Имея эти зависимости, можно приступить непосредственно к решению задачи теории упругости о напряжениях и деформациях, возникающих в упругом изотропном теле под действием внешних сил.
Уравнения (14) - (19) содержат 15 неизвестных функций:
шесть составляющих напряжений
шесть
составляющих деформаций
три
составляющие перемещения
.
Для определения этих функций располагаем 15 уравнениями: тремя дифференциальными уравнениями равновесия (14), шестью геометрическими соотношениями Коши (16) и шестью формулами закона Гука (18) или (19). Таким образом, с математической точки зрения задача может быть решена и сводится к интегрированию указанных 15 уравнений при удовлетворении условий на поверхности (15).
Решение уравнений можно вести различными способами в зависимости от того, какие величины приняты за основные неизвестные.
- Решение в
перемещениях, когда за неизвестные приняты три составляющих перемещения
- Решение в
напряжениях, когда за неизвестные приняты шесть составляющих напряжений ![]()
- Решение в смешанной форме, когда за неизвестные приняты некоторые составляющие перемещений и некоторые составляющие напряжений.
Для
определения трех неизвестных составляющих перемещения
,
,
необходимо иметь три уравнения, которые можно
получить из дифференциальных уравнений равновесия (14), выразив в них
напряжения через перемещения. Воспользуемся первым уравнением (14) и подставим
в него напряжения из формул закона Гука (19)
Подставив
в это уравнение значения деформаций (16), после группировки слагаемых находим
(20)
Выражение в первых скобках можно обозначить сокращенно
(21)
Этот дифференциальный оператор называется оператором Лапласа над функцией N1 .
Выражение, стоящее во вторых скобках, можно упростить следующим образом:
После
указанных сокращений и упрощений уравнение (20) принимает вид
Аналогично
преобразуем и два других дифференциальных уравнения равновесия (14). Таким
образом, получаем систему уравнений для решения задачи теории упругости в
перемещениях:
(22)
Эти
уравнения называются уравнениями Ламе. Они объединяют статические,
геометрические и физические предпосылки теории упругости, рассмотренные выше.
Действительно, в них содержатся условия равновесия каждого элемента тела,
геометрические характеристики деформации
и
физические характеристики материала
и
.
Так
же как и уравнения равновесия, преобразуем условия на поверхности. Для этого в
первое уравнение (15) подставим выражения напряжений через деформации (19):
(23)
Выражение
в первых скобках представляет собой производную функции N1 по
направлению нормали
к поверхности тела. Действительно, вычисляя частную
производную сложной функции N1 по переменной
,
получаем
Производные
координат по
, представляют собой соответствующие направляющие
косинусы нормали
,:
Таким
образом,
и
уравнение (23) принимает вид
(24)
Точно так же можно преобразовать два других уравнения (15). В результате
приходим к следующим трем условиям на поверхности, выраженным через
перемещения:
(25)
Теперь можно составить план непосредственного решения задачи теории
упругости в перемещениях. Для определения трех составляющих перемещения
необходимо проинтегрировать три уравнения Ламе (23) и удовлетворить условиям на
поверхности (25). По найденным перемещениям из геометрических соотношений Коши
(16) определяют составляющие деформации, а затем из формул закона Гука (19) -
составляющие напряжений.
8. Метод решения задачи для нахождения
резонансной частоты колебаний
.1 Вывод формулы для нахождения резонансной
частоты колебаний
Рассмотрим два помещения между которыми находится упругий слой, помещения
заполнены воздухом. Из верхнего помещения проходит шум, через упругий слой в
нижнее помещение (рисунок 2).
Рисунок 2 - Помещения с упругим слоем
Уравнение колебаний упругого слоя
,
где
- частота колебаний,
-
плотность упругого слоя,
-
коэффициенты Ламе.
. (26)
Граничные условия
при
,
при
.
Решим
дифференциальное уравнение
,
.
Составим
характеристическое уравнение
Найдём
корни характеристического уравнения
С
помощью корней получаем общее решение исходного уравнения
(27)
Продифференцируем
полученный результат по
(28)
Подставив граничные условия в уравнение (28) получаем систему из двух
уравнений
(29)
Из
первого уравнения системы (29) следует, что
Для
нахождения
подставляем полученное значение
во второе уравнение системы (29)
Подставим
значения
и
в
уравнение (27)
(30)
С
помощью элементарных алгебраических преобразований уравнения (30) получаем
(31)
Умножим
и разделим уравнение (31) на
(32)
Результат
(32) является окончательным решением уравнения колебаний упругого слоя. Из
полученного соотношения можно выразить частоту колебаний
, при которой перемещения слоя неограниченно
возрастают. Для этого приравняем к нулю знаменатель
и решим уравнение
,
или
,
,
Выразим
и подставим в формулу (26)
Находим
(33)
через
формулу погонной массы, с взятым значением
=1(м3)
(34)
и
через формулу жёсткости слоя
(35)
Упрощаем
равенство (33)
(36)
в
формуле циклической частоты
выразим
, подставив равенство (36)
(37)
Формула
(37) позволяет найти частоты колебаний, при которых наблюдается резонанс в
упругом слое - перемещения его точек обращаются в бесконечность.
8.2 Нахождение резонансных частот колебаний
Для нахождения частот колебаний потребуются формулы (34), (35), (37), а также формула по нахождению коэффициентов Ламе
Таблица 1- Основные данные
Бетон
Плотность:
(кг/м3);
(кг/м3)
Модуль
Юнга:
Коэффициент
Пуассона:
|
Толщина: Таблица
2 - Значения
Построим графики для полученных значений
Рисунок
3 - График значений
Рисунок
4 - График значений Исходя
из построенных графиков, можно сказать, что при увеличении толщины упругого
слоя частота значительно снижается. Если толщину слоя увеличить в 2 раза, то
частота снизится в столько же раз. То есть зависимость между толщиной и
частотой пропорциональная. На логарифмическом графике (рисунок 4) видно, что
линии подобны.
8.2.2 Рассчитаем значения Таблица
3 - Значения
Построим графики для полученных значений
Рисунок
5 - График значений
Рисунок
6 - График значений При
увеличении плотности упругого слоя для тех же толщин, значение частоты
незначительно уменьшается. Зависимость между толщиной и частотой, также,
пропорциональная.
8.2.3 Рассчитаем значения Таблица
4 -
Построим графики для полученных значений
Рисунок
7 - График значений
Рисунок
8 - График значений Для
толщины 0,12 м, при увеличении плотности упругого слоя на 300 кг/м3 частота
снижается в 1,072 раза. На логарифмическом графике (рисунок 8) видно, что линии
подобны.
8.2.4 Рассчитаем значения Таблица
5 -
Построим графики для полученных значений
Рисунок
9 - График значений
Рисунок
10 - График значений Для
толщины 0,14 м, при увеличении плотности упругого слоя на 300 кг/м3 частота
снижается в 1,072 раза. На логарифмическом графике (рисунок 10) видно, что
линии подобны.
8.2.5 Рассчитаем значения Таблица
6 - Значения
Построим графики для полученных значений
Рисунок
11 - График значений
Рисунок
12 - График значений Для толщины 0,24 м, при увеличении плотности упругого слоя на 300 кг/м3 частота снижается в 1,072 раза. На логарифмическом графике (рисунок 12) видно, что линии подобны. 9. Методы решения задачи по нахождению потенциала скоростей шум акустика защита колебание Имеется
два уравнения
где
Граничные
условия
Решим дифференциальные уравнения
Составим
характеристическое уравнение
Найдем
корни характеристического уравнения
С
помощью корней получаем общие решения данных уравнений
Выполним
граничное условие (38)
Выполним граничное условие (39)
Подставляем
значение W(z) из уравнения (32)
Выполним граничное условие (40)
Из
(29) граничного условия находим
Решаем (42) граничное условие
Подставляем
найденное в (41) граничном условие
Выносим
Переносим
Приводим
косинусы и синусы к общему знаменателю
Так
как
Переносим
косинус в правую часть
Отсюда
получаем значение
Выражаем
Подставляем
найденные значения коэффициентов
Приводим
к общему знаменателю
Подставляем
полученное значение
Обозначим
через
Подставляем
выраженные коэффициенты
Подставляем
выраженные коэффициенты
Формулы (50) и (51) являются окончательными формулами, с помощью которых можно найти потенциал скоростей распространение звука 10. Нахождение потенциала скоростей
Для
нахождения потенциала скоростей воспользуемся основными данными из таблицы 1 и
формулами (50) и (51), в которых примем Таблица
7 - Значения
Построим график для полученных значений
Рисунок
13 - График значений Из
графика видно, что максимальный потенциал скоростей наблюдается в частоте 1300
Гц при толщине упругого слоя 0,14 м, а минимальный потенциал - в частоте 100 Гц
при толщине 0,24 м.
Таблица
8 - Значения
Построим график для полученных значений
Рисунок
14 - График значений Из
графика видно, что изменение плотности незначительно влияет на потенциал
скоростей.
Таблица
9 - Значения
Построим график для полученных значений
Рисунок
15 - График значений Максимальный
потенциал наблюдается при значении толщины 0,24 м при частоте 500 Гц, а
минимальный при толщине 0,12 м при частоте 2500 Гц.
