<<  

Акустический журнал, 2023, 69, выпуск 6

   

Бобровницкий Ю.И., Карпов И.А. «Дискретная акустика: ARMA-моделирование временных процессов, теория» с. 665-684

В физике, в частности, акустике время традиционно рассматривается как непрерывная координата. Некоторое исключение составляет обработка сигналов, где дискретизация необходима для расчетов на компьютерах. Но все акустические задачи формулируются и решаются с помощью непрерывных по времени моделей, описываемых дифференциальными уравнениями и их решениями в виде непрерывных функций времени. Между тем эти задачи могут быть эквивалентным образом сформулированы и решены с помощью дискретно-временных моделей, описываемых конечно-разностными уравнениями и их решениями в виде временных рядов. Как показывает опыт некоторых других областей науки, например, теории управления, дискретный подход имеет ряд преимуществ перед непрерывным подходом, использование которых значительно облегчает решение многих задач. Данная статья имеет цель частично восполнить имеющийся здесь пробел в акустике и направлена на создание теоретических основ дискретно-временного подхода к решению акустических задач. Статья ограничена рассмотрением одной широко распространенной в акустике колебательной системы – линейной структуры с N степенями свободы, состоящей из сосредоточенных инерционных, упругих и диссипативных элементов, к которой, в частности, приводит метод конечных элементов. Для нескольких непрерывных моделей этой системы в статье построены эквивалентные дискретно-временные модели, выведены конечно-разностные уравнения и получены их решения. Критерием эквивалентности непрерывных и дискретных моделей в статье принято математически точное равенство соответственных решений во все дискретные моменты времени. Исходя из этого критерия, между параметрами непрерывных и дискретных моделей и их уравнений установлены аналитические связи, позволяющие по непрерывной модели системы строить ее дискретно-временную модель и, наоборот, по известной дискретной модели строить ее непрерывную модель. Особое внимание в статье уделено вынужденным колебаниям системы под действием кинематического возбуждения, важного во многих акустических задачах, тогда как в литературе рассматривается исключительно силовое возбуждение. В статье также рассмотрено одно из самых полезных свойств дискретного моделирования – простота построения дискретных моделей по экспериментально измеренным сигналам. Приведен соответствующий пример. Отметим, что термин “ARMA-модель" является сокращением для "модели авторегрессии и скользящего среднего", общепринятым в теории управления, теории систем и в других областях науки.

Акустический журнал, 69, 6, с. 665-684 (2023) | Рубрики: 04.14 04.15 12.01

 

Макалкин Д.И., Карабутов А.А., Саватеева Е.В. «Прецизионное измерение групповой скорости ультразвука твердых сред в образцах миллиметровой толщины» с. 685-694

Предлагается методика высокоточного локального измерения групповой скорости продольных волн в твердых образцах миллиметровой толщины. Для достижения требуемой точности используется лазерное термооптическое возбуждение субмикросекундных ультразвуковых видеоимпульсов и сверхширокополосная пьезоэлектрическая регистрация отраженных от контролируемого образца акустических сигналов. Исследуются плоскопараллельные образцы из дюраля, кварца и стали толщиной 2–6 мм. Для достижения необходимой точности измерения групповой скорости ультразвука используется математическая обработка формы сигнала с компенсацией дифракции ультразвукового пучка при распространении в образце. Показана возможность обеспечения неопределенности измерения групповой скорости ультразвука в диапазоне частот 1–15 МГц на уровне 0.1% в образцах миллиметровой толщины.

Акустический журнал, 69, 6, с. 685-694 (2023) | Рубрики: 06.03 06.18 06.23

 

Микушев В.М., Рочев А.М., Чарная Е.В. «Ослабление спин-фононной связи квадрупольных ядер в кристаллах NaF в условиях магнитного насыщения» с. 695-701

