Ифу Чжан, Бин Лян, Цзинфэн Ни «Численное исследование подъема пузырька в вертикальном клинообразном канале модифицированным методом функции уровня» Известия РАН. Механика жидкости и газа, № 23, с. 99-110 (2020)

Движение пузырьков в каналах сложной формы моделируется с использованием модифицированного метода функции уровня в сочетании с процедурой локальной повторной инициализации и методом коррекции объема. Последний метод позволяет корректировать потерю массы при моделировании пузырька стандартным методом функции уровня, а локальная повторная инициализация функции уровня исключает численную диссипацию, вызванную неортогональностью сетки на границе. При решении задачи о течении двухфазной среды в области со сложной границей сетка в физической плоскости строится в координатах, связанных с телом. Все параметры физической области преобразуются в вычислительную область, где основные уравнения дискретизируются на соотнесенных сетках с использованием метода конечных объемов и алгоритма SIMPLE для расцепления скоростей и давления. Поверхностное трение пузырька определяется на основе модели континуальной поверхностной силы. Результаты моделирования подъема пузырька в клинообразном канале показывают, что предложенный метод эффективен при решении задач о движении пузырьков в областях сложной формы.

Цзюн Ю.-С., Ким Ч.-Ц., Юнь Ч.-Ю. «Влияние резонатора Гельмгольца на работу генератора гартмана с соплом с большой степенью расширения» Прикладная механика и техническая физика, 60, № 6, с. 17-24 (2019)

С использованием модели турбулентности выполнено численное моделирование влияния емкости резонатора Гельмгольца на работу генератора Гартмана при большом значении отношения давления в сопле к давлению на выходе из него. Проведено сравнение результатов численного моделирования с экспериментальными данными. В результате численного моделирования установлено, что при использовании резонатора Гельмгольца частота колебаний генератора Гартмана и амплитуда его колебаний меньше, чем при использовании резонатора в виде прямолинейной трубы. Изолинии числа Маха и ячеистая структура ударных волн в области между соплом и резонатором практически одинаковы как в случае резонатора Гельмгольца, так и в случае резонатора в виде прямолинейной трубы, однако возвратное течение для резонаторов этих двух типов различное. Основная частота колебаний существенно зависит от диаметра задней камеры резонатора Гельмгольца.

Холтыгин А.Ф., Циопа О.А., Макаренко Е.И., Туманова И.М. «Эволюция магнитных полей Ae/Be-звезд Хербига» Астрофизический бюллетень, 74, № 3, с. 313-319 (2019)

Проанализированы измерения магнитного поля звезд Ae/Be Хербига. Получены функции распределения значений среднеквадратичныхмагнитныхполей B (в Гс) и магнитныхпотоков Φ (в Гс см²) для звезд Хербига с измеренными магнитными полями. Распределения значений B и Φ аппроксимированы логарифм-нормальной функцией со средними значениями ‹lg B ›=2.0 и ‹lg Φ›=25.5 с ширинами lg(σB)=0.3 dex и lg(σB)=0.4 dex соответственно. Полученные значения ширин распределения близки к типичным для AB-звезд главной последовательности (ГП), в то время как средние значения логарифмов магнитныхполей и магнитныхпотоков оказались значительно (до порядка величины) меньшими, чем соответствующие значения для звезд начальной ГП (соответственно 2.5 и 26.4). Обсуждаются причины этихразличий и эволюция магнитныхполей звезд промежуточныхмасс до ГП.

Цуканов А.А., Горбатиков А.В. «Исследование влияния вклада объемных волн на результат применения метода микросейсмического зондирования» Акустический журнал, 66, № 2, с. 198-205 (2020)

Представлено численное исследование формирования амплитудной реакции на свободной поверхности от одновременного рассеяния на заглубленном скоростном включении поверхностных волн Рэлея и вертикально падающих продольных волн. Установлено, что значительное присутствие объемных волн в микросейсмическом поле принципиально не меняет результат применения метода микросейсмического зондирования, который основан на представлении о подавляющем вкладе в формирование микросейсмического поля Земли фундаментальной моды волны Рэлея. Рассмотрены случаи, когда микросейсмический сигнал на одной и той же частоте моделируется только фундаментальной модой волны Рэлея, только продольной волной с вертикальным падением и обоими типами волн одновременно. Рассмотрены варианты с различными размерами и скоростными свойствами неоднородности. Анализ выполнен в (λ, r)-пространстве, по аналогии с процедурой восстановления структуры геологической среды в методe микросейсмического зондирования, где λ – длина волны фундаментальной моды Рэлея, а r – координата на дневной поверхности.

