Acoustics of Moving Inhomogeneities
Przedstawiono nowe podejście do teorii rozpraszania, dyfrakcji i propagacji dźwięku w lekko ściśliwych ośrodkach zawierających ruchome niejednorodności. Główna koncepcja tego podejścia polega na wzbogaceniu właściwości akustycznych ośrodka poprzez uwzględnienie ruchu niejednorodności wraz z wkładem przepływu generowanego przez nie.
Oba czynniki są konwencjonalnie ignorowane w klasycznej teorii rozpraszania fal. Niejednorodne ośrodki są zwykle przedstawiane jako ciągłe z domniemanym lokalnym rozkładem właściwości statystycznych, podczas gdy specyfika strukturalna i ruch komponentów ośrodka są ignorowane, co jest usprawiedliwione ich wyjątkowo małymi liczbami Macha. Przybliżenie to dotyczy jednak tylko rozpraszania fal elektromagnetycznych.
Analogia pomiędzy propagacją fal dźwiękowych i elektromagnetycznych w niejednorodnych ośrodkach ruchomych zawodzi w akustyce ośrodków z ruchomymi niejednorodnościami.
Przedstawione wnioski opierają się na analitycznych rozwiązaniach problemów rozpraszania dźwięku dla równania Lighthilla związanego z ciałem poruszającym się w ośrodku idealnym lub lepkim z arbitralną zależnością między długością fali dźwiękowej a wymiarem ciała. Wykazano, że wkład przepływu otoczenia wokół poruszającego się rozpraszacza do całkowitego rozpraszania dźwięku jest co najmniej porównywalny z wkładem ruchu ciała rozpraszającego.
W pewnych warunkach, takich jak w przypadku małych poruszających się cząstek w lepkich ośrodkach, wkład ciała cząstki do rozpraszania jako całości można bezpiecznie zignorować w odniesieniu do wkładu przepływu otoczenia. W rezultacie klasyczne prawo Rayleigha ma zostać zmodyfikowane i wyprowadzono kilka podstawowych zależności, które je zastępują. Uzyskane wyniki są ważne dla szerokiego zakresu problemów akustycznych pojawiających się w poruszających się niejednorodnych ośrodkach, od rozpraszania dźwięku w atmosferze lub oceanie do rozpadu dźwięku w roztworach cząstek koloidalnych.
Wykazano, że konieczne jest również uwzględnienie udziału przepływu otoczenia w dyfrakcji dźwięku przez duże poruszające się ciało. Z tego powodu wiele znanych problemów dyfrakcyjnych, na przykład takich, które są wykorzystywane do oceny skuteczności podwodnych systemów akustycznych, powinno zostać zrewidowanych. Kilka przykładów naszych wyników to: przewidywania zaniku dźwięku w opadach atmosferycznych, w ośrodkach turbulentnych i w roztworze koloidalnym zawieszonych cząstek zaangażowanych w ruchy Browna.
Co więcej, niektóre dane eksperymentalne, które do tej pory były niewyjaśnione, zostały teraz wyjaśnione w świetle tej nowej teorii. Jednocześnie pokazujemy konieczność przeprowadzenia dodatkowych eksperymentów opartych na przewidywaniach teorii.