Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO
§ 102. Образование разрывов в звуковой волнеПлоская бегущая звуковая волна как точное решение уравнений движения тоже представляет собой простую волну. Мы можем воспользоваться полученными в предыдущем параграфе общими результатами для того, чтобы выяснить некоторые свойства звуковых волн малой амплитуды во втором приближении (понимая под первым приближением то, которое соответствует обычному линейному волновому уравнению). Прежде всего отметим, что по истечении достаточно долгого времени в звуковой волне на протяжении каждого ее периода должен возникнуть разрыв. Этот эффект приведет затем к весьма сильному затуханию волны, как это было объяснено в § 101, Фактически это может относиться, разумеется, лишь к достаточно сильному звуку; в противном случае звуковая волна успеет поглотиться благодаря обычному эффекту вязкости и теплопроводности газа раньше, чем в ней успеют развиться эффекты высших порядков по амплитуде. Эффект искажения профиля волны проявляется и в другом отношении. Если в некоторый момент времени волна была чисто гармонической, то с течением времени соответственно изменению формы ее профиля она перестанет быть таковой. Движение, однако, останется периодическим с прежним периодом. В разложение этой волны в ряд Фурье войдут теперь наряду с членом с основной частотой со также и члены с кратными частотами то ( Скорость и перемещения точек профиля волны (распространяющейся в положительном направлении оси х) в первом приближении получается, если положить в
или с помощью выражения (99,10) для производной ди/др:
где для краткости введено обозначение
Для политропных газов В общем случае произвольной амплитуды волна перестает быть простой после появления в ней разрывов. Существенно, однако, что волна малой амплитуды во втором приближении остается простой и при наличии разрывов. Убедиться в этом можно следующим образом. Изменения скорости, давления и удельного объема в ударной волне связаны друг с другом соотношением
Изменение же скорости v вдоль некоторого участка длины оси х в простой волне равно интегралу
Простое вычисление с помощью разложения в ряд показывает, что оба написанных выражения отличаются друг от друга только в членах третьего порядка (при вычислении следует иметь в виду, то изменение энтропии в разрыве есть величина третьего порядка малости, а в простой волне энтропия вообще постоянна). Отсюда следует, что с точностью до членов второго порядка звуковая волна с каждой стороны от образовавшегося в ней разрыва остается простой, причем на самом разрыве будет выполнено надлежащее граничное условие. В следующих же приближениях это уже не будет иметь места, что связано с появлением отраженных от поверхности разрыва волн. Выведем теперь условие, с помощью которого можно определить местонахождение разрывов в бегущей звуковой волне (все в том же втором приближении). Пусть и есть скорость движения разрыва (относительно неподвижной системы координат),
откуда
С точностью до членов первых двух порядков эта величина равна значению производной
Отсюда можно получить следующее простое геометрическое условие, определяющее место ударной волны. На рис. 82 кривой линией изображен профиль распределения скоростей, соответствующий простой волне, и пусть отрезок
взятым по кривой
(при дифференцировании интеграла надо иметь в виду, что хотя сами пределы интегрирования
Рис. 82 Таким образом, интеграл —
Геометрически это означает, что площадь Образование разрывов в звуковой волне представляет собой пример самопроизвольного возникновения ударных волн в отсутствии каких бы то ни было особенностей во внешних условиях движения. Следует подчеркнуть, что хотя ударная волна может самопроизвольно возникнуть в некоторый дискретный момент времени, она не может столь же дискретным образом исчезнуть. Раз возникнув, ударная волна затухает в дальнейшем лишь асимптотически при неограниченном увеличении времени. Рассмотрим одиночный одномерный звуковой импульс сжатия газа, в котором уже успела образоваться ударная волна, и выясним, по какому закону будет происходить окончательное затухание этой волны. На поздних стадиях своего распространения звуковой импульс с ударной волной будет иметь треугольный профиль скоростей, — линейный профиль при своем дальнейшем деформировании остается линейным).
Рис. 83 Пусть в некоторый момент времени (который примем за момент
откуда
Полная энергия бегущего звукового импульса (отнесенная к единице площади ее фронта) равна
При Длина же импульса возрастает как Рассмотрим теперь предельные (на больших расстояниях от источника) свойства ударных волн, образующихся в цилиндрических и сферических звуковых волнах (Л. Д. Ландау, 1945). Начнем с цилиндрического случая. На достаточно больших расстояниях
Первый член представляет собой обычную скорость звука и соответствует перемещению волны «без изменения формы профиля» (отвлекаясь от общего уменьшения амплитуды как
Искажение профиля цилиндрической волны растет медленнее, чем у плоской волны (где смещение Цилиндрический случай существенно отличается от плоского прежде всего тем, что одиночный импульс не может состоять из одного только сжатия или только разрежения; если за передним, фронтом звукового импульса имеется область сжатия, то за ней должна следовать область расширения (см. § 71). Точка максимального разрежения будет отставать от всех расположенных сзади нее, в результате чего и здесь возникнет опрокидывание профиля и появится разрыв. Таким образом, в цилиндрическом звуковом импульсе образуются две ударные волны. В переднем разрыве скорость скачком возрастает от нуля, затем следует область постепенного уменьшения сжатия, сменяющегося разрежением, после чего давление вновь возрастает скачком во втором разрыве. Но цилиндрический звуковой импульс специфичен (по сравнению как с плоским, так и сферическим случаями) еще и в том отношении, что он не сможет иметь заднего фронта — стремление и к нулю происходит лишь асимптотически. Это приводит к тому, что в заднем разрыве v возрастает не до нуля, а лишь до некоторого конечного (отрицательного) значения, и лишь затем асимптотически стремится к нулю. В результате возникает профиль изображенного на рис. 84 вида.
Рис. 84 Предельный закон, по которому будет происходить окончательное затухание ударных волн со временем (или, что то же, с расстоянием
где
откуда
Наконец, рассмотрим сферический случай. Общее убывание амплитуды расходящейся звуковой волны происходит как
после чего найдем смещение
Мы видим, что искажение профиля сферической волны растет с расстоянием лишь логарифмически — гораздо медленнее, чем в плоском и даже цилиндрическом случаях. Сферическое распространение звукового импульса сжатия должно сопровождаться, как и в цилиндрическом случае, следующим за сжатием разрежением (см. § 70). Поэтому и здесь должны образоваться два разрыва (сферический одиночный импульс может, однако, иметь задний фронт и тогда во втором разрыве v возрастает скачком сразу до нуля). Тем же способом найдем предельные законы возрастания длины импульса и убывания интенсивности ударной волны:
где а — некоторая постоянная размерности длины.
|
1 |
Оглавление
|