Цукерников И.Е., Шубин И.Л., Невенчанная Т.О., Смирнов В.А. «Системные проблемы оценки непостоянной вибрации в помещениях жилых и общественных зданий» XXXII сессия Российского акустического общества, 14–18 октября 2019 г., Москва, с. 101 (2019). 106 с.

В последнее время увеличилось число работ, связанных с прогнозированием вибрации, создаваемой рельсовым транспортом (железнодорожные линии и линии метрополитена мелкого заложения) в помещениях жилых и общественных зданий. В больших городах это связано с расширением точечного строительства, когда проектируемые здания оказываются в зоне воздействия указанных видов рельсового транспорта. Рассмотрены проблемы оценки непостоянной вибрации, создаваемой рельсовым транспортом в помещениях жилых и общественных зданий. Они связаны с неверной трактовкой положений санитарных норм об установлении нормируемого параметра и соответствующих ему допустимых значений, а также со спецификой измерения оцениваемого параметра. Показано, что в соответствии с СН 2.2.4/2.1.8.562-96 в качестве нормируемого параметра вибрации следует принимать эквивалентное значение частотно корректированной виброскорости или виброускорения или их уровней, и именно для этих величин установлены ужесточенные в 0,32 раза (на –10 дБ) допустимые значения. Приведены доводы в пользу принятия в качестве нормируемого параметра в помещениях жилых и общественных зданий соответствующих значений виброскорости. Отмечена целесообразность включения в состав нормируемых параметров также максимального значения указанных величин и одновременной оценки обоих значений нормируемых параметров. Даны соответствующие нормативные значения и предельные значения нормируемых параметров в октавных полосах типичного для рельсового транспорта диапазона частот, которыми можно руководствоваться при подборе средств виброзащиты. Обоснована необходимость применения при измерении максимальных значений времени усреднения виброизмерителя 1 с. и определения эквивалентных значений (уровней) оцениваемых параметров за дневное и ночное время оценки воздействия вибрации. Отмечено, что для поездов метрополитенов указанные вопросы регламентированы в своде правил СП 23-105-2004 и установленной им методикой следует руководствоваться при определении эквивалентных и максимальных значений оцениваемых параметров. Для железнодорожных линий указанные положения установлены в разработанном в 2018 г. НИИСФ РААСН проекте свода правил, который прошел этапы публичного согласования и экспертной оценки и находится в стадии утверждения. На примере проиллюстрировано, что неправильное применение указанных положений приводит к серьезным ошибкам в оценке прогнозируемой вибрации и, как следствие, к значительному удорожанию реализации мероприятий по ее снижению. Ключевые слова: непостоянная вибрация, нормирование, измерение, оценка.

Хмелев В.Н., Цыганок С.Н., Барсуков Р.В., Хмелев М.В. «Выбор ультразвукового аппарата для повышения эффективности технологических процессов» Приборы, № 12, с. 7-12 (2019)

Представлены созданные коллективом разработчиков ультразвуковые аппараты, предназначенные для повышения эффективности различных технологических процессов при проведении лабораторных исследований и организации новых производств. Показано, что определение оптимальных режимов и условий ультразвукового воздействия позволяет осуществлять выбор аппаратов по рабочим частотам и интенсивностям воздействия, а обеспечение необходимых условий масштабирования и автоматического обеспечения оптимальных режимов и условий воздействия обеспечивает простой переход от лабораторных исследований к реализации процессов в промышленных масштабах при организации крупнотоннажных производств.

