научная статья по теме ПОГЛОЩЕНИЕ ИНТЕНСИВНЫХ РЕГУЛЯРНЫХ И ШУМОВЫХ ВОЛН В РЕЛАКСИРУЮЩИХ СРЕДАХ Физика

Текст научной статьи на тему «ПОГЛОЩЕНИЕ ИНТЕНСИВНЫХ РЕГУЛЯРНЫХ И ШУМОВЫХ ВОЛН В РЕЛАКСИРУЮЩИХ СРЕДАХ»

АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2014, том 60, № 5, с. 459-465

НЕЛИНЕЙНАЯ АКУСТИКА

УДК 534.222

ПОГЛОЩЕНИЕ ИНТЕНСИВНЫХ РЕГУЛЯРНЫХ И ШУМОВЫХ ВОЛН

В РЕДАКТИРУЮЩИХ СРЕДАХ

© 2014 г. О. В. Руденко1' 2, 3, 4, 5, С. Н. Гурбатов1, И. Ю. Демин1

Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского E-mail: demin@rf.unn.ru, gurbatov@rf.unn.ru 2Физический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

E-mail: rudenko@acs366.phys.msu.ru 3Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН 4Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН 5Blekinge Institute of Technology, Karlskrona, Sweden Поступила в редакцию 21.04.2014 г.

Выписано интегро-дифференциальное уравнение, содержащее члены, ответственные за нелинейное поглощение, вязко-теплопроводную диссипацию и релаксационные процессы в среде. Получено общее интегральное выражение для расчета потерь энергии волны с произвольными характеристиками — интенсивностью, профилем (частотным спектром) и ядром, описывающим внутреннюю динамику среды. Показано, что для слабых волн общий интеграл приводит к известным результатам линейного приближения. Построены профили стационарных решений как для экспоненциального релаксационного ядра, так и для других форм ядер. Рассчитаны потери энергии на фронте слабых ударных волн. Получены общие интегральные формулы для потерь энергии интенсивного шума, определяемых формой ядра, структурой корреляционной функции шума и средним от квадрата производной реализации случайного процесса.

Ключевые слова: нелинейность, интенсивный шум, интегро-дифференциальные уравнения, релаксация, ядро, поглощение, ударная волна.

Б01: 10.7868/80320791914050116

ВВЕДЕНИЕ

Поглощение регулярных и шумовых волн большой интенсивности может происходить за счет нескольких физических механизмов. Это, прежде всего, обычные вязкость и теплопроводность среды; неравновесные релаксационные процессы, связанные с ее внутренней динамикой; нелинейные потери энергии на ударных фронтах, зависящие от интенсивности волны. Поглощение необходимо правильно описывать как для расчета поля и спектра волнового процесса, так и для оценки воздействия волны на среду, в частности, с целью ее нагревания, создания радиационных сил и акустических течений.

Основные механизмы поглощения описываются следующей моделью для плоских волн (см. обзорную статью [1] и приведенный в ней список литературы):

др

dz с^ро" дт дт2

s р dp = д

3 _2

j[а) + к2(tС1)

Ядро под интегралом (1) разделено здесь на два слагаемых:

кi(У = Нл-s(у, к2© = mкI м.

со3Ро

(2)

2С0 ^ ¿0;

Первое, содержащее дельта-функцию, описывает "мгновенную" реакцию среды на акустическое воздействие, второе — запаздывающую реакцию, связанную с внутренней динамикой релаксационного типа. Подставляя (2) в (1), придем к уравнению, которое будет служить основной моделью для рассматриваемых ниже процессов:

др

др b д р

dz с0р0 дт 2с0р0 дт

то _д_

2со дт2

> (А} (,

(3)

Здесь р — акустическое давление, е, Ь — нелинейный и диссипативный параметры среды, г — координата вдоль оси пучка, т = ? - г/с0 — время в системе координат, сопровождающей волну со скоростью звука с0. Параметры т0, ?0 — это "сила" и характерное время для релаксационного процесса, описываемого ядром К. Заметим, что модель (3) конкретизирует интегро-дифференци-

альные уравнения, предложенные для акустических задач в начале 1970-х годов [2, 3]. Интерес к таким моделям с точки зрения математической физики заметно вырос в последние годы (см., например, [4] и комментарии в работе [1]). Решен ряд статистических задач, в которых рассмотрены поля интенсивного шума [5, 6]. Эти задачи важны, например, для приложений к расчету полей в мягких биологических тканях [7, 8].

