Kolebaniya i volny. Lekcii.
V.A.Aleshkevich, L.G.Dedenko, V.A.Karavaev (Fizicheskii fakul'tet MGU)Izdatel'stvo Fizicheskogo fakul'teta MGU, 2001 g. Soderzhanie
Rassuzhdeniya, privedennye vyshe, nosyat kachestvennyi harakter. Dlya kolichestvennogo opisaniya nelineinogo rasprostraneniya voln my ispol'zuem naibolee uproshennyi podhod k analizu sistemy nelineinyh uravnenii (6.40) - (6.41). Ogovorimsya srazu, chto poskol'ku uravneniya Eilera opisyvayut povedenie nevyazkoi sredy, to my smozhem proanalizirovat' rasprostranenie volny lish' na pervyh dvuh etapah.
Perepishem uravneniya v (6.41) v vide:
![]() | (6.44) |
gde vse nelineinye chleny, po poryadku velichiny men'shie lineinyh, pereneseny v pravye chasti uravnenii.
S uchetom malosti nelineinyh chlenov dlya etih uravnenii v nelineinoi akustike
razrabotany priblizhennye metody resheniya, smysl kotoryh sostoit v poluchenii
znachitel'no bolee prostyh uravnenii, imeyushih v ryade sluchaev neslozhnye
analiticheskie resheniya. Odno iz takih uravnenii my seichas i poluchim, odnako
sdelaem eto predel'no prosto. Dlya etogo, vo-pervyh, my ogranichimsya vnachale
lish' kinematicheskoi nelineinost'yu, a, vo-vtoryh, budem predpolagat', chto
mezhdu skorost'yu i vozmusheniem
sushestvuet takaya zhe svyaz',
kak i v lineinom rezhime:
![]() | (6.45) |
gde - otnositel'naya deformaciya elementarnogo ob'ema gaza
(
pri szhatii i
pri razrezhenii). Eta svyaz'
pozvolyaet nam ogranichit'sya odnim iz dvuh uravnenii gidrodinamiki.
Predpochtitel'nee, naprimer, vospol'zovat'sya bolee prostym uravneniem
nepreryvnosti. Pri podstanovke vo vtoroe uravnenie (6.44) vozmusheniya
plotnosti
proporcional'nogo, soglasno (6.45),
gidrodinamicheskoi skorosti v, poluchaem nelineinoe uravnenie:
![]() | (6.46) |
Zametim, chto v lineinom rezhime, kogda pravaya chast' uravneniya ravna nulyu, ego resheniem yavlyaetsya lyubaya funkciya vida:
![]() | (6.47) |
opisyvayushaya begushuyu so skorost'yu bez iskazheniya vdol' osi Ox
akusticheskuyu volnu.
V nelineinom rezhime situaciya uslozhnyaetsya. V samom dele, perepishem uravnenie (6.46) v vide
![]() | (6.48) |
Otsyuda vidno, chto skorost' uchastka volny ravna
![]() | (6.49) |
i zavisit ot gidrodinamicheskoi skorosti chastic.
Dlya fragmenta garmonicheskoi volny gidrodinamicheskoi skorosti, izobrazhennogo na ris. 6.10, eto oznachaet, chto sinusoidal'noe raspredelenie skorosti vdol' osi Ox transformiruetsya v piloobraznoe. Sledovatel'no, oba mehanizma nelineinosti sposobstvuyut transformacii garmonicheskoi volny v piloobraznuyu.
![]() |
Ris. 6.10. |
Esli by my s samogo nachala uchli deistvie oboih mehanizmov nelineinosti, to iz uravnenii (6.44) i (6.40) my by poluchili uravnenie
![]() | (6.50) |
gde - nelineinyi parametr, otrazhayushii deistvie
oboih mehanizmov nelineinosti. Spravedlivosti radi otmetim, chto formula
(6.49) ne yavlyaetsya tochnoi, poskol'ku v otsutstvie fizicheskoi nelineinosti
nelineinyi parametr
i na samom dele
Eto svyazano s tem, chto my ispol'zovali svyaz' v vide (6.45), kotoraya dlya
voln konechnoi amplitudy ne yavlyaetsya vernoi.
Po analogii s (6.47) my mozhem zapisat' reshenie uravneniya (6.50) v vide:
![]() | (6.51) |
Eto reshenie opisyvaet evolyuciyu prostyh (Rimanovyh) voln. Teper' ne sostavlyaet truda kolichestvenno opisat' transformaciyu garmonicheskoi volny v piloobraznuyu.
