150365 (732700), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

X

Рис. 4. Зависимость максимального звукового давления в термооптическом сигнале от энергии лазерного излучения: 1 - на выходе фокусирующей системы МЛИ Елвх, 2 - в конце трассы распространения МЛИ

Второй из перечисленных факторов, легко учитывается при цифровой обработке данных, путем определения интегральных значений и дисперсии в пределах каждого импульса термооптического сигнала, что выполнено в с использованием ПЭС «Атмосферная оптоакустика». Разброс значений в зависимости P с учетом фактора неоднородности существенно уменьшается.

Подстановка исходных данных проведенных экспериментальных исследований в формулу показывает, что экспериментально регистрируемые и расчетные значения акустических давлений хорошо согласуются между собой: отличие составляет не более 30% в сторону увеличения для расчетных значений.

Таким образом, представленные зависимости по термооптической генерации АВ в атмосфере близки к линейным и позволяют напрямую для известного коэффициента поглощения МЛИ в атмосфере определять энергетические параметры МЛИ, подтверждая тем самым теоретически установленную другими авторами зависимость.

Уровень акустического сигнала, генерируемого пучком импульсного МЛИ, как показывают результаты экспериментальных исследований и отмечено в, достаточен для его уверенной регистрации на расстояниях в несколько километров при использовании направленного акустического приема: узконаправленный микрофон, параболическая антенна со звукозащитной блендой. Такой результат имеет практическую значимость как для задач дистанционной диагностики распространения МЛИ в атмосфере, так и для целей зондирования некоторых метеорологических параметров АПС ОА-способом.

При регистрации ОА-сигналов приемником, расположенным вблизи подстилающей поверхности, возникают отраженные АВ, которые при решении практических задач атмосферной акустики представляют серьезную помеху. В качестве примера на рис. 5 показана временная запись термооптического сигнала вместе с сигналом, отраженным подстилающей поверхностью.

Для обработки данного результата использована ПЭС «Атмосферная оптоакустика», с помощью которой численно скомпенсирована цилиндрическая расходимость АВ и линейное поглощение АВ в воздухе. Подстилающая поверхность в экспериментах представляла собой поросший травой ровный участок заболоченной местности. Временная задержка отраженного сигнала относительно прямого, обусловленная величиной Ar = Г2 — Г1, составила согласно рис. 2.5 - 21,25 мс.

X

Рис. 5. Термооптический сигнал (1) и его отклик, отраженный ппооверхностью подстилающей

Форма отраженного сигнала, как показано на рис. 2.5, отличается от формы прямого, поскольку коэффициент отражения подстилающей поверхностью частотно избирателен. Чтобы максимально скомпенсировать помеху отражения при цифровой обработке данных требуется дополнительная информация об акустическом импедансе подстилающей поверхности.

Регистрация ОА-сигналов при экспериментальном исследовании распространения МЛИ в условиях дождя показала следующее. Какой-либо явной зависимости генерируемого отдельными каплями дождя пикового звукового давления от энергии лазерного излучения не наблюдается, что следует из рис. 6.

X

Рис. 6. Эмпирическая зависимость акустического давления, генерируемого отдельными каплями дождя, в зависимости от лазерной энергии

Измеренная длительность акустических импульсов, генерируемых каплями дождя, составила менее 50 мкс, что меньше минимального временного разрешения регистрирующего акустического оборудования. Причем эти импульсы практически однополярны: амплитуда фазы сжатия P+ в акустическом импульсе значительно меньше амплитуды фазы разрежения P_-. Это объясняется тем, то величина Т+ < Т_- и акустические приемники регистрирует фазу сжатия с большей достоверностью.

Регистрация акустических импульсов, генерируемых отдельными каплями, в атмосферных исследованиях практически невозможна с расстояний порядка 10-15 м, поскольку акустический шум сопровождающий дождь и импульсные помехи от падающих на акустический датчик капель маскируют полезный сигнал.

На рис. 7 показан пример спектральной обработки акустических сигналов, регистрируемых в условиях слабого дождя при воздействии МЛИ: 1 - 3 - импульсы МЛИ.

Рис 7. Частотный спектр акустических сигналов, регистрируемых во время дождя в отсутствие оптического пробоя. 1 + 3 - импульсы МЛИ. d ~ 1+10 м

Сплошной кривой показан частотный спектр усредненного уровня внешнего акустического шума, регистрируемый в промежутках между импульсами МЛИ. Судя по представленным зависимостям, максимум в спектрах находится на низких частотах, что объясняется однополярностью, генерируемых каплями дождя импульсов.

В качестве примера на рис. 4.12 представлен спектр мощности акустического сигнала, генерируемого в канале МЛИ каплями дождя и отдельными ОП. Как показывает рисунок, в спектре появляется максимум, соответствующий частотному спектру от совокупности ОП, максимум которого зависит от наиболее вероятного размера ОП.

При интерпретации частотных спектров ОА сигналов, регистрируемых в атмосфере, необходимо учитывать частотный сдвиг, который объясняется поглощением АВ. Для трасс протяженностью 150 м частотный сдвиг в область низких частот для приведенных выше эмпирических данных может достигать 1кГц.

Рис 8. Частотный спектр акустических сигналов, регистрируемых во время дождя при наличии оптического пробоя. 1 + 3 - импульсы МЛИ. d ~ 1 + 10 м

После проведения представленных в настоящем параграфе натурных экспериментов стала очевидной необходимость выполнения микрофизических исследований генерации акустического отклика в процессе взаимодействия МЛИ с частицами модельных жидкокапельных аэрозолей в лабораторных условиях.

