научная статья по теме О ВОЛНАХ ЛЭМБА В УПРУГИХ СЛОЯХ РОМБИЧЕСКОЙ СИММЕТРИИ Физика

Текст научной статьи на тему «О ВОЛНАХ ЛЭМБА В УПРУГИХ СЛОЯХ РОМБИЧЕСКОЙ СИММЕТРИИ»

АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2015, том 61, № 2, с. 161-164

КЛАССИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЛИНЕЙНОЙ АКУСТИКИ И ТЕОРИИ ВОЛН

УДК 534.16

О ВОЛНАХ ЛЭМБА В УПРУГИХ СЛОЯХ РОМБИЧЕСКОЙ СИММЕТРИИ

© 2015 г. С. К. Тлеукенов, А. Б. Айтбаев

ЕНУим. Л.Н. Гумилева Казахстан, Астана, ул. Мунайтпасова 3 E-mail: tleukenov_sk@enu.kz Поступила в редакцию 14.04.2014 г.

Аналитически получены уравнения дисперсии упругих волн вертикальной поляризации в слое ромбической анизотропии. Показано, что из этого уравнения следуют уравнения дисперсии симметричных и антисимметричных мод. В предельных случаях коротких и длинных волн получены условия существования волн Рэлея и предельные скорости для тонких слоев. Установлено, что для изотропных слоев эти скорости совпадают с известными их значениями.

Ключевые слова: волны Лэмба, дисперсия, ромбическая анизотропия, симметричные и антисимметричные моды.

DOI: 10.7868/S0320791915010141

ВВЕДЕНИЕ

Теория распространения волн Лэмба в изотропных слоях разработана в работе [1]. Волны Лэмба (Лэмба—Рэлея), наряду с волнами Рэлея и Лява, изучались в качестве основного механизма переноса сейсмической энергии при землетрясениях [2—4]. В настоящее время волны Лэмба широко используются в неразрушающей диагностике [5—7]. Характеристики волн Лэмба в анизотропных слоях имеют важное прикладное значение. Различные аспекты теории волн Лэмба исследовались в работах [8—10]. Современное состояние и обширную библиографию можно найти в содержательном обзоре [11]. В обзоре отмечено, что теоретические исследования основаны на численных расчетах и связаны с развитием различных вариантов шестимерного формализма Стро и Коши. Численные расчеты дисперсии волн Лэмба и поверхностных волн Рэлея проведены в работах [12, 13]. Низкочастотные приближения для определения нулевых мод нормальных волн в анизотропных пластинах рассмотрены в [14, 15]. Исследованиям дисперсионных уравнений волн Лэмба и Рэлея посвящены работы [16—20].

В данной работе получено аналитическое выражение для уравнений дисперсии волн сагиттальной поляризации в анизотропном слое ромбической симметрии на основе подхода, изложенного в работах [21—25].

УРАВНЕНИЯ ДВИЖЕНИЯ И ИХ РЕШЕНИЯ

Уравнения движения упругой анизотропной среды ромбической симметрии при распространении волн вдоль плоскости (х, z) имеют вид

дахх . дах

дх dz

д Ux )—2х

dt2

дах. + daz

Lijklbkb

'-kl

дх dz . 1 (U + dUe 2 \дх1 дхк

д Uz 5—2 51

(1) (2)

Тензор упругих модулей имеет элементы

(c

0 л

0

0

0

0

(3)

' Сц еп С13 0 0

С21 с22 с23 0 0 С31 с32 с33 0 0

0 0 0 С44 0 0 0 0 0 с55 V 0 0 0 0 0 с66) Элементы тензора записаны с использованием двухзнаковых обозначений:

(11) ^ 1; (22) ^ 2; (33) ^ 3; (23) ^ 4;

(31) ^ 5; (12) ^ 6. Для системы уравнений (1), (2) используется представление решений искомых функций:

/(х,г,?) = /(г)ехр(Ш - шх). (4)

Подстановка (4) в (1), (2) приводит ее к системе уравнений первого порядка [21, 22, 25]:

1 , • с137Т —2 = —а + ш—их,

dz

da zz

dz

dUx

-33

-33

- -рю Uz + imaх

= imUz + — а хР

dz C55

da

dz

s - im—a zz + I m

33

cu -

2 Л

-13

43

рю

U

162

ТЛЕУКЕНОВ, АИТБАЕВ

В матричной форме уравнения (5) имеют вид

0 ^

( 0 bu ¿13

— = BW, B = dz

¿21 0 ¿31 0

0 b

24

0 b

34

V 0 ¿42 ¿43

W = (Uz, a zz,Ux, a xz),

¿12 =

-1, b13 = imCc3.

