К вопросу о вычислении амплитуды рассеяния на радиально-симметричных упругих включениях в идеальной жидкости
Автор: Шарфарец Борис Пинкусович
Журнал: Научное приборостроение @nauchnoe-priborostroenie
Рубрика: Математические модели физико-технических систем
Статья в выпуске: 2 т.22, 2012 года.
Бесплатный доступ
Рассмотрена задача расчета поля рассеяния на однородном, радиально-слоистом и непрерывно радиально-неоднородном упругом шарике. В каждом случае векторное уравнение упругих колебаний решается с помощью сведения последнего к независимым скалярным уравнениям для скалярных потенциалов. В силу малой практической пригодности такого подхода в случае непрерывной радиальной неоднородности шарика предложено использовать ее аппроксимацию радиальной кусочно-постоянной неоднородностью, что позволит достаточно просто решать задачу для общего характера радиальной неоднородности упругих параметров шарика.
Амплитуда рассеяния, упругий шарик, идеальная жидкость, тензор напряжений, смещение
Короткий адрес: https://sciup.org/14264794
IDR: 14264794
Текст научной статьи К вопросу о вычислении амплитуды рассеяния на радиально-симметричных упругих включениях в идеальной жидкости
В терминах амплитуд рассеяния включений решается широкий круг задач, в том числе и задачи расчета радиационного давления в различных первичных полях [1–3]. Библиография, посвященная тематике рассеяния на различных включениях, обширна (см., например, обзор в работе [4]).
Наиболее популярным видом неоднородностей в задачах вычисления радиационного давления являются однородные жидкие и упругие шарообразные включения. Несмотря на это, в большом количестве работ, посвященных, например, упругому однородному шарообразному включению, отсутствует подробное решение и единообразие в представлении конечных результатов, часто они количественно отличаются, что приводит к неопределенности. Анализу этих публикаций на предмет степени их совпадения будет посвящена другая работа, а в настоящей работе сначала предполагается подробный разбор решения задачи рассеяния на упругом однородном шарике, а затем с помощью примененного в этом разборе аппарата — решение такой задачи также в кусочнослоистом радиально-симметричном и непрерывно радиально-неоднородном шариках.
ОДНОРОДНЫЙ УПРУГИЙ ШАРИК
Линейное уравнение движения в векторной форме для идеально упругого однородного изотропного тела при отсутствии объемных сил имеет вид [5–7]
ц A u + ( Л + ц ) VV • u - р u = 0. (1)
Если вектор перемещений u представить в виде суммы продольной ul (потенциальное поле) и сдвиговой ut (соленоидальное поле) составляющих u=u i+u t;
ul = VФ ; ut = V x T ; VT = 0, то уравнение (1) распадается на два волновых уравнения — скалярное и векторное:
1 1 -
АФ--ф = 0; A T--T = 0.
c 1 2 c 2 2
Для гармонических колебаний u = U e - imt волновые уравнения (2) сводятся к скалярному и векторному уравнениям Гельмгольца соответственно:
АФ + к 12 Ф = 0; A T + k 22 T = 0. (3)
В (3) под Ф и T уже понимаются амплитуды соответствующих колебаний.
Выше приняты обозначения:
Л + 2 ц c \ = \ ,
ρ

скорости, а k1 , k2 — волновые числа продольных и поперечных волн соответственно; Л, ц — постоянные Ламе; Ф и T — соответственно скалярный и векторный потенциалы векторного поля u (U). Векторное поле T допускает разложение на три векторных поля [7, т. 2]:
Т = L + M + N . (4)
В этом представлении L — продольная часть вектора Т : L = V v 0 , которая не имеет физического смысла и при вычислении вектора U t дает нуль. Два оставшихся вектора M и N в сферических координатах допускают разложение [6–9]
M = rot( r v 2 ), N = rotrot ( r v 1 ) . (5)
А если учесть только составляющие этих векторов, ротор которых отличен от нуля, то
M = rot( r v 2 ), N = r v 1 . (5а)
Здесь r — вектор в сферической системе координат: r = r 0 r , где r 0 — единичный орт; r = |r|. Для потенциалов Ф и v , , i = 1,2 справедливо уравнение Гельмгольца в сферической системе координат
1 V r 2 «И! r 2 д r V д r V v, )v
1 д
+ r2 sin 0 д0
д (Ф sinθ д0 Vv,

k 1 1
V k 2 )

= 0,
а общее решение (8) преобразуется к виду
(Ф A
I = Z " Idn(k 12r)Pn(cos0).(8а)
Vv,) n"0VBn)
'
r 2 д r V
r 2 — Ф | +
д r д2
1 д fa д a --I sin 0 — Ф | + r 2 sin 0 д 0 V д 0 )
+ r2 sin2 0 дф2
Ф + к 12 Ф = 0,
-( r 2 д r V
? д 1 1 д ( . д 1
r2 —v, | +--I Sin 0---У, | + дr ) r2 sin 0 д0V д0 )
д 2
+ r2 sin2 0 дф2 i = 1,2.