2. Лазерная допробойная оптоакустика модельных аэрозольных сред

Обсуждению количественных данных об изменении основных характеристик регистрируемого акустического отклика, генерируемого при испарительном и взрывном взаимодействии лазерного излучения с малым объемом поглощающего вещества, и установлению причины этих изменений посвящен настоящий параграф.

Исследование взрыва аэрозольных частиц в поле МЛИ требует определения набора характерных параметров процесса, наиболее полно характеризующих исследуемый эффект взрывного вскипания, причем таких, по которым, учитывая специфику задачи, можно проводить сравнение и корректировку теоретических моделей с экспериментальными данными. Необходимо также смоделировать такие условия эксперимента, которые обеспечивают однозначную, интерпретацию полученных результатов, т. е. позволяют трактовать измеренные локальные оптические характеристики всего аэрозольного объема на основе модельных представлений о взрыве одной жидкокапельной частицы.

2.1 Особенности методологии лабораторных экспериментов

В целях выполнения условия однозначности интерпретации получаемых результатов для постановки лабораторных исследований предпринято следующее.

ОА-схема экспериментальной установки лабораторных измерений не отличается от обобщенной схемы рис. 2.1, но имеются особенности в составе оборудования.

В качестве воздействующего излучения использовалось излучение импульсного ТЕА СО₂-лазера с X = 10,6 мкм, которое через фокусирующую линзу с фокусным расстоянием 0,12 м или 0,6 м направлялось в область взаимодействия, где площадь поперечного сечения пучка составляла 4 ■ 16 мм. Форма импульса излучения является типичной для СО2-лазеров атмосферного давления. Энергия излучения воздействующего импульса составляла Е_лп = 3 5 Дж, а общая длительность Т_л = 3-10^-6 с. Длительность переднего фронта 3-10^- с при максимальной интенсивности ~ 10 Вт/см. Энергия излучения измерялась калориметром ИМО-2. Варьирование плотности энергии в области взаимодействия МЛИ с модельными средами осуществлялось при помощи лавсановых и тефлоновых ослабителей.

Эволюция прозрачности аэрозольного слоя в условиях взрыва частиц находилась из сравнения формы опорного и прошедшего зондирующих лазерных импульсов, которое соосно с воздействующим направлялось через объем взаимодействия. Временное разрешение зондирующих каналов составляло 2-10" с. Условие однородности распределения плотности энергии Е_л обеспечивалось за счет того, что зондирующий пучок диаметром, меньшим диаметра пучка воздействующего СО2-лазера, вырезал область с однородным распределением энергии.

В качестве облучаемого объекта использовались следующие модельные среды.

Для регистрации акустического сигнала при работе с модельными средами типа 1, 3 использовался 3-дюймовый конденсаторный микрофон MK301/MV221 и прецизионный импульсный шумомер PSI-00023 фирмы Robotron. Линейный частотный диапазон акустического оборудования по давлению - 2 10⁵ Гц, максимальная амплитуда пиковых давлений — 172 дБ и

абсолютная погрешностью измерений — ±0,5 дБ.

служил пъезокерамический датчик типа ЦТС-19 с частотной полосой пропускания 2,5 МГц, который калибровался по абсолютному акустическому давлению с использованием стенда в составе: ^-дюймовый микрофон MK301/MV221, подключаемый к импульсному шумомеру PSI-00023; плазменный излучатель АВ.

X

Рис. 9. Геометрия эксперимента. М - микрофон, К - водный цилиндр, Л -лазерный пучок, область излучения АВ: при испарении - И, при взрыве — В.

Аэрозоль полидисперсный или мелкокапельный монодисперсный. Аэрозольная среда моделировалась так, чтобы все жидкокапельные частицы удовлетворяли условию малости:

В акустической части оборудования не использовались какие-либо аналоговые фильтры для увеличения отношения сигнал-шум за счет подавления внешнего акустического шума лаборатории. Подобные фильтры значительно ухудшают переходные характеристики оборудования, что нежелательно при регистрации импульсных процессов. Поэтому нижний предел измерения акустических давлений был ограничен величиной ~60 - 65 дБ.

Для совмещения воздействующего лазерного пучка с облучаемым объектом в область взаимодействия вводился в качестве репера коллимированный пучок маломощного излучения He-Ne лазера. Прием оптического сигнала на длине волны зондирующего излучения 0,63 мкм выполнял также функцию дополнительного контроля за временными характеристиками исследуемых процессов. Регистрация акустического и оптического каналов осуществлялась запоминающими осциллографами.

При исследовании параметров акустического отклика в различных режимах теплового взаимодействия лазерного излучения с поглощающим веществом регистрировались следующие характеристики: амплитуды и длительности положительной и отрицательной фаз акустического импульса: P+, P_-, Т+, Т_-, соответственно; длительность переднего фронта положительной фазы Тф; временная задержка начала регистрации акустического сигнала Т_з, определяемая расстоянием от объема формирования импульса давления до микрофона d и скоростью звука в среде С₀.

В качестве контролируемого параметра была выбрана степень взрывного испарения аэрозольных частиц Х_вз = М_п / М_к, где М_п — масса пара, образовавшегося к моменту взрыва Т_вз в результате поверхностного и объемного парообразования; М_к — начальная масса капли. В свою очередь, Т_вз складывается из времени нагрева капли до температуры взрывного вскипания, времени генерации паровых зародышей в результате гомогенной нуклеации перегретой жидкости и времени их роста как макроскопических паровых пузырей. В эксперименте время взрыва фиксировалось по началу резкого изменения прозрачности аэрозольного слоя на длине волны зондирующего излучения. В диапазоне плотностей энергии, при которых реализуется взрывное вскипание частиц, регистрируемое уменьшение Т_вз связано, в первую очередь, с уменьшением времени разогрева частиц при увеличении скорости их нагрева излучением.

Характеристики

Список файлов реферата