Скорость ядерной спин-решеточной релаксации определяется эффективностью взаимодействия тепловых фононов с ядерными спинами. Представлены результаты по снижению эффективности спин-фононной связи путем подавления вклада парамагнитных центров в релаксацию квадрупольных ядер. Подавление достигалось стационарным магнитным воздействием ларморовской частоты. Показано, что, как и в случае присутствия акустического поля, скорость спин-решеточной релаксации ядер 23Na в кристалле фторида натрия при магнитном насыщении сигнала ЯМР не меняется в области отрицательной средней спиновой температуры. В области положительной спиновой температуры релаксация спинов 23Na существенно замедляется, при этом восстановление ядерной намагниченности со временем описывается суммой двух экспонент. По мере увеличения интенсивности насыщающего поля растет вклад ядерных спинов с меньшей эффективностью спин-фононной связи, соответствующих экспоненте с большим временем релаксации. Продемонстрировано, что для ядер 19F, не имеющих квадрупольного момента, эффективность спин-фононного взаимодействия не изменяется в условии насыщения. Полученные результаты могут быть использованы для исследования структуры реальных кристаллов.

Акустический журнал, 69, 6, с. 695-701 (2023) | Рубрики: 06.06 06.07

 

Семёнов А.П., Зайцев Б.Д., Теплых А.А., Бородина И.А. «Исследование акустических характеристик суспензий на основе глицерина и микрочастиц синтетического алмаза с помощью резонатора с продольным электрическим полем» с. 702-712

Исследованы акустические свойства суспензий на основе чистого глицерина и алмазного порошка с размером частиц 1–2 мкм с различной концентрацией с помощью резонатора с продольным электрическим полем. Дисковый резонатор из лангасита с круглыми электродами на обеих сторонах пластины с частотой 4.1 МГц, работающий на продольной акустической волне, полностью погружали в жидкостный контейнер с исследуемой суспензией. На основе измеренных частотных зависимостей реальной и мнимой частей электрического импеданса резонатора с использованием эквивалентной электромеханической схемы были определены продольный модуль упругости и продольный коэффициент вязкости исследуемых образцов. Сравнение экспериментально найденных зависимостей продольного модуля упругости, коэффициента вязкости и скорости продольной акустической волны от объемной концентрации частиц алмаза в суспензии с расчетными зависимостями показало их хорошее соответствие.

Акустический журнал, 69, 6, с. 702-712 (2023) | Рубрики: 04.08 04.14 06.02 06.14

 

Суворов А.С., Соков Е.М., Вировлянский А.Л., Еремеев В.О., Балакирева Н.В. «Метод конечно-элементного моделирования гидродинамического шума, возникающего при обтекании упругих тел» с. 713-721

Представлен конечно-элементный метод расчета гидродинамического шума, возбуждаемого турбулентными пульсациями жидкости в присутствии упругого тела. Традиционный подход к решению этой задачи на основе прямого решения уравнения Лайтхилла требует большого объема вычислений. Показано, что ситуация существенно упрощается при расчете компонент шума на относительно низких частотах, которые отвечают длинам волн, превышающим размеры турбулентной области. В этом случае шумовое поле удается выразить через давление турбулентных пульсаций на поверхности упругого тела, найденное в приближении несжимаемой жидкости. Статья подготовлена по материалам доклада, представленного на IX Российской конференции “Вычислительный эксперимент в аэроакустике и аэродинамике”, г. Светлогорск, 26 сентября–1 октября 2022 г.

Акустический журнал, 69, 6, с. 713-721 (2023) | Рубрики: 07.21 10.02

 

Бычков О.П., Фараносов Г.А. «Локальный метод разделения звуковых и псевдозвуковых пульсаций давления» с. 722-736

Предложен новый способ разделения звуковых и псевдозвуковых пульсаций давления, основанный на анализе сигналов в паре близкорасположенных точек, так что общий размер измерительной зоны много меньше масштаба корреляции псевдозвуковых возмущений. Предполагается, что гидродинамические пульсации распространяются со скоростью, существенно меньшей скорости звука, и подчиняются модели “вмороженных” возмущений, что позволяет в режиме реального времени или при постобработке данных преобразовать пространственную производную сигнала во временную, которая после интегрирования по времени дает оценку псевдозвуковых возмущений в точке измерения. Представлены теоретическая модель предложенного подхода, результаты тестов на модельных примерах и данные численного моделирования.

