научная статья по теме РЕШЕНИЕ ТРЕХМЕРНОЙ ЗАДАЧИ ДИФРАКЦИИ ВОЛН НА ГРУППЕ ОБЪЕКТОВ Физика

Текст научной статьи на тему «РЕШЕНИЕ ТРЕХМЕРНОЙ ЗАДАЧИ ДИФРАКЦИИ ВОЛН НА ГРУППЕ ОБЪЕКТОВ»

АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2007, том 53, № 1, с. 5-14

УДК 534.26:537.874.6

КЛАССИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЛИНЕЙНОЙ АКУСТИКИ И ТЕОРИИ ВОЛН

РЕШЕНИЕ ТРЕХМЕРНОЙ ЗАДАЧИ ДИФРАКЦИИ ВОЛН

НА ГРУППЕ ОБЪЕКТОВ

© 2007 г. А. Г. Кюркчан, Е. А. Скородумова

Московский технический университет связи и информатики 111024 Москва, ул. Авиамоторная 8а E-mail: kyurkchan@yandex.ru Поступила в редакцию 8.12.05 г.

Метод диаграммных уравнений распространен на трехмерные задачи дифракции волн на группе тел. Основу метода составляет сведение исходной задачи к системе из N (Ы - количество рассеива-телей) интегрооператорных уравнений второго рода относительно диаграмм рассеяния отражателей. С использованием разложений диаграмм рассеяния в ряды по сферическим угловым гармоникам задача сводится к алгебраической системе уравнений относительно коэффициентов этих разложений. Получено явное (асимптотическое) решение задачи в случае, когда рассеивающие тела достаточно далеки друг от друга. Показано, что метод может быть применен для моделирования характеристик рассеяния волн телами сложной геометрии.

РАС8: 43.20.Fn, 43.20.Bi

ВВЕДЕНИЕ

Задача рассеяния на группе отражателей остается одной из наиболее сложных краевых задач, и в то же время является весьма актуальной, что подтверждает наличие довольно свежих публикаций, таких, как, например, [1]. Однако при этом большинство известных методов ее решения характеризуется слабой сходимостью при малых расстояниях между объектами [1, 2]. Метод диаграммных уравнений (МДУ), впервые предложенный в работе [3] и апробированный позднее на целом ряде задач дифракции, оказался универсальным и высокоэффективным методом решения краевых задач для уравнения Гельмгольца. В его основе лежит сведение исходной задачи к решению системы из N (по количеству отражателей) интегрооператорных уравнений второго рода относительно диаграмм рассеяния отдельных отражателей. Принципиальное отличие МДУ при решении задачи рассеяния на группе объектов и от [1], и от метода Тверского [2], состоит в том, что в МДУ не требуется знания диаграммы рассеяния одиночного тела без учета его взаимодействия с другими.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Рассмотрим трехмерную задачу дифракции первичного волнового поля и0 на группе из двух тел. Переход к произвольной совокупности отражателей совершенно очевиден.

Полное поле и представим в виде

U = U0 + U1 + U

где и, j = 1, 2, - поле, порожденное "токами", распределенными на Sj - поверхности j-го тела.

В настоящей работе рассматривается краевая задача с импедансными краевыми условиями:

AU] + k2 U] = 0,

U| =W *U

Usj k дn,-

(2) (3)

где т— - дифференцирование в направлении д п1

внешней к Sj нормали, к = — , Wj = -2- , причем с -

скорость звука, р - плотность среды, - локальный акустический импеданс, постоянный на Sj -границе рассеивателя.

Для полного поля по аналогии с [4] можно ввести следующее представление:

и = и0 +

2 п 2

+ 2— | | exp (-ikr, cos a) g- (a, в; 0ф j) sin a da dp

(4)

2п 2

+ —Ъ1 1 eXP (-ikP j ■ ri) gi(Vi'P) sin a da dp,

(1) w, = a, если j = 1, wj = п - a, если j = 2, i, j = 1, 2, j Ф i,

S

0 0

0 0

p;- = { sin a cos в; sin а sin в; (-1)j cos а}. В этом выражении g/6¿, фу) - диаграмма рассеяния

у-го тела, т.е. функция, связанная с U1 соотношением вида

где

Ui = exp(-ikry)

1 kr,

(0 1'ф i)+0 í kr

Vi(0j. фу) = -T=

2/Л \ • A Э U Pi (0, фу) sin 0i 57"

, . „ ЭU PiVj SU' - p,0 sin01-Г-----

riHj 1 d0j sin 0у Эфу_

ri = Pt

I Wt

Kt(Yt■; 0t.9t) = \iК

ptcos Ytsin 0j -

(6)

- P'0isin0t-

ЭcosYt p'ф. ЭcosYt

Э0у sin 0j Эфу cos Yj = sin 0tsin a cos (фу - в) + cos 0tcos a,

К = № + Р-' 81п2 0' + Р'ф.

