научная статья по теме РАССЕЯНИЕ ПЛОСКОЙ ЗВУКОВОЙ ВОЛНЫ УПРУГИМ ШАРОМ С НЕОДНОРОДНЫМ ПОКРЫТИЕМ Математика

Текст научной статьи на тему «РАССЕЯНИЕ ПЛОСКОЙ ЗВУКОВОЙ ВОЛНЫ УПРУГИМ ШАРОМ С НЕОДНОРОДНЫМ ПОКРЫТИЕМ»

ПРИКЛАДНАЯ МАТЕМАТИКА И МЕХАНИКА

Том 78. Вып. 4, 2014

УДК 539.3:534.26

© 2014 г. Л. А. Толоконников

РАССЕЯНИЕ ПЛОСКОЙ ЗВУКОВОЙ ВОЛНЫ УПРУГИМ ШАРОМ С НЕОДНОРОДНЫМ ПОКРЫТИЕМ

Рассматривается задача о рассеянии плоской звуковой волны однородным упругим шаром с радиально-неоднородным покрытием. Получено аналитическое описание акустического поля, рассеянного телом. Представлены результаты расчетов диаграмм направленности рассеянного поля.

Изменение характеристик рассеяния звука упругих тел можно осуществить с помощью покрытий с требуемыми звукоотражающими свойствами. Представляет интерес исследовать зву-коотражающие свойства тел с покрытиями в виде непрерывно-неоднородного упругого слоя. Такой слой легко реализовать с помощью системы тонких однородных упругих слоев, имеющих различные значения механических параметров (плотности и упругие постоянные).

Рассеяние звуковых волн на однородных изотропных упругих сферических телах рассматривалось в ряде работ (например, [1]). Исследовалось рассеяние гармонических звуковых волн трансверсально-изотропным неоднородным полым шаром [2]. Решена задача дифракции гармонических упругих волн на неоднородной трансверсально-изотропной сфере [3]. Изучалось рассеяние звука неоднородным термоупругим сферическим слоем [4].

1. Постановка задачи. Рассмотрим изотропный однородный упругий шар радиуса r2, плотность материала которого р2, упругие постоянные X2 и ц2. Шар имеет покрытие в виде неоднородного изотропного упругого слоя, внешний радиус которого равен r1. Полагаем, что модули упругости X и ц материала слоя описываются дифференцируемыми функциями радиальной координаты r сферической системы координат r, 0, ф, а плотность р — непрерывной функцией координаты r. Окружающая тело жидкость — идеальная, ее плотность р1, скорость звука с.

Пусть из внешнего пространства на шар падает плоская звуковая волна. Без ограничения общности будем полагать, что волна распространяется в направлении 0 = 0. Тогда в сферической системе координат потенциал скоростей падающей волны запишется в виде

W0 = A0exp [ i(krcos 0 - ю t)]

где A0 — амплитуда волны, к = ш/с — волновое число в окружающей жидкости, ш — круговая частота. В дальнейшем временной множитель в~ш будем опускать.

Определим отраженную от тела волну, а также найдем поля смещений в упругом шаре и неоднородном слое.

2. Определение волновых полей. Распространение малых возмущений в идеальной жидкости в случае установившихся колебаний описывается уравнением Гельмгольца [5]

ДУ( 1) + k2 W(1} = 0

где ^(1) = + Ws, — потенциал скоростей рассеянной волны. При этом скорость частиц v и акустическое давление р в жидкости определяются по формулам

v = gradW( 1), p = ip 1 ю¥( 1)

Очевидно, что ввиду осевой симметрии задачи и свойств упругого материала слоя возбуждаемые волновые поля не будут зависеть от координаты ф.

Потенциал скоростей падающей плоской волны представим в виде [6]

да

Ч (r,0) = X Yj (kr) Pn ( cos 0), Yn = Ao in( 2n + 1)

n = 0

где jn(x) — сферическая функция Бесселя порядка n, Рп(х) — многочлен Лежандра степени n.

Учитывая условия излучения на бесконечности, функцию будем искать в виде

да

Ч,(r, 0) = X Anhn(kr)Pn(cos0) (2.1)

n = 0

где hn(x) — сферическая функция Ганкеля первого рода порядка п.