У , + k 2 ^ , = 0,
Здесь Pn (cos θ ) — полиномы Лежандра.
Таким образом, в стационарном случае вектор смещения точек упругого тела в сферических координатах выражается через три скалярные функции следующим образом:
U = U l + U t = grad Ф + rot( M + N ), (10) где M и N выражаются из (5а) через скалярные функции ψ 1 и ψ 2 , удовлетворяющие уравнению (7). Скалярный потенциал Ф удовлетворяет уравнению (6). С учетом (5) окончательно можно записать [6, 9]:
U = grad Ф + rotrot( r v 2) + rot( r v 1 ). (11)
Пусть составляющие вектора смещения в сферической системе координат равны U = (U r , Uθ , Uϕ ) . Для дальнейших рассуждений необходимо выписать компоненту Uϕ вектора смещения через скалярные потенциалы [6, 9]:
Частные однозначные решения последних уравнений Гельмгольца имеют вид
I ( r , 0 , Ф ) = d n ( k , r ) P nm (cos 0 ) е,тф ; i = 1,2;
V v )
n = 0,1,2,...; m = - n ,..., n ,
и Ф =
r sin 0 д ф
д
— Ф +
1 д ( д --1 r—v 2
r sin 0 д r V д ф
д д0^‘ (12)
где dn ( kir ) — одна из сферических функций Бесселя jn ( kir ) , Неймана nn ( kir ) или Ханкеля hn (1) (2) ( ki r ) ; Pnm (cos θ ) — присоединенная функция Лежандра.
Общее решение уравнений (6), (7) определяется так:
Для случая осевой симметрии, когда отсутствует компонента смещения иф = 0 (тело не подвергается кручению), очевидно, что Ф = Ф ( r , 0 ), v 12 = v 12( r,0 ), и из (12) видно, что либо v 1 = 0, либо v 1 = v 1 ( r ). В последнем случае v 1 ( r ) удовлетворяет уравнению (см. уравнение (9))
1 д ( 2 д 1 , 2
——I r 2 — v i I + k 22 v i = 0, r 2 д r V д r )
Г ф
V v
to n
=zz n=0 m=-n
A
RI d n ( k , r ) P n m (cos 0 ) етф . (8)
V B nm )
В случае осевой симметрии, когда функции Ф и y i , i = 1,2, не зависят от угла азимута, в (6), (7) д 2 исчезает член, содержащий оператор :
д ф2
e ±,k2 r решением которого являются функции (ухо-r дящие и приходящие сферические волны). Последние решения не годятся, т. к. они неограниче-ны при r = 0. Остается решение v1 = 0 . Решение (11) с учетом этого перепишется в виде
U = grad Ф + rotrot( r ^ 2 ), (13)
В случае, когда упругий шарик находится в идеальной жидкости, граничные условия на поверхности упругого шара таковы [10, 11]:
– радиальная компонента смещения в жидкости uir + usr и в упругом теле Ur на поверхности шара равны uir + иД = Ul ; (14) ir sr lr = a r lr = a
– суммарное давление падающей pi и рассеянной ps волн в жидкости равны с обратным знаком нормальному напряжению σr на поверхности шара
P. + P s\r = a = — O r ; (15)
– касательная компонента напряжения на поверхности рассеивателя в невязкой жидкости равна нулю (величина σrϕ тождественно равна нулю вследствие осевой симметрии задачи)
O.. = 0. (16)
