Xem mẫu

  1. ng−îc dßng, mμ tèc ®é dßng t¨ng dÇn däc theo trôc cña nã, th× phÇn 2. BiÕn d¹ng sãng giã trªn c¸c bÊt n¨ng l−îng sãng t¨ng dÇn, vμ t¹i ®iÓm n¬i tèc ®é nhãm sãng ®ång nhÊt quy m« lín b»ng vÒ ®é lín vμ ng−îc h−íng so víi tèc ®é dßng th× biªn ®é sãng nhËn gi¸ trÞ lín v« h¹n. Cßn trªn thùc tÕ, t¹i l©n cËn ®iÓm ®Æc biÖt nμy (®iÓm tô tia) kh«ng thÓ ¸p dông c¸c kÕt qu¶ cña M. S. Longuet-Higgins vμ R. Stewart. PhÐp tiÕp cËn phæ tr×nh bμy trong c«ng tr×nh nμy sÏ cho phÐp kh¾c phôc nh÷ng dÞ th−êng xuÊt hiÖn ë l©n cËn c¸c ®iÓm tô tia vμ m« t¶ ®óng hμnh vi cña Ch−¬ng 5 sãng trªn dßng ch¶y. tiÕn triÓn cña sãng trªn nÒn dßng Nh− ®· nhËn xÐt tr−íc ®©y, trong phÇn lín tr−êng hîp ®iÓn bÊt ®ång nhÊt ph−¬ng ngang h×nh, ¶nh h−ëng cña dßng vμ n−íc n«ng lªn sãng mang tÝnh ®Þa ph−¬ng. Do ®ã, trong khi sö dông tr−êng hîp riªng cña bμi to¸n vμ trong ®iÒu kiÖn n−íc s©u tæng qu¸t (1.84)–(1.90), ta nªn xÐt bμi to¸n trong hÖ täa ®é ®Þa ph−¬ng vμ viÕt ph−¬ng tr×nh c©n b»ng mËt ®é phæ t¸c ®éng sãng trong hÖ täa ®é ph¼ng vu«ng gãc 5.1. §Æt bμi to¸n trong hÖ täa ®é ®Þa ph−¬ng   N N dr N dk N d    G, (5.1) Trong ch−¬ng 1 ®· nªu ra sù thiÕt lËp tæng qu¸t nhÊt vÒ bμi t r dt k dt  dt  to¸n m« h×nh hãa to¸n häc sãng giã trong ®¹i d−¬ng d−íi t¸c trong ®ã r  {x, y}  vect¬ kh«ng gian ngang; k  k x , k y  vect¬  ®éng cña c¸c nh©n tè kh¸c nhau h×nh thμnh phæ sãng giã. V× sãng trªn mÆt ph¼ng {x, y} ; G  hμm nguån m« t¶ c¸c c¬ chÕ gi¶i bμi to¸n tæng qu¸t phøc t¹p, nªn ë ®©y ta sÏ xÐt mét tr−êng vËt lý h×nh thμnh phæ sãng giã. C¸c ®Æc tr−ng cña ph−¬ng tr×nh hîp riªng vμ kh¶o s¸t nh÷ng hiÖu øng liªn quan tíi sù biÕn (5.1) lμ c¸c ph−¬ng tr×nh Hamilton, trong phÐp xÊp xØ quang thiªn phæ sãng trªn c¸c dßng bÊt ®ång nhÊt ph−¬ng ngang. h×nh chóng m« t¶ sù lan truyÒn c¸c chïm sãng trong m«i M. S. Longuet-Higgins vμ R. Stewart ®· nhËn ®−îc nh÷ng tr−êng bÊt ®ång nhÊt. kÕt qu¶ lý thuyÕt c¬ së ®Çu tiªn trong viÖc gi¶i bμi to¸n nμy vμo   dr R dk R d R nh÷ng n¨m 1961-1964 [311-314]. Tõ c¸c c«ng tr×nh cña c¸c t¸c  ;   ;  , (5.2) r dt t dt k dt gi¶ ®ã rót ra r»ng gi÷a sãng vμ dßng ch¶y bÊt ®ång nhÊt ph−¬ng ngang cã sù t−¬ng t¸c, kÕt qu¶ lμ sãng cã thÓ cho hoÆc nhËn ë ®©y   tÇn sè sãng ®−îc ®o trong hÖ täa ®é kh«ng di ®éng. n¨ng l−îng tõ dßng ch¶y. Lý thuyÕt cña hä cã thÓ gi¶i thÝch TÇn sè  cã thÓ x¸c ®Þnh theo tÇn sè sãng  ®−îc ®o trong nhiÒu vÊn ®Ò ®éng lùc häc c¸c qu¸ tr×nh sãng, tuy nhiªn, ph¹m   2 hÖ täa ®é di ®éng g¾n liÒn víi dßng ch¶y: 2    k V , víi vi sö dông lý thuyÕt ®ã kh¸ h¹n hÑp. ThÝ dô, khi truyÒn sãng 201 202
  2.   N ( x, y , k x , k y , t )  N 0 ( x 0 , y 0 , k x 0 , k y 0 ) . V  V (r , t )  tèc ®é dßng ch¶y. Trong tr−êng hîp c¸c sãng mÆt (5.3)  träng lùc cã thÓ viÕt 2  g k th(kH ) , H  H (r )  ®é s©u thñy Kh¸c víi m« t¶ sãng trong kh«ng gian vËt lý (xem môc 1.3), vùc. Nh÷ng ph−¬ng tr×nh trªn ®©y cã thÓ xem lμ ®óng trong ë ®©y v¾ng mÆt Jacobien chuyÓn tiÕp tõ c¸c trÞ sè ban ®Çu sang tr−êng hîp tèc ®é dßng ch¶y kh«ng biÕn ®æi trªn ph−¬ng th¼ng c¸c trÞ sè hiÖn t¹i. Ng−êi ta lý gi¶i nh− sau: tr−êng hîp m« t¶ ®øng. Nh−ng trong thùc tÕ gi¶ thiÕt nμy Ýt khi hiÖn thùc. Nh− sãng trong kh«ng gian pha chóng ta sö dông c¸c biÕn chuÈn. Sù ®· chØ ra trong ch−¬ng 1, khi hiÖn diÖn chªnh lÖch tèc ®é dßng b¶o tån gi¸ trÞ t¸c ®éng sãng trong mét ®¬n vÞ thÓ tÝch pha cã thÓ viÕt b»ng N xyk x k y  N 0 x 0 y 0 k x 0 k y0 . V× chuyÓn trªn ph−¬ng th¼ng ®øng, th× viÖc gi¶i bμi to¸n còng kh«ng cã g× phøc t¹p vÒ nguyªn t¾c, mÆc dï khèi l−îng tÝnh to¸n t¨ng rÊt ®éng cña hÖ trong kh«ng gian pha diÔn ra t−¬ng øng víi c¸c nhiÒu. §¹i ®a sè c¸c tr−êng hîp thùc tÕ tr¾c diÖn th¼ng ®øng ph−¬ng tr×nh Hamilton, nªn tõ ®Þnh lý Luiville [121] suy ra sù vËn tèc dßng th−êng kh«ng ®−îc biÕt chÝnh x¸c, cßn c¸c trÞ sè b¶o tån thÓ tÝch phÇn tö kh«ng gian pha. Trong ®iÒu kiÖn ®ã trung b×nh cña vËn tèc ®−îc cho tr−íc. V× vËy trong môc nμy ta Jacobien chuyÓn tiÕp tõ phÇn tö thÓ tÝch pha ban ®Çu sang ( x 0 , y 0 , k x0 , k y 0 ) sÏ xem r»ng gi¸ trÞ tèc ®é dßng ch¶y ®−îc x¸c ®Þnh b»ng trÞ sè 1. phÇn tö hiÖn hμnh ®ång nhÊt b»ng ®¬n vÞ: