Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Асимптотические методы в гидроакустике. Учебное пособие

.pdf
Скачиваний:
0
Добавлен:
06.09.2026
Размер:
1 Мб
Скачать
9.2. Содержание модуля 9 141
в уравнении (9.7) может быть записан в виде положительной вели­чины вместо отрицательной -is|x-x0|:
12
Lsye ds Lsye is
22
ππ
−∞
isxx isxx
−−
,Res,,
() ()
00
=
i
π
m
⎡⎤ ⎢⎥
⎣⎦
0
=
. (9.13)
m
Это порождает выражения
⎡⎤⎡⎤
cos / cos /
my y h my y h
ππ
Φ
Φ
±+
(1,2)
,1
xy e
=
()
(3)
xy
()
,
=
m
⎣⎦⎣⎦
m
0
=
⎡⎤⎡⎤
sin 1 / 2 / sin 1 / 2 /
myyh myyh
ππ
() ()
⎣⎦⎣⎦
0
00
2
+ ±++
× , (9.14)
22
mkh
π
()()
00
2
21/2
mkh
π
()()
(3)
m
is x x
m
1
e
()
22
+
0
()
m
(1,2)
is x x
m
0
,
которые называются разложение по модам. Структура, которая имеет модовые решения, называется волноводом. Таким образом, можно сделать вывод, что слой постоянной толщины является ти­пичным волноводом.
Из разложения (9.14) и уравнений (9.11), (9.12) ясно, что если
частота меньше, чем некоторая положительная величина, то тог­да в слое могут существовать только волны, экспоненциально зату­хающие с расстоянием |x-x0| (кроме симметричных случаев 1 и 2 при m = 0). Такие затухающие волны называются неоднородными модовыми волнами. В противном случае, если волновое число до­статочно велико, существует конечное число волн, которые могут распространяться без затухания вдоль длины слоя. Такие незату­хающие волны называются однородными модовыми волнами. Ока­зывается, что эти волны являются плоскими для любого 0 < y < h, если мы запишем их в полном виде с зависящим от времени мно­жителем,
где
ss= или
mm
(1,2)
is x x t
,,
xyt Aye
Φ
()()
ss= , с некоторой скоростью распространения
mm
= , (9.15)
(3)
()
m
−−
0
ω
волны, которая для m-й моды равна vf=ω/sm, или
142 М. 9. Волны в акустическом слое постоянной толщины
1
⎡⎤
(1,2)
vc
f
(3)
vc
==
f
ωπ
==
(1,2)
s
m
⎡⎤ ⎢⎥
ω
⎢⎥
(3)
s
m
1
⎢⎥ ⎢⎥
⎣⎦
⎛⎞
⎢⎥
1
⎢⎥
⎝⎠
⎢⎥ ⎣⎦
⎛⎞
mc
π
+
()
ω
⎝⎠
mc
ω
1/2
h
2
,
h
1
2
. (9.16)
Эта величина называется фазовая скорость m-й моды. Очевид- но, что фазовая скорость всегда больше, чем скорость звука в сре­де: vf ≥ c. Только в случае симметрии, при m = 0, фазовая скорость равна c:
(1,2)
vc= (m = 0).
f
Также следует отметить, что все построенные модовые решения удовлетворяют условию излучения, так как для x+ они ведут себя как волны, излучаемые вправо и для x∞, как волны, из­лучаемые влево:
is x t
ωΦ−
()
,, ,
xyy Bye x
()()
xyy Dye x
Φ
()()
= +∞ ,
,, ,
= →−∞
m
is x t
ω
+
()
m
. (9.17)
что очевидно из рассмотрения экспоненциального множителя в (9.15).
Полезные комментарии
1. В литературе неявно используется представление, что вол­новые проблемы в замкнутых структурах, таких как слой, могут порождать только мероморфные символические функции L(s,y), а волновые проблемы в открытых структурах (таких как полуплос­кости) всегда приводят к определенным функциям с ветвящимися точками. Остается неясным, всегда ли данное утверждение имеет место, однако не известно ни одного примера, который бы опровер­гал данное утверждение. Представленный здесь материал доказы­вает, что слой постоянной толщины действительно обладает дан­ным свойством.
