Программа и учебно-методическое обеспечение курса


ФИЗИЧЕСКАЯ АКУСТИКА

(газообразных, жидких и вязкоупругих сред)

5 курс 9 семестр, 36 часов


В данном курсе изучаются связанные с распространением акустических волн физические процессы в текучих и вязкоупругих средах, а также новые физические явления, вызываемые (стимулируемые) акустическими воздействиями на эти среды.




I. Данный курс изучается и осваивается студентами со следующими целями:


1. Интегрированное восприятие акустики в комплексе с фундаментальными

общефизическими явлениями и процессами.


2. Получение знаний об акустике, как эффективном «инструменте» анализа различных

физических сред и воздействия на эти среды с целью изменения их определенных

свойств и/или структуры.


  1. Знакомство с современными акустическими технологиями и с перспективными

возможностями акустики в научно-техническом прогрессе.



II. Основной вид занятий со студентами при изучении данного курса – лекции.

Предусмотрено проведение нескольких практических занятий для приобретения

студентами навыков анализа конкретных проблем и решения соответствующих задач.

В середине курса предусмотрено контрольное занятие-коллоквиум для проверки

степени и уровня усвоения материала студентами.


Содержание курса и почасового графика лекционных и практических занятий определяется следующей ПРОГРАММОЙ КУРСА (36 часов):


I. Основные принципы формирования научного направления и учебного курса «Физическая акустика». Краткая информация о многотомнике «Физическая акустика» под ред.

У. Мэзона. Содержание учебного курса. (1 час).


II. Акусто-физические свойства и методы анализа газообразных, жидких и вязкоупругих

сред:

1. Краткий обзор (сведения из курса «Механика сплошных сред») моделей и

математического описания основных типов сплошных сред (гидродинамика, теория

упругости, вязкоупругие среды) (1 час).


2. Уравнение линейной акустики в неидеальной (вязкой, с учетом теплопроводности)

среде (вывод), скорость звука (адиабатическая, изотермическая), коэффициент

затухания и его частотная зависимость. Уравнение состояния для классических

жидкостей (модельное уравнение Тэта). Экспериментальные данные и физические

причины появления зависимости скорости звука (дисперсия) от частоты и изменения

частотной зависимости коэффициента поглощения (сверхстоксово поглощение). Спектральные эффекты и методы анализа жидкостей и газов (Мандельштам-Брюллюэновское рассеяние (МБР), дублет МБР, тонкая структура линии рэлеевского рассеяния, стоксова и антистоксова компоненты, триплет МБР) (3 часа).


3. Обусловленность расширения моделей жидких и газообразных сред путем учета релаксационных свойств. Релаксация объемной вязкости (кнезеровские процессы, феноменологическая теория релаксации Мандельштама – Леонтовича) и сдвиговой вязкости. Акустика релаксирующих сред. Общий подход на основе принципа причинности к взаимосвязи дисперсии и поглощения. Соотношения Крамерса – Кронига. Специфика релаксационных процессов в различных средах и отличительные особенности поглощения звука в сложноструктурных средах (биологические ткани, геосреды). Методы и возможности акустической спектроскопии. О рассеянии света на неоднородностях, порождаемых прохождением акустических волн (3 часа).


4. Модели акустики разреженного газа на основе кинетической теории (линеаризованное

уравнение Больцмана) вывода уравнений гидродинамики (2 часа).


  1. Акустика фазовых переходов и критических явлений.


1. Микроуровневый аспект физической акустики; основные типы квазичастиц и

взаимодействий между ними. Упругие дебаевские волны; флуктуации как

суперпозиция дебаевских волн; «тепловой» звук (2 часа).


2. Критические точки и две линии критических точек. Скорость и поглощение гиперзвука

в области критических точек. Измерение скорости ультразвука (2 часа).


  1. Методы визуализации акустических полей.


1. Общая характеристика и особенности «классических» методов визуализации (шлирен –

метод, шадоуграфия, метод Топлера); использование для визуализации акустических

полей (звуковых пучков). Пример использования визуализации в эффекте сдвига

акустических пучков при отражении от границы «жидкость – твердое тело» (эффект

Schoch’а, 1952 г.) (2 часа).


