ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Поглощение звука шумом. Акустическая турбулентность ПО Радиационное давление. Акустические течения из "Введение в физическую акустику " До сих пор мы имели дело с регулярными нелинейными волнами и их взаимодействиями случайные процессы при этом не рассматривались. Вместе с тем статистические явления при распространении нелинейных волн часто встречаются и имеют большое значение в физической акустике. [c.108] К таким явлениям можно отнести нелинейную трансформацию спектра интенсивного шума при его распространении в нелинейной среде, когда из-за взаимодействий спектральных компонент этого шума происходит перекачка энергии как в низкочастотную, так и в высокочастотную части спектра (так называемая акустическая турбулентность). Другим примером может служить поглощение звука гиумом, когда слабый монохроматический сигнал, распространяясь в широкополосном шуме, из-за взаимодействия с ним испытывает поглощение энергия сигнала отбирается шумом. Отметим, что даже поглощение звука за счет вязкости и теплопроводности, о котором шла речь в гл. 2, можно считать именно результатом такого взаимодействия акустического сигнала с шумом, который в данном случае есть не что иное, как спектр тепловых фононов или упругих дебаевских волн. Об этом будет идти речь при рассмотрении поглощения упругих волн в твердых телах. Укажем еще на один эффект — уширение спектральных линий гармоник исходного узкополосного возмущения при распространении случайно-модулиро-ванной звуковой волны конечной амплитуды. [c.108] Теоретическое рассмотрение статистических задач в нелинейной акустике следует разделить на два класса. В первой группе задач акустическое поле (узкополосный шум, интенсивный шум с широким спектром, смесь сигнала и шума и т. д.) задается на входе в нелинейную среду и ставится вопрос, как по мере распространения статистические характеристики поля будут изменяться. Вторая группа — это когда в самой среде имеется случайное акустическое поле (например, шум, поле турбулентных пульсаций и т. д.) и в такой среде распространяются либо регулярные волны конечной амплитуды, либо случайные нелинейные волны. Распространение звуковых волн малой амплитуды в турбулентной среде будет нами рассмотрено в гл. 7. [c.108] Отметим существенное отличие в постановке задач о детерминированных сигналах на входе в нелинейнук) среду и сигналов случайных. В первом случае в решении задачи о поведении регулярных сигналов, таких, например, как несколько монохроматических нелинейных звуковых волн, необходимо учитывать фазовые соотношения между этими волнами, поскольку именно они определяют дальнейшую картину взаимодействия. Во втором случае такие фазовые соотношения не играют роли. [c.108] Одна из первых задач по нелинейной статистической акустике, относящаяся к трансформации спектра нелинейных шумовых волн, была рассмотрена Л. К. Зарембо [33]. Далее ряд основных результатов в изучении первого класса задач был получен О. В. Руденко и А. С. Чиркиным [34]. [c.109] Как можно теперь подойти к решению задачи об изменении с расстоянием профиля волны, заданного при х=0 выражением (4.1) Мы не будем проводить здесь подробное решение этой задачи, которое изложено в [1], и укажем лишь путь получения такого решения, а также кратко остановимся на обсуждении результата. [c.109] Полученные выражения позволяют сделать существенные выводы о том, каково будет различие в процессе возникновения и роста гармоник детерминированного сигнала и случайного узкополосного сигнала. Результат получается, вообще говоря, несколько неожиданным. Так, если исходные волны имеют одинаковую интенсивность /, то оказывается, что гармоники узкополосного случайного сигнала растут быстрее (а исходная волна случайного сигнала истощается сильнее), чем для детерминированного сигнала. [c.110] Объяснение этого результата состоит в том, что в случайном сигнале всегда найдутся большие по амплитуде выбросы, для которых нелинейность проявляется сильнее нелинейные