2. Рассмотренная задача для слоя постоянной толщины де­монстрирует эффективную суть методов теории комплекснознач­ных аналитических функций. Решение в явной форме было сна­чала получено в виде интеграла Фурье, вычисление которого «в
9.2. Содержание модуля 9 143
лоб» прямыми численными методами чрезвычайно сложно, так как подынтегральное выражение является сильно осциллирую­щей функцией с несколькими сингулярностями (полюсами) на ве­щественной оси. Кроме того, интервал интегрирования бесконе­чен. Применяя теорию вычетов, объединенную с леммой Жордана, мы сводим интеграл к эквивалентному виду, в котором решение выражается экспоненциально сходящимся рядом, что делает
про-
блему вычисления решения гораздо более легкой.
9.2.2. Суммирование осциллирующих рядов
Как мы видели в предыдущем разделе, во многих задачах уда-
ется найти преобразование, при котором решение можно пред­ставить в виде ряда, сходящегося намного быстрее, чем исходное представление, так что полученный ряд может быть вычислен бо­лее эффективно. К сожалению, этот метод неприменим, как пра­вило, для преобразования рядов с осциллирующими членами, по крайней мере, в его прямом приложении. Здесь мы изучаем ряд, с которым столкнемся в предстоящем анализе высокочастотных процессов в слое постоянной толщины:
∞∞
cos sin
mm
CS
ξξ
==
() ()
ββ
∑∑
==
mm
ξξ
,
ββ
mm
11
. (9.18)
Как известно, эти ряды сходятся в классическом понимании,
если Re(β)>0. Однако практическое вычисление для относительно малого β – трудоемкая задача. Конкретные расчеты показывают, что для вычислений с тремя значащими цифрами нужно взять не­сколько сотен тысяч членов ряда. Естественно, возникает вопрос об ускорении сходимости.
С этой целью мы привлекаем некоторые результаты из теории
дзета-функции Римана. Вспомним, что простая и обобщенная дзе­та-функции Римана определяются, соответственно, следующими рядами:
∞∞
ssv
ζζ
() ( )
11
==
,,
∑∑
ss
m
==
11
mm
mv
()
. (9.19)
+
Можно показать, что обе функции, как функции аргумента s,
аналитичны во всей комплексной плоскости, за исключением син-
144 М. 9. Волны в акустическом слое постоянной толщины
гулярной точки s = 1, которая является простым полюсом для обе­их функций.
Для дальнейшего нам понадобится классический результат,
полученный из формулы Гурвица:
2cos /2
⎛⎞ ⎜
ζβ
⎝⎠
ξ
1,
==
2
Γβ ξ πβ
()
π
ββ
2
π
m
()
m
()
=
1
m
⎛⎞
2
Γβ
()
=+=
=+ >
cos sin
ββ β
⎝⎠
2
π
()
2
Γβ
⎛⎞
()
cos sin , Re 0
β
⎝⎠
2
π
()
∞∞
cos sin
πβ ξ πβ ξ
22
πβ πβ
CS
22
mm
∑∑
mm
==
11
mm
ξξξ
() ()
ββ
(9.20)
.
Наша конечная цель состоит в том, чтобы получить из выра­жения (9.20) разложение по степеням ξ. С этой целью попытаемся разложить второе равенство (9.19) в ряд Тейлора около точки v = 0, принимая во внимание, что производная функции ζ(s,v) по v в точ­ке v = 0 – обычная дзета-функция Римана с некоторой степенью s. Именно, из (9.19) получается
sv
ζ
()
11
,
=+ =
ss
v
mv
+
=
1
m
()
1
1
=+ +=
s
v
m
()
=
0
m
1
11
ss s m
++
()( )
!
m
ζ
smv
()
m
(9.21)
1
1
=+ +=
s
v
m
=
0
()
sm
Γ
+
()
m
10!1.