Выпишем нужные величины, выраженные через соответствующие отличные от нуля потенциалы. Поскольку выражения для σr не совпали в работах [6, с. 41] и [9, с. 111], то автором были самостоятельно выведены все нужные величины. Для этого использовалось выражение (13) для вектора смещения, а также следующие выражения для определения нужных напряжений. Согласно [12, с. 367], имеем
O = ( — + 2 ц ) S r + — ( Se + 8ф ) , O r e = 2 MS e ,
O r = 2ц
д 2 I
— bk 2 +-- Ф +
1 д r 2 J
L 2 12 д _ д 2 д 3 1
+ L 2 + k 2 r --+ 3--+ r---^2 ,
I 2 2 д r д r 2 д r 3 ) 2 ,
O r e = 2 Ц
1 AfU r д e I д r

д f д 2 1 д 1 1, 2 1
+11 k-> \W-) д e |д r 2 r д r r 2 2 )
где
д 1 f д
Sr = Ur, Se = I U e + Ur дr r\se
S = 1 ( Ue ctg e + U r ) , r
,
что показало полное совпадение с результатами работы [6, с. 41]. Здесь b = — = —0— ; о — 2ц (1 — 2о)
коэффициент Пуассона материала шарика, который выражается через скорости продольных и сдвиговых волн следующим образом [13]:
о =
c 1 2 — 2 c 2 2
2 ( c 12 — c 22 ) .
Запишем известные выражения для падающего и рассеянного шариком полей в жидкой среде с плотностью ρ и скоростью звука c . Так, выражение для плоской волны единичной амплитуды и нулевой фазы, распространяющейся вдоль положительного направления оси Oz , при временнóм факторе e — ^ t* имеет вид [7]
pi = e flkkz = eikr cos e = j^ (2 1 + 1)( kr ) p (cos e ). (20) 1 = 0
Выражение для поля рассеянной волны при падении волны (20) на рассеиватель с центром в начале координат имеет вид [14, 15]
1 f д 1 f д Se = _ —U +_ - U
2U r e r U e r
—
U e II ;
ε — соответствующие компоненты тензора деформаций.
Окончательно нужные величины имеют вид:
to
P s = £ T 1 (2 1 + 1) ih i 1 ( kr ) P, (cos e ) = 1 = 0
= -^( e 2 iS i — 1)(2 1 + 1) Vy 1 ( kr ) p (cos e ). (21)
2 1 :0' 1 1X
Здесь ( e 2 i5 1 — 1) = 2y = a1 ; a1 , 31 , T — некоторые коэффициенты, зависящие от волнового параметра x = ka ; a — радиус сферы; k = o / c .
В дальнейшем будем искать коэффициенты T .
Скалярный и векторный потенциалы представим формулами
ur =— ф д r
1^a r sin e se
д I sin e д ё^ 2 1 ,
to
Ф = z A (2 1 + 1) i1 j 1 ( k 1 r ) p (cos e ), (22)
= 0 to
V 2 = Z B 1 (2 1 + 1) ij, ( k 2 r ) P (cos e ), (23)
= 0
вид которых обусловлен осевой симметрией и ко-
нечностью потенциалов в начале координат.
Выражение для амплитуды рассеяния получается из (21) подстановкой асимптотики функции
Ханкеля h1 ’(z) □ —i~1 -1 eiz при z ^да и вычленени-z ем множителя e . Имеем окончательно [16]: r ”
f (9, x ) = - У I, ( x )(2 1 + 1) P (cos9 ) = ik i = o
:^У Уа1 ( x )(2 1 + 1) Pi (cos 9 ) =
2 ikZ 0
= — У ( e 2 i5' ( x ) - 1)(2 1 + 1) P (cos 9 ). (24)
2 ik l : 0
Отметим, что в случае наличия множителя p 0 в падающей волне, все остальные характеристики поля в силу линейности задачи также приобретут этот постоянный мультипликативный коэффициент.