trung b×nh theo toμn ®é s©u x©m nhËp chuyÓn ®éng sãng. C¸c  ( x, y, k x , k y ) tr−êng hîp ¶nh h−ëng cña dßng ch¶y bÊt ®ång nhÊt ph−¬ng VËy t−¬ng quan (5.3) tho¶ m·n. Nh÷ng ®iÓm kú dÞ - tô tia liªn th¼ng ®øng lªn sãng sÏ xÐt sau. quan tíi viÖc Jacobien tiÕn tíi 0 sÏ kh«ng xuÊt hiÖn nh− trong §Ó gi¶i bμi to¸n x¸c ®Þnh mËt ®é phæ t¸c ®éng sãng  * tr−êng hîp m« t¶ sãng trong kh«ng gian vËt lý (xem môc 1.3). N (k , r , t ) . Qua mçi ®iÓm cña kh«ng gian chØ cã thÓ cã mét quü §iÒu kiÖn (5.3) cã nghÜa r»ng khi kh«ng cã t¸c ®éng cña ®¹o pha ®i qua, tøc c¸c quü ®¹o pha kh«ng giao nhau. Thùc chÊt c¸c nguån vμ c¸c dßng n¨ng l−îng sÏ b¶o toμn mËt ®é phæ t¸c tÝnh chÊt nμy lμ hÖ qu¶ cña ®Þnh lý duy nhÊt nghiÖm cña hÖ ®éng sãng däc theo quü ®¹o truyÒn c¸c chïm sãng. NhËn thÊy ph−¬ng tr×nh vi ph©n th−êng víi nh÷ng ®iÒu kiÖn ban ®Çu cho r»ng tÝnh chÊt nμy ®èi víi tr−êng hîp biÕn tÝnh phæ sãng trªn tr−íc. M« t¶ c¸c quü ®¹o truyÒn c¸c chïm sãng trong kh«ng n−íc n«ng ®· ®−îc M. S. Longuet-Higgins [310] chøng minh gian pha cã mét lo¹t c¸c tÝnh chÊt lý thó [5, 18, 135]. lÇn ®Çu tiªn. ThÝ dô, tr−êng hîp v¾ng mÆt hμm nguån ( G  0 ) tõ ph−¬ng d N x, y , k x , k y , t  5.2. TiÕn triÓn cña phæ tÇn sè  gãc trªn dßng ch¶y  0 . Cã nghÜa r»ng mËt ®é tr×nh (5.1) rót ra dt BiÓu thøc tæng qu¸t m« t¶ sù t¸n x¹ cña phæ tÇn sè  phæ n¨ng l−îng t¸c ®éng sãng gi÷ kh«ng ®æi däc theo tia gãc cña sãng. XÐt tr−êng hîp ®¬n gi¶n nhÊt cña ph−¬ng tr×nh ®éng häc (5.1), khi cã thÓ bá qua c¸c hμm nguån ë vÕ tr¸i * Kh«ng gian nμy cßn ®−îc gäi lμ kh«ng gian täa ®é - xung. Hμnh vi cña c¸c hÖ ph−¬ng tr×nh nμy vμ mËt ®é phæ N gi÷ nguyªn kh«ng ®æi däc Hamilton trong kh«ng gian nh− vËy ®−îc kh¶o s¸t trong h×nh häc hiÖn ®¹i [5]. 203 204
  3. theo quü ®¹o truyÒn chïm sãng. Bμi to¸n t×m N theo c¸c ®iÒu hiÖu øng thø nhÊt.  kiÖn ban ®Çu N 0 (k0 , r0 , t ) quy vÒ viÖc tÝch ph©n c¸c ph−¬ng tr×nh DÞch chuyÓn Dopler phæ tÇn sè - gãc. Khi truyÒn sãng    Hamilton (5.2) vμ x¸c ®Þnh c¸c mèi phô thuéc k0  k0 (k , r , t ) , trªn dßng ch¶y kh«ng dõng ®ång nhÊt vect¬ sãng theo ph−¬ng     tr×nh (5.2) gi÷ nguyªn kh«ng ®æi, tøc d / dt  k V / t . Sö dông r0  r0 (k , r , t ) . PhÇn lín tr−êng hîp chØ cã thÓ gi¶i b»ng sè hÖ biÓu thøc cña phæ (5.4), trong tr−êng hîp nμy cã thÓ viÕt ph−¬ng tr×nh (5.1).     