эффекты оказываются более чувствительными к выбросам гауссовского шума. Отметим, что в нелинейной оптике также имеет место подобный эффект [36]. Экспериментально при малых z этот эффект подтверждается эксперимент приводит к такому результату где п — номер гармоники, что также следует из теории [37]. [c.110] Задав форму линии начального сигнала при х=0, а также зная корреляционную функцию 5(т, г) (например, для стационарного гауссовского процесса), можно далее решать различные задачи по случайным нелинейным волновым процессам — такие, как задача о расплывании спектральных линий (что удается сделать и для диссипативных нелинейных сред), о ширине спектральной линии гармоник шума, построить общую теорию нелинейной эволюции спектров случайных звуковых полей в отсутствие диссипации, рассмотреть вопрос о взаимодействии модулированных волн [38, 39]. [c.110] Здесь 5(т]) — гармонический детерминированный сигнал 5(т])=. -—А sin со т1, а N(ц) — шум. Шум будем считать нормальным и N= =0 его интенсивность = у —дисперсия шума). [c.110] Это выражение показывает, что при нелинейном взаимодействии монохроматического сигнала 5 с шумом в среде без дисперсии, амплитуда убывает, во-первых, по причине генерации гармоник сигнала (второй сомножитель в (5.1) он может иметь значение лишь для интенсивного сигнала) и, во-вторых, из-за нелинейного взаимодействия с шумом (экспоненциальный множитель) как сигнал, так и шум заданы на входе в нелинейную среду при х=0 и идут вместе . [c.111] Положим, что сигнальная волна имеет малую интенсивность. Тогда процесс генерации гармоник сигнала можно не принимать во внимание уменьшение амплитуды сигнала будет определяться лишь экспоненциальным членом энергия сигнала перекачивается в шум. [c.111] В данном случае л — характерный размер области взаимодействия. [c.111] Рассматриваемый здесь механизм поглощения из-за нелинейного взаимодействия волн аналогичен (на макроскопическом языке) тому, который приводит к поглощению звука в кристаллах. [c.111] Рассмотрим в качестве примера распространение звука в подводном звуковом канале для низких звуковых частот СЮ Гц, где как раз, по-видимому, имеет место этот случай [42]. [c.112] Известно, что уровень динамических шумов океана в канале весьма высок в силу способности шумов накапливаться в канале их полная энергия на весь спектр может быть оценена величиной порядка л 2-Ю эрг/см . [c.112] Интересно отметить, что, помимо описанной модели, дающей правильную частотную зависимость /o можно оценить другие возможные модели для т((й). В большинстве случаев при fo lO Гц получается значительная величина соответствующая экспериментально наблюдаемой по порядку величины. Это, по-видимому, лишний раз свидетельствует в пользу гипотезы шумового механизма поглощения звука в океане. [c.113] Аз при отклонении уо от среднего значения на величину, соответствующую ошибке в определении в одном случае в сторону увеличения, в другом — в сторону уменьшения. Прямая отражает зависимость вида Аз=4,3 уо- Экспериментальные данные получены путем измерения величины дополнительного затухания сигнала при различных значениях интенсивности шума, частоты сигнала, протяженности участка взаимодействия. [c.115] Проведенные эксперименты [5,441 показали, что даже в случае весьма узкой спектральной линии сигнала расчеты необходимо проводить с учетом конечной ширины линии. Когда отношение АсО( /Аы1 составляло 0,15 и менее, расхождение между экспериментальными данными и теоретическими расчетами, проведенными в приближении бесконечно узкой спектральной линии, доходило до 35 дБ при 7о 12. Учет конечной ширины спектральной линии сигнала снизил отмеченное расхождение до величины 4,5—5 дБ. Оставшееся расхождение следует, по-видимому, отнести за с 1ет дифракционных явлений во взаимодействующих пучках, а также некоторой ограниченности теоретического подхода, не учитывающего образования разрывов в процессе распространения высокоамплитудных выбросов низкочастотного шума. [c.115] Вернуться к основной статье