном газопроводе высокий уровень шума и вибрации, снижающий надежность газопровода. Проблема стоит настолько остро, что на существующих плавучих газодобывающих станциях (например, в Норвегии) ее приходится решать путем существенного уменьшения скорости прокачки газа, что приводит к снижению производительности газодобывающих станций и к огромным экономическим потерям при транспортировке газа.

ЦАГИ и АКИН предложили решение этой проблемы, основанное на глубоком понимании процесса генерации тонального звука в гофрированных газопроводах и построении физической модели явления. Так, акустические процессы, сопровождающие прохождение потока газовой (в т.ч. воздушной) среды в гофрированной трубе характеризуются функцией D(f,L,U), отражающей зависимость суммарных энергетических потерь D на частоте f от шага L гофрировки и скорости U потока среды. Положительные значения D соответствуют затуханию акустических колебаний в гофрированной трубе, а отрицательные - их генерации. Используя оригинальную методику измерений, позволяющую исследовать процесс на линейной стадии до возникновения автоколебаний, удалось построить функцию D, вид которой показал, каким образом следует конструировать гофрированные каналы, избегая возникновения опасных автоколебаний. Полученное решение нашло подтверждение в экспериментах на моделях при продувании воздуха в каналах, диаметром до 10 см. Технический результат, достигаемый при использовании решения, - подавление шума и вибрации, возникающих в гофрированных частях газопровода, без потери производительности газопровода, вызванной снижением скорости транспортировки.

ОАО "Авиадвигатель"

Создание открытого стенда для акустических испытаний натурных двигателей

Проведена доработка и аттестация открытого стенда (ОС-5, г.Пермь) испытаний полноразмерных авиационных двигателей для акустических испытаний с вводом в эксплуатацию противотурбулентного входного устройства (ПВУ).

ПВУ поставки канадской фирмы MDS представляет сферический купол диаметром 6,9 м, состоящий из пяти- и шестигранных плоских ячеистых элементов через которые проходит воздух сквозь перфорированную оболочку и решётку сотовой конструкции. В результате поток воздуха выпрямляется и равномерно распределяется давление внутри поверхности купола - на входе в двигатель. Использование ПВУ имитирует акустические характеристики авиационных двигателей в полете - исключает влияние приземной турбулентности на основной источник шума - вентилятор, что позволяет проводить эквивалентную акустическую сертификацию самолетов по результатам стендовых испытаний двигателей, в соответствии, с "Техническим руководством ИКАО" (документ 9501). Расчет шума самолетов по результатам акустических испытаний двигателя на открытом стенде показал, что применение ПВУ позволяет довести расхождение результатов расчета и летных испытаний практически до нуля по крайней мере в двух из трех контрольных точек.

Комиссии специалистов ЦС "Качество", СЦ "Прочность", АСЦ ГосНИИ ГА, ЛИИ-ЦС провели аттестацию двигательного стенда, ПВУ, сертификацию программно-технического комплекса стенда, а Авиационный Регистр Международного Авиационного Комитета (АР МАК) признал стенд ОС-5 соответствующим предъявляемым требованиям для возможности проведения эквивалентной сертификации воздушных судов.