48

СОДЕРЖАНИЕ

1. ЗВУКОВЫЕ ВОЛНЫ

1.1.1. История акустики

1.1.2. Разделы акустики и их взаимосвязь

1.1.3. Общие характеристики звуковых волн

1.2. Основные положения

1.2.1. Основные уравнения акустики в жидких и газообразных средах

1.2.2. Обобщение на вязкие среды

1.2.4. Основные уравнения акустики в твёрдых телах

1.2.5. Акустические характеристики среды распространения

1.2.6. Простейшие типы волн

1.2.7. Плоские волны в твёрдом теле

1.2.8. Энергия звукового поля

1.3. Особенности волнового движения при наличии границы раздела

1.3.1. Отражение от свободной поверхности полупространства

1.3.2. Поверхностная волна Рэлея

1.3.3. Волновое движение на границе раздела двух жидких сред. Обобщённые волны

1.3.4. Волны Стонели-Шолте на границе раздела твёрдого тела и жидкости

1.3.5. Обобщённые волны Рэлея-Стонели-Шолте на границе раздела твёрдого тела и жидкости

1.3.6. Поверхностные гравитационные волны

1.3.7. Поверхностные гравитационные волны в слое конечной толщины (мелком море)

2. ТЕОРИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ ЗВУКА В ЖИДКИХ И ГАЗООБРАЗНЫХ СРЕДАХ

2.1.1. Основные понятия теории излучения

2.1.2. Пульсирующая сфера

2.1.3. Осциллирующая сфера

2.1.4. Зональный излучатель

2.1.5. Произвольный сферический излучатель

2.1.6. Малый поршневой излучатель на поверхности жёсткой сферы

2.1.7. Кольцевой излучатель на поверхности жёсткой сферы

2.1.8. Два малых поршня на поверхности жёсткой сферы

2.2. Цилиндрические излучатели

2.2.1. Пульсирующий цилиндр

2.2.2. Осциллирующий цилиндр

2.2.3. Произвольный цилиндрический излучатель

2.2.4. Цилиндр конечной высоты в жёстком экране

2.2.5. Пульсирующий цилиндр конечной высоты

2.2.6. Односторонне излучающий цилиндр конечной высоты в жёстком экране

2.3. Плоские излучатели

2.3.1. Поршень в жёстком экране

2.3.2. Поршень в мягком экране

2.3.3. Поршень без экрана

2.3.4. Односторонне излучающий поршень

3. ТЕОРИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ ЗВУКА В ТВЁРДЫХ СРЕДАХ

3.1. Пульсирующая сфера

3.2. Осциллирующая сфера

3.3. Зональный излучатель

3.4. Поршневой излучатель в мягком экране

4. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ ИЗЛУЧЕНИЯ

4.1. Взаимное влияние излучателей

4.2. Влияние на излучатель свободной поверхности

4.3. Влияние на излучатель импедансного экрана

4.4. Нелинейные параметрические излучатели

4.4.1. Уравнения нелинейной акустики и их решение

4.4.2. Основные характеристики излучателей

4. ТЕОРИЯ ДИФРАКЦИИ

   1. Дифракция звука на жёсткой сфере

   2. Дифракция звука на жёстком цилиндре

   3. Дифракция звука на мягкой сфере, расположенной в жидкости

   4. Дифракция звука на импедансной сфере

   5. Дифракция звука на мягкой сфере, расположенной в твёрдом теле.

1.1.1. История акустики.

Акустика является разделом физики, а конкретно, разделом механики, который занимается либо теорией колебаний механических систем различной степени сложности, либо теорией волновых процессов, связанных с распространением звуковых волн в реальных средах. Акустическая волна (звуковая волна) есть процесс распространения деформаций в пространстве и во времени. Звуковые волны распространяются только в среде и не распространяются в вакууме.

Одно из первых упоминаний о существований звука под водой содержится в записной книжке Леонардо да Винчи. В 1490 году он писал: «Если вы остановите свой корабль и опустите один конец длинной трубы в воду, а другой её конец приложите к уху, то вы услышите корабли на большом расстоянии от вас».

