УПРУ́ГИЕ ВО́ЛНЫ
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
УПРУ́ГИЕ ВО́ЛНЫ, упругие возмущения, распространяющиеся в твёрдой, жидкой и газообразных средах. Примеры У. в. – волны, возникающие в земной коре при землетрясениях, звуковые и УЗ-волны в жидкостях, газах и твёрдых телах. Диапазон частот У. в. – от долей Гц до 1013 Гц. При распространении У. в. в среде возникают механич. деформации сжатия и сдвига, которые переносятся волной из одной точки среды в другую. При этом имеет место перенос энергии упругой деформации в отсутствие потока вещества. Гармонич. У. в. характеризуется амплитудой колебательного смещения частиц среды и его направлением, колебательной скоростью частиц, переменным механич. напряжением и деформацией (которые в общем случае являются тензорами), частотой колебаний частиц среды, длиной волны, фазовой и групповой скоростями, а также законом распределения смещений и напряжений по фронту волны.
В жидкостях и газах, обладающих упругостью объёма, но не обладающих упругостью формы, могут распространяться лишь продольные волны разрежения-сжатия, где колебания частиц среды происходят в направлении распространения волны. Пример таких У. в. – акустические волны.
В однородной изотропной бесконечно протяжённой твёрдой среде могут распространяться У. в. только 2 типов – продольные и сдвиговые. В продольных У. в. движение частиц параллельно направлению распространения волны, а деформация представляет собой комбинацию всестороннего сжатия (растяжения) и чистого сдвига. В сдвиговых волнах движение частиц перпендикулярно направлению распространения волны, а деформация является чистым сдвигом. В безграничной среде распространяются продольные и сдвиговые волны 3 типов – плоские, сферические и цилиндрические. Их особенность – независимость фазовой и групповой скоростей от амплитуды и геометрии волны.
На границе твёрдого полупространства с вакуумом, газом, жидкостью или с др. твёрдым полупространством могут распространяться упругие поверхностные волны (см. Поверхностные акустические волны), являющиеся комбинацией неоднородных продольных и сдвиговых волн, амплитуды которых экспоненциально убывают при удалении от границы.
В ограниченных твёрдых телах (пластина, стержень), представляющих собой твёрдые акустические волноводы, могут распространяться только нормальные волны, каждая из которых является комбинацией нескольких продольных и сдвиговых волн, распространяющихся под острыми углами к оси волновода и удовлетворяющих граничным условиям: отсутствию механич. напряжений на поверхности волновода. В бесконечной пластине существуют 2 типа нормальных волн – Лэмба волны и сдвиговые волны. В цилиндрич. стержнях могут распространяться нормальные волны 3 типов – продольные, изгибные и крутильные.
В анизотропных средах (кристаллах) свойства У. в. зависят от типа кристалла и направления распространения. В частности, чисто продольные и чисто сдвиговые волны могут распространяться только в кристаллах определённой симметрии и по определённым направлениям, как правило, совпадающим с направлением кристаллографич. осей. В общем случае в кристалле по любому направлению всегда распространяются три волны с тремя разл. скоростями: одна квазипродольная и две квазипоперечные, в которых преобладают соответственно продольные или поперечные смещения (см. Кристаллоакустика).
Область применения У. в. чрезвычайно широка: низкочастотные У. в. используются в сейсмологии для регистрации землетрясений, в сейсмич. разведке. У. в. килогерцевого диапазона применяются в гидролокации и при исследованиях океана. У. в. ультра- и гиперзвукового диапазонов используются для определения разл. параметров твёрдых, жидких и газообразных сред, применяются в акустоэлектронике, в пром-сти для технологич. и контрольно-измерит. целей, в медицине и др. областях.