Таблица
10 - Значения
Построим график для полученных значений
Рисунок
16 - График значений Из
графика видно, что изменение плотности незначительно влияет на потенциал
скоростей.
11. Методы решения задачи по нахождению скорости и
давления
У
нас имеются уравнения потенциалов скоростей
С
их помощью найдем скорость, по формуле
Продифференцируем
Продифференцируем
По
полученным формулам мы можем определить скорость Для
нахождения давления воспользуемся формулой:
Для проведения расчетов и анализа скорости и давления возьмем три точки исследования: над источником звука - середина между источником и потолком, источник звука, под источником звука - середина между источником и плитой. В
самом источнике звука
Над
источником
Под
источником:
Зная
скорость звука в воздухе, плотность воздуха, высоту источника звука, толщину и
плотность упругого слоя можно приступать к анализу по данным формулам.
12. Нахождение резонансных частот потенциала
скоростей
Для
нахождения резонансных частот возьмём знаменатель потенциала скоростей и
приравняем его к нулю:
Для
нахождения резонансных частот воспользуемся основными данными из таблицы 1 и
формулой (57), с диапазоном частот от 100 до 4200 Гц.
Таблица
11 - Значения резонансных частот при плотностях упругого слоя
По полученным значениям построим график
Рисунок
17 - График резонансных частот при плотности упругого слоя По
рисунку 17 мы можем проанализировать резонансные частоты. Графики остальных
значений схожи и в построении, для анализа не нуждаются.
Рисунок
18 - График значений нулей знаменателя при плотности упругого слоя 13. Нахождение и анализ скорости и давления
В
самом источнике звука рассчитаем скорость и давление при потенциале Таблица
12 - Значения скорости и давления при потенциале
По полученным значениям построим графики скорости и давления
Рисунок
19 - График значений
Рисунок
20 - График значений Теперь
проанализируем скорость и давление над источником звука при потенциале Таблица
13 - Значения скорости и давления при потенциале
По полученным значениям построим графики скорости и давления
Рисунок
21 - График значений
Рисунок
22 - График значений Далее
проведём расчёты и анализ скорости и давления под источником звука при
потенциале Таблица
14 - Значения скорости и давления при потенциале
По полученным значениям построим графики скорости и давления
Рисунок
23 - График значений
Рисунок
24 - График значений ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В работе производился поиск и подбор литературы по теме исследования, по материалам составлен краткий обзор. Получены аналитические формулы для нахождения резонансной частоты колебаний. В результате исследований и вычислений были найдены зависимости частоты колебаний от параметров материала и составлен графический отсчёт. В результате проведённых вычислений были получены аналитические формулы для нахождения потенциала скоростей распространения звука. В результате исследований и вычислений были найдены зависимости потенциала скоростей от параметров материала и составлен графический отсчёт. В результате исследований и вычислений были найдены зависимости скорости
и давления от параметров материала и составлен графический отсчёт.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Зисман, Г. А. Курс общей физики. В 3 т. / Г. А. Зисман, О. М. Тодес, - М.: Наука, 1995. - 343 с. Шебалин, О. Д. Физические базы механики и акустики. - М.: Высшая школа, 1981. - 263 с. Сергеев, В. С. Безопасность жизнедеятельности: учебное пособие / Под ред. И. Г. Безуглова - М.: ОАО Издательский дом Город, 2007. - 416 c. Хван, Т. А. Основы безопасности жизнедеятельности: учебное пособие / Т. А. Хван, П. А. Хван, Р. н/Д Феникс, 2008. - 387 с. Занько, Н. Г. Безопасность жизнедеятельности: учебное пособие / Под ред. О. Н. Русака. - М.: издательство Стрим, 2009. - 507 с. Кривошеин, Д. А. Экология и безопасность жизнедеятельности: учебное пособие для вузов / Под ред. Л. А. Муравья. - М.: ЮНИТИ- ДАНА, 2010. - 447 c. Айзмана, Р. И. Основы безопасности жизнедеятельности: учебное пособие / Р. И. Айзмана, С. Г. Кривощекова, - Новосибирск: Орел, 2011. - 271 с. 8 Акустический шум воздушных линий [Электронный ресурс]. - URL: <http://www.ecology-portal.ru/publ/ekologicheskie-problemy/500110-akusticheskij-shum-vozdushnyx-linij.html> (дата обращения: 13.06.2014). Звукоизоляция [Электронный ресурс]. - URL: <http://www.nosound.ru/stat_2.html> (дата обращения: 13.06.2014). Что такое шум и как с ним бороться [Электронный ресурс]. - URL: <http://penobetonpik.ru/index.php?file=shum> (дата обращения: 13.06.2014). Филоненко-Бородич, М. М. Теория упругости - М: Изв физико-математической литературы, 1959. - 364 с. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||