Акустический журнал, 69, 6, с. 722-736 (2023) | Рубрики: 10.01 10.02

 

Копьев В.Ф., Храмцов И.В., Черенкова Е.С., Зайцев М.Ю., Берсенев Ю.В., Ершов В.В., Кустов О.Ю., Бульбович Р.В. «Исследование акустических и аэродинамических характеристик гофрированных сопел» с. 737-744

Приводятся результаты исследования снижения шума дозвуковой турбулентной струи за счет использования гофрированной формы сечения сопла. Рассматривались гофрированные сопла с числом гофров от 6 до 12 различной высоты. Эксперименты проводились в двух заглушенных камерах: заглушенной камере с аэродинамическими источниками шума Лаборатории механизмов генерации шума и модального анализа ПНИПУ и заглушенной камере с потоком АК-2 ЦАГИ. Звуковое поле дозвуковой струи, истекающей из гофрированного сопла, сравнивалось со звуковым полем эквивалентной круглой струи. В работе демонстрируются способы расширения частотного диапазона, в котором достигается снижение шума струй при использовании гофрированных сопел. Приводится оценка потерь тяги в гофрированных соплах на основе RANS расчета.

Акустический журнал, 69, 6, с. 737-744 (2023) | Рубрики: 08.14 10.01

 

Писарев П.В., Паньков А.А., Аношкин А.Н., Ахунзянова К.А. «Моделирование акустических процессов взаимодействия ячеек звукопоглощающих конструкций авиационных двигателей» с. 745-755

Разработаны физические и математические численные модели для прогнозирования эффективных акустических свойств звукопоглощающих сотовых конструкций при уровнях звукового давления 100 и 130 дБ при нормальном падении звуковой волны. Исследованы коэффициенты звукопоглощения и закономерности акустических взаимодействий ячеек, установленных на торце цилиндрического канала при нормальном падении на них звуковых волн, с использованием численного математического и физического моделирования. Дана оценка эффективности звукопоглощения одиночных и групп резонаторов различных форм и размеров, выявлены уникальные сочетания ячеек в группах с учетом их акустических взаимодействий. Представительные образцы фрагментов звукопоглощающих конструкций изготовлены методом 3D-печати, лабораторные испытания образцов проведены с использованием интерферометра с нормальным падением звуковой волны на ячейки при уровне звукового давления 130 дБ.

Акустический журнал, 69, 6, с. 745-755 (2023) | Рубрики: 06.15 08.14 10.08

 

Комкин А.И., Мусаева Р.Н. «Особенности уменьшения уровня звука экранами Т-образного профиля» с. 756-764

Исследованы акустические характеристики экранов Т-образного профиля на основе конечно-элементного моделирования. Установлено, что эффективность уменьшения уровня звука данным экраном связана не только с дифракцией, но также и с интерференцией звука на передней и задней кромках экрана. Показано, что интерференция звука на задней кромке экрана, в отличие от интерференции звука на передней кромке, влияет на звуковое поле только на небольших расстояниях от задней поверхности экрана. Проанализировано влияние на эти процессы частоты звука и геометрических размеров экрана.

Акустический журнал, 69, 6, с. 756-764 (2023) | Рубрики: 04.06 08.03 10.08

 

Леонов А.С., Сорокин В.Н. «Оценка треков резонансных частот речевого тракта» с. 765-777

Предлагается новый метод оценки треков формантных частот речевого тракта для произвольных речевых сегментов. Метод использует отношение двух преобразований Фурье речевого сигнала со специальными окнами экспоненциального типа, зависящими от некоторого параметра. Это отношение используется для определенных моментов времени и рассматривается как функция частоты и параметра. Анализируя для нескольких значений параметра распределение точек минимума (по частоте) для фазы этого отношения и/или аналогичное распределение точек экстремума для его амплитуды, можно оценить формантные частоты по пикам этих распределений. Представлено математическое исследование, обосновывающее такой подход. Проведены серии численных экспериментов по обработке синтетических и реальных речевых сигналов, подтвердившие работоспособность предложенного метода оценки формант. В частности, в экспериментах с синтезированными гласными было установлено, что погрешность оценки их резонансных частот мала и устойчива по отношению к аддитивным шумам вплоть до отношения сигнал/шум +5 дБ. Для реальной речи метод позволяет вычислить треки формантных частот как для звуков с голосовым возбуждением, так и для глухих фрикативных, аспиративных взрывов и шепотной речи.