Выпишем условия на границе (14)–(16) для парциальных коэффициентов разложений (20)– (23). Условие (14) в парциальном виде с учетом выражения (17) и дифференциального уравнения Лежандра
-
1 д ( . d z Л ,
--sin 9—P (cos 9 ) + 1 ( 1 + 1) P (cos 9 ) = 0
sin 9 д 9 1 9 9 )
можно переписать в виде
Al 4- j 1 ( k 1 r ) д r
+1BJ (1 +1) j (k2 r) r r :a r : a
1 5
= ~- (Th ( kr ) + j ( kr )) pro 2 д r
Здесь справа стоит парциальное радиальное смещение жидкости. Или окончательно из равенства смещений имеем
Ax j, '( X 1 ) + B, KI + 1) j ( x 2 )--^'( x ) :
ρω 2
Y
: —Ji '( x ). (25)
ρω 2
Здесь и далее x i = k i a , i = 1,2. Для условия равенства на границе нормальных напряжений (15) имеем
2 ρ 1 c 2
I A 1 k 1
- j ( x 1 ) + j "( x 1 ) '
I (1 - 2^ ) )
+ B1k 22 ( j 1 ( x 2 ) + x 2 j 1 '( x 2 ) + 3 j 1 "( x 2 ) + x 2 j 1 "'( x 2 ) ) +
+ Th /( x ) :- j ( x ). (26)
При обработке условия (16) учтем в касательном напряжении σrθ (19) следующее равенство [17]:
-
- -d^ P (cos 9 ) : P ’(cos 9 ).
Тогда, учитывая последнее равенство и ортогональность системы функций P 1(cos9), 1 = 1,2,... на интервале [0, п] с весом sin9, имеем для парциальных коэффициентов равенство r2
1 д 1
- A11 I j(k1r) + r \д r r)
n ( д2 1 д
+ B 1 1----+--
I д r 2 r д r
- ^ + 1 k 22 I j ( k 2 r ) r 2 2 )
: 0.
r : a
Или окончательно:
2 ( x 1 j '( x 1 ) - j ( x 1 ) ) A +
+ ( x 22 j "( x 2 ) + ( 1 2 + 1 - 2) j ( x 2 ) ) Bl = 0. (27)
В последнем случае для приведения выражения к укороченному виду использовалось уравнение для сферических функций r2 — + 2r- + (k22r2 -1( 1 +1)) д r2 д r j i(k2r) = 0.
Таким образом, получена система трех уравнений (25)–(27) для определения бесконечной цепочки из трех неизвестных ( A , B 1 , I ) , 1 = 0,1,2,...
Выпишем ее в матричном виде:
г
x 1 jl '( x 1)
г
2 ρ 1 c 2 2 k 1 2
—
к
n ^ . h ( x i ) + ji "( x i ) (1 — 2 ^ )
2 ( x i j '( x i ) — j ( x i ) )
1 (1 + 1) j ( x 2 )
2 P c 22 k ■' ( j ( x 2 ) + x 2 j 1 '( x 2 ) + 3 j 1 "( x 2 ) + x 2 j "( x 2 ) ) ( x 22 j 1 "( x 2 ) + ( 1 2 + 1 — 2) j 1 ( x 2 ) )
Y
---hi"(x ) ρω 2
h 1 ( x )
к
Г A)
B
T
к
( X —j. '( x ) P® 2
= — j i ( x )
к
.
к 7
В результате решения этой системы коэффициент T определяется так:
T = — F i j i ( x ) + xj i '( x )
1 F i h i 1( x ) + xh i ”( x ),
и коэффициенты при производных уже с точностью до констант можно трактовать как импедансы, помноженные на парциальные колебательные скорости.
– Штрих в верхнем индексе функций означает дифференцирование по параметру x .
где
F = [ j i '( x i ) X 1 ( — 2 j ( X i ) j ( x 2 ) 1 ( 1 + 1) +
+ j 1 '( x i ) x i ( j 1 ( x 2 )(2 + i + 1 2 ) — j 1 "( x 2 ) x 22 )) P® 2 ]X
Xi 2 c 22 P i ( — k i2 ( 2 j ( x i ) j ( x 2 ) 1 ( 1 + i) +
+ j I '( x i ) x i ( — j I ( x 2 )(2 + 1 + 1 2 ) + j I "( x 2 ) x 22 ) ) X
Xl j I ( x i )
—
—— + Ji "( x ) | + i + 2 ^ 1 i )
+ 2 ( — j I ( x i ) + j I '( x i ) x i ) j I '( x i ) x i k 22 l j I ( x 2 ) +
+ 3 j I "( x 2 ) + ( j I '( x 2 ) + j I '"( x 2 ) x 2 ) x X —i
— j ( x 2 ) k i2 1 (i + 1 ) X
x[ j, .( x, ) + j^
к — i + 2o
.