Уравнения, описывающие распространение малых возмущений в упругом однородном шаре, в случае установившегося режима движения имеют вид [4]

ДЧ(2) + k2 Ч(2) = 0, А Ф + k2 Ф = 0

k = ^, kT = , c = , ст = II2 (2'2)

cl Ст А/ р2 V Р2

где и Ф — скалярный и векторный потенциалы смещения, k, kT и c, ст — волновые числа и скорости продольных (индекс l) и поперечных (индекс т) волн. Вектор смещения u(2) частиц упругого изотропного однородного шара определяется выражением

u(2) = grad Ч(2) + rot Ф, div Ф = 0

Так как рассматриваемая задача осесимметричная, то Ф = Ф(г, 9)еф, где еф — единичный вектор оси ф. Тогда векторное уравнение (2.2) сведется к одному скалярному уравнению относительно функции Ф(г, 9), которое в в сферической системе координат имеет вид

Дф + (k2- т1г0)ф = 0

r sin 0

Запишем соотношения между компонентами тензора напряжений а^2) и вектора смещения u(2) в однородном упругом шаре

(2) _ л „(2К 0м дur „(2) _ л j;v11(2K 2М2(„(2) „(2) 0) rr = ^2diVU + 2М2^ , „mm = Л2diVU + -(Ur + U0 ctg0)

д r r

(2.3)

„(2) = 1 divu(2) + 2М2(дu ) + „(2)) „(2) = м Г2 (дuf ) Í2)) +

„00 = Mivu + — ( + ur J , „re = м2 ~r ( - ue J +

д г

При этом компоненты вектора и(2) записываются через функции и Ф в виде

(2) дЧ(2' 1 д ( . 0Ф) (2) 1 ur = + ~2 sin 0Ф), ue = 2 д r r sin 0д0 r

дЧ(2) д

д0 дr

--( r Ф)

Учитывая условия ограниченности, функции ^(2) и Ф будем искать в виде

¥(2) ( r,0) = £ Bjn ( kr) Pn ( cos 0)

(2.4)

j = о

Ф(r, 0) = £ Cnjn(Кr)d-Pn(cos0)

(2.5)

n = 0

Распространение малых возмущений в упругом неоднородном сферическом слое описывается общими уравнениями движения сплошной среды [7, 8]. В сферической системе координат для установившегося режима колебаний они имеют вид [8]

ÖCTrr , 1 ÖCTrO , . Q4

~дг + ~rl& + 2(2arr- 000 - + arectg0) = -ю р(r)ur

Ч^ + + 1 [(000 - ctg0 + 30r0] = -®2p(r)u0

r r 0 r

где ur и ue — компоненты вектора смещения u в неоднородном слое, aij — компоненты тензора напряжений в неоднородном слое.

Соотношения между компонентами тензора напряжений aij и вектора смещения u в неоднородном упругом сферическом слое имеют вид (2.3), где упругие постоянные X2 и ц2 следует заменить функциями X = X(r) и ц = ц(г).

Используя эти соотношения, запишем уравнения распространения упругих волн в неоднородном слое через компоненты вектора смещения u:

d2ur

(X + 2ц) —r + r

X' + 2 ц' + 2 ( X + 2 ц У

+

2 X' 2(X + 2ц) 2

----—--—^rr + юр

du- + Ц d_uur + ц ctg 0 dJUr +

r r2 02 r2 0

ctg 0 ^ + 1 fx' - ^

r dr rf r J d0

+

А + 1 (V - ctg0u0 = 0

r drd 0 rf r J

(2.6)

цd2u_0 + х_±2ц+ Гц' + ^ cu- + Х-+-2Цctg0^ -

r

r2 02

•J dr

r

0

2

■У , X + 2ц 2 ^ X + цд ur 1

- I — + --rr - Ю р u0 + -Z-r + r

r r2sin2 0 r drd 0 r

ц' + 2 ( x + 2 ц ) -

r

^ = 0 0

Штрих означает дифференцирование по г.

Функции ur(r, 9) и ^(г, 9) будем искать в виде разложений

ur(r, 0) = £ uin(r)Pn(cos0), u0(r, 0) = £ u2n(r)£Pn(COS0)

J = 0

d 0

(2.7)

GO

эи

ur +

r

TO

30

0

n

Подставляя выражения (2.7) в уравнения (2.6) и используя дифференциальное уравнение для полинома Лежандра [9]

1 —

БШ 0 —0

БШ 0 — Рп( СОБ 0) —0 п .

+ п (п + 1) Рп ( СОБ 0) = 0

получим следующую систему линейных обыкновенных дифференциальных уравнений второго порядка относительно неизвестных функций и1п(г) и и2п(г) для каждого п:

апип + Впип + СпУп = 0, ип = («1п, Ы2п)т

(2.8)

А п =

X + 2 ц 0 0 ц

Вп =

X' + 2ц' + 2Сх±2ц) -п(п + 1)^

X -I- ц г

ц' + ^

г

СВ =

п

2-Х' 2 ( X + 2 ц) + п (п + 1) ц + ^2 п (п + 1 X - 3 ц^

г »2 г V Г '

ц' + 2 ( х + 2 ц У г

ц' ( , 1 \Х + 2 ц , 2 - -I- - п (п + 1)-—-- + юр

г

Коэффициенты Ап, Вп и Сп разложений (2.1), (2.4) и (2.5) и функции и1п(г) и и2п(г) из разложений (2.7) подлежат определению из граничных условий.