К числу первых работ по акустике следует отнести работы голландского физика Снеля (1620г.), который впервые сформулировал закон отражения и преломления звуковых волн на границе раздела двух сред. В оригинальной формулировке он звучит так: отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть константа для данной границе раздела. В современной формулировке это отношение равно отношению скоростей звука в сопряженных средах, но во времена Снеля не было даже представления о том, что такое скорость звука!

Повторное открытие закона Снеля приписывают французскому учёному Декарту (1627г.), хотя сами французы считают Декарта первооткрывателем. Можно также отметить, что аналогичный закон отражения и преломления электромагнитных волн был сформулирован Френелем только в 1823г.

Первая теоретическая оценка скорости звука в атмосфере была дана Ньютоном (~1687г.) на основе кинетической теории газов и определялась как соответствующая изотермическому процессу деформирования воздушной среды , ( - газовая постоянная, - абсолютная температура). Авторитет Ньютона был настолько велик, что его оценку, которая оказалась ошибочной ( ) пересмотрели только после её экспериментального определения в 1738г. членами Парижской академии наук, а теоретическую оценку дал Лаплас (1782г.), который предложил считать процесс распространения звуковой волны адиабатическим, при этом , где - постоянная адиабаты.

Первая теоретическая работа по акустике была написана Л. Эйлером (1727г.)- действительным членом Российской академии наук: «Физическая диссертация о звуке». Л. Эйлер родился в Швейцарии и был приглашён в Российскую академию наук в 1726г. в возрасте 19 лет. За свою жизнь опубликовал свыше 800 научных работ, которые его ученики публиковали после его смерти в течение 80 лет, в том числе ~100 работ было написано только за 1770г, когда Л. Эйлер был уже слепым.

Первая экспериментальная работа по измерению скорости звука в атмосфере была выполнена в 1738г. На окраине Парижа на двух холмах были установлены пушки на расстоянии порядка 30км, которые стреляли навстречу друг другу. Световая вспышка в момент выстрела служила началом отсчёта времени, а в момент прихода звуковой волны измерялось время распространения. Для исключения влияния ветра результаты измерений на встречных трассах усреднялись. Эксперимент подтвердил правоту Лапласа и тот факт, что процесс распространения звуковой волны является адиабатическим. Это положение вошло в систему основных уравнений акустики. Другое основное уравнение- уравнение движения в акустике было сформулировано Л. Эйлером в 1765г.

Первая монография «Акустика» была написана немецким учёным Эрнстом Хладни (1802г.). В этой монографии автор дал систематизированное изложение теории колебаний стержней, мембран, пластин, музыкальных инструментов, а также методы визуализации колебаний (фигуры Хладни). На перевод монографии с немецкого языка на французский Наполеон выделил 6000 франков (для справки: жалование Наполеона, когда он был начинающим лейтенантом артиллерии, составляло 92 франка в месяц).

Особый интерес вызывают волны на воде, которые относятся к классу гравитационных волн. К тому же классу относятся внутренние волны в океане, волны плавучести в атмосфере и корабельные волны. Парижская академия наук учреждает приз за лучшую работу, посвящённую теории таких волн. В 1816г. этот приз выигрывает Коши в возрасте 25 лет, более известный нам как выдающийся математик.

Первая попытка измерения скорости звука в воде была предпринята французом Беданом (1820г.) вблизи Марселя, но плохая синхронизация измерений не позволила получить достоверные данные.

В 1826г. швейцарцы Шарль Штурм и Даниэль Колладон измерили скорость звука в воде на акватории Женевского озера, использовав в качестве излучателя подводный колокол, а в качестве приёмника – слуховую трубку с упругой мембраной на входе. Синхронизация измерений проводилась с помощью световой вспышки. Измеренное значение скорости звука оказалось достаточно точным с погрешностью . Слуховая трубка оказалась настолько удачным приёмником звуковых сигналов в воде, что нашла применение на Российском флоте для обнаружения шума миноносцев и торпедных катеров в условиях плохой видимости, что позволяло предупредить торпедную атаку кораблей, стоящих в бухте. Эта идея была высказана адмиралом Макаровым и успешно применялась на флоте.