Γ
sm
()
smv
ζ
()( )
!
m
Следовательно, левая часть выражения (9.20) допускает аль­тернативное представление
1
β
m
=
()
0
+
1
m
Γβ
()
m
()
m
()
m
⎛⎞ ⎞ ⎜⎜
=+ +
1, 1 1 .
ζβ ζ β
⎜⎜
⎜⎜
⎝⎠
⎛⎞
2
ξπ ξ
⎟⎟
⎟⎟
⎟⎟
⎟⎟
21!2
πξ Γβ π
⎝⎠
m
(9.22)
9.2. Содержание модуля 9 145
Поскольку левые части выражений (9.20) и (9.22) идентичны,
их правые части также должны совпадать друг с другом. Это поз­волит построить два независимых разложения по степеням (ξ/2π),
отдельно для
cos( ) /
1
m
=
mm
β
ξ
и
sin( )/
1
m
=
mm
β
ξ
, так как чет-
ные степени ξ в (9.22) относятся к первому ряду, а нечетные – ко второму. Единственное затруднение состоит в присутствии нерегу­лярного члена (2π/ξ)
1β
в (9.22). Одна часть этого члена относится
к ряду с косинусами, а другая часть – к ряду с синусами. Коррект­ное разделение этого нерегулярного слагаемого произвести не так просто. Чтобы сделать это, используем формулу Пуассона. В на­шем случае ее можно применить следующим образом:
im im
ξξ
∞∞
ee
∑∑
m
mm m
== =
10 1
ii
ξξ
eeHHm
==++
ββ
1
m
+
()
⎡⎤
1
⎢⎥
(0) 2 2
⎢⎥
2
⎣⎦
π
()
, (9.23)
где
2 cos 2 , 0,1,2,...
Hm mu dum
ππ
==
() ( )
0
iu
ξ
e
β
1
u
+
()
(9.24)
Если m – положительное целое число (m≥1), то последнее ра-
венство дает только регулярное разложение по степеням ξ для H(2πm), если возникающие интегралы понимать в обобщенном смысле. Следовательно, нерегулярный член может быть получен из случая m = 0 следующим образом:
∞∞
iu iu
ξ
(0) ~
Hdu
iu
edu
11(1)/2
ββπβ
−−
~1 (0),
ξΓβξξ
u
0
eedu
==
∫∫
00
β
ββ
1
uu
++
() ( )
= −→+
()
1
β
ξ
(9.25)
ξ
i
e
откуда
im
ξ
∞∞
e
∑∑
m
10
mm
==
10,
Γβξ ξξ
= + +
() ( )
β
1(1)/2
im
βπβ
−−
ea
m
(9.26)
с некоторыми коэффициентами am регулярной степенной части. Отделяя вещественную и мнимую части в последнем равенстве, мы видим, что
146 М. 9. Волны в акустическом слое постоянной толщины
∞∞
cos
m
ξπ
1cos1 ,
Γβ βξ ξ
= −−+
∑∑
mm
∞∞
∑∑
mm
β
m
10
==
sin
m
β
m
10
==
() ()
ξπ
1sin1 .
Γβ βξ ξ
= −−+
() ()
⎡⎤ ⎢⎥ ⎢⎥
2
⎣⎦
⎡⎤ ⎢⎥ ⎢⎥
2
⎣⎦
12
β
121
β
+
m
b
d
m
m
(9.27)
m
(9.28)
Как сказано выше, коэффициенты регулярных разложений мо­гут быть определены с помощью сравнения правых частей формул (9.20) и (9.22), что в конечном итоге дает при ξ, β > 0:
cos
m
+
C
ξΓββξ
==−−+
() ( ) ( )
β
2()(1 )cos( /2) 2 ! 2
ΓβΓ β πβ π
S
β
2()(1 )sin( /2) 2 1! 2
ΓβΓ β πβ π
m
=
β
2
π
()
ξΓββξ
==−−
() () ()
m
=
β
2
π
()
+
ξπ
1
1
sin
m
m
β
m
β
1 cos 1
(2 1 ) (2 1 )
mm
Γβζβξ
0
m
=
ξπ
1sin1
(2 2 ) (2 2 )
mm
Γβζβξ
0
m
=
⎡⎤ ⎢⎥ ⎢⎥
2
⎣⎦
β
+ +
m
()
⎡⎤ ⎢⎥ ⎢⎥
2
⎣⎦
β
+ +
m
()
1
(9.29)
⎛⎞ ⎜
⎝⎠
1
(9.30)
⎛⎞ ⎜
⎝⎠
2
m
21
m
+
.