Акустический журнал, 69, 6, с. 765-777 (2023) | Рубрики: 12.01 13.05

 

Суханов Д.Я., Кузовова А.Е. «Визуализация ультразвуковых излучателей методом обращения сигнала во времени в модели динамики частиц» с. 778-791

Предлагается метод решения обратной задачи восстановления источников акустических волн по измерениям поля на некоторой поверхности на основе обращения волнового фронта в методе динамики частиц. В этом методе рассматриваемая среда представляется в виде совокупности взаимодействующих частиц (материальных точек или твердых тел), для которых записываются классические уравнения движения. В работе рассматривается представление среды в виде множества частиц в кубической объемно-центрированной кристаллической решетке. Рассматривается случай линейной зависимости силы притяжения частиц от расстояния. Преимуществом такого подхода является возможность учета распространения волн в произвольно неоднородных средах в рамках единой численной модели. Численно и экспериментально показана возможность визуализации двух сферических источников акустических волн в воде за преградой, несмотря на наличие поперечных волн в рассматриваемой модели твердого тела; их влияние пренебрежимо мало в рассматриваемом случае. Проведена экспериментальная проверка предложенного метода на звуконепроницаемом экране с отверстием, имитирующем звукоизлучающий объект сложной формы. Через отверстие проходит волна от точечного источника коротких импульсов. С помощью приемного акустического сенсора, установленного на двухкоординатном сканере, было измерено пространственно-временное распределение звуковых колебаний на поверхности воды. При обработке данных путем обращения волнового фронта в модели частиц, было восстановлено изображение отверстия в звуконепроницаемом экране.

Акустический журнал, 69, 6, с. 778-791 (2023) | Рубрики: 06.22 06.23 12.07

 

Асфандияров Ш.А., Агафонов А.А., Коробов А.И., Андреев В.Г. «Лазерная виброметрия сдвиговых волн в слое гелеобразной среды» с. 792-799

С помощью лазерного сканирующего виброметра измерены амплитуды и фазы колебательной скорости сдвиговых волн, возбуждаемых одномерным источником в виде узкого прямоугольного бруска в гелеобразной среде. Измерялись колебания 26 пластинок, отражающих лазерный луч и расположенных внутри оптически прозрачного фантома вдоль отрезка длиной 84.5 мм на расстоянии 20 мм от источника. В непрерывном режиме измерены угловые распределения амплитуды и фазы сдвиговых волн на дискретных частотах от 59 до 500 Гц. В импульсном режиме вибратор возбуждал в среде импульс длительностью 1.5 периода частоты 300 Гц. Амплитуды и фазы сдвиговых волн вычислялись путем быстрого преобразования Фурье временного профиля скорости колебаний пластинок длительностью 50 мс. Угловые распределения амплитуды, измеренные в импульсном и непрерывном режимах, качественно совпадают. На всех частотах распределения симметричны по отношению к вертикальной оси. Максимум амплитуды колебаний наблюдается при углах, близких к ±45°. Скорость сдвиговых волн, рассчитанная по измеренным фазовым распределениям, возрастает от 2 до 2.5 м/с при изменении частоты от 50 до 500 Гц. Показано, что такое поведение скорости хорошо описывается релаксационной моделью среды с одним временем релаксации, равным 0.3 мс. Затухание сдвиговой волны зависит от частоты и превышает 1 см–1 для волн с частотами более 250 Гц. Максимум затухания на длину волны наблюдается вблизи частоты релаксации среды в диапазоне 300–400 Гц. Полученные результаты могут быть использованы при оптимизации устройств для измерения упругости мягких тканей.

Акустический журнал, 69, 6, с. 792-799 (2023) | Рубрики: 06.10 06.17 06.19

 

Тиманин Е.М., Михайлова И.С., Фикс И.И., Курников А.А., Ковальчук А.В., Орлова А.Г., Угарова О.А., Frenz M., Jaeger M., Субочев П.В. «Улучшение оптоакустических изображений биотканей методом одномерной обратной свертки с адаптивной самокалибровкой в реальном времени» с. 800-807

Предложен метод одномерной деконволюции с использованием регуляризации Тихонова для улучшения трехмерных оптоакустических изображений in vivo. Метод использует адаптивную самокалибровку для устранения частотно-зависимых искажений, связанных с распространением и регистрацией ультразвука. Адаптируясь к неоднородным частотным характеристикам исследуемой среды, метод не требует дополнительных калибровочных экспериментов. Время обработки трехмерных оптоакустических данных размером 200×200×100 вокселей составляет менее 5 мс, позволяя улучшать ангиографические изображения в режиме реального времени и повышать эффективное пространственное разрешение на более чем 50%.