ПОГЛОЩЕНИЕ РЕГУЛЯРНЫХ ВОЛН

Чтобы рассчитать изменение энергии бегущей волны, умножим уравнение (3) на 2р и проинтегрируем его в бесконечных пределах по переменной т. Если сигнал периодический, достаточно провести усреднение по периоду. В результате получим

д p

dz

1

CopQ дт\ 3

д /28 pi

bp

dp) =__(dp

дт/ c°pQ \дт.

"o

CQ

iKI t0 J# *

(4)

Здесь черта сверху означает одну из двух указанных процедур: интегрирование либо усреднение. Второй член в левой части уравнения есть интеграл от производной. Поэтому он равен нулю, причем как для периодического сигнала, так и для импульса, исчезающего на бесконечности.

Обозначим р2 = Е; эта величина пропорциональна плотности энергии или интенсивности волны. Следовательно, изменение энергии с расстоянием г описывается формулой

дЕ dz

Ь О + ^ \К{т}&Й^М^Г^ (5)

дт/ Cq J {tq Jdt,

CqPq WtI c

Как показано в работе [1], выражение под интегралом равно

-2 _ " яи-2 i»

^ p (т) p (х-^) = у (-i)» A— p ^ = д%2 У) У ' ' (»- 2) дт»

(6)

= у (-1)"

- 2m-2

Поэтому

дЕ = dz Здесь

m=1

(2m - 2)!

dm

p

Р () + m У Am (z)pm-2K

cqPq

m=1

v tq j

d% (7)

Am (Z) =

^m Л2 д p

(2m - 2)

m

дт

• Al H!)

A2 =;

2

д p

.дт2 j

Ao =-

24

t^o Л д p

дт j

(8)

Зная решение p (z, т), по формулам (5) или (7) можно рассчитать убыль энергии с расстоянием для заданного ядра K. В частности, для экспоненциального ядра K = exp (t0) и монохроматической волны p = A (z) sin (ют) получим очевидный результат

дЕ dz

CqPq

1 \2 " ^m Л2

() + " у (-i)mt02m[dmp

dJ w ' 0 I dTm

c0t 0

и=1

= -aE,

a

Ью coPo

+■

"q

2,2 Ю to

(9)

2,2 '

c0t0 1 + Ю to

Видно, что в линейном приближении волна затухает по экспоненциальному закону, причем коэффициент затухания а равен сумме коэффициентов, описывающих вязко-теплопроводные и релаксационные потери. Чтобы учесть также и нелинейные потери, нужно подставить в формулы (5) или (7) решение p (z, т) нелинейной задачи.

Отметим, что тривиальным для уравнения (3) является закон сохранения количества движения (линейного момента) в процессе распространения волны: p = const, который выводится аналогично интегралу (5).

Перейдем теперь к анализу нелинейных задач. Запишем уравнение (3) в безразмерном виде, чтобы упростить запись последующих формул, которые в исходных обозначениях были бы весьма громоздкими:

ЁЕ - V 2L -r^V = D ^ Í K (s )V (е- s )ds.

dz де де2 se2 J

o

Здесь

(10)

z =

г =

sPo z

o i '

copot o b

2stoPo

■ = -, V = -,

D — moco po

(11)

2sPo

Формула (5) в новых обозначениях примет следующий вид:

=- 2г(1е) +2в \к (* ^ V (0) V (е - * у*. (12)

0

Решения нелинейных задач, описывающих форму ударного фронта, известны как для дельта-образного ядра (случай Г Ф 0, Б = 0):

V = A (Z )th (A (Z )|),

(13)

так и для экспоненциального ядра (при значениях Г = 0, Б > 1):

эу

ЗО

XI

ю

-1.0-0.8

Рис. 1. Фазовая плоскость (14) для стационарной волны в релаксирующей среде для значений Б = 1; 1.08; 1.2; 1.5 (кривые 1—4 соответственно).