Граничные условия на внешней поверхности слоя заключаются в равенстве нормальных скоростей частиц упругой среды и жидкости, равенстве на ней нормального напряжения и акустического давления, отсутствии касательного напряжения. На внутренней поверхности слоя при переходе через границу раздела упругих сред должны быть непрерывны составляющие вектора смещения частиц, а также нормальные и тангенциальные напряжения. Имеем

г = г1: -Iю иг = иг, стгг = -р,

г = г1: ы„ = и

(2)

иа = и

(2)

СТг0 = 0

__.(2)

гт - 2)

стг0 = стг0

Из условия равенства нормальных скоростей при г = г1 находим коэффициенты Ап, выраженные через величины и1п(г1):

А = -

у„к/„ ( кг1 ) + I ю и1 в ( г1 ) кк'п( кг1)

Здесь и далее штрихи означают дифференцирование по аргументу.

Из условий непрерывности составляющих вектора смещения при г = г2 находим коэффициенты Вп и Сп, выраженные через величины и2п(г2):

Вп = [и2п(г2)п(п + 1 Уп(ктг2) - и1п(г2)ап]г2<Тп

Сп = [и2п(г2)к1г2]'п(к1г2) - и1 п(г2Уп(к1г2)]г2<Тп

где

= п (п + 1 )]п (к,г2 ук( к% г2)- к,г2/'п( к,г2 )[/„( к% г2) + кТг2/'п (к%г2)] А« = /П( кт Г2 ) + кт г2//п (ктГ2 )

Из оставшихся неиспользованными граничных условий при учете выражения для вронскиана[9]

2

/«(х)(х) -/п(х)¿«(х) = г/х

получаем четыре краевых условия, которым должно удовлетворять решение системы дифференциальных уравнений (2.8):

( A nU'„ + EnU„ )

Г =

= D„

(A KV„ + F„Un )r — r2 = 0

(2.9)

где

En —

( 2 4

2X ш pxhn(kr) X — + —-1 n -—- — n ( n + 1 ) r kh'n(kr) r

v

Dn —

ц r

Yn шР1

-i

-i

( kri ) 2 h'n( kri )

цг

Fn —

y

/ Л

/il /12

v /2i /22 y

/ii — {2 X + [ anbn + cnin(. kir)] q-i}r~2

fi2 — -{Xn( n +i ) +[ bnn ( n +i )jn( kxr) + cnkiiïn( kir)] q-i}

fi\ — ц{+ [andn + e,j'n(kir)]q~n }

/22 — -ц{ +[ dnn( n +i )jn( Кr) + enkirj'n( kir)] qn1}

bn — (X + 2ц)k2lr2j"n(kir) + 2Xktrj'n(k,r) -Xn(n + iXjXkir)

Cn — n(n + i)[(X + 2ц)'(kTr) - 2цkTг'«(kTr)]

dn — 2[ kj'n( kir) - г~Л( kir)]

en — [ 2 - n ( n + i )\jn ( kT r) r~2 - kT r)

Коэффициенты Вп и Сп могут быть вычислены лишь после решения краевой задачи (2.8), (2.9).

3. Решение краевой задачи. Найдем решение краевой задачи (2.8), (2.9) методом сведения ее к задачам с начальными условиями.

Построим фундаментальную систему решений уравнений (2.8). Необходимым и достаточным условием существования фундаментальной системы решений, определенных и непрерывных на интервале (г2, г1), является непрерывность функции р(г) и дифференцируемость функций Х(г), ц(г) [10].

Тогда в качестве фундаментальной системы решений можно выбрать любые четыре

решения задачи Коши и"^ (г) (I = 1, 2, 3, 4) для системы (2.8) с начальными условиями, являющимися линейно независимыми. Начальной точкой может быть любая точка отрезка [г2, г1]. Однако удобнее в качестве начальной точки процесса интегрирования выбрать граничную точку отрезка. Возьмем следующие начальные условия:

г = : и« = (5и,52г)т, и!0' = (5зг,54/, 1 = 1, 2, 3, 4; и" = (иЦ ^)Т

где I— порядковый номер задачи Коши, Ьу — символ Кронекера.

Решения задач Коши найдем методом Рунге—Кутты четвертого порядка точности. Отметим, что все коэффицие

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