Замечания.
– Выражение (29) можно переписать в виде j1(x)+ xjI'(x)
T (x) =--F--------, ht i (x) + — xhji'(x)
F
СЛОИСТО-НЕОДНОРОДНЫЙ РАДИАЛЬНОСИММЕТРИЧНЫЙ УПРУГИЙ ШАРИК
Речь идет о физической модели шарика, состоящего из плотно соприкасающихся друг с другом однородных упругих сферических оболочек различной толщины с различными упругими свойствами общим числом n . В центре общего шарика может находиться либо упругий, либо газообразный или жидкий шарик и имеет номер m = i. Радиус первого шарика a 1 , радиус общего шарика a , толщина m -й оболочки Hm . Все упругие постоянные в каждом слое также имеют соответствующий номер. Эта задача является близкой рассмотренной выше, за исключением ряда нюансов, которые необходимо отметить.
На границе между упругими оболочками должны выполняться следующие краевые условия [11, 18]:
– разница нормальных и тангенциальных смещений вдоль орта θ (смещение вдоль орта ϕ равно нулю вследствие осевой симметрии задачи) на разных сторонах всех границ, а также разница нормальных напряжений и напряжений вида rθ равны нулю, а именно
[ ^ Г ] m = 0, [ ^ , ] m = 0 , [ ^ „ ] m = 0, [ СТг 9 ] m = 0, m = i, n — i;
– на границе общего шарика и идеальной окружающей жидкости выполняются условия (14)– (16). Аналогичные условия выполняются также и в случае, если в центре шарика находится идеальная жидкость.
Падающая волна по-прежнему определяется выражением (20), а рассеянная волна — выражением (21). Учитывая сохраняющуюся осевую симметрию задачи, можно утверждать, что скалярные Ф m и векторные у 2 m потенциалы (потенциалы ψ 1 m в силу осевой симметрии равны нулю у 1 m = 0) определяются выражениями типа (22), (23), но только в слоях, за исключением первого, имеют несколько видоизмененный вид: то
Фm = ^[(2l + 1)ll ( Amj (k1 тГ) + l=0
+ A 2 mi n ( k 1 т Г )) P l (cos А ) ] , (32)
то
У 2 m =Z[(21 + 1) il (B1 miJi ( k2 тГ) + l=0
_ + B 2 mi n i ( k 2 т Г )) P l (<** А ) ] , (33)
m = 2, n .
В центральном шарике вследствие ограниченности поля для этих потенциалов сохраняются представления (22), (23). Далее с помощью соответствующих выражений для смещений и напряжений необходимо с помощью уравнений "сшить" все условия на границах, как это делалось в первой части статьи. Так как в слоях, кроме первого, число неопределенных коэффициентов удвоилось, задача решается введением условий на границах [ U a L = 0 . Выпишем выражение для составляющей смещения Uθ в слое с постоянными упругими свойствами [6]:
1 д 1 д f д )
U a =--Ф +--1 r—У 2 I .
r д А r д r V д А )
Все остальные действия представляют собой рутинный повтор с учетом многослойности проделанных в первой части статьи действий.
РАДИАЛЬНО-НЕОДНОРОДНЫЙ УПРУГИЙ ШАРИК
Возможна ситуация, когда модули упругости и плотность материала включения являются кусочно-непрерывными функциями координат. Тогда упругие колебания включения описываются в рамках теории упругости неоднородных тел.
Уравнения теории упругости неоднородных тел рассмотрены в общем плане, например, в работах
[19, 20], а применительно к радиальнонеоднородной среде — в работе [21]. Согласно [19], обобщенный закон Гука, выражающий зависимость между тензорами напряжения и деформации, для неоднородных тел выполняется так же, как и для однородных тел; причем соотношения между напряжениями и деформациями будут отличаться от соответствующих соотношений для однородных тел лишь тем, что входящие в них модули упругости являются функциями координат. Кроме того, принимается предположение, что в областях непрерывности модулей упругости и плотности материала являются непрерывными и их первые две производные по координатам. Сохраняются также формулы Коши для однородного случая, связывающие тензор деформации с производными компонент вектора перемещений. Кроме того, сохраняется также зависимость между компонентами вектора перемещений и тензором напряжений такая же, как и в однородном случае.