S , , r , t   0 S 0 0 , , r , t  , Ta sÏ chuyÓn tõ mËt ®é phæ t¸c ®éng sãng N (k ) sang mËt (5.5)  ®é phæ n¨ng l−îng S  S (, ) phô thuéc vμo tÇn sè  vμ gãc ë ®©y S  phæ trong hÖ täa ®é bÊt ®éng, cßn S 0  phæ sãng trªn   arctg (k y / k x ) . ViÖc chuyÓn tõ mét mèi phô thuéc phæ nμy dßng ch¶y. C¸c tÇn sè  vμ 0   liªn hÖ víi nhau b»ng mèi  sang mèi phô thuéc cã thÓ dÔ thùc hiÖn trong tr−êng hîp gi÷a  quan hÖ t¶n m¹n cña sãng trªn dßng ch¶y     k V . Víi c¸c c¸c hîp phÇn vect¬ sãng k , tÇn sè  vμ gãc  tån t¹i liªn hÖ:  sãng trªn n−íc s©u, khi S 0 kh«ng phô thuéc vμo r , ta viÕt l¹i k x  k ,   cos  ; k y  k ,  sin  biÓu thøc (5.5) d−íi d¹ng S ,    1  2V cos    / g  S 0 ,   , Jacobian chuyÓn tiÕp tõ k x , k y sang c¸c biÕn  ,  b»ng 1 (5.6)     kx , ky k trong ®ã   gãc gi÷a h−íng trôc Ox vμ tèc ®é V . k .  ,    §Æc ®iÓm cña quan hÖ nμy lμ ë chç  kh«ng ph¶i lμ hμm ®¬n trÞ cña  . Ta sÏ biÓu diÔn sù phô thuéc cña  vμo  d−íi d¹ng TrÞ sè phæ S tuú thuéc vμo c¸c ®iÒu kiÖn ban ®Çu cã thÓ viÕt 2 ~ d−íi d¹ng  1  1  V cos     ,   ~ (5.7)  V cos       1 2  , , r , t   k   k 0  0  S 0 0 ,  0 , r , t  . 2   S ~ (5.4)    ë ®©y V  4V / g  tèc ®é dßng ch¶y kh«ng thø nguyªn. DÊu (+)   0  ~ trong (5.7) øng víi c¸c sãng tíi, cßn dÊu (–) (khi V cos(  )  0 ) BiÓu thøc (5.4) nhËn ®−îc víi nh÷ng gi¶ thiÕt kh¸ tæng qu¸t øng víi sãng ng−îc [332]. Phæ toμn phÇn S (, ) ph¶i gåm tæng vμ nã cã thÓ m« t¶ sù t¸n x¹ sãng khi cã mÆt bÊt ®ång nhÊt ®é c¸c phæ t−¬ng øng víi c¸c nh¸nh kh¸c nhau cña quan hÖ (5.7). s©u vμ khi sãng truyÒn trªn nÒn dßng ch¶y. Kh¸c víi n−íc n«ng, §èi víi nh÷ng tèc ®é dßng ch¶y ®iÓn h×nh tån t¹i thùc trªn §¹i dßng ch¶y kh«ng chØ dÉn ®Õn sù t¸n x¹ sãng. ë ®©y xuÊt hiÖn d−¬ng thÕ giíi, phÇn ®ãng gãp t−¬ng ®èi cña c¸c sãng ng−îc nh÷ng hiÖu øng bæ sung, liªn