научная статья по теме ВОЛНЫ ЛЭМБА В АНИЗОТРОПНЫХ ПЛАСТИНАХ (ОБЗОР) Физика

Текст научной статьи на тему «ВОЛНЫ ЛЭМБА В АНИЗОТРОПНЫХ ПЛАСТИНАХ (ОБЗОР)»

АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2014, том 60, № 1, с. 90-100

ОБРАБОТКА АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

УДК: 534.16

ВОЛНЫ ЛЭМБА В АНИЗОТРОПНЫХ ПЛАСТИНАХ (ОБЗОР)

© 2014 г. С. В. Кузнецов

Институт проблем механики РАН Москва, 129526, просп. Вернадского, 101 E-mail: kuzn-sergey@yandex.ru Поступила в редакцию 09.03.2013 г.

Анализируются теоретические методы, применяемые для исследования волн Лэмба в анизотропных пластинах. Основное внимание уделяется шестимерному формализму Коши. В замкнутом виде получено решение для определения дисперсионных кривых волн Лэмба в пластинах с произвольной упругой анизотропией.

Ключевые слова: волна Лэмба, анизотропия, дисперсия, формализм Коши DOI: 10.7868/S0320791914010092

ВВЕДЕНИЕ

Ниже дается краткое введение в теорию волн Лэмба, а также приводится обзор некоторых наиболее важных работ по этой тематике.

Волны Лэмба в изотропной пластине

В первых работах [1, 2] по волнам, распространяющимся в бесконечной изотропной пластине со свободными границами, решение было получено в предположении, что длина волны существенно превышает толщину пластины. Полная теория распространения гармонических волн Лэмба, не связанная с длинноволновым приближением, получена в [3]. В этой теории уравнение движения записывалось в виде

д 2

ci;Vdivu - cSrotrotu = —u,

dt

(1)

где u — поле перемещений, а ср и с8 — скорости соответственно продольной и поперечной объемных волн:

Ф (x, t) = Ф' (x) вш, ¥ (x, t) = (x)

Ш

(4)

Подстановка представления (4) в уравнение (1) приводила к двум независимым уравнениям Гельмгольца

А +

ю

Lpy

Ф' = 0,

А +

ю

KS/

¥' = 0.

(5)

Для учета пространственной периодичности и упрощения последующего анализа ниже вводится следующее расщепление пространственных переменных:

(6)

x = (x • n) n + (x • V ) V + (x • w) w,

Ср = с, = н. (2)

V Р \р

В выражениях (2) X и ц — константы Ламе, р — плотность среды. Далее, для поля перемещений использовалось представление поля перемещений в терминах скалярного (Ф) и векторного (¥) потенциалов

и = УФ + го^. (3)

Потенциалы предполагались гармоническими по времени

где п — единичный волновой вектор, V — единичная нормаль к срединной поверхности пластины и w = П X V.

Замечание 1. Для рассматриваемых волн Лэм-бом предполагалось, что поле перемещений не зависит от переменной х • ч. Это предположение позволило ввести скалярные потенциалы ¥ и ¥' в (4) вместо векторных (в действительности, Лэмб рассматривал векторные потенциалы, состоящие из одной ненулевой компоненты • ч) ч).

Следующее допущение относится к пространственной периодичности потенциалов в направлении распространения

Ф'(х) = ф(х")вх\ (х) = у(х")вх\ (7)

где безразмерные координаты х' и х" определяются выражениями

х' = 1гх ■ п, х" = 1гх ■ V. (8)

В (8) I а г — волновое число, связанное с

длинной волны I соотношением

2п I '

r =

(9)

Подстановка представлений (7) в уравнение (5) дает систему несвязанных обыкновенных дифференциальных уравнений

Г 9\ Л Г

,2 d ф

dx'

2Л 1 - ^

cP У

2

d у

V

2

1 - %

cS У

у = 0, (10)

ф = 0, + dx"

где фазовая скорость с связана с частотой и волновым числом соотношением

c = ®.

