научная статья по теме ОБ УЧЕТЕ ВЛИЯНИЯ КРИТИЧЕСКОГО УГЛА НА ПАРАМЕТРЫ СМЕЩЕНИЯ ПОПЕРЕЧНЫХ УПРУГИХ ВОЛН, ВОЗБУЖДАЕМЫХ СОСРЕДОТОЧЕННЫМИ ИСТОЧНИКАМИ Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства

Текст научной статьи на тему «ОБ УЧЕТЕ ВЛИЯНИЯ КРИТИЧЕСКОГО УГЛА НА ПАРАМЕТРЫ СМЕЩЕНИЯ ПОПЕРЕЧНЫХ УПРУГИХ ВОЛН, ВОЗБУЖДАЕМЫХ СОСРЕДОТОЧЕННЫМИ ИСТОЧНИКАМИ»

Акустические методы

УДК 620.179.16

ОБ УЧЕТЕ ВЛИЯНИЯ КРИТИЧЕСКОГО УГЛА НА ПАРАМЕТРЫ СМЕЩЕНИЯ ПОПЕРЕЧНЫХ УПРУГИХ ВОЛН, ВОЗБУЖДАЕМЫХ СОСРЕДОТОЧЕННЫМИ ИСТОЧНИКАМИ

В.Н. Данилов, АЛ. Самокрутов

В дальней зоне получены асимптотические выражения смещений поперечных волн, возбуждаемых источниками типа "сосредоточенная вертикальная и горизонтальная сила на поверхности упругого полупространства", учитывающие особенности излучения таких волн под углами, близкими к третьему критическому. При достаточной удаленности от критического угла эти выражения переходят в полученные ранее асимптотические оценки.

Одним из направлений развития эхометода у. з. контроля является применение преобразователей малых волновых размеров с сухим точечным контактом, излучение которых моделируется излучением точечных колебательных сил [1]. В работе [2] получены представления смещений продольных и поперечных волн, возбуждаемых подобными источниками с поверхности упругого полупространства. В дальней зоне получены асимптотические выражения смещений в первом приближении метода перевала. При этом отмечалось, что для поперечных волн полученные выражения могут быть не точны, если расчеты проводятся в окрестности третьего критического угла [3] 03 = ап^г^с^с,), где с, Т — скорости продольной / и поперечной т волн. Ниже приводится расчет уточненных значений компонент вектора смещения поперечной волны, возбуждаемой в упругом полупространстве вертикальным и горизонтальным источниками типа "сосредоточенная сила", учитывающих особенности влияния этого критического угла.

Из результатов работы [2] получаем, что для источника типа вертикальная сосредоточенная сила (^Гг), находящегося в начале системы координат, ось 02 которой ортогональна поверхности г = О упругого полупространства (г > 0), выражения в виде интегралов Фурье—Бесселя цилиндрических г и г компонент вектора смещения поперечной волны имеют вид:

Fr,

ОО _ ( О

J W(k\ 1V '

2Wj0 W(k)

ux _ iFjz г ,, 2k v, t

f dk (kr); (1)

271JH J W(k) oV '

W(k) = (Je2 - 2k2)2 + 4Fv,vT, v/it = V kl - k2,

где kh kx — волновые числа продольных и поперечных волн; |1 — параметр Ламэ; /0, — цилиндрические функции Бесселя нулевого и первого порядка; к — параметр интегральных разложений.

При замене функций Бесселя J0tl{kr)->^ + ], где

//o ](i).(2) —функции Ханкеля 1-го и 2-го рода, преобразования пределов

интегрирования

м- \

J \о 2 J

-а У

с учетом четности функций Ханкеля [4],

использования асимптотических представлений Я0(|)(х) —» I —е'(х~к/4)

их

Я,(1)(д:) -> ГХе<(*-3*/4) [5] в дальней зоне кхЯ » \,Я= л! х2 +г2 из (1)

тех

получаем следующие соотношения:

_.3к

г2те ^

2яц £ V г Ж (Л)

СЛ

^ 7\; —

_ Г I * 2/:2Л/у!Л/ к1 + к Г пГЧг УГ(к) ' (2)

2тец /2те { Ч г ]¥ (к)

Для источника типа горизонтальная сосредоточенная сила (РТх) интегральные представления тех же компонент вектора смещения (поляризация см. [2]) имеют вид:

- - 1 (3)

Преобразуя формулы (3) аналогично тому, как это делалось при переходе от выражений (1) к (2) с удержанием первых членов разложений функций Ханкеля и их производных, получаем выражения:

2тец /2л -1 V г У? (к)

.Зп

"г,» Ш*-2*)^

^ ~ 2тер /2я г № (Л)

= соз <р [ с1кк* - . (4)

те V г ИЧ*)

Избавляясь от радикала / к2 - к2 в знаменателях подынтегральных

выражений в (2) и (4) путем умножения числителя и знаменателя на соотношение [(&т2 - 2£2)2 - 4АгУ/Ут] (см. подобное преобразование в [6], п. 12.2), получаем следующие представления компонент смещения. Для вертикальной силы (^Гг):

гут =

ГУ —

/V, е"4

~ _(/ +/ >

.п

тп - е 4

7 ГТ клГк7+к (к2 -2к2)2 V. ,__..