Чтобы оценить, как быстро члены последнего ряда убывают с возрастанием m, применим формулу
2()
πΓα
zz
( ) ~ ( ); ~ ( ).
zezz zz
Γ
−−
zz
+∞⇒ +∞
z
+
()
Γγ
+
αγ
(9.31)
Эта оценка показывает, что члены рядов (9.29) и (9.30) убыва­ют как O[mβ(ξ/2π)2m] с ростом m→∞, потому что (2m)! = Γ(2m+1) и (2m+1)! = Γ(2m+2). Следует также отметить, что достаточно оценить их только на интервале 0< ξ ≤π, в силу очевидной периодичности: Cβ(2π−ξ) = Cβ(ξ), Sβ(2π−ξ) = -Sβ(ξ). Следовательно, скорость сходимос­ти ряда (9.54) является такой же, как и у геометрической прогрес­сии {qm} с основанием q ≤ 1/2. На практике достаточно удерживать три или четыре члена, чтобы обеспечить высокую точность.
Приведем явные выражения для специальных случаев, кото­рые будут использованы в следующем разделе:
9.2. Содержание модуля 9 147
C ( ) 1.460 0.0255 0.00444 0.00267
ξξ≈− ++ +
1/2
C ( ) 2 2.612 0.208 0.00852 0.00309
ξπξ≈− ++ + +
3/2
C ( ) 1.341 1.460
ξξ≈− ++ 0.0255 0.00444
5/2
πξξξ
22!4!6!
S()
ξξ
1/2
S() 2 -1.460
3/2
22
πξξξ
πξξ
≈−0.208 − 0.00852 − 0.00309
23!5!
ξ
ξπξξ + 0.0255 + 0.00444 , (9.35)
3/2
32!4!6!
22
πξξ
S ( ) 2.612 0.00852
ξξξ≈− + + 0.208 + (9.37)
5/2
3/2
33!5!
246
, (9.32)
35
, (9.33)
246
ξξξ
2! 4! 6!
35
ξξ
, (9.34)
3! 5!
24 6
, (9.36)
35
На практике все они используются при 0< ξ π, а затем перио-
дически продолжаются. Относительная ошибка этих формул мень­ше, чем 1%. Точность этих формул может быть улучшена, если взять больше членов ряда. В таблице 9.1 приводится сравнение ре­зультатов, рассчитанных по формулам (9.32)–(9.37), с результата­ми, полученными прямыми расчетами по формулам (9.18) с двой­ной точностью на Фортране с сохранением 5·105 членов ряда:
C C
S
1/2
S
1/2
C C
S
3/2
S
3/2
C C
S
5/2
S
5/2
ξ
, (9.18)
1/2
, (9.32)
1/2
, (9.18) , (9.33)
, (9.18)
3/2
, (9.34)
3/2
, (9.18) , (9.35)
, (9.18)
5/2
, (9.36)
5/2
, (9.18) , (9.37)
Таблица 9.1
π/8 π/4 3π/8 π/2 5π/8 3π/4 7π/8
0.5418
0.5420
1.916
1.918
1.058
1.057
0.9975
0.9977
1.043
1.042
0.6167
0.6166
-0.0380
-0.0379
1.249
1.250
0.4552
0.4548
1.077
1.077
0.6283
0.6278
0.9054
0.9051
-0.2874
-0.2872
0.9067
0.9073
0.0366
0.0363
1.007
1.008
0.2160
0.2153
0.9976
0.9972
-0.4275
-0.4274
0.6672
0.6675
-0.2705
-0.2708
0.8645
0.8651
-0.1533
-0.1542
0.9486
0.9481
-0.5136
-0.5135
0.4743
0.4745
-0.4938
-0.4939
0.6783
0.6790
-0.4573
-0.4585
0.7961
0.7954
-0.5665
-0.5664
0.3058
0.3060
-0.6465
-0.6466
0.4653