Педдер В.В., Попов С.П., Косёнок В.К., Хмелёв В.Н., Голых Р.Н., Шкуро Ю.В., Педдер А.В., Нестеров В.А., Барсуков Р.В., Цыганок С.Н., Мизиряк Е.В., Минаева В.Ю., Сургутскова И.В. «Возможности озон/NO-ультразвуковой дезинтеграции клетчатки шеи для профилактики повреждений нервных стволов при лимфодиссекции в хирургическом лечении рака щитовидной железы» Южно-Сибирский научный вестник, № 4-2, с. 54-64 (2019)

Хирургические методы лечения рака щитовидной железы (ЩЖ) часто сопровождаются после-операционными осложнениями из-за хирургической препаровки клетчатки, не исключающей возможности повреждения нервных стволов. В процессе лимфодиссекции по поводу метастазов рака ЩЖ в лимфоузлах шеи наиболее часто повреждается возвратный нерв. В работе показана возможность снижения опасности повреждений нервных стволов при выделении их из клетчатки анатомических областей шеи у больных с распространённым раком ЩЖ, за счёт применения специализированных волноводов-инструментов. Для снижения числа послеоперационных осложнений, ими реализуется этап ультразвуковой контактной дезинтеграции клетчатки шеи на протяжении нервного ствола возвратного нерва, в области лимфодиссекции, осуществляемой в кавитирующей среде озон/NO-содержащих и иных лекарственных веществ с последующим стимулированием репаративной регенерации тканей в области лимфодиссекции, комплексом физических и физикохимических факторов.

Колбин А.И., Шиманский В.В., Алексеев И.Ю., Шиманская Н.Н., Габдеев М.М., Цымбал В.В. «Анализ спектроскопических наблюдений V837 Tau – звезды типа RS CVn» Астрофизический бюллетень, 74, № 4, с. 484-498 (2019)

Выполнен анализ спектров звезды V837 Tau, принадлежащей к классу хромосферно активных звезд типа RS CVn. Наблюдательный материал был получен на Российско-Турецком телескопе РТТ-150 и телескопе ЗТШ Крымской астрофизической обсерватории. Для выявления признаков фотосферной запятненности главного компонента и выделения слабого вторичного компонента проведена деконволюция «усредненного» спектрального профиля системы. Путем описания кривых лучевых скоростей уточнены элементы орбиты двойной системы, а методом моделирования спектров определены фундаментальные параметры компонентов, а также химический состав атмосферы яркого компонента. При помощи метода доплеровского картирования восстановлено распределение пятен по поверхности яркой звезды. Показано, что пятна концентрируются в поясе на средних (около 40°) широтах. Профили водородных линий имеют переменную эмиссионную составляющую яркого компонента, а в линии Hα обнаруживаются признаки хромосферной активности вторичного компонента.

Цыпкин Г.Г. «Неустойчивость легкой жидкости над тяжелой при движении поверхности раздела в пористой среде» Известия РАН. Механика жидкости и газа, № 23, с. 70-76 (2020)

Исследуется устойчивость движущейся поверхности раздела между газом и жидкостью в пористой среде. Предполагается, что область газа располагается над областью, насыщенной жидкостью. Рассмотрено приложение задачи к фильтрации грунтовых вод и движению нефти в месторождении с газовой шапкой. Показано, что неустойчивость поверхности раздела возникает при движении грунтовых вод в несмачиваемой среде и в среде с градиентом капиллярного давления, а также при эксплуатации нефтяных месторождений, когда пластовое давление падает ниже давления в газовой шапке. Такая неустойчивость при наличии растворенной примеси может приводить к засолению грунтов, а при эксплуатации нефтяных месторождений к образованию остаточной нефти.

Крохмаль А.А., Сапожников О.А., Кудан Е.В., Цысарь С.А., Хесуани Ю.Д., Парфенов В.А. «Сборка кольцеобразного конструкта из тканевых сфероидов в магнитноакустическом поле» XXXII сессия Российского акустического общества, 14–18 октября 2019 г., Москва, с. 51-52 (2019). 106 с.