(11)

Следуя Лэмбу, общее решение уравнений (10) может быть представлено в виде

ф (x") = Ci sh (Yix") + C2ch (Yix"), у (x") = C3 sh (y2x") + C4 ch (y2X"),

где

Yi =|1 -

2

cP У

1/2

Y 2

2 У/2

1 -

2

cS У

(12)

(13)

(хДФ' I + 2ц (УУФ' + 2

(VrotT' + (Vrot Y')))) • v = 0, x • v = ±h

th (y

th (Y1rh)

i л ^

' 4Y1Y 2

2Ч 2

= 0.

(16)

1 =

4Y1Y 2 Д + Y 2)2,

(17)

Анализ уравнения (16) при гк ^ 0 (длинноволновый предел) приводит к уравнению [5]

Y2 = Y1

4Y1Y 2 Д + Y 2)2.

(19)

откуда удается определить две предельные скорости

^2,lim

= 2cs

1 - 4

I cp

-3,lim

4S-

(20)

(21)

Неизвестные коэффициенты в (12) определяются (с точностью до множителя) из граничных условий на свободных поверхностях пластины

1 у = (Мг (Уи)1 + ц (Уи + Уи')) • V = 0, х • V = ±к,(14)

где 2к — толщина пластины. Подстановка представления (3) в граничные условия (14) дает граничные условия в терминах потенциалов ф" и у":

(15)

Подстановка решений (12) в уравнение (15) при учете Замечания 1 дает дисперсионное уравнение, найденное впервые в [1, 3]:

V (1 + у 2)2

Знак "+" в этом уравнении относится к симметричным, а "—" к антисимметричным модам. Ввиду (11) и (13), полученное дисперсионное уравнение определяет фазовую скорость с как неявную функцию частоты. Уравнения для скоростей, относящихся к длинноволновым и коротковолновым пределам, были найдены в [3].

Переход к коротковолновому пределу гк ^ да в (16) дает

Это уравнение совпадает с вековым уравнением для скорости рэлеевской волны, полученным в [4]. Таким образом, первая предельная скорость совпадает со скоростью волны Рэлея

Cl.lim = Cr. (I8)

Выражение (20) для предельной скорости впервые получено в [1, 2]. Надо отметить, что это выражение отличается от предельной скорости для длинных акустических волн в стержнях.

Дисперсия антисимметричной фундаментальной моды, определяемой по уравнению (16), исследована в [6] с помощью метода возмущений. Исследования по волнам Лэмба в слое, контактирующим с полупространством, рассматривались в [7—10] в связи с геофизическими приложениями. Анализ дисперсионных кривых при различных значениях коэффициента Пуассона (включая отрицательные значения) осуществлялся в [11—13]. В [14] исследовались точки пересечения дисперсионных кривых.

Групповая скорость

Понятие групповой скорости введено Стоксом [15] для описания распространения волнового пакета гравитационных волн в гидродинамике. В [16—18] понятие групповой скорости обобщено на поверхностные волны в теории упругости. Формально групповая скорость может быть определена следующим соотношением:

group d®

dr

Численный анализ [19—25] дисперсии групповой скорости (в основном, при условии Пуассона X = ц) подтвердил гипотезу Рэлея [16, 17] о том, что возможны отрицательные значения групповой скорости при малых значениях волнового числа. Численные эксперименты [25] обнаружили существование более широкого диапазона отрицательных значений групповой скорости при значениях коэффициентах Пуассона, лежащих в интервале 0.31 <v< 0.45. С физической точки зрения групповая скорость определяет скорость распространения пакета гармонических волн, различающихся частотами [25]. Отдельные волны в пакете могут распространяться с различными фазовыми скоростями ввиду дисперсии, однако с точки зрения внешнего наблюдателя существует некоторая скорость, определяющая движение всего пакета. В связи с этим отрицательная групповая скорость определяет собой движение пакета в сторону, противоположную движению отдельных волн.