0.4659
-0.6825
-0.6840
0.5700
0.5691
-0.5954
-0.5956
0.1501
0.1506
-0.7357
-0.7359
0.2363
0.2366
-0.8207
-0.8223
0.2966
0.2952
148 М. 9. Волны в акустическом слое постоянной толщины
Полезные комментарии
Вышеупомянутые идеи могут быть применены для вычисления сумм расходящихся рядов. Как известно, тождества (9.29) и (9.30) могут быть аналитически продолжены по параметру β в комплек­сную плоскость, для тех β, для которых и левая и правая части су­ществуют. В качестве примера приведем два замечательных рас­ходящихся ряда
∞∞
() cos , () sin
CmmSmmξξξξ
==
1/2 1/2
−−
1/2 1/2
∑∑
11
==
mm
(9.38)
и сравним результаты, рассчитанные прямым суммированием и методом с использованием полученных формул (9.29), (9.30) при
β=1/2. Для этого случая данные ряды выражаются как
1
πξξξ
C ( ) 0.208 0.00852 0.00309 0.00346
ξξ≈−
-1/2
-3/2
2 2 2! 4! 6!
246
, (9.39)
1
πξξ
S ( ) 0.0255 0.00444 0.00267
ξξ ξ≈− −
-1/2
-3/2
2 2 3! 5!
35
. (9.40)
В прямом суммировании использованы идеи, известные из тео­рии расходящихся рядов. Именно, полагаем x = 0,999 и берем вер­хний предел суммирования 5·104 в рядах
∞∞
∑∑
mm
1/2 1/2
mm
xm m xm mξξ
11
==
cos , sin
, (9.41)
рассматриваемых как обобщенное значение ряда (9.38). Разумеет­ся, ряды (9.41) сходятся в обычном смысле. Результаты сравнения отражены в таблице 9.2:
Таблица 9.2
C C
Σ Σ
-1/2
-1/2
, (9,41)
-1/2
, (9,40)
-1/2
ξ
, (9,41) , (9,39)
π/8 π/4 3π/8 π/2 5π/8 3π/4 7π/8
-2,745
-2,755
2,5461 2,5364
-1,109
-1,111
0,8816 0,8799
-0,7035
-0,7041
0,4594 0,4588
-0,5372
-0,5376
0,2755 0,2752
-0,4540
-0,4543
0,1715 0,1714
-0,4094
-0,4096
0,1017 0,1019
-0,3869
-0,3870
0,0476 0,0485
Впечатляющая таблица для расходящихся рядов, не так ли?!
9.2. Содержание модуля 9 149
9.2.3. Приложение:
Эффективный расчет волнового поля в слое
Вернемся к проблеме эффективного вычисления волновых по-
лей в слое постоянной толщины. Отметим, что для произвольного фиксированного k только конечное число N элементов в представ­лении (9.14) имеют вещественную фазовую скорость vf=ω/sm с ве­щественными sm. Для всех других членов, когда m > N, числа sm мнимые, причем |sm| растет вместе с m. Следовательно, ряд (9.14) сходится как геометрическая прогрессия в случае xx0. Многие ис­следования были посвящены вопросу эффективного вычисления акустических волн в слое постоянной толщины для случая x=x0, поэтому представим здесь краткий обзор существующих методов.