(а, в; 0-, ф-) - диаграмма рассеяния -'-го тела в системе координат, повернутой так, что ось г совмещена с направлением в точку наблюдения, т.е.

gj(a, в; 0t, фу) = J J V(0, ф,)K(Yt; 0)> ф,) х

0 0

х exp (ikpt(0,, ф,) cos Y,) d 0,d ф,,

cos fy = { sin 0,sin (ф,-фу) sin a cos в + + |_sin 0tcos 0,- cos 0tsin 0,cos (ф, - фу)] sin a sin в

+ [ cos 0j cos 0, + sin 0j sin 0, cos (ф, - фу) ] cos a } =

T

= P ¿At

pT = (sin a cos в, sin a sin в, cos a),

_ rJ

Диаграмма рассеяния gj выражается следующим интегралом [4]:

gj (a, в) =

i и

= J J Vi(0 1,фj)Kj(Yj; 0j, фу) exp {ikp j(0у,фу)х (5)

00

х [ sin a sin 0j cos (в - фу ) + cos a cos 0j ]} d 0jd фу ,

в котором Гу = pj(0j, фу) - уравнение поверхности Sj в сферической системе координат у-го тела,

A =

- sin фу cos фу 0

-cos ф j cos 0 j -sin ф j cos 0 j sin 0 j cos фу sin 0 j sin фу sin 0 j cos 0

j

- матрица поворота '-й системы координат, в результате которого ось г совмещается с направлением в точку наблюдения.

Представление (4) позволяет найти функцию и всюду в Я\Е, где Е - выпуклая оболочка особенностей аналитического продолжения волнового поля и [3].

С использованием соотношений (4) и (5) для диаграмм рассеяния может быть получена следующая система интегрооператорных уравнений второго рода:

g.(а, в; 0о, фо) = gj(а, в; 0„, фо) +

iпп in i

+ ■

^JJJ J к1 (YI; 0уфу)

х

8 п i

х

ik p1 (0„ фу) gj (a1, в1; 0 у, ф у) sin 0j cos a1

, , I • A -I , kpjфj -I + kpj ^ sin 0 jgj фj

х

(7)

х

х exp [ikpу (0фу)(cos yу - cos a1)] х

п

- + i 2п 1

sin a d a d в^ 0 jd фу + ЦП J J exp (-ikpj rij)

х

00

х g° 0 (a, в; v), в1 )gi (v!, в1; 0о, фо) sin a1 d a d в1. Здесь

g0(a, в; 00, ф0) = Rjg^ a, в; 00, ф0),

а функция g00 (a, в; 0О, ф0) определяется соотношениями (5), (6), в которых величина U должна быть заменена на U0. При этом

Rj = exp(-ikqrу), i, j = 1, 2, j Ф i, q = { sin 00cos ф0; sin 00sin ф0; cos 00}.

При Гу —- <» система (7) распадается на два независимых уравнения, из которых могут быть

r

0 0 0 0

2 ПП

определены диаграммы рассеяния каждого из тел где без учета взаимодействия между ними.

АЛГЕБРАИЗАЦИЯ

Сведем задачу к системе алгебраических уравнений. Для этого подставим в систему (7) разложения диаграмм рассеяния в обобщенные ряды Фурье:

g}(a, p; 00, Ф0) =

^ n

= 2 2 a;nm(00, ф0)К(cos a) exp (imp),

x

*L(a,P) = in(2n +1)(П-—!^ x

(n + m)! 4п

( q - P ) -(q + p)!

2 пп

11 Q—2 X<-i)q(2q +1)

nm

00 q =0 p = -q

x

x

ip,(0, ф)sin0jq(kp.)PPp(cos0) -

n = 0 m = -n

^ n

j (a, p; 0, ф) =

qV-lj- q

sin 0 jq (k p j )

dPP (cos 0)

2 2 a1nm(0^)Pmn (cos a) exp (imp),

(8)

+kpj jq (k p j) « cos0)

n = 0 m = -n

^ n

exp грфd0dф x

gj(a, p; 00, Ф0) =

2 2 a;n°m(00, Ф0)Pm(cos a) exp (imp), Далее,

n = 0 m = -n

где [4]

x Pp(cos a) exp (-ipp).

Gjj = ,n - V( 2 n +, ) (n - m)! i x Gnm, VL = i ( 2n +1 ) 7—:-~ ~ x

„(0, ф) = 2 aL(00, Ф0)

x

(n + m )!4 п

2пп

x 11 Ik2p;2(0, Ф)hV(2)(kp;)PL(cos0)sin0 -

.5 (n + 5)l n , Ач , . ч

x 1 '(n - i)! Pms( cos 0) exp (75ф),

Pn (cos a) - присоединенные функции Лежандра,

Pnms (cos 0) - обобщенные функции Лежандра [5].

В результате получим следующую систему алгебраических уравнений:

- hV2)(kp;)(sin0)kpjed0Pv(cos0) -

- iV^hV2)(kp;)PV( cos0)

Q

anm anm + [Gnm,VvaVV + G nm, V|iaV|l] ,

V = 0 v = -V i, j = 1, 2; i * j.

