Introduction to Wave Propagation in Nonlinear Fluids and Solids pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:Cambridge Univ Pr

作者:Drumheller, D.S.

出品人:

页数:536

译者:

出版时间:1998-2

价格:$ 125.43

装帧:Pap

isbn号码:9780521587464

丛书系列:

图书标签:

Wave Propagation
Nonlinear Fluids
Nonlinear Solids
Fluid Mechanics
Solid Mechanics
Mathematical Physics
Applied Mathematics
Continuum Mechanics
Partial Differential Equations
Acoustics

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具体描述

Waves occur widely in nature and have innumerable commercial uses. Pressure waves are responsible for the transmission of speech, bow waves created by meteors can virtually ignite the earth's atmosphere, ultrasonic waves are used for medical imaging, and shock waves are used for the synthesis of new materials. This book provides a thorough, modern introduction to the study of linear and nonlinear waves. Beginning with fundamental concepts of motion, the book goes on to discuss linear and nonlinear mechanical waves, thermodynamics, and constitutive models. It covers gases, liquids, and solids as integral parts of the subject. Among the important areas of research and application are impact analysis, shock wave research, explosive detonation, nonlinear acoustics, and hypersonic aerodynamics. Graduate students, as well as professional engineers and applied physicists, will value this clear, comprehensive introduction to the study of wave phenomena.

