Исследование допробойных оптико-акустических эффектов в экспериментах с аэрозольными средами (стр. 2 из 5)

На рис. 3 показан результат восстановления термооптических сигналов с использованием ПЭС «Атмосферная оптоакустика», генерируемых МЛП и регистрируемых удаленным на расстояние 30 м акустическим приемником, с учетом цилиндрической расходимости АВ и линейного поглощения звука. Условия проведения эксперимента аналогичны примеру, представленному на рис. 2.2, за исключением удаленности приемного микрофона от МЛП. Е _л- плотность лазерной энергии в области МЛП, эффективной для приемного микрофона. Также как и на рис. 2.2 тонкая кольцеобразная структура МЛП заметна на временных развертках. При увеличении плотности энергии МЛИ в частотном спектре основной максимум, соответствующий поперечному размеру пучка не изменяется, а зависимость акустического давления от плотности энергии Pоказывается практически линейной. Второй максимум соответствует размерам более тонкой внутренней кольцеобразной структуры пучка, а зависимость его амплитуды от плотности энергии имеет явно нелинейный характер. При минимальной плотности энергии этот максимум практически не заметен, т. е. тонкая внутренняя структура пучка практически отсутствует.

По результатам экспериментов, выполненных путем регистрации термооптических ОА-сигналов, генерируемых при распространении МЛИ в допороговом режиме в свободной атмосфере, получена линейная зависимость P- рис. 2.4. Разброс точек на графике обусловлен, во-первых, широким диапазоном вариаций метеосостояний АПС, во-вторых, с неоднородностью распределения энергии лазерного излучения по МЛП и, в-третьих, флуктуациями аэрозольной составляющей атмосферы.

Исследования были выполнены в условиях летней дымки устойчивой, когда аэрозольный коэффициент ослабления лазерного излучения СС₀р _апрактически был сравним или несколько меньше газового коэффициента поглощения а_ор _г, который в свою очередь имел значения в пределах:

ОС_орг= 0,21 0,23 км^-1.

^Ел,еы_Х^,3-Ел,в_Х^-Ел,вых^.T= ²⁸³+ ^292g= ⁸⁰+ ⁹⁶%

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.

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.

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.