Акустический журнал, 69, 6, с. 800-807 (2023) | Рубрики: 06.17 12.05 12.07

 

Бритенков А.К., Норкин М.С., Захаров С.Б., Травин Р.В., Стуленков А.В. «Сравнительные исследования вибромеханических характеристик компактных гидроакустических преобразователей продольно-изгибного типа со сложной формой излучающей оболочки» с. 808-816

Разработка компактных гидроакустических низкочастотных излучателей высокой удельной мощности связана со сложностями, обусловленными противоречивыми требованиями к габаритам, КПД, излучаемой мощности, ширине рабочей полосы частот, технологичностью изготовления. Для компактных излучателей габариты корпуса ограничивают возможность совмещения резонансов активного элемента и механической колебательной системы, что затрудняет их разработку. Компактный гидроакустический преобразователь продольно-изгибного типа с излучающей поверхностью сложной формы – “3D НЧИ” – разработан для масштабного моделирования и проверки теоретических расчетов такой конструкции, и при сравнительно малых размерах обладает высокой эффективностью. В работе приведены полученные при помощи лазерной виброметрии результаты измерений в воздухе колебательных характеристик двух различных по размеру и вариантам гофрирования титановых корпусов “3D НЧИ” и собранных излучателей. Предложенные конструктивные решения преобразователя с максимальными габаритными размерами менее 100 мм и весом примерно 1 кг обеспечивают чувствительность по напряжению около 1 Па м/В в рабочей полосе частот и основной резонанс в диапазоне 1–2 кГц. “3D НЧИ” обладает высоким значением коэффициента механической трансформации и использования присоединенной массы, а также имеет ряд других преимуществ по сравнению с аналогичными разработками. Показано, что различия в размерах двух представленных излучателей на 10–12% и геометрии излучающих оболочек (12 и 16 волн гофрирования) приводят к различию измеренных в воздухе резонансных частот (4.0 и 3.5 кГц соответственно). При этом излучатель большего размера обладает меньшим разбросом значений механического коэффициента трансформации по гребням и впадинам корпуса, а также более плотным распределением спектральных компонент за пределами основной полосы частот.

Акустический журнал, 69, 6, с. 808-816 (2023) | Рубрики: 04.15 07.19

 

Кудашев Е.Б., Яблоник Л.Р. «Тепловая помеха при регистрации турбулентных пульсаций давления на поверхности всплывающего устройства» с. 817-822

Исследована тепловая помеха при регистрации турбулентных пульсаций давления на поверхности всплывающего устройства при заданных экспериментальных параметрах температурной стратификации водной среды. Исследован эффект искажения спектральных уровней пульсаций давления, регистрируемых приемником звука в поле температурных неоднородностей, на примере измерений турбулентных пульсаций давления в пограничном слое при вертикальном всплытии устройства с заданной глубины. Показано, что при умеренных скоростях обтекания, превышающих 1–2 м/с, температурная восприимчивость пьезокерамического приемника в решающей мере определяется его характерной “тепловой” частотой. Определены параметры пороговой критической частоты, ниже которой температурный сигнал (тепловая помеха) преобладает над “полезным” сигналом, порождаемым пульсациями давления. Применительно к приемникам, используемым в экспериментах на всплывающем устройстве, значения пороговой критической частоты составляют 130 и 215 Гц.

Акустический журнал, 69, 6, с. 817-822 (2023) | Рубрики: 07.15 08.05

 

«Памяти Виктора Дарьевича Света (17.05.1942–28.11.2023)» с. 823-824

28 ноября 2023 г. на 82 году жизни скончался ведущий научный сотрудник, ветеран Акустического института им. Н.Н. Андреева, доктор физико-математических наук Виктор Дарьевич Свет.

Акустический журнал, 69, 6, с. 823-824 (2023) | Рубрика: 03