Волновые процессы в неоднородной изотропной упругой среде с коэффициентами Ламе λ , µ и плотностью ρ описываются векторным уравнением [20]:
(Л + 2 ц)grad divu - цrot rotu + divu grad/ + д2и
+ grad ц x rot u + 2grad ц • grad u = p ---.
д tT
Здесь под grad u понимается тензор
( grad u ) =ди- .
,l' д x j среды (модули
А для радиально-неоднородной упругости и плотность являются функциями одной переменной: Л = Л(r), ц = ц(r),
p 1 = p 1 ( r )) уравнение (34) преобразуется к виду
( Л + 2 ц )grad S - ц rotrot u + Л'S r 0 +
, „ . . „ д u. д2 п
+ ц ( г, x rot u + 2—) = p— .
д r д t
Здесь штрих означает дифференцирование по r ; S = div u .
Обычно решение (35) пытаются, как и в однородном случае, искать, разделяя исходное векторное уравнение теории упругости (35) на независимые скалярные уравнения для обобщенных скалярных потенциалов. В работе [21] решение ищется в виде
U = U 1 + U 2 + U 3, (36)
где
U i = "TT^gra^ fф ф ), f 1( r )
U 2 = -77-rotrot( r r o f >M (37)
f 2( r )
U 3 = rot( r r: 0 j.
В работе [22] векторы (37) ищутся несколько иначе:
U i = V i ( r )grad( Ф 1 ( r ,9 )),
U = V 2 ( r )rotrot( r o Ф 2 ( r ,9 )), (38)
U 3 = rotC^C r,9 )).
Здесь U 1 , U 2 , U 3 соответствуют векторам смещения продольных ( U 1 ) и сдвиговых волн ( U 2 , U 3 ); f 1 , f 2 , ψ 1 , ψ 2 — скалярные функции от r ; ф , Ф i , i = 1,2,3 — некие скалярные потенциалы.
Как показано в [22], представления (37) и (11), (13) для однородного случая являются частными случаями представления (38). Однако для получения независимых скалярных уравнений для потенциалов фi, Ф i , i = 1,2,3 в неоднородном случае в отличие от однородного, где они изначально являются независимыми, необходимо чтобы поведение функций v i ( r ), i = 1,2, 1 = 1 ( r ), ц = ц(r ), Р 1 = р 1 ( r ) удовлетворяло некоторым дополнительным условиям. В [22, 23] показаны примеры случаев, когда такое разделение возможно. Приведем один из них:
Р 1 = Р 10
г r
r
У ro 7
Ц = Ц о —
У r0)
1 = Ц(Y - 2),
Y ( r ) = С ^ , c 22 ( r ),
V i =
r
у r o )
( r r , V 2 = 1, V 1 = —
У ro)
.
Здесь r 0 — некоторое фиксированное значение координаты r ; ρ 0 , µ 0 — значения соответствующих величин при r = r 0.
Отметим, что рассмотренный здесь способ решения задачи упругости сведением ее к независимым скалярным уравнениям для обобщенных потенциалов в радиально-неоднородном случае является достаточно трудоемким и пригодным лишь для избранных распределений параметров 1 = 1 ( r ), ц = ц ( r ), p 1 = p 1 ( r ). Уместнее, по всей вероятности, применять либо общие методы скалярного и векторного потенциалов, также трудоемкие, либо аппроксимировать задачу кусочнослоистой моделью, описанной выше.
ВЫВОДЫ
В статье последовательно рассмотрена задача расчета поля рассеяния на однородном, радиально-слоистом и непрерывно радиальнонеоднородном упругом шарике. В каждом случае векторное уравнение упругих колебаний решалось с помощью сведения последнего к независимым скалярным уравнениям для обобщенных скалярных потенциалов. В силу малой практической пригодности такого подхода в случае непрерывной радиальной неоднородности шарика предложено использовать ее аппроксимацию радиальной кусочно-постоянной неоднородностью, что позволит достаточно просто решать задачу для произвольной радиальной неоднородности упругих параметров шарика.
Для вычислений в работе использовался пакет Ma-thematica-8 (лицензия L3259-7547).