Нехватка донорских органов является важной проблемой в современной медицине. Перспективным решением является изготовление тканей и органов человека с использованием трехмерной биопечати. В большинстве существующих методов биотехнологии используются каркасы, изготовленные из биоматериалов или наноматериалов. Недавно был предложен инновационный метод биофабрикации, в котором трехмерные тканевые конструкции были изготовлены методом магнитной левитации без различных каркасов в нетоксичной парамагнитной жидкости. В качестве строительных блоков при конструировании тканевых конструктов используются тканевые сфероиды – плотно упакованные сферические агрегаты живых клеток диаметром 0,2 мм. Собранные вместе в магнитную ловушку, тканевые сфероиды контактируют друг с другом и, таким образом, сливаются, образуя трехмерную тканевую конструкцию. Однако магнитная левитация позволяет изготавливать структуры простой формы, тогда как реальные органы содержат полые внутри кровеносные сосуды. Следовательно, желательно формировать тканевые конструкции с некоторыми внутренними каналами. В качестве первого шага в решении этой проблемы в данной работе представлен метод магнитоакустической биофабрикации. Чтобы создать правильную ловушку, мы объединили магнитные и акустические поля. Магнитная система состояла из двух противоположно ориентированных магнитов с пустым пространством между ними. В это пространство был помещен цилиндрический ультразвуковой преобразователь, а внутри пьезокерамического цилиндра был помещен пластиковый контейнер с тканевыми сфероидами. Конструкция была сформирована в области, где гравитация была компенсирована магнитными силами в вертикальном направлении, и из-за магнитного градиента в горизонтальной плоскости сфероиды ткани перемещались навстречу друг другу, поднимаясь над дном контейнера. Пьезоэлектрический преобразователь создавал стоячие цилиндрические ультразвуковые волны. Акустическая радиационная сила действовала от пучности к узлу, вызывая образование кольца из тканевых сфероидов. Удерживание сфероидов в такой ловушке в течение 18–20 часов привело к их слиянию в сплошную живую ткань в форме кольца. Изменение частоты и амплитуды ультразвуковой волны позволило регулировать размер и ширину результирующего тканевого кольца. Ключевые слова: акустическая радиационная сила, акустическая левитация, магнитная левитация, тканевые сфероиды

Цысарь С.А., Николаев Д.А., Сапожников О.А. «Характеризация двумерной ультразвуковой решётки методом нестационарной акустической голографии» XXXII сессия Российского акустического общества, 14–18 октября 2019 г., Москва, с. 56 (2019). 106 с.

Во многих областях применения ультразвука (УЗ) важное значение имеет точное знание пространственно-временной структуры акустического поля, в частности, в медицинской ультразвуковой томографии и терапии. Акустическая голография – это метод записи реальной трехмерной структуры поля путем измерения амплитуды и фазы акустического давления на двумерной поверхности, являющейся голограммой. Акустическая голография позволяет количественно определить характер колебаний поверхности УЗ преобразователя путём расчёта распределений амплитуды и фазы колебательной скорости на поверхности преобразователя из измеренной голограммы. Метод основан на численном решении обратной задачи излучения с граничным условием, заданным на поверхности голограммы. В случае гармонического сигнала это может быть сделано с использованием интеграла Рэлея или метода углового спектра. Метод акустической голографии был успешно применен для характеризации плоских, фокусированных и цилиндрических или сферических преобразователей мегагерцового диапазона частот в жидкости. Метод может быть естественным образом расширен с гармонических на импульсные (нестационарные) поля. В настоящей работе нестационарная голография используется для определения характера колебаний двумерной фазированной диагностической антенной решётки (Медэлком, Вильнюс, Литва). Исследуемый датчик состоит из 20х20 квадратных пьезоэлементов размером 1.45×1.45 мм с зазором 50 мкм. Из 400 только 384 элемента являются активными; они разделены на три группы по 128 элементов, каждая из которых управляется через стандартный ZIF Canon разъем. При проведении измерений фазированный преобразователь подключался к системе Verasonics и возбуждался коротким импульсом, состоящим из 2 периодов частоты 2 МГц. Все активные элементы синфазно излучали сигнал в резервуар с дегазированной водой. Голограмма в виде профилей импульса в окне длительностью 100 мкс на расстоянии 25 мм от источника измерялась гидрофоном SEA Lipstick HGL-0150, последовательно перемещавшимся по узлам квадратной сетки размером 40×40 мм с шагом 0.5 мм с помощью компьютерно-управляемой системы позиционирования Precision Acoustics UMS-3. Рассчитанное из измеренной голограммы поле на поверхности двумерной УЗ решётки в широком частотном диапазоне демонстрирует высокое разрешение и позволяет обнаружить дефекты и неактивные элементы. Ключевые слова: акустическая голография, двумерная УЗ решетка, характеризация излучателей