-СО/А -1)

= 1п |~1 + 1 (О/А -1) 1 V

А (?)

У(в)

1.0

0.8

0.4

0

0.4

0.8 1.0

12

- 3

в

3 / >' 2/ 1 —" 1 У 1 | |

0

5

15

(14) = 1А2 ^) - V2 й 0 2 О + V '

Заметим, что модель внутренней динамики, приводящая к экспоненциальной релаксации, была сформулирована Мандельштамом и Леон-товичем (см., например, [9]). Для решения нелинейных задач она впервые использована авторами работ [10, 11].

В формулах (13), (14) функция А описывает изменение с расстоянием "амплитуды" (скачка на фронте) ударной волны. Эта функция зависит от формы профиля волны непосредственно перед фронтом и сразу за ним.

Для постоянного значения А = 1 фазовая плоскость V(V) изображена на рис. 1. Видно, что при О > 1 переход V (0) от значения V = -1 до V = +1 должен быть симметричным относительно нулевого значения. При стремлении О ^ 1 крутизна функции V (0) растет в отрицательной области. Наконец, при О = 1 формируется крутой фронт — скачок от V = -1 до некоторого положительного значения. Максимум производной достигается в точке

У^ и рявен К"тах, где Vm¡¡x = -О + VО2 -1, = = О -\1О2 - 1.

Форма стационарной волны V (0) и ее производной ¥(&), определяющей скорость диссипа-

Рис. 2. Форма стационарной волны в релаксирующей среде для значений Б = 1; 1.5; 3 (кривые 1—3 соответственно).

ции энергии, изображены на рис. 2 и 3. Подчеркнем еще раз, что здесь рассмотрен случай О > 1, когда форма волны, описываемая формулой (14), представляется однозначной функцией времени.

Простые формулы получаются при больших значениях числа Б (это случай, когда релаксационные процессы доминируют над нелинейными). При этом решение (14) для А = 1 принимает вид

1 + V

- = 1п -О 1 - V

V

=* (А).

\2О/

(15)

Это решение имеет вид симметричной "ступеньки", как и стационарная волна для обычного

ау/ав 1.0

10

20 в

Рис. 3. Форма импульса ускорения на фронте ударной волны в релаксирующей среде для значений Б = 1; 1.1; 1.4; 2 (кривые 1—4 соответственно).

0

5

V(9) 1.0

0.8

0.4

-0.4

-0.8 -1.0

0

5

Рис. 4. Форма стационарной волны в релаксирующей среде для значений Б = 0.01; 0.3; 0.8; 1; 1.5; 2 (кривые 1—6 соответственно).

уравнения Бюргерса. Для предельного числа О = 1 получаем аналитическое представление кривой 1 на рис. 2:

V =

-1,

< -2ln2,

1 - exp (-0/2), 0>-2ln2.

(16)

Неоднозначный профиль стационарной волны удобно строить, записав решение (14) в параметрической форме:

V = th(t), 0 = 2Dt + Inch2(t).

(17)

-1, -да<0<0* V = |м, 0 = 0*, (18)

К+(0), 0* < 0 < да. В силу однородности уравнения (10) здесь можно положить 0* = 0, то есть считать, что фронт проходит через начало координат. Таким образом, при значениях О < 1 в профиле появляется разрыв — скачок величиной \М + 1|. За скачком фронт описывается функцией Р+(9), плавно возрастающей от значения V = М до значения V = 1. Число Мдолжно зависеть от параметра Б. Функция М (О) в области 0 < О < 1 принимает значения М (0) = +1 М (1) = -1.

Итак, в области значений О < 1 точное решение (14), (17) становится неоднозначным. Как показано в работе [1], для анализа структуры фронта при малых числах О < 1, когда нелинейные искажения выражены сильно, можно использовать метод итераций. Этот метод применим для любой формы релаксационного ядра.

Запишем уравнение для стационарной волны, получающееся из (10) после приравнивания нулю производной по

1 - V2 =

2D [к(s)—V(9- ^)

J w—e v ;

ds.

(19)

В нулевом приближе

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