ДИНАМИКА И АКУСТИЧЕСКИЕ ПРОЯВЛЕНИЯ ГАЗОВЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ В ОГРАНИЧЕННОМ ОБЪЕМЕ

В настоящем отчете представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований поведения включений в жидкой среде под действием акустического поля при наличии ограничивающих поверхностей. Исследовано влияние границы раздела сред с различными механическими свойствами на силу радиационного давления, оказываемой акустической волны на газовый пузырек. В пределе слабой диссипации получены явные формулы, описывающие зависимость силы радиационного давления от геометрических и материальных параметров сред. Для того, чтобы оценить действие силы Бьеркнеса не только на пузырьки, но и на частицы, расположенные вблизи границы раздела, получено аналитическое описание ближнего поле функции Грина полупространства. Методами теории возмущений, в которой малым параметром выступает отношение радиуса пузырька к расстоянию до границы, исследовано искажение поверхностных колебаний пузырьков, обусловленное присутствием жесткой границы. Поверхностные моды свободного пузырька многократно вырождены. Наличие границы приводит к снятию вырождения, причем сдвиг собственной частоты максимален для моды с минимальной проекцией углового момента и минимален для случая, когда проекция и момент равны. Прикладное значение изложенных выше теоретических результатов состоит в понимании физических процессов, лежащих в основе новой технологии ультразвуковой очистки, использующие активированные ультразвуком потоки. Выполнен анализ распространение звука в суспензии взвешенных частиц со смещенным центром масс, которые способны совершать вращательные колебания в поле акустической волны. Предложена модель вращательно-колебательных движений стержне- и дискообразных частиц, на основе которой вычислены потери энергии за счет вязкого трения. Рассмотренный механизм угловых колебаний частиц, имеющих вращательную степень свободы, приводящий к вязким потерям энергии акустической волны, имеет следующие приложения: акустическая диагностика суспензий, создание метаматериалов с заданными поглощающими свойствами, генерация микропотоков, способствующих очистке поверхностей. Проанализированы особенности движения газовых пузырьков в проточных акустических системах – акустических резонаторах и волноводах под действием радиационной силы. Показано, что под ее влиянием формируется неравномерное распределение пузырьков разных размеров в волноводах и резонаторах в соответствии с возбужденной структурой поля. При наличии в потоке частиц с прилипшими к ним пузырьками этот эффект можно использовать для их сепарации. Наличие поперечной жесткости для вмороженного в лед пузырька представляет собой специфический механизм, ограничивающий его колебания. Исследованы уравнения самосогласованного поля, описывающие процессы многократного рассеяния в скоплениях пузырьков, позволяющие связать параметры распределения включения с эффективными упругими и плотностными характеристиками среды. Другим физическим примером проявления поперечной жесткости среды является описание акустических проявлений газовых включений в осадках. Проведено обобщение традиционного подхода и получена система уравнений для многократного рассеяния акустических волн в облаке газовых включений. Найдены простейшие частные решения. Конверсия волн сжатия (p-волна) и сдвига (s-волна) при рассеянии на включениях приводит к тому, что изменяются эффективные скорости распространения обеих этих мод и, как следствие, видоизменяется характер отражения от границы раздела. Физическим следствием замедления как продольных, так и поперечных волн является возможность обращения в нуль коэффициента отражения от границы раздела при распространении под определенным углом (Брюстера). Изучение особенностей динамики частиц при наличии ограничивающих поверхностей позволило выявить новые физические эффекты и оценить возможности их практического применения. Вместе с тем, в ходе проведенных исследований возникли новые вопросы, ответы на которые еще предстоит найти.