Петросян С.А., Цысарь С.А., Свет В.Д., Сапожников О.А. «Акустическая визуализация объектов в жидкостях с помощью матрицы из стержневых волноводов» XXXII сессия Российского акустического общества, 14–18 октября 2019 г., Москва, с. 79-80 (2019). 106 с.

Визуализация объектов в оптически непрозрачных или агрессивных жидкостях является сложной задачей, в которой возможно применение ультразвуковых (УЗ) методов. На данный момент существует несколько акустических методов визуализации в таких жидкостях. Главной проблемой при этом является защита пьезопреобразователя от воздействия агрессивной среды, что затрудняет использование традиционных систем ультразвуковой визуализации. В работе предлагается метод обнаружения и визуализации объектов с использованием сканирующей эхо-импульсной системы, акустические сигналы в которой подаются и принимаются через волноводы в виде стальных стержней. Излучение импульса в жидкость осуществляется через стержневой волновод, один конец которого находится в среде с безопасными для работы условиями. На этом конце располагается источник УЗ сигнала. Другой конец погружается в агрессивную жидкость и подводится к участку визуализации для его зондирования. Для регистрации ультразвукового эхо-сигнала, отраженного от объекта исследования, используется многоканальная волноводная система в виде пучка из металлических стержней, один торец которого находится вблизи объекта визуализации, обеспечивая широкий угол обзора и высокое разрешение. Стержни являются достаточно длинными, так что второй торец указанного пучка находится вне агрессивной жидкости, где уже можно принимать сигналы традиционными методами. При использовании стержней с диаметром, меньшим длины волны, каждый из стержней-волноводов проводит только три типа волн, соответствующих квазипродольной, изгибной и крутильной модам. Квазипродольная мода характеризуется гораздо большей групповой скоростью по сравнению с остальными, поэтому для достаточно короткого зондирующего импульса и длинного волновода быстрая импульсная волна разделяется во времени от отстающих от неё остальных мод. Метод обработки сигнала основан на голографическом подходе, который обеспечивает полную пространственно-временную реконструкцию падающего акустического поля, принимаемого волноводной системой. В данной работе результаты численного моделирования, выполненного в среде COMSOL, сравнивались с экспериментальными изображениями рассеивателей, погруженных в воду. Акустический многоканальный волновод состоял из 1024 стержней из нержавеющей стали диаметром 1 мм, в поперечном сечении образующих матрицу 32×32 элемента. Экспериментальные изображения объектов миллиметровых размеров в воде продемонстрировали работоспособность предлагаемой системы для использования в непрозрачных или агрессивных жидкостях. Ключевые слова: неразрушающий контроль, акустические волноводы, ультразвуковая визуализация, волноводная матрица

Николаев Д.А., Цысарь С.А., Хохлова В.А., Сапожников О.А. «Определение акустических параметров поглощающего слоя с использованием ультразвуковой голографии» XXXII сессия Российского акустического общества, 14–18 октября 2019 г., Москва, с. 96-97 (2019). 106 с.