(22)

10

(a)

ть

с

о р

о к с я а в о п

р

l-ч

Частота, МГц (б)

10

[26]. В соответствии с уравнением (24) условие

сбг°ир < о означает, что обе частные производные в (24) имеют одинаковые знаки; последнее эквивалентно одновременному возрастанию или убыванию (относительно г и ю) функций ¥± (г, ю).

Уравнение (24) позволяет выявить условия, при которых групповая скорость обращается в

нуль. Действительно, условие с ®гоир = 0 означает,

д¥ ± (г, ю)

-1-- = 0 при конечном значении

дг

что либо

dF ± (r, ю) дю

конечном значении

или бесконечное значение dF ± (r, ю)

dF (r, ю) дю

при

dr

Частота, МГц

10

Типичные дисперсионные кривые фазовой и групповой скоростей, определенные для титановой пластины толщиной 1.0 мм, показаны на рис. 1 [27].

На этих графиках обозначения ак отвечают антисимметричным модам, а $к — симметричным. Как следует из приведенных графиков, отрицательная групповая скорость соответствует только симметричной моде что согласуется с результатами [25].

Рис. 1. Типичные дисперсионные кривые волн Лэмба в 1.0 мм титановой пластине [27]: а) фазовая скорость; б) групповая скорость.

Уравнение (16) позволяет получить другие формулы для определения групповой скорости. Например, подставляя фазовую скорость, определяемую по уравнению (11), в выражение (13), обозначая

правую часть уравнения (16) как ¥± (г, ю) и предполагая, что ю является функцией г, получаем при дифференцировании (16) следующее уравнение:

dF1 (r, ю) + dF1 (r, ю) = 0 dr дю dr

(23)

откуда, с помощью (22), вековое уравнение для групповой скорости приобретает вид

dF+ (r, ю) dr

(24)

dF (r, ю) дю

В (24) параметр r рассматривается как функция ю. Еще одно выражение для групповой скорости, которое можно получить из (22), было найдено в [6]:

phase

" (25)

С group _ c Phase _ ^

dc p

dl

где I — длина волны.

Теоретические исследования фазовой, групповой и лучевой скоростей проводились также в

Ортогональность и полнота мод Лэмба

Вообще говоря, распространяющиеся моды волн Лэмба не ортогональны в смысле интегрирования по поперечному разрезу [28]:

к

|и(т)(х) • и(л)(хУх' Ф 0, т Ф п, (26)

где u

(m), U(«)

перемещения, отвечающие различ-

ным модам; х' — безразмерная координата, определенная по (8); 2к — толщина пластины. Однако в [29] была определена обобщенная ортогональность мод Лэмба, основанная на соотношении взаимности Бетти. Следуя [29, 30], это соотношение может быть записано в виде

|(U(m)(x); tv(m)(X)}- H(x') X

(27)

X ((х) гХ(п)(х')]' ийх' = 0, т Ф п,

где И(х') — некоторая 4 х 4 матрица; см. также [31, 32] и [33], где предложен иной метод получения условий обобщенной ортогональности. Условия ортогональности в цилиндрических координатах получены в [34].

Начиная с первых работ по волнам Лэмба в изотропных пластинах [1—4], стало очевидным, что распространяющиеся моды образуют неполную систему функций, главным образом, из-за

0

6

0

h

c

h

наличия частот отсечки; в этой связи см. [35—37]. Проблема полноты обсуждалась также в [33].

На рис. 2 приведен трехмерный график семейства комплексных дисперсионных кривых, отвечающих симметричным модам, см. [5, 35].

График на рис. 2 показывает переход от действительных к комплексным модам при частотах отсечки. Надо отметить, что полнота комплексных мод Лэмба, установленная в [33], является следствием теоремы о полноте системы собственных функций линейного эллиптического оператора в гильбертовом прост

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