В 1844г. англичанин Рассел наблюдал необычное явление-распространение вдоль Темзы одиночной волны, которую он сопровождал верхом на расстоянии порядка нескольких километров, причём волна распространялась без заметного изменения амплитуды и формы. В последствии такие одиночные волны были названы солитонами, а теория солитонов стала одним из перспективных разделов современной акустики и физики. Ближайшим аналогом солитона является волна цунами, скорость распространения которой зависит от длины волны ( - ускорение силы тяжести, - длина волны), сама зависимость была предсказана ещё Ньютоном.

Процесс собирания знаний по различным разделам акустики завершился выходом в свет в 1877г. фундаментальной работы Джона Вильяма Стретта, который за выдающиеся заслуги в науке получил титул лорда Рэлея (Рейли) – Теория звука т.т. 1,2. В последствии Рэлей был удостоен звания президента Британской академии Наук. Монография Рэлея содержит все основные разделы современной акустики: теорию колебаний систем с сосредоточенными параметрами с степенями свободы, теорию колебаний систем с распределёнными параметрами – теорию колебаний стержней, мембран, пластин, теорию музыкальных инструментов и органов речи и слуха, теорию резонаторов и анализаторов спектра, а также обширные исследования по дифракции волн, теории волноводов, теории излучения звука, архитектурной акустике.

Практическая гидроакустика начинается с открытия в 1880г. братьями Кюри пьезоэффекта, а уже в 1916г. Ланжевен (Франция) и Шиловский (Россия) получают патент на первый гидролокатор (излучатель Ланжевена) на основе сегнетовой соли (или кварца).

Первый звуковой эхолокатор, предназначенный для работы в воздухе был запатентован Ричардсоном (Англия) в 1912г. через 5 дней после гибели «Титаника», а через месяц он получил патент на аналогичное устройство, работающее в воде.

Фесенден (США) сконструировал электродинамический излучатель, предназначенный для эхо-локации под водой. В 1914г. гидролокатор с таким излучателем позволял обнаруживать айсберги на расстоянии до 2 миль ( ), а в первую мировую войну такие излучатели использовались для акустической связи между ПЛ.

1916г.-гидролокатор Ланжевена и Шиловского позволял обнаруживать ПЛ на расстоянии ~1мили.

1935г.38г. – разработка шумопеленгаторов для обнаружения ПЛ. Шумопеленгатор JP (линейная антенна, усилитель, полосовой фильтр, наушники =5000$) – основной шумопеленгатор времён II мировой войны, с помощью которого были была выиграна война с немецкими ПЛ в Атлантике.

1937г. – Спилхауз разработал первый батитермограф, позволявший измерять температуру верхних слоёв морской воды, которым снабжались НК ВМФ для учёта рефракции звука и «послеполуденного эффекта» - отклонения звуковых лучей вглубь моря после прогрева верхних слоёв моря, нарушавшего связь.

Первые эксперименты по созданию отечественного гидролокатора были начаты В.Н. Тюлиным в 1924г. и завершились созданием первой ГЛС «Тамир» в 1940г., которая была базовой ГЛС для подводных кораблей и ПЛ во время войны.

В 1928г. С.Я. Соколов разработал пьезокварцевые излучатели мощностью 600Вт для новых гидроакустических антенн с дальностью действия 510км. (совместно с В.И. Тюлиным). За работы в области гидроакустики стал Лауреатом Государственной премии (1942г.). Автор первой отечественной монографии «Основы электроакустики», автор первого ультразвукового дефектоскопа, первой системы подводного звуковидения в непрозрачных средах – Лауреат Государственной премии 1951г., основатель кафедры электроакустики в ЛЭТИ (1931г.).

В 1941г. вышел первый фундаментальный труд по гидроакустике – В.Н. Тюлин: «Гидроакустика». Акустический институт (АКИН) создан в 1953г. на базе акустической лаборатории ФИАН. «Акустический журнал» - журнал АН СССР, издаётся с 1955г.