При использовании ультразвука в исследовательских целях либо в практических приложениях важно знать акустические характеристики среды распространения, такие как скорость звука и коэффициент поглощения в определенном диапазоне частот. По определению эти параметры относятся к распространению плоской волны. Однако реальные источники не излучают плоскую волну; вместо этого генерируются ограниченные акустические пучки с неоднородной пространственной структурой. Это делает акустические измерения неточными, а иногда вовсе не соотносящимися с плосковолновой теорией, особенно в ближнем поле излучателя. Метод акустической голографии может быть использован для реализации плосковолнового режима для передачи ультразвука через слой конечной апертуры. Угловой спектр пучка, который представляет акустическое поле в виде суперпозиции плоских волн, распространяющихся под разными углами, может быть определен из двухмерной записи акустического поля, измеренной с помощью гидрофона малого размера. В линейном режиме эти плоские волны распространяются через поглощающий слой независимо друг от друга. Кроме того, для ограниченных акустических пучков такой слой конечной апертуры можно считать бесконечным в поперечном направлении при регистрации всего поперечного волнового поля пучка. Следовательно, нормальная передача плоской волны через бесконечный слой может быть реализована с учетом перпендикулярной к поверхности слоя компоненты углового спектра волны. Настоящая работа посвящена экспериментальному исследованию акустических параметров среды распространения с использованием голографического метода. Эксперимент проводился в несколько этапов. Ультразвуковой преобразователь мегагерцового диапазона частот помещался в ёмкость с дегазированной водой и излучал акустический пучок, распространявшийся через слой исследуемого материала. Амплитуда и фаза прошедшего поля акустического давления измерялась гидрофоном с диаметром чувствительного элемента малым по сравнению с длиной волны. Гидрофон перемещался управляемой компьютером системой позиционирования. Проведено измерение акустических параметров различных материалов, включая акриловый пластик и различные гели. Показано, что предлагаемый способ позволяет с высокой точностью измерять скорость звука и коэффициент поглощения среды в широком частотном диапазоне. Ключевые слова: акустическая голография, угловой спектр, измерение коэффициента поглощения

Николаева А.В., Карзова М.М., Цысарь С.А., Хохлова В.А., Сапожников О.А. «Экспериментальное изучение акустической радиационной силы фокусированного пучка, действующей на упругую сферу в жидкости» XXXII сессия Российского акустического общества, 14–18 октября 2019 г., Москва, с. 49-50 (2019). 106 с.

Целью работы является повышение точности метода измерения акустической радиационной силы, действующей со стороны фокусированного ультразвукового пучка мегагерцового диапазона частот на сферический упругий рассеиватель миллиметрового размера в жидкости. Ультразвуковой пучок генерируется одноэлементным пьезокерамическим преобразователем (частота 1,072 МГц, фокусное расстояние 70 мм, диаметр 100 мм), который располагается на дне бассейна с водой. Сферические рассеиватели диаметром от 2 до 6 мм, изготовленные из нейлона, стекла или нержавеющей стали, помещаются вдоль вертикально ориентированной оси излучателя. Каждый рассеиватель закрепляется в специально сконструированной раме с 3-х уровневой ловушкой из тонких лесок. Метод определения радиационной силы основан на балансе между силой тяжести, силой Архимеда и радиационной силой и измерении порогового значения силы, при котором баланс нарушается. Измерения проводятся следующим образом: начальная мощность пучка выбирается достаточно высокой, чтобы переместить рассеиватель к верхнему уровню ловушки. Затем постепенное уменьшение мощности, приводящее и к уменьшению радиационной силы, осуществляется до тех пор, пока шарик не начнёт отрываться от верхних лесок и двигаться вниз. Это пороговое значение мощности соответствует условию равенства радиационной силы и разности силы тяжести и силы Архимеда. Значение акустической мощности в проведенных экспериментах не превышает 40 Вт, а соответствующая радиационная сила – 4 мН. Также по известным параметрам рассеивателя (диаметр, плотность, скорость продольных и поперечных волн) и известному угловому спектру пучка радиационная сила рассчитывается численно. Угловой спектр определяется по измерениям акустической голограммы (поперечного распределения амплитуды и фазы акустического давления). Экспериментальные и теоретические результаты хорошо согласуются в области перед и за фокусом со средней ошибкой измерения 10%. Показано, что если ширина пучка в фокусе намного меньше диаметра рассеивателя, то наиболее эффективное силовое воздействие происходит в области до и после точки фокуса, где ширина пучка превышает размеры рассеивателя. Ключевые слова: акустическая радиационная сила, фокусированный пучок, экспериментальные измерения.