С использованием известного разложения [6]

exp [ ikp; (0 ],ф]) cos y- ] =

^ n

= 2 2 in( 2n + 1) (n-Щ x

A.I A.I v (n + m)!

n = 0 m = -n

x jn(kpj)Pm(cos a)Pm( cos 0;) exp [im(p - ф;)] нетрудно установить, что

aJn°m(00^0) = RiRJnm(0O, ф0),

x

rji = in(+1)(n - m)! x

Gnm,VV = i (2n +1 x

^ q

2 2(-i )q( 2q+1 )(frpf j qp( ry)x

q = 0 p = -q

2пп

x

¿11 Q

-k2p2(0, ф)sin0jq(kpj)PPp(cos0) +

00

+ k p-0 sin 0 jq (k p.)

+ i pS2j (k p j) Pp (cos 0)"

dPp( cos 0)

exp (ipф)d 0d ф,

n

00

^ V

причем

АСИМПТОТИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ Введем линейные операторы ' такие что

QL(M) = {jn (к р;) ртп( cos 0) +

+ ■

W,

к,

(-1 )рj(0, ф)sin0fn(крj)РП(cos0)

Lj[g}(a, p; 0o, фо)] = Rjg)0(a, в; 0o, Фо) +

2П 2

+

2П 11 exp (~ikp] ry) g°0o(a,e )

X

(9)

р j 9 sin 0 . dppn ( cos 0 ) + к р; ( 0, ф)Jn (к р j) d 0

,Пр

к р j sin 0

jn (к р j ) p: (cos 0)

^exp (-пф),

V + q

Sji

SV|1, qp

(rj = X 6^qp)(-i+1 X

s = |V - q|

X hf( ктг]) P|- p( cos 0ij) exp [ i(| - p )Ф j],

Xgi(Y,-, в'; 0o, Фо)sina'da'dв',

Пусть Gj(a, в; 0O, ф0) - диаграмма рассеяния одиночного тела, которая удовлетворяет уравнению [4]

Lj [ Gj (a, в; 0o, фо)] = g°o (a, p; 0o, Фо). Тогда в силу линейности операторов Lj имеем gj (a, в; 0о, фо) = RjGj (a, в; 0о, фо) +

П , ■

- + гга

2П 2

1/2

+

2П11 exP(-ikPjrij)Gj(a, в^ в*)

X

(10)

X

X gt (y*, в'; 0о, фо) sin a' d a' d в', i, J = 1, 2, i ф J.

лшяр) = ()р\(V + Ц) !(ч + р) !(4 - Ц + р)! 1 4 ^ ; [(V-ц)!(ч-р)!(4 + ц-р)!

х(Vч00|40)(vчц, -р|4, ц-р),

Выражения (10) представляют собой систему

(п1п2т1т2\п, т1 + т2) - коэффициенты Клебша- интегральны1 уравнений Тверского [2]. Как ввд-

(2) но в (10), при решении задачи дифракции на груп-

Г°рдана [5], 'п(кр-), кп (кг-) - сферические функ- пе тел методом Тверского необходимо сначала

ции Бесселя первого и третьего рода соответ- определить диаграммы рассеяния одиночных рас-

ственно, ф' - полярный угол в 7-й системе коорди- сеивателей "-(а, в; 0, ф). При использовании МДУ

нат начала координат ("центра" О-) -'-го тела, г0 = в процессе решения задачи сразу определяются

= г21 - расстояние между рассеивателями. Коэф- диаграммы рассеяния тел с учетом их взаимного

фициенты b жений

(V|qp)

= 0, если хотя бы одно из выра-

(V + ц),( ч + р), (4 - ц + р), (V - ц),( ч - р),(4 + ц - р)

меньше нуля [7].

Найдя диаграммы g1(0, ф; 0О, ф0) и g2(0, ф; 0О, ф0), определим общую диаграмму рассеяния двух тел по следующей формуле

g(a, в; 0,ф) = = Ягg1 (а, в; 0, ф) + ^2(а, в; 0, ф),

где черта означает комплексное сопряжение.

влияния.

При кг12 = кг21 = к1 > 1, оценивая интегралы по методу перевала, получаем, что

gj(р; q) - Яр-(р; q) + 0О-(р; я-)g1(я-; Я), (11)

ехр (-¡к!)

где qj = -f, Q =

к1

gj(Я) =

= Я- " ( я.- ; я ) + Я 7 (¡7 ( Я , ; Я ) • О ( Я --; Я -) (12)

1 - О1"](Я-.-; Я-".(Я.--; я-д

Формулы (11), (12) дают асимптотическое решение задачи при условии, что нам известны функции "(р; я).

о о

s

Полученное решение позволяет проводить вычисления с приемлемой точностью при выполнении неравенства [8]

l

a, + a

> -max( ka-).

2

п

(13)

РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ

1. Сравнение МДУ с методом Тверского

Сравним изложенный метод с методом В. Тверского. Для это

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