научная статья по теме ПОТЕНЦИАЛЫ ДЕБАЯ И “ТИПА ДЕБАЯ” В ЗАДАЧАХ ДИФРАКЦИИ, ИЗЛУЧЕНИЯ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ УПРУГИХ ВОЛН Физика

Текст научной статьи на тему «ПОТЕНЦИАЛЫ ДЕБАЯ И “ТИПА ДЕБАЯ” В ЗАДАЧАХ ДИФРАКЦИИ, ИЗЛУЧЕНИЯ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ УПРУГИХ ВОЛН»

АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2012, том 58, № 3, с. 338-341

АКУСТИКА ОКЕАНА. ГИДРОАКУСТИКА

УДК 534.26

ПОТЕНЦИАЛЫ ДЕБАЯ И "ТИПА ДЕБАЯ" В ЗАДАЧАХ ДИФРАКЦИИ, ИЗЛУЧЕНИЯ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ УПРУГИХ ВОЛН

© 2012 г. А. А. Клещёв

С.-Петербургский государственный морской технический университет 19008С.-Петербург, ул. Лоцманская 3 E- mail: alexalex-2@yandex.ru Поступила в редакцию 09.05.2011 г.

Рассмотрены различные представления векторного потенциала A вектора смещения u упругих (изотропных и анизотропных) тел и сред через потенциалы Дебая и "типа Дебая". На основе такого искусственного приема решен целый класс трехмерных задач дифракции, излучения и распространения упругих волн. Аналитические решения дополнены расчетами на ЭВМ для трехмерной задачи дифракции на упругом теле сфероидальной формы.

Ключевые слова: дифракция, потенциал Дебая, излучение, распространение, трехмерная задача.

Впервые Дебай предложил разложение векторного потенциала А на скалярные потенциалы и и V в работе [1], посвященной изучению поведения световых волн вблизи точки или линии фокусировки. Позднее такой подход успешно был использован при решении задач дифракции электромагнитных волн на сфере, круглом диске и параболоиде вращения [2—7], а также дифракции продольных и поперечных волн на упругих телах сфероидальной формы [8, 9].

Применительно к задачам, базирующимся на динамической теории упругости, введение потенциалов Дебая происходит по следующей схеме. Вектор смещения и упругой изотропной среды подчиняется уравнению Ламе:

(к + ц^гаёШум - цго^оШ = -рю и, (1) где X и ц — коэффициенты Ламе, р — плотность изотропной среды, ю — круговая частота гармонических колебаний. По теореме Гельмгольца вектор смещения и представляется в виде скалярного потенциала Ф и векторного потенциала А: и = -ягаёФ + гоА (2)

Подставляя (2) в (1), получим для Ф и А два уравнения Гельмгольца — скалярное для Ф и векторное для А:

Дф + Н2Ф = 0, aA + k2 A = 0,

(3)

(4)

где к = ю/ с1 — волновое число упругой продольной волны, с1 — скорость этой волны, к2 = ю/ с2 — волновое число упругой поперечной волны, с2 — скорость поперечной волны.

В скалярном уравнении (3) в трехмерном случае переменные разделяются в 11-ти координатных системах, что же касается уравнения (4), то из него в трехмерной задаче удается получить три независимых уравнения для каждой из компонент

векторной функции А только в декартовой системе координат. Для преодоления этого препятствия и используются потенциалы Дебая и и V, подчиняющиеся скалярному уравнению Гельмгольца:

AV + к2V = 0; AU + к2U = 0.

(5)

Векторный потенциал А (по Дебаю) следующим образом раскладывается с помощью потенциалов и и V:

A = rotrot(RU) + ik rot(RV),

(6)

где Я — радиус-вектор точки упругого тела или упругой среды. Представление (6) для векторного

потенциала А не является единственным, остановимся на двух других с использованием потенциалов "типа Дебая".

Во-первых, это потенциалы, предложенные Бухвальдом [10] при изучении поведения рэлеев-ской волны в трансверсально-изотропной среде. Вектор смещения и в трансверсально-изотроп-ной среде в соответствии с [10] представляется в виде:

u = gradФ + rot^ + gradG.

(7)

При этом полагается, что векторный потенциал ¥ имеет только одну компоненту, отличную от нуля, а именно компоненту а также: потенциал Ф и = Т зависят только от координат х и у, а потен-

циал 9 — только от координаты г. Поэтому декартовые компоненты вектора смещения и (и, V, примут вид [10]:

П = сош!

и = (дФ/дх) + (дЧ/ду);

V = (дф/ду) - (дЧ/дх); = 50/дг.