Л„ = 2/ Г Л - ^ ' т ,;;.-{ГТ,^ ; (5)

1 V Г Щ*)

7 ГХ к3(к*-к2) (к!-к2) . ..

Л™

= (&т2 - 2&2)4 - 1 бк4^2 - £2)(£,2 - £2). Для горизонтальной силы

кк^к2-к2 [к2-к2).^1кг_

РТх е 4 со8 ф г _ ,

.Згс

Л., £ 4 совф г . 1

^т^т" {'-♦'■Л

[1гг

^ Лг ВД е ' (6)

/2Г8= Уг

1\2Ц= \<1к

МГ2{к)

\3

кк{к2-2к2) ^ Г

^ = I с1к

Л V г ^

Интегралы /2п), /2л), /1гх, могут быть оценены в первом приближении метода перевала. В остальных интегралах особенность, связанная с интегрированием в окрестности точки ветвления к = к1, выделена в явном

виде и обусловлена наличием множителя — радикала ^ к- к,. Эти интегралы в общем виде могут быть записаны как:

/ =

= \clkF

q{k) = kr + ^J k2-k2z, z > 0, г > 0. (7)

Седловая точка подынтегрального выражения в (7) определяется из уравнения

q\ks) - г —. = 0, откуда следует:

А2"*,2

ks= £T-^ + £Tsin0; -J к2 - к2 = кх~ = кх cos 0;

<пы=--М=тR=J(8)

fkf^kf М ^ cos- е

В окрестности точки ветвления к = к, фазовая функция q(k) может быть представлена в виде суммы первых членов разложения в степенной ряд, при этом с учетом (8) получаем, что

q(k)= q(ks) + ±q"(ks)(k-ks)\ где q(ks) = kxR, поэтому интеграл J (7) может быть представлен в виде

~ __-<-^-(к-к, )2

J = eik*R jdkF {k)ltTT,e cos e . (9)

Согласно результатам работы [6] (см. п. 11) интеграл (9) может быть равномерно асимптотически оценен с использованием функций параболического цилиндра от параметра

kxR

COS0

—— sin0

К

л

\ .я

-I— , 4

(10)

Такая оценка имеет следующий вид:

(к V/4

J= e'k*Rj2n I-^-j cosQ-fcosBe

. Rk%

4 cos2 е и ■

V .5,

X i^7 (*,) A/2 (") +- (*t sin e) - F (A,) ] D3/2 (и)}, (11)

где Dm(u), Z)3/2(m) — функции параболического цилиндра (Вебера) со значками 1/2 и 3/2.

х

При М » 1 (седловая точка достаточно удалена от точки ветвления) Ощ(и) —> е 4 /и, Dm{u) —> е 4 и/и (коротковолновая асимптотика) [5], поэтому из (11) получаем значение интеграла

J -» e'kxR"4 j cos 9^ ¿T sin 9 -ktF (kx sin 9), (12)

соответствующее его оценке в первом приближении метода перевала.

Из формул (5)—(11) получаем следующие асимптотические оценки смещений поперечных волн с учетом особенностей в окрестности третьего критического угла (точки ветвления). Для вертикальной силы:

ik,R

Ft, е' 2 тф. R

„Д/ cose ■ cos9

/М?

■ í k¡ ■ Л -1k

¡-V- —-sine -1-

4cos2eU, ) 8

X

2/2

/ , \3/2

К

к2 1-2 — к2

*5 , . i

2-A/2W+-

U

(

х /

2 sin 9 cos 9

i

^ + sin9 (l-2sin29)2

k-r

W2(kx sin9)/¿x8

2/2

/ , Л3/2 V^x /

*2

1-2

£>3/2 («)

8 sin 9 cos 9

+ -

Ч2

-y-sin2 9

k;

W2(kx smQ)/k*

(13)

__ _

2лц Л

coseV^/'4cos2eU-:-Sil

-sin H +i

2/2

/ . N5/2

ч^х /

1-2^

А/2(") +

х /

/ 2 sin2 9 1^ + sinO l-2sin29)2 2/2 V l^xj 5/2 Л Dm{u)

V W2(kxsmQ)/k* Г 1-2 — к2 \ x > 2 J

4 Дефектоскопия, № 10, 2003

Бет4 9СОБ2 6

\

ь1

\Кг_У

\У2(кх8тв)/к8х

Для горизонтальной силы:

