Исследование допробойных оптико-акустических эффектов в экспериментах с аэрозольными средами (стр. 4 из 5)

взрывного разрушения частиц эффективность генерации АВ заметно снижается. Установленный ОА- экспериментальными исследованиями энергетический порог ~2 Дж/см взрывного вскипания и разрушения водных капель аэрозоля хорошо согласуются с соответствующими оптическими исследованиями.

В экспериментах, проведенных с модельной средой типа 2, отмечалось, что при реализации поверхностного и взрывного испарения в ходе взаимодействия лазерного излучения с веществом модельной среды форма генерируемого акустического импульса изменяется. Для данного эксперимента длительность импульса воздействующего излучения значительно больше времени пробега звука через поперечник облучаемого объекта Т_л > 2 - а_л/ С), поэтому длительность генерируемого акустического импульса должна полностью определяться длительностью импульса воздействующего лазерного излучения. Однако в были обнаружены отклонения от этого правила. В частности, было установлено уменьшение времени задержки регистрации акустического импульса Т_зпри увеличении плотности воздействующей энергии Е_л, начиная с энергетического порога взрывного вскипания

Рис. 12. Зависимость генерируемой акустической энергии от плотности лазерной энергии для различных значений концентрации аэрозольных частиц: 1 -1,2106, 2 - 6105, 3 - 1,2Х105 см- . Сплошные линии - теория

Одной из основных характеристик процесса взрывного вскипания, влияющей на величину Т_з, является Т_вз - время от начала воздействия излучения на частицу до начала выброса пара с ее поверхности. Время взрыва складывается из времени нагрева вещества частицы до температуры взрывного вскипания, времени ожидания гомогенного появления паровых пузырьков в перегретой жидкости, времени их роста и выхода на поверхность, что приводит к разрушению всей частицы, в случае малых однородно поглощающих капель СС₀р - а0 < 1, либо ее части в случае больших неоднородно поглощающих капель а_ор - а0 > 1. И в том и в другом случае начало выброса пароконденсата является началом формирования регистрируемого импульса давления.

В времена взрыва исследовались оптическим методом по изменению прозрачности аэрозольного слоя и сигналу светорассеяния. Было отмечено уменьшение Т_взот 3 до 1 мкс при увеличении Е_лот 2 до 10 Дж/см². Эти результаты хорошо согласуются с экспериментальными данными, полученными другими авторами, выполненными по независимым методикам, а также с теоретическими расчетами. Зафиксированное в уменьшение времени задержки Т_зпри увеличении значений Е_л в тех же пределах, что и в работе, примерно на порядок больше величины Т_взи не может быть объяснено изменением времени взрыва. Такое уменьшение может быть обусловлено еще двумя причинами: первая - значительный рост избыточного давления в области взаимодействия лазерного излучения с аэрозолем и, как следствие, рост нелинейных акустических эффектов: искажение профиля АВ, увеличение скорости ударной волны на ранних стадиях ее возникновения; вторая — увеличение размеров области генерации акустического импульса за счет разлета продуктов взрыва аэрозольных частиц после воздействия лазерного излучения. Первой из указанных причин согласно условиям проведения измерений можно пренебречь, поскольку нелинейные эффекты в генерируемых акустических импульсах ничтожно малы. Соответствующая оценка показывает, что параметр нелинейности N принимает значения:

N = --² << 1,

а_э - эффективный размер области формирования акустического импульса; р ~ у • P/ С0

- возмущение плотности. Очевидно, что возникшую АВ можно считать линейной уже на ранних стадиях ее распространения от объема взаимодействия.

Таким образом, в качестве возможной причины, приводящей к уменьшению величины Т_зс ростом плотности энергии лазерного излучения, следует считать изменение размера области формирования акустического импульса.

Относительная изменчивость временных параметров акустического отклика от плотности лазерной энергии экспериментально исследована с использованием модельной среды типа 3 и представлена на рис. 2.13.

Рис. 13. Относительные изменения временных параметров акустического отклика в зависимости от плотности энергии лазерного излучения эксперимент - сплошные кривые, теория - пунктирные кривые

В качестве величин?0 использованы соответствующие значения временных параметров импульса давления при Е_л= 0,14 Дж/см².

Из рис. 2.13 следует, что при тепловом и испарительном механизме формирования акустического сигнала величина Т_зне изменяется и соответствует времени распространения импульса давления от источника до приемника со звуковой скоростью. При переходе к взрывному вскипанию облучаемого объема величина Т_зрезко сокращается, что говорит об изменении механизма формирования акустического сигнала. При смене режимов взаимодействия наблюдаются существенные изменения формы сигнала. Изменяются соотношения между общей длительностью фазы сжатия и ее передним фронтом. Поскольку при возбуждении объема взаимодействия коротким лазерным импульсом форма переднего фронта акустического импульса должна повторять распределение термооптических источников, то значительное уменьшение величины Т_зи увеличение Тф свидетельствуют о том, что размеры области генерации АВ, которая заполнена фрагментами взрыва капель, существенно увеличиваются при Е_л> 2 Дж/см².

Полученная в экспериментах зависимость пикового акустического давления P+ в регистрируемом сигнале от плотности энергии воздействующего излучения Е_лпри d= 5 см показана на рис. 2.14 и близка к полученным ранее в.

Линии на рис. 2.14 построены по методу наименьших квадратов, согласно следующим аппроксимациям:

1. - полидисперсный аэрозоль с модальным радиусом частиц 4 мкм, водностью 800 г/м³:

P = Е_л°'⁷³ -146 при 2,3 < Е_л< 20 Дж/см²;

P = Е_л² - 52 при 0,3 < Е_л< 2,3 Дж/см²;

P = Е_л-16 при 0,05 < Е_л< 0,3 Дж/см².

2. - монодисперсный аэрозоль с радиусом частиц 2,7 мкм, концентрацией частиц _5-33

5,940 см^-, Т = 1 и водностью 48,6 г/м: P = Е_л°'⁴⁶ • 51 при 1,65 < Е_л< 20 Дж/см²;

P = Е_л² • 24 при 0,3 < Е_л< 1,65 Дж/см²; P = Е_л • 7 при 0,05 < Е_л< 0,3 Дж/см².

3. - полидисперсный аэрозоль с модальным радиусом частиц 10 мкм:

P = Е_л^0,55 • 24 при 2,4 < Е_л< 20 Дж/см²;

P = Е_л² • 7,6 при 0,3 < Е_л< 2,4 Дж/см²; P = Е_л • 2,3 при 0,05 < Е_л< 0,3 Дж/см².

4. - водный цилиндр с радиусом 250 мкм:

P = Е_л°'⁸⁴ -1,1 при 1,7 < Е_л< 20 Дж/см²;

P = Е_л^ЗЛ • 0,33 при 0,7 < Е_л< 1,7 Дж/см².

Смена хода зависимости Pв области Е_л~ 2 Дж/см² соответствует достижению порога взрывного вскипания. Результаты, представленные на рис. 2.14, взяты из различных источников и поэтому приведены к единому по величине Pмасштабу в соответствии с геометрией эксперимента. При 0,7 < Е_л< 1,7 Дж/см² ход зависимости P, измеренной на водном цилиндре, приближается к зависимости, измеренной на отдельной водной капле, а при

зависимости, полученной для монодисперсного аэрозоля, и представляет собой предельные случаи.

1,7 < Е_л< 20 Дж/см²

Исходя из данных, представленных на рис. 2.14, можно сделать вывод о том, что в экспериментах с исследуемым аэрозольным объемом при Е_л< 0,3 Дж/см² устойчиво наблюдается термооптический механизм генерации АВ, а при 0,3 < Е_л< ~2,4₂ Дж/см² - механизм поверхностного испарения.

Рис..14. Зависимость акустического давления от плотности энергии лазерного излучения при ОА-эффекте в водных аэрозолях: 1 - полидисперсный аэрозоль с модальным радиусом частиц 4 мкм, водностью 800 г/м ; 2 – монодисперсный 5,3 аэрозоль с радиусом частиц 2,7 мкм, концентрацией частиц 5,9-10 см и водностью 48,6 г/м; 3 - полидисперсный аэрозоль с модальным радиусом частиц 10 мкм; 4 - водный цилиндр с радиусом 250 мкм

Измеренная зависимость пикового акустического давления в фазе разрежения P_— оказалась аналогичной представленной на рис. 2.14 для всех значений Е_л. Отношение между P+ и P_—сохраняется неизменным для всех режимов взаимодействия, поэтому не может служить источником информации при их индикации.

На основании зависимостей, представленных на рис. 2.11, 2.12, 2.14 и аппроксимаций, отклонение которых от соответствующих экспериментальных массивов данных не превышает 12%, можно сделать следующий вывод. Амплитуда оптико-акустического импульса, генерируемого при поверхностном испарении, взрывном вскипании и разрушении частиц водных аэрозолей под воздействием излучения СО2-лазера микросекундной длительности, пропорциональна водности аэрозоля для однородно поглощающих частиц и зависит от плотности лазерной энергии по степенному закону с показателем степени: 2 - при поверхностном испарении; 0,5 ■ 0,8 - при взрывном вскипании и разрушении.

Представленные в 2.2.1 и 2.2.2 результаты реализованы в способе измерения объемной концентрации аэрозольных частиц. Способ может быть использован для оперативного дистанционного измерения объемной концентрации аэрозолей естественного и антропогенного происхождения. Способ заключается в следующем. Направляют излучение маломощного лазера в исследуемую область атмосферы и регистрируют фотоприемником отраженный сигнал Е_низ углов 180⁰ ± arctg), где R- расстояние до области воздействия, S- ее поперечный размер, затем соосно с маломощным излучением посылают МЛИ, и регистрируют фотоприемником отраженный сигнал, вычисляют отношение В = / Е_н.