(8)

Этот подход (с трансформацией декартовых координат в круговые цилиндрические) был использован в работе [11] при изучении фазовых скоростей упругих волн в трансверсально-изотропном цилиндрическом стержне: потенциалы Ф и Тг = Т в этом случае зависят от цилиндрических координат г и ф, а потенциал 9 — от г. Это позволило автору [11] вычислить дисперсионные кривые фазовых скоростей в анизотропном (трансверсально-изотропном) цилиндрическом стержне.

Во-вторых, это потенциалы "типа Дебая", предложенные авторами работы [12]. В этом случае векторный потенциал А выражается через потенциалы "типа Дебая" х и Т следующим образом:

А = + шО; (Чег),

(9)

где — единичным вектор в направлении оси г, ш радиус трансверсально-изотропного круглого цилиндрического стержня, находящегося в упругой среде. В результате использования разложения (9) авторы работы [12] вычислили характеристики рассеяния сдвиговых волн трансверсаль-но-изотропным цилиндром, помещенным в изотропную эпоксидную матрицу.

Покажем эффективность использования потенциалов Дебая при решении трехмерной задачи дифракции на упругом сфероиде [9]. Трехмерная задача дифракции на упругом сфероидальном рассеивателе решается с помощью потенциалов Дебая и и V, через которые выражается векторная

функция ¥ в соответствии с представлением (6):

¥ = го1;го1 (Щ + /к2го1 (Щ.

(10)

Рис. 1. Упругая сфероидальная оболочка в поле плоской гармонической волны.

^ = [ко(£2 - 1 + П2)]-1[да50!)(5£/5Я) X X (52В/5£2) + (5£/501 )(5ц/5Я)(52В/5£5ц) +

- + (5£/5Я)(5ц/501 )(52В/5£5ц) + (5ц/5Я) х

(11)

х (5п/501 )(52В/5п2) + (5В/5£) х х (52£/5Я501) + (5В/5п)(52п/5Я501)] + + ¡к2( ¡ап 01 )-1 (5 V/ 5ф); ¥Я = (5£/5Я)2(52В/5£2) + 2(5£/5Я)(5ц/5Я) х х (52В/5п5£) + (5п/5Я)2(52В/5ц2 ) + (52£/ЗЯ2)? х (5В/5£) + (52ц/5Я2)(5В/5ц) + к22В;

¥ = [(£2 - 1 + П2)1/2яп 01 ко ]

[(5£/5Я) х

х (52В/5£5ф) + (5ц/5Я)(52В/5ц5ф)] -

(13)

Эффективность такого представления становится очевидной, если учесть, что потенциалы и и V подчиняются скалярному уравнению Гельм-

гольца. Удобно сначала записать компоненты ¥ в сферической системе координат, выразив их через и, Vи Я, а затем по формулам векторного анализа перейти к сфероидальным компонентам. Выражения для сферических компонент векторной функции ¥(Тк, Те, Тф) через потенциалы Дебая имеют следующий вид [9]:

- 1к2 [(5£/501 )(5 Р/5£) + (5ц / 501 )(5 V/ 5ц)], где В = й0(£2 - 1 + п2)1/2 и; -1 < ц < +1; 1 < £ < +да.

Сфероидальные компоненты функции будут равны [9]:

¥ = ¥я( ко /к% )£(£2 - 1 + ц2)-1/2 +

+ ^ (ко/кг. )(£2 - 1 + ц2) 1/2(501 / 5£); ¥ = ¥ (ко / кц )ц(£2 - 1 + ц2 )-1/2 + + (ко/кп )(£2 - 1 + ц2 )1/2(501 /5ц); ¥

А ф А ф*

(14)

340

КЛЕЩЁВ

где к^ = к0(^2 - п2)1/2(^2 - 1)1/2; кп = (^2 -

- п2)1/2(1 - п2)1/2.

Выберем в качестве рассеивателя упругую изотропную сфероидальную оболочку (рис. 1). Все потенциалы - потенциал плоской волны Ф0, потенциал рассеянной волны Ф1, скалярный потенциал оболочки Ф2, потенциалы Дебая и и V, а также потенциал Ф3 газа, заполняющего оболочку, раскладываются в ряды по волновым сфероидальным функциям:

Фо = 2

0 n > m (15)

,(1)

x Rmn ( Ci,%) cos m ф;

да да

Ф1 = 2 II Бтг nSm, n (Ci,n) R(Z (Ci,^) cos m ф;

i = 0 n > m

да да

ф2

= 2 I I Sm>n(Ci,n)cosmф[C

m = 0 n > m

+ Dm, ntf£n (Ci,^)l;

(16)

R(m\ (Ci, s)+

m, n m, n

(17)

дада

фз = 2IIE

m = 0 n > m

RZ ( C2,S) Sm, n ( C2,n) cos mф;(18)

m, n m, n

дада

U = 2 II ~Sm,n(C, n)sinmф[Fm,nR™n(C, S) +

m = 1 n > m

(19)

+ Gm, nRm, n(Ct, ] ;

V = 2 II Sm,n(Ct, n)cosmф[Hm,nR^n(Ct, S) +

(20)

i = 0 n > m

+ /.