¿21 = -рЮ ,

33

33

b24 = im, b34 = —,

b43 = -рю2 + m2

2

<-55

Ci, --

c33 у

(6)

T =

К2 - k2'

x[(B2 + K2e)coskz - (B2 + к2E)cosKz

- (k 2b + к Vb+

+ (2B + k Vb-1)sin^ v 7 К

(7)

det [B2 + x2e] = 0, ^2 = к2, ^2 = tf2,]

X4

■(k2 + tf2)2

k 2tf2 = 0.

(9)

= 0, azz = 0 при z = 0, z = H.

(10)

Ось г перпендикулярна граничным плоскостям слоя. Подстановка (10) в (7) приводит к однородному матричному уравнению:

W(H) = TW(0), W(0) = (Uz,0,Ux,0)[, W (H) = (Uz,0,Ux,0)H.

(11)

Из (11) следует общий вид уравнения дисперсии волн в анизотропном слое:

( ¿21 ¿23 V23 ¿43ки*

= 0 ^ t21t43 123 — 0, ¿41 — ¿:

»23-

(12)

Элементы tи имеют вид

При постоянных значениях упругих модулей и плотности для системы уравнений (6) справедливо представление точного аналитического решения в форме матрицанта [21, 25]:

1 ,,

121 =-

(k% + А2b4з)sinkH +

К2 - kЛ ' k

+ ( + А 2b4з )SinKH,

К2 - kП 21 ' К

143 — 2

К2 - k

1 /;2, a 2/ \sin kH

—j(k ¿43 + А^ц)——

+

+ •

К2 - k

L_ (К2Ь43 + A2b21 ))^, _ i-M 7 К

123 - 141 -

1

(13)

W (;) = TW (г о).

Матрицант — нормированная матрица фундаментальных решений системы уравнений первого порядка [26]. Матрицант Т удовлетворяет уравнению (6):

— = ВТ, — = — W0 = Вт0 = BW. (8)

Представление матрицанта (7) получено на основе усреднения аналитического представления матрицанта периодически-неоднородного слоя с использованием полиномов Чебышева—Геген-бауэра [23, 24]. Усреднение означает предельный переход при X > I (X — длина волны, I — период неоднородности) к однородной среде. Результат (7) непосредственно следует из свойств полиномов Чебышева—Гегенбауэра [21, 25]. В (7) к и К определяются из условия

2 Р23 (COS kH - ^КН).

cs k

Р23 = ¿21b31 + ¿24b43; A? = ¿12b43 - b^; A2 = ¿21b34 - ¿422.

Явный вид уравнения дисперсии упругих волн следует из (12) при подстановке (13):

[4k Vb21b43 + (k2 + К2)(Ab3 + A12b22]) х х sin kHsin^H +

(14)

+ 2kK Р2з(1 - cos kH cosKH)] = 0. Если в (14) положить H = 2h, то оно приводится к виду

tg2kh + tg2Kh -

(k2 + К2)(Afa + A2b43)2 - 2A1A2b21b43(k - К)

^(A + ¿43A2) + ЬцЬ43 (k - К)

x tgkhtgKh = 0. Из (15) следует квадратное уравнение

tgKh

x (15)

2

^ - fl+ 1 = 0, tg kh tgkh

(16)

и являются компонентами волновых векторов Р и 8У волн вдоль оси г.

УРАВНЕНИЯ ДИСПЕРСИИ

Рассматриваются классические граничные условия — обе границы плоскопараллельного слоя свободны:

а — коэффициент при tgkhtgKк в (15).

Решение квадратного уравнения в (16) приводит к двум уравнениям:

tgКh = КА^21 + кА2Ь43 tgkh кА1Ь21 + К А2Ь43

и

tgКh = кА1Ь21 + К А 2Ь43 tgkh КА1Ь21 + кА2Ь43 Уравнение (17) определяет дисперсию симметричных мод, а (18) — антисимметричных мод Лэмба в анизотропном слое.

(17)

(18)

О ВОЛНАХ ЛЭМБА

163

ПРЯМОЙ ВЫВОД УРАВНЕНИЙ (17), (18)

Уравнения дисперсии симметричных и антисимметричных мод Лэмба могут быть получены непосредственно, если использовать условия относительно компонент напряжения и смещений на срединной плоскости. В случае симметричных мод Лэмба на срединной плоскости должны выполняться условия

^ил = (0,аг,их,0)'; г = к, (19)

т.е. на срединной плоскости обращают в ноль иг и о^.

Учет (19) приводит к матричному уравнению

Г 0 ^

0

Ux 0

= T

У h

U

0 у 0

122 123

142 143

= 0,

(20)

откуда следует искомое уравнение:

122t43 - 123t42 = 0.

