Взаимодействие коротких акустических импульсов с неоднородностями на поверхности
Страница 3
, (7)
.
Из условия существования ненулевых решений этой линейной системы уравнений получается уравнение Рэлея
. (8)
Вводя скорость волны Рэлея ![]()
, легко видеть, что
не зависит от частоты, т.е. волны Рэлея в классическом упругом теле
бездисперсны и отношение
определяется отношением
, т.е. зависит только от коэффициента Пуассона
.
Амплитуды потенциалов
и
линейно связаны уравнениями (7), поэтому решения (5) можно представить в виде:
, (9)
.
Значения смещений
и
вычисляются по формулам (3); в частности, для амплитуды смещения
на поверхности
имеем:
, (10)
соответственно
дается формулой:
. (11)
Из этих формул видно, что смещение частиц среды в волне Рэлея происходит по эллипсам, причем на «гребнях» волны частицы движутся в направлении, противоположном направлению распространения волны.
Поток энергии в волне Рэлея в расчете на единицу ширины акустического пучка с использованием формул (9) можно представить формулой:
, (12)
где поток энергии
представлен в Вт/см, частота
в ГГц, плотность
в г/см
, амплитуда
в
,
- функция коэффициента Пуассона, скорость
в см/с.
Приведенные соотношения позволяют рассчитать все основные характеристики волны Рэлея в изотропном твердом теле.
Распространение ПАВ на шероховатых поверхностях и в мелкомасштабных периодических структурах.
Далее перейдем к рассмотрению распространения волны Рэлея на шероховатой поверхности. Основными явлениями на таких поверхностях являются затухание и дисперсия ПАВ обусловленные взаимодействием с двумерными и трехмерными шероховатостями. Рассмотрим теоретический подход к расчету затухания и дисперсии.
Пусть на выступ или выемку, находящиеся на гладкой поверхности, падает поверхностная волна, характеризуемая амплитудами смещений
. В результате взаимодействия с неоднородностью полное поле в упругой среде будет отличаться от поля падающей волны, принимая значение
.Получим интегральное уравнение, определяющее рассеянное поле
. Полное поле
в ограниченной упругой среде вдали от источников должно удовлетворять уравнению движения:
, (13)
замыкаемому линеаризованным уравнением состояния:
, (14)
где
- плотность среды,
- компоненты тензора упругих напряжений,
- компоненты линеаризованного тензора деформаций,
- упругие постоянные;
и однородным граничным условием на свободной поверхности:
, (15)
где
- вектор единичной нормали к поверхности.
Тогда для описания рассеяния волны на неоднородностях поверхности используется интегральное уравнение:
, (16)
где точка
находится внутри контура С, а точка
лежит на С,
- тензор Грина для смещений, П – скалярный дифференциальный оператор.
Физический смысл данного уравнения состоит в том, что оно описывает рассеянное поле, возникающее в результате действия на поверхность С2, С1/, С3 (рис.2) ненулевых напряжений, обусловленных наличием препятствий.
Ограничиваясь рассмотрением только изотропных твердых тел, для которых
, перейдем к уравнению в потенциалах
и
.
Если рассматривать смещения только в плоскости xz, то векторный потенциал
будет иметь лишь одну компоненту
и соответствующее уравнение для вектора Ф
примет вид:
, (17)
индекс m принимает значения x и z,
- оператор возмущений.
Для малых препятствий наиболее простым методом решения данного уравнения является итерационный метод, в котором за нулевое приближение к решению
выбирается поле падающей волны
. Последующие приближения получаются подстановкой низших приближений в интеграл уравнения. В результате решение представляется в виде итерационного ряда (борновский ряд)
, (18)
Условие применимости борновского приближения накладывает ограничения на размеры и форму препятствий. В данном случае оно имеет вид:
<< 1, (19)
где
функция описывающая дефект на плоской поверхности,
- максимальная глубина дефекта,
- производная по
функции описывающей профиль дефекта,
,
,
- длина рэлеевской волны.