Любая реальная среда содержит те или иные неоднородности, которые влияют на параметры распространяющихся в ней акустических волн. Это могут быть классические неоднородности плотности, скорости звука, температуры, более сложные случаи гидродинамических течений, турбулентных пульсаций, а могут быть и неоднородности нелинейных параметров. Неоднородности вызывают перераспределение энергии в пространстве за счет фокусировок и дефокусировок, образуя области локализации – фокусы и каустики или, наоборот, рассеяние волн.
Такое влияние может быть очень нежелательным. Например, волны звукового удара, генерирующиеся при полетах сверхзвуковых самолетов, проходят через турбулентную атмосферу и достигают поверхности Земли. И так достаточно мощные возмущения могут пройти через фокусирующую область турбулентности, значительно усилиться и вызвать негативные последствия для жизнедеятельности человека. В задачах медицинской физики используется мощный сфокусированный ультразвук для точечного воздействия на больные ткани. Наличие неоднородностей на пути распространения может исказить поле в фокальной области, сместить ее в другое место или вовсе разрушить фокусировку. Напротив, в задачах дальнего распространения звука важную роль играют звуковые каналы – волноводы, образованные изменением локальной скорости звука. Внутри таких каналов акустическая энергия концентрируется и может распространяться на большие расстояния, не испытывая существенного рассеяния.
Задачи, связанные с исследованием волновых процессов в неоднородных средах, можно разделить на две группы – прямые и обратные задачи.
Прямая задача – по известным параметрам среды рассчитать структуру акустического поля. В классических работах по волнам в неоднородных средах (например, Бреховских, Блохинцев, Рытов, Татарский, Годин) заложены основы теории, однако преимущественно рассмотрены, во-первых, линейные задачи, во-вторых, волны квазиплоские. Ограниченные пучки, волны с пространственно-временной модуляцией, мощные акустические пучки изучены недостаточно. В высокочастотной области эффективным методом расчета полей является приближение геометрической структуры. Для нелинейных волн этот подход обобщает приближение нелинейной геометрической акустики (НГА). Однако стандартные лучевые методы не позволяют описывать поле в фокальной области и вблизи каустик, характерных для сфокусированных пучков, поэтому необходимо развитие асимптотических методов теории волн в неоднородных средах. Но даже в классических подходах и задачах линейной акустики неоднородных сред можно найти тему для дальнейших исследований (см. статью PDF file).
Существенное значение имеет построение адекватных моделей неоднородных сред. В определенных случаях, например, для моделирования прохождения ударных волн через турбулентный слой атмосферы эффективной оказывается модель бесконечно тонкого фазового экрана. После прохождения такого экрана волновой фронт испытывает пространственную модуляцию, в результате чего образуются области фокусировки и дефокусировки. Если однократного искривления лучей недостаточно для описания всех эффектов, необходимо обобщение на протяженный слой.
Обратная задача - восстановление свойств среды из анализа акустических измерений. Обычно для этого необходимо численное моделирование, но на первом этапе необходимо подобрать адекватную модель среды, проанализировать, как среда влияет на акустические поля, определить оптимальные акустические характеристики и получить аналитические решения для более простых ситуаций.
Примерные направления исследований:
©2012 Кафедра Акустики