2. Новые методы визуализации акустических полей (томографические и

акустоголографические методы, визуализация с помощью акустических течений,

виброметрия); использование для анализа структуры акустических пучков и

ультразвуковых преобразователей (2 часа).

V. Акустическая кавитация и ее применение.


  1. Основные модели (уравнения). Концентрация энергии. Влияние различных

факторов (газопаровое наполнение, поверхностное натяжение, диссипация, диффузионный обмен с окружающей средой, сжимаемость окружающей среды) (2 часа).


  1. Критические значения физических параметров при кавитации. Сонолюминисценция. Возможности реализации «сонотермояда» (2 часа).


3. Физико-химические эффекты, стимулируемые акустической кавитацией; кавитация. Роль кавитации в различных процессах и технологиях; кавитация в медицине, оболочечные микропузырьки (2 часа).

4. Распространение волн в пузырьковых средах (дисперсия, нелинейные эффекты)

(2 часа).


VI. Акустические течения и радиационное давление. Генерация сдвиговых деформаций в

среде акустической волной, эластодиагностика и эластография в медицине (3 часа).


VII. Физические принципы действия параметрической приемной и передающей антенны в

жидкой среде. Особенности и использование этого эффекта в воздушных средах.

Аудиопрожекторный эффект (2 часа).


VIII. Термоакустические эффекты в жидких средах и их использование для регистрации

высокоэнергетичных частиц (протонов, нейтрино). Глобальные проекты по

регистрации нейтрино в открытом океане (2 часа).


IX. Акустика неравновесных и усиливающих сред. Возможные схемы САЗЕРА (Sound

Amplification by Stimulated Emission of Radiation) (2 часа).


X. Акустика сверхтекучих жидкостей. Второй звук (2 часа).




III. Учебно-методическое обеспечение курса и методические рекомендации:

Основная литература:


1. Физическая акустика под ред. У. Мэзона, пер. с англ., М.: Мир,

тт. 1 (1966 г.) – 7 (1974 г.).


2. Красильников В.А., Крылов В.В., Введение в физическую акустику. М.: Наука, 1984.


3. Михайлов И.Г., Соловьев В.А., Сырников Ю.П. Основы молекулярной акустики.

М.: Наука, 1964.


4. Паташинский А.З., Покровский В.Л., Флуктуационная теория фазовых переходов,

М.: Наука, 1975.

5. Гусев В.Э., Карабутов А.А. Лазерная оптоакустика. М.: Наука, 1991.


6. Кнэпп Р., Дейли Дж., Хэммит Ф. Кавитация. М.: Мир, 1974.




Дополнительная литература:


1. Лямшев Л.М. Оптико-акустические источники звука // УФН 1981, Т. 135. вып. 4.

С. 637-669.


2. Кольцова Е.В., Осипов А.И., Уваров А.В., Акустические возмущения в неравновесном

неоднородном газе // Акуст. ж., 1994. Т. 40. № 6. С. 969-973.


3. Завтрак С.Т., Волков И.В. САЗЕР (Sound Amplification by Stimulated Emission of

Radiation) // ЖТФ, 1997, Т. 67, № 4, С. 92-100.


4. Руденко О.В. Актуальные проблемы, связанные с нелинейной акустикой.

Сб. Нелинейные волны–2006. Нижний Новгород: ИПФ РАН, 2007. С. 151–169.




Рекомендации преподавателю (лектору):

а) необходимым условием освоения данного курса является его сопровождение

«богатым» иллюстративным материалом (слайды, кинодемонстрации);


б) полезным элементом закрепления материала является написание студентами

рефератов по современным проблемам физической акустики с «защитой»

представленного материала.


Методические рекомендации студентам:


а) для более полного представления о проблематике курса предполагается

самостоятельное ознакомление с переведенным на русский язык многотомником

(7 томов, 11 книг) «Физическая акустика» под ред. У. Мэзона (см. список основной

литературы). Необходимо просмотреть содержание (основные разделы) всех книг и

законспектировать оглавление каждой из них.


б) поскольку курс предполагает знакомство с современными акустическими

технологиями, полезно следить за научными новостями в данной области.



Программу составили:

Доцент Ю.Н. Маков

Академик РАН, профессор О.В. Руденко