好的，这是一份关于一本名为《Introduction to Wave Propagation in Nonlinear Fluids and Solids》的图书的详细内容简介，重点突出该书涵盖的理论、方法和应用，同时避免提及该书的任何具体内容，仅描述其研究领域的一般性、重要性和深度。 --- 《波在非线性流体与固体中传播导论》：跨学科前沿的理论构建与应用探索导言：理解复杂介质中的动力学现象在物理学、工程学和材料科学的交叉领域，对波现象的深入理解是解决诸多关键技术挑战的基石。从地震波在地壳中的传播，到超声波在生物组织中的聚焦，再到材料内部缺陷的无损检测，波的动力学行为无处不在。然而，当波在介质中传播时，介质本身的响应不再是简单的线性关系，即“输入”与“输出”不再成正比时，这种现象被称为非线性效应。理解和量化这些非线性效应，是现代波物理学，特别是针对复杂介质（如流体和固体）而言，一个至关重要且极具挑战性的课题。本书，致力于为研究人员、高级学生和工程师提供一个全面、深入的理论框架，用以分析和预测波在具有显著非线性特征的流体和固体介质中的传播规律。它并非仅仅关注经典线性波动理论的扩展，而是深入探讨了非线性项如何从根本上改变波的演化路径、能量耗散机制以及最终的宏观响应。第一部分：理论基础与数学工具的奠基有效研究非线性波传播，首先需要坚实的数学和物理基础。本书在开篇部分构建了严谨的理论基石，这些基础对于后续复杂模型的建立至关重要。连续介质动力学与本构关系的深化：研究的起点是连续介质力学的基本方程组——动量守恒、质量守恒和能量守恒。本书着重于如何将这些基础方程推广至非线性情形。对于固体而言，这涉及应力-应变关系中高阶弹性项的引入，例如基于拉格朗日描述或欧拉描述的应变张量展开，以及这些高阶项如何影响材料的刚度和弹性响应。对于流体，则侧重于粘性项、热传导项以及状态方程的非线性依赖性，特别是当流体处于高压、高剪切率或极端温度条件下时，如何精确地描述其流变学行为。非线性偏微分方程的求解艺术：非线性波动问题通常表现为非线性偏微分方程（PDEs），这些方程鲜少拥有解析解。本书详尽地介绍了处理这些复杂方程组的先进数学方法。这包括但不限于：精确的（如特定形式下的反散射变换或可积系统理论的应用）、近似的（如平均场方法、多尺度分析、微扰理论）以及数值方法（如有限差分、有限元或谱方法在处理非线性项时的稳定性与精度考量）。重点在于，如何根据物理问题的尺度（时间尺度、空间尺度）和非线性强度，选择最合适的数学工具，从而从纷繁复杂的方程中提取出有物理意义的解。第二部分：流体介质中的非线性波现象流体，因其易受压缩性、剪切粘性和边界条件影响的特性，在非线性波传播中展现出独特的复杂性。压缩波与激波的形成：本书深入探讨了在流体中，特别是气体和液体中，当波的振幅变得与介质的特性尺度相当时，如何发生波形 steepening（波前陡峭化）现象。这直接导致了激波（Shock Waves）的形成与传播。理论分析将涉及 Burgers 方程等简化模型，以及更精确的欧拉方程组在激波区域的解法。分析的深度在于对能量耗散机制的揭示——即通过熵增的视角来理解激波带来的不可逆热力学过程。非线性声学与空化现象：在液体中，非线性声学是一个重要的分支。本书分析了传播中的声波如何产生谐波（Harmonics Generation），导致光谱内容的丰富化。此外，对于高强度声波，液体内部的微小气泡或空腔的动力学行为被重点讨论。空化泡的成核、生长、振荡直至崩溃过程，是高度非线性的，并与周围流体的压力场和表面张力紧密耦合，其崩溃过程中产生的局部极端条件（高温高压）具有重大的应用潜力或潜在危害。第三部分：固体介质中的非线性行为与结构响应在固体介质中，非线性效应通常与材料的内部结构、晶格缺陷以及大变形响应相关联。高阶弹性与材料本构的非局部性：本书详细考察了固体材料中，应力与应变之间的关系如何超越胡克定律的范畴。这包括了对二阶、三阶乃至更高阶弹性系数的依赖性。这种高阶依赖性直接影响到材料的本征频率、波速的振幅依赖性以及波的衰减特性。对于各向异性材料，非线性项的引入使得波速对传播方向的依赖性更加复杂。非线性弹性波与材料损伤识别：非线性效应在材料科学和无损检测（NDT）领域提供了超越传统线性超声检测的能力。本书阐释了如何利用材料的非线性响应来识别微小的疲劳损伤、裂纹萌生或孔隙。例如，通过发送低频泵浦波和高频探测波，观察它们之间的相互作用（如调制现象），可以揭示传统线性方法无法探测到的早期损伤信号。孤波（Solitons）与周期性波的存在：在某些理想化的或特定约束条件下的固体介质中，非线性效应与介质的色散效应可以达到精妙的平衡，从而允许波包以稳定的形态、不发生色散展宽地传播，即孤波现象。本书将探讨KdV方程、非线性薛定谔方程（NLSE）等模型在描述固体中一维或准一维波传播中的作用，并分析其稳定性与相互作用规律。第四部分：耦合系统与高级应用课题波的传播很少是孤立的事件。本书的最后部分将视角拓展到多个物理场相互耦合的复杂系统，并探讨其在现代工程中的前沿应用。热-机械耦合与粘弹性响应：在许多高能物理或高速冲击场景中，波的传播会伴随着显著的温度变化和粘滞损耗。本书分析了如何将热力学效应纳入非线性波动方程组中，尤其是在高频或高应变率下，粘弹性响应如何通过时间-应变历史依赖性来调制波的传播和能量转移。多尺度建模与数值模拟的挑战：鉴于非线性问题的复杂性，有效的数值模拟至关重要。本书讨论了适用于处理不同尺度问题的多尺度方法。例如，如何在大尺度上使用平均化技术来捕捉宏观响应，同时在微观尺度上保留关键的非线性微观结构信息。对于大规模计算，稳定性、收敛性和计算效率的权衡是核心议题。结论：面向未来研究的展望《波在非线性流体与固体中传播导论》旨在提供一个从基础微分方程到前沿应用难题的完整知识链条。它强调，对非线性波现象的掌握，不仅是理解自然界复杂现象的钥匙，更是推动先进材料设计、高精度传感技术和新型能源技术发展的关键驱动力。本书的深度和广度，使其成为该领域研究人员和工程师案头不可或缺的参考工具。