Подстановка в (21) элементов ty из (7) дает явный вид:

к (Х: b43 + Ajb21) sinKh cos kh = = K(k 2b43 + A2b21)sin kh cosKh,

или

tgKh _ KA1b21 + kA2b43 tgkh kA1b21 + К A2b43' что совпадает с (17). При выводе (23) из (22) учтено, что kK = А1А 2.

При определении уравнения дисперсии антисимметричных мод (18) на срединной плоскости вектор W принимается в виде

W = (^,0,0^), т.е. Ux = 0 и а!Х = 0, z = h. Вычисления, аналогичные симметричному случаю, приводят к уравнению (18).

(21)

(22)

(23)

(24)

ПРЕДЕЛЬНЫЕ СКОРОСТИ

Из уравнений (17), (18) при kh,Kh ^ да следуют условия существования волн Рэлея. Для этого необходимо учесть, что для поверхностных волн

Х^-i\\, k . (25)

Соотношения (25) отражают то, что скорость волн Рэлея меньше скорости объемных волн.

При |k|h,Цh ^ да limxthx = 1. Из (17), (18) получим

Ц&1021 + k А 2^43 = k A1Ä21 + NA 2^43,

откуда

(И- k )(Axb21 -А ¿43) = 0. (26)

Из (26) следует искомое условие существования волн Рэлея [25]:

Ъп b43 = 0.

А1

(27)

При кк, К к ^ 0 в случае уравнения (17) для симметричных мод имеет место

АА3 = 0, А2 = 0, Ь43 = 0, (28)

откуда следуют предельные скорости:

А2 = 0 ^ d = С55,

Ъ43 = 0 ^ c

2 = С11 пр2

1 -

2

С13 С11С33 )

(29)

Для изотропной среды из (28) следуют известные значения предельных скоростей:

2 ц

С , _ -пр1 >

-пр2

_ 4ц

1 -■

ц

X + 2ц

_ 4ci211 - С2

(30)

В случае антисимметричных мод, при кк ^ 0, К к ^ 0, с учетом разложения тангенса

tgx = x + ■

3

x ^ 1,

(31)

уравнение (18) приводится к виду

h

2 С

. 2 Ъ4

1 + К2 + кА + А2^ 1 = 0, А2 = 0. 3 ^ ¿21)

Из второго условия получим

а2 _ С11

а1пр - .

Р

Это предельная скорость для антисимметричных мод, не зависящая от частоты и толщины пластины.

(32)

(33)

Из первого условия имеем (— — 01:

(— - 4

&2пр -

4 whc,

а

пр2

пр2

_ <-11

1 --

43

С11С-

11<-33

(34)

Для изотропных сред из (32) и (34) следуют классические формулы [27, 28]:

^2пр = 22 4»h^,

2пр V3 2

пр2

_ 4ц

1 -■

ц

или

&2пр -

s

(ühcJ 1 - -2,

2 Ц

с, --; С -

Х + 2ц) 2 _ X + 2ц

(35)

(36)

ВЫВОДЫ

Из полученных уравнений дисперсии следуют уравнения дисперсии волн Лэмба в анизотропных слоях более высокой симметрии, т.е. для различных классов кубической, гексагональной, тетрагональной сингонии при соответствующей замене упругих параметров.

Получено уравнение дисперсии волн вертикальной поляризации в анизотропном слое ромбической симметрии. Показано, что из уравнения дисперсии волн для слоя следуют уравнения

3

164

ТЛЕУКЕНОВ, АЙТБАЕВ

дисперсии симметричных и антисимметричных мод Лэмба. В предельных случаях из этих уравнений получены условия существования волн Рэлея и предельные скорости волн в тонких пластинах для симметричных и антисимметричных мод Лэмба. Установлено, что в случае изотропной среды они дают известные значения этих скоростей.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Lamb H. On waves in an elastic plate // Proc. Roy. Soc. А. 1917. V. 93. P. 114-128.

2. Aki K., Richards P.G. Quantitative Seismology. Theory and Methods. N.Y.: W.H. Freeman and Company, 2002. 700 p.

3. Ben-Menahem A., Singh S.J. Seismic Waves and Sources. Dover Publications, 2012. 2nd ed. 1102 p.

4. Chapman C. Fundamentals of Seismic Wave Propagation. N.Y.: Cambridge University Press, 2010. 608 p.

5. Викторов И.А. Физические основы применения ультразвуковых волн Рэлея и Лэмба в технике. М.: Наука, 1966. 168 с.

6. Викторов И.А. Ультразвуковые волны Лэмба. Обзор // Акуст. журн. 1965. Т. 11. № 1. С. 1-18.

7. RoyerD., DieulesaintE. Elastic Waves i

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком