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:
|