их - —--

~ /г

совф

со82 9 (1-28Ш39)3

/ \ / о ииЬ" I- с

:

4^2

/ , Л5/2/ у

У

2%

£

1-

1/2

II

48Ш20СО82е М- + 8Ш0 (1-28Ш20)

\У2(кх8тв)/к*

4/2

1 . О

1-2— V "и

03/2(м)

(14)

Р с

¡к, Я

= 2л|д, Л

г« '

-СОвф

втбсовб (1-25Ш2 б)3 \¥2(кх5Ш)/к1

+

+ С05 0

д/ СОЭ©

4со52е1 Л

1_2 —

к2 К-С У

— А/г(") +

4вт3 ОСОБ+ (1-28т2 9)

4дД

/, л7/2 к

у

' к2 Л 1 - 2 —

к2

V "х;

£>3/2 00

В формулах (13), (14) угол 9 отсчитывается в направлении орта п0 от положительного направления оси 02, а угол ср — положительного направления оси ОХ.

Для вертикально ориентированной силы полное смещение поперечной волны (в направлении, ортогональном направлению распространения) (п0) равно £Д,Т = £/т0у = 1/хпсонв - СЛ^тЭ, где компоненты Vх их„ определяются по формулам (13). Для горизонтальной силы полное смещение поперечной волны (в направлении, ортогональном направлению

распространения) равно {// = д/ Щ2 + \]х2, ихв5 = 1ЛГ8совЭ - С/^пЭ, где

компоненты их,.в, их1& определяются по формулам (14), а компонента ифт отвечает смещению волны с поляризацией БН [2]

■н

и

г т т _ _ 'гТх

——вШф -

2*И

Ы/:

В первом приближении метода перевала IIах =--— БШф

2п[1

/ЬК

я

Следует отметить, что уравнение (к2 - 2 к2)2 - 4Ру,ут = 9 имеет в зависимости от отношения ст/с, два комплексных (сопряженных) или действительных корня [7]. Если какой-либо из этих корней (полюсов) оказывается в окрестности седловой точки, а та сама недостаточно удалена от точки ветвления (Ы »1, и нельзя использовать коротковолновую асимптотику функций Вебера), то абсолютная погрешность оценок по формулам (13), (14), имеющих асимптотику ~ кхЯ, может оказаться значительной (сопоставимой с получаемой оценкой), но будет убывать при возрастании параметра кхЯ » 1.

На рис. 1—4 приведены зависимости от угла направления распространения 9 (в диапазоне 9,5°—85,5° с шагом 9,5°) модуля нормированного значения смещения поперечной волны для вертикальной сосредоточенной силы

иху/у -

11271 Я

для нескольких значений отношения с,/ст при возрастании параметра равного 100 для рис. 1, 200 — рис. 2, 500 — рис. 3 и 5000 — рис. 4. Зави-

Рис. 1. Зависимость модуля нормированного Рис. 2. Зависимость модуля нормированно-

смещения для вертикальной сосредоточен- го смещеши для вертикальной сосредото-

ной силы 1]\ы от угла направления распрост- ченной силы (У\л, от угла направления рас-ранения 0 при к% /? = 100: пространения 6 при кх /? = 200: 1 — ф, = 1,85; 2 — 1,9; 3 — 1,95. 1 — фх = 1,85; 2 — 1,9; 3 — 1,95.

симости на рис. 4 практически не отличается от получаемых в первом приближении метода перевала.

Рим. 3. Зависимость модуля нормирование- Рис. 4. Зависимость модуля нормирован-

го смещения для вертикальной сосредото- ного смещения для вертикальной сосредо-

ченной силы и\м от угла направления рас- точенной нагрузки и\ы от угла направле-

пространения 9 при кхИ = 500: ния распространения 0 при к, Я = 5000:

1 — ф, = 1,85; 2 — 1,9; 3 — 1,95. Ф, = 1,85; 2 — 1,9; 3 — 1,95.

На рис. 5—8 приведены аналогичные зависимости модуля нормированного значения смещения для горизонтальной сосредоточенной силы

и\ы -

г г ¡ья Л рТх в

ц2п Я

для нескольких значений отношения с/ст, угла (р = 0 и возрастания параметра кхИ. от 100 (рис. 5) до 5000 (рис. 8). Зависимости на рис. 8 практически не

2,18

1,76 1,33

0,91 0,49

0,06

д

л 2\\

1 м

1 Мг

0,50

28,83

57,17

ияМ 1,41

1ДЗ 0,85 0,57 0,58

0,00

0,50

28,83

57,17

Рис. 5. Зависимость модуля нормированного смещения для горизонтальной сосредоточенной силы Ц'ф от угла направления распространения 9 при кхЯ = 100:

1 — с,/с, = 1,85; 2 — 1,9; 3 — 1,95.

Рис. 6.

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