Pust' na vhode v sredu (pri )
![]() | (6.52) |
Togda na rasstoyanii
![]() | (6.53) |
Zdes' - tak nazyvaemoe lokal'noe vremya,
otschityvaemoe nablyudatelem, nahodyashimsya na rasstoyanii
ot nachala koordinat,
ot momenta vremeni
Dlya postroeniya grafika zavisimosti (6.53) perepishem ee v yavnom vide
![]() | (6.54) |
gde
![]() | (6.55) |
harakternoe rasstoyanie, na kotorom razvivaetsya znachitel'noe nelineinoe
iskazhenie volny. Eto rasstoyanie sokrashaetsya s rostom amplitudy
ishodnoi volny i nelineinogo parametra.
Na ris. 6.11 izobrazheny raspredeleniya skorosti v predelah odnogo perioda
kolebanii dlya volny na rasstoyaniyah Iz etih krivyh vidno, chto sinusoidal'naya volna
prevrashaetsya postepenno v piloobraznuyu, a pri
v profile
volny poyavlyaetsya neodnoznachnost'. Eta neodnoznachnost' ne imeet fizicheskogo
smysla i voznikla lish' iz-za prenebrezheniya vyazkost'yu gaza. V
deistvitel'nosti pri
skorost' ispytyvaet skachok, ili
razryv (ot velichiny skorosti v tochke A do velichiny skorosti v tochke V).
Polozhenie udarnogo fronta zadaetsya liniei AV, kotoruyu provodyat tak, chtoby
zashtrihovannye ploshadi sverhu i snizu ot AV byli by odinakovy (v
rassmatrivaemom sluchae AV sovpadaet s os'yu Oy). Takim postroeniem
avtomaticheski uchityvaetsya nelineinoe zatuhanie volny. Rasstoyanie
kak netrudno teper' ponyat', yavlyaetsya rasstoyaniem, na kotorom u volny
poyavlyayutsya razryvy skorosti
plotnosti
i davleniya
K
sozhaleniyu, bez ucheta vyazkosti shirina udarnogo fronta poluchilas' ravnoi nulyu.
V real'noi situacii ona konechna i vozrastaet s uvelicheniem vyazkosti.
![]() |
Ris. 6.11. |
Uchet vyazkosti pozvolyaet opisat' III etap rasprostraneniya, odnako eto vyhodit za ramki nashego kursa.
Govorya ob obrazovanii udarnogo fronta v konce I etapa i posleduyushem
nelineinom zatuhanii na II etape, my ne dolzhny zabyvat' o nalichii obychnogo
(lineinogo) poglosheniya volny vsledstvie vyazkosti sredy. Eto pogloshenie
harakterizuetsya koefficientom (sm. formulu (5.19)) i zavisit ot
chastoty. Amplituda volny pri lineinom pogloshenii umen'shaetsya po
eksponencial'nomu zakonu uzhe na I etape:
gde
harakternoe rasstoyanie,
harakterizuyushee pogloshenie zvuka. Estestvenno, chto umen'shenie amplitudy
"pritormazhivaet" process iskazheniya profilya volny. Esli pogloshenie
takovo, chto
to nelineinoe iskazhenie mozhet i ne
proyavlyat'sya vovse.
V akustike otnoshenie
![]() | (6.56) |
nazyvayut akusticheskim chislom Reinol'dsa. Esli to volna schitaetsya
moshnoi, i dlya nee imeet mesto nelineinoe iskazhenie. Pri
volna
slabaya, i nelineinoe iskazhenie podavleno obychnym lineinym poglosheniem.
Esli uchest' dalee, chto amplituda skorosti svyazana s amplitudoi
vozmusheniya davleniya
akusticheskim zakonom Oma, to
nelineinaya dlina budet obratno proporcional'na velichine
:
![]() | (6.57) |
Sledovatel'no, vyrazhenie dlya akusticheskogo chisla Reinol'dsa primet vid:
![]() | (6.58) |
Zdes' uchteno, chto v sootvetstvii s formuloi (5.21) - konstanta, harakterizuyushaya nelineinye i vyazkostnye
svoistva sredy.
Publikacii s klyuchevymi slovami:
kolebaniya - volny
Publikacii so slovami: kolebaniya - volny | |
Sm. takzhe:
|