«Фотонные кристаллы» в подавлении гидро-акустических шумов

В 1960-80 годах на физическом факультете велись исследования гидроакустических шумов подводных ракет, которые разрабатывались в Центральном научно-исследовательском институте автоматики и гидроакустики. Эти исследования выполнялись под руководством С.П. Стрелкова и В.И. Шмальгаузена на кафедре общей физики для мехмата и В.А. Бурова на кафедре акустики. Создание высокоскоростных самонаводящихся ракет было необходимо, чтобы отогнать от наших берегов иностранные подводные лодки. При высоком уровне акустических шумов, создаваемых реактивной струей двигателя, ракету можно легко обнаружить и уклониться от нее, ее гидрофоны оказывались глухими и акустическая система самонаведения не работоспособной. Поэтому ключевая проблема в исследованиях, проводимых на физическом факультете, состояла в исследовании источников гидроакустических шумов подводных ракет и их подавлении на акустической антенне [Противолодочные подводные ракеты. Изд-во Физического факультета МГУ, 2011]. «Эффект самоэкранировки шумов реактивной струи реактивной газовой сверхзвуковой струи, истекающей в воду», который был открыт и исследован А.В. Минаевым, выпускником факультета 1957 года, руководителем работ в ЦНИИАГ, вселял надежду в создание самонаводящихся подводных ракет. Оказалось, что шум реактивной струи, истекающей в газопаровую каверну, которая образуется возле сопла двигателя, не проникает в воду, но по металлическому корпусу ракеты беспрепятственно достигает гидрофонов акустической антенны. По корпусу распространяются к антенне и шумы, которые генерируют турбулентные вихри, возникающие при сверхзвуковом обтекании ракеты. Для ослабления шумов вся акустическая антенна в головном отсеке заливалась пенополиуретановой массой, развязывающая ее от колебаний корпуса.

Наряду с этим было предложено использовать динамическое вибродемпфирование головного отсека ракеты в полосе частот акустической антенны. Демпфирование осуществлялось периодической системой тонких ребер, расположенных внутри цилиндрического корпуса (Рис.1) [Кандидов В.П., Шенявский Л.А., Акустический журнал, XXVI, 84, (1980)]. При этом расстояние между соседними ребрами было меньше длины волн, распространяющихся в оболочке, а их собственная частота изгибных колебаний совпадала с рабочей частотой гидрофонов антенны. В такой системе качественно изменялась дисперсия упругих волн по сравнению с однородной оболочкой. Появлялись запрещенные зоны для продольной и поперечных волн в оболочке, происходила их взаимная трансформация на частотах, близких к собственной частоте ребер. Простая модель в виде упругого стержня с периодически расположенными ребрами наглядно иллюстрирует дисперсию волн в структуре (Рис.2) [Демиденко Т.Ф., Кандидов В.П., Шмальгаузен В.И., Акустический журнал XXI, 869, (1975)]. Для изгибной волны I, фазовая скорость которой возрастает с частотой в однородном стержне, возникает запрещенная зона в окрестности собственной частоты колебаний ребер. В продольной волне сжатия-растяжения (а) с приближением к собственной частоте ребер появляется поперечная компонента смещения и уменьшается скорость распространения. Запрещенная зона для этой волны находится в окрестности второй частоты собственных колебаний ребер. На дисперсию волн в упругой периодической структуре существенно влияет динамическая жесткость ребер в области частот их собственных колебаний. Такую структуру, период которой меньше длины распространяющейся волны, можно рассматривать в области резонансных частот ребер, как одномерный «метаматериал» для упругих волн.

Рис.1. Сечения цилиндрической Рис.2. Дисперсия упругих волн

оболочки с ребрами. в стержне с ребрами:

изгибной (I) и продольной (а).

В акустике периодическая структура с запрещенной зоной для упругих волн получила название «фильтра-пробки», в оптике такая структура называется «фотонным кристаллом», в СВЧ — электронике — «замедляющей системой».

Волновая аналогия между цепочкой из упруго связанных масс и электрическим фильтром нижних частот лишь кратко упоминается в учебном пособии М.Б. Виноградовой, О.В. Руденко, А.П. Сухорукова «Теория волн», изданном в 1979 году.

С развитием узких научных направлений в физике нельзя забывать в учебном процессе об общих закономерностях в природе, в частности, о единстве волновых процессов независимо от их физической природы.

Профессор В.П. Кандидов

Назад