RL2l (C„ £,)];

m, n m, n

(h^ )-1(5/5^)(Ф0 + Ф1) = h )-i (5Ф2/5^) + + (¿A )-1[(d/5n)( h, ) - (5 / дф)( ¿n Vn )]]=^; h )-1 (5Фз/5^) = (h5 )-1(5Ф2/5^) +

+ (hnh, )-1[(5/5n)( h, v,) - (5 / 5ф)( ^ Vn )]] = Si;

2 2 -1 -^k (Ф0 + Ф1) = - + 2^i[(\hn)-1 x

x (5h^/dn)«n + (h)-1 WdS)] |s = So;

2 2 -1 -X2 k2 Ф3 = - Xi ki Ф2 + 2 ^ [(h^hn)-1 X

X (5h^/dn)«n + (h^)-1 (5 V5S)] |s = ^;

O = (hn/h^)(5/5S)(«n/hn) +

(\ / hn )(5/5n)( «5 / h^) |s = ^;

+

(22)

(23)

(24)

(25)

5 = Si

O = (\/h% )(5/5S)( «,/h,) +

+ (hs/h,)(5/5Ф)(uyh ) .

5 = S0

5 = Si

(26)

где С1 = к1к0; С, = к2к0; С1 = кк0, к - волновое число звуковой волны в газе-заполнителе; Втп, Стп,

Вт,п, Ет,п, Ёт,п, ^т,и, Нт,п, 1т,п - неизвестные коэффициенты разложений. Коэффициенты разложений отыскиваются из физических граничных условий на обеих поверхностях (^0 и см. рис. 1):

1) непрерывность нормальной компоненты смещения на обеих границах и

2) равенство нормального напряжения в упругой оболочке звуковому давлению в жидкости (^0) или газе (^1);

3) отсутствие касательных напряжений на обеих границах оболочки и

В соответствии с этим граничные условия примут вид [9]:

Здесь и ц1 — коэффициенты Ламе материала оболочки; — коэффициент объемного сжатия жидкости; — коэффициент объемного сжатия газа, заполняющего оболочку:

«5 = (hs)-i (5Ф2/5S) + (hnh,)-i x

x [(5/5n)( h, v,) - (5 / 5ф)( hn Vn)];

«n = (hn)-i(5Ф2/5n) + (hA)-i x

x [(5/5ф)(hsvs) - (5/5S)(h,V,)];

«, = (h,)-i(5Ф2/5ф) + (hshn)-i x

x [(5/5S)(hnVn) - (5/5n)(hsVs)]. Подстановка рядов (15)—(20) в граничные условия (21)—(26) дает бесконечную систему уравнений для отыскания неизвестных коэффициентов. Из-за ортогональности тригонометрических функций cos m(p и sin my бесконечная система уравнений распадается на бесконечные подсистемы с фиксированным индексом т. Каждая из подсистем решается методом усечения. Число удерживаемых членов разложений (15)—(20) тем больше, чем больше волновой размер для данного потенциала.

На рис. 2 представлены относительные сечения обратного рассеяния ст0 различных сфероидальных тел (идеальных и упругих) для двух углов облучения (90 = 0° и 0 = 90°). Кривая 1 соответствует стальной вытянутой сфероидальной оболочке, облучаемой вдоль оси вращения Z(90 = 0°). Кривая 2 относится к идеальному мягкому сфероиду при том же угле облучения. Кривая 3 дает

дада

m

дада

20

10

2

10 C = kh0

Рис. 2. Относительные сечения обратного рассеяния вытянутых сфероидальных тел.

представление о ст0 стального сфероида, облучаемого под углом 90 = 90° (трехмерная задача). Кривая 4 относится к жесткому вытянутому сфероиду: £0 = 1.005, 90 = 90°; кривая 5 — к мягкому вытянутому сфероиду: £0 = 1.005, 90 = 90°. Все кривые рис. 2 даны в зависимости от волнового размера рассеивателя C = М0. Результаты расчетов задач дифракции на упругих телах сфероидальной формы использовались при оценке точности эксперимента по исследованию рассеянного звукового поля упругими полыми цилиндрическими оболочками [13].

Представленные в статье

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