В принципе, прямое вычисление интеграла (9.7), где L(s) опре-
делена любой из формул (9.8)–(9.10), является приемлемым, так как все особенности подынтегрального выражения лежат на ко­нечном отрезке −k < s < k. За пределами этого интервала подын­тегральное выражение убывает экспоненциально (мы исключаем случай y=y0 из рассмотрения, потому что при одновременном xx0, yy0 построенная функция Грина имеет логарифмическую особен­ность). Но на практике этот подход никогда не применяется по сле­дующим двум причинам. Во-первых, конечное число веществен­нозначных особенностей является простыми полюсами, и интеграл может быть сведен к сингулярному интегралу типа Коши добавле­нием половины вычетов в соответствующих полюсах. Однако пря­мая численная трактовка сингулярных интегралов является более сложной задачей по сравнению с непрерывными подынтегральны­ми выражениями. Во-вторых, численное вычисление любого ин­теграла (даже с непрерывным подынтегральным выражением) всегда является более трудоемкой задачей, чем вычисление сум­мы ряда. В силу этого преобразуем интеграл к некоторому ряду.
С другой стороны, модовое разложение (9.14) при x=x0 не может
быть использовано для прямых численных расчетов в записанном там виде, так как общий член там убывает как 1/n. Ряд сходит­ся из-за наличия осциллирующего множителя, но это абсолютно не подходит для прямых вычислений. Чтобы преодолеть эту труд­ность, некоторые авторы применяют в этом случае так называемое преобразование Куммера. Если x=x0, то модовые разложения (9.14) могут быть представлены как комбинация следующих рядов:
150 М. 9. Волны в акустическом слое постоянной толщины
()
η
=
m
±
F
qpkp mp mππ
mm m m
22 (1,2) (3)
= ==+
,,
(1)
0
=
m
cos
p
η
()
⎪⎪
q
m
m
⎪⎪ ⎨⎬ ⎪⎪
⎪⎪
⎪⎪
⎩⎭
(3)
sin
p
()
m
η
, (9.42)
⎛⎞
1
⎝⎠
.
2
(1,2)
⎧⎫
⎪⎪
Точнее,
⎡⎤
⎛⎞
yy
(1)
xy F F
Φ
()
(2)
xy F F
Φ
()
(3)
xy F F
Φ
()
1
,
=+
0
2
1
,
=
0
2
1
,
=+
0
2
++
⎢⎥ ⎢⎥ ⎢⎥
⎣⎦ ⎡⎤
++
⎢⎥ ⎢⎥ ⎢⎥
⎣⎦
⎡⎤
−−
⎢⎥ ⎢⎥ ⎢⎥
⎣⎦
0
hh
⎝⎠
⎛⎞
yy
0
hh
⎝⎠
⎛⎞
yy
0
hh
⎝⎠
⎛⎞
yy
+
0
⎝⎠
⎛⎞ ⎜
⎝⎠
⎛⎞ ⎜
⎝⎠
yy
+
0
yy
+
0
,
, (9.43)
,
и тогда проблема может быть сведена к вычислению ряда (9.42). При этом эффективное вычисление основано на том, что
±
F
∞∞
() ( 1)
η
= −−+
∑∑
nn
==
⎧⎫ ⎧⎫
⎪⎪ ⎪⎪
⎪⎪ ⎪⎪
n
⎪⎪ ⎪⎪ ⎨⎬ ⎨⎬ ⎪⎪ ⎪⎪
00
⎪⎪ ⎪⎪
⎪⎪ ⎪⎪
⎩⎭ ⎩⎭
(1,2) (1,2)
cos cos
pp
ηη
()
sin sin
pp
()
⎛⎞
nn
(3) (3)
nn
11 (1)
qr r
⎝⎠
ηη
nn n
n
()
, (9.44)
()
qpkrpb= =+.
nn nn
22 22
,
Теперь для любого фиксированного значения параметра k об­щий член в первом ряду убывает как 1/n3, и ряд становится подхо­дящим для эффективных вычислений. При этом второй ряд сходит­ся все еще так же медленно, как в (9.14). Однако здесь допустимо применение формулы суммирования Пуассона. Мы уже рассмат­ривали некоторые ряды по этой формуле в предыдущем разделе, приведем здесь более полный обзор. Если f(x)C[0,∞), f(x)L1[0,∞) и a является параметром, то
∞∞
() (0) (0)2
afan f F F
∑∑
==
01
nn
an
=++
2
⎛⎞
2
π
, (9.45)
⎝⎠
a
где F(s)– косинус-преобразование функции f(x):
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]