Теоретическая модель процесса лазерного возбуждения акустических сигналов в жидкой среде с присутствием наноразмерных объектов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Южный федеральный университет, факультет электроники и приборостроения

Теоретическая модель процесса лазерного возбуждения акустических сигналов в жидкой среде с присутствием наноразмерных объектов

Д.В. Орда-Жигулина, И.Б. Старченко

Целью настоящей работы является разработка теоретической модели оптической генерации акустического поля в жидкой среде в присутствии наноразмерных объектов, а именно углеродных наноматериалов.

Предлагается, что суммарное акустическое поле, формируемое в среде, будет складываться из двух составляющих: поля, формируемого оптическим импульсом в жидкой среде, и поля, формируемого самими углеродными наночастицами.

Для реализации данного предположения были рассмотрены теоретические модели оптоакустического эффекта в жидких средах и анизотропном твердом теле.

Аддитивность физических явлений, положенных в основу модели, обеспечивается сходством временных масштабов рассматриваемых процессов оптоакустического взаимодействия.

Выполним расчет акустического поля, формируемого углеродными наночастицами, с использованием выражения [1]для описания профиля колебательной скорости v в звуковой волне:

Здесь Y- константа электрострикции, k- волновое число, L-граница лазерного пучка, - круговая частота, с0 - плотность, сL- скорость продольных волн.

Параметры для расчета взяты из литературных источников [2, 3]. На графиках рис. 1 представлены временные профили оптоакустических импульсов, причем по оси абсцисс отложено нормированное время на длительность оптического импульса.

а) б)

Рисунок 1 - Акустическое поле, формируемое углеродными наночастицами: а) для ; б) для

Зависимость уровня звукового давления от времени (форма импульса), построенные с использованием выражения [4, 5]

изображены на рис. 2 для различных длительностей импульса и расстояний. Видно, что при ОА-преобразовании возбуждаются двуполярные акустические импульсы: за фазой сжатия следует фаза разрежения. Такая форма сигналов обусловлена свободным характером поверхности воды. Если на поверхность положить прозрачную пластину (например, из плотного стекла), акустический импеданс сс которой много больше, чем у воды, то сформируются однополярные импульсы сжатия.

a) б)

в)

Рисунок 2 -Эволюция профиля оптоакустического импульса в нелинейной диссипативной среде: а) мкс; б) мкс; в) мкс

Далее, на рис. 3 представлен расчет по теоретической модели оптоакустического эффекта в жидкой среде с наночастицами, описанной выше. оптический поле углеродный наночастица

а) б)

Рисунок 3 - Суммарное акустическое поле, формируемое УНТ и средой: а) для ; б) для.

Видно, что присутствие наноразмерных частиц в среде дает некоторую добавку к уровню акустического давления. К сожалению, оценить точно ее величину не представляется возможным из-за разброса в электрофизических параметрах нанотрубок в несколько порядков.

Литература

1. Гусев, В.Э. Лазерная оптоакустика [Текст] / В.Э. Гусев, А.А.Карабутов // М.: Наука, 1991. - 304 с.

2. Гуляев, Ю.В. Углеродные нанотрубные структуры - новый материал для эмиссионной электроники [Текст] / Ю.В. Гуляев // Вестник Российской Академии Наук, 2003. -Т.73, -№ 5, -С. 389.

3. Андриевский, Р.А. Наноструктурные материалы [Текст] / Р.А.Андриевский, А.В. Рагуля // М.: Издательский центр "Академия", 2005. -192 с.

4. Новиков, Б.К. Нелинейная гидроакустика [Текст] / Б.К. Новиков, О.В. Руденко, В.И. Тимошенко // Судостроение, 1981. - 264 с.

5. Джуплина, Г.Ю. Теоретическая модель оптикоакустического эффекта в среде с наноразмерными рассеивателями [Текст] / Г.Ю. Джуплина, И.Б. Старченко // Известия ЮФУ. Технические науки. - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ. 2009. - № 10. - С.189 192.

Размещено на Allbest.ru