quan tíi sù bÊt ®ång nhÊt tèc ®é (chu kú cña chóng   4 V / g ) vμo d¶i phæ mang n¨ng l−îng cña dßng trong thêi gian vμ kh«ng gian. Sù biÕn thiªn thêi gian dÉn c¸c sãng giã t−¬ng ®èi nhá, v× vËy ®«i khi cã thÓ chØ giíi h¹n xÐt tíi sù dÞch chuyÓn Dopler vÒ tÇn sè, bÊt ®ång nhÊt kh«ng gian - c¸c sãng tíi. Khi ®ã quan hÖ (5.5) viÕt l¹i d−íi d¹ng tíi sù t−¬ng t¸c gi÷a sãng vμ dßng. Chóng ta sÏ xÐt kü h¬n vÒ 205 206
  4. ~ S ,   S0   ,   / 1  V cos    . 42 k , , V   (5.8) . (5.10) ~ 2 1  1  V cos   g  Nhê c¸c quan hÖ (5.7) hay (5.8) cã thÓ chØ ra r»ng dÞch   chuyÓn Dopler sÏ dÉn tíi xª dÞch nh÷ng hîp phÇn phæ, ®Æc biÖt §Ó x¸c ®Þnh gi¸ trÞ cña phæ trong biÓu thøc (5.9) cÇn t×m  0 , nh÷ng tÇn sè lín. Trong ®ã, dÜ nhiªn, c¶ ®é cao sãng trung b×nh nã cã thÓ ®−îc x¸c ®Þnh t−¬ng ®èi dÔ trong c¸c tr−êng hîp khi lÉn phæ kh«ng gian cña chóng kh«ng thay ®æi. Trªn dßng ch¶y tèc ®é V phô thuéc chØ vμo mét trong hai täa ®é. Khi V  V ( y ) cïng h−íng cùc ®¹i phæ xª dÞch vÒ phÝa nh÷ng tÇn sè lín h¬n, täa ®é x lμ täa ®é trô, vμ theo ph−¬ng tr×nh (5.2) hîp phÇn k x cßn phÇn cao tÇn cña mËt ®é phæ trë nªn tho¶i h¬n. Trªn dßng ch¶y ng−îc h−íng diÔn ra sù xª dÞch ng−îc l¹i. gi÷ nguyªn trong khi truyÒn chïm sãng, khi ®ã BiÕn d¹ng phæ tÇn - gãc cña sãng trªn dßng ch¶y bÊt     ®ång nhÊt. Sù biÕn d¹ng phæ sãng trªn dßng ch¶y bÊt ®ång 4 cos  0  arccos  2 . (5.11) nhÊt ph−¬ng ngang diÔn ra theo c¸ch kh¸c. Ta sö dông quan hÖ ~  1  1  V cos      (5.4) ®Ó nhËn biÓu thøc tiÕn triÓn phæ sãng khi truyÒn trªn n−íc     s©u ( 2  gk ) trong ®iÒu kiÖn tån t¹i dßng ch¶y dõng bÊt ®ång Tr−êng hîp kh¸c, khi V  V ( x) , k  const vμ khi ®ã  nhÊt ph−¬ng ngang V (r ) . Trong tr−êng hîp nμy, tÇn sè  gi÷   nguyªn däc theo c¸c tia vμ cã thÓ nhËn ®−îc nghiÖm cuèi cïng   4 sin  0  arcsin  2 . (5.12) d−íi d¹ng t−êng minh. ~  1  1  V cos       XÐt sù truyÒn sãng tõ vïng kh«ng cã dßng ch¶y ( V  0 ) tíi      vïng víi tèc dßng h−íng däc theo trôc Ox V   ( x, y ); 0 . Gi¶ sö V Tr−êng hîp thø nhÊt (5.11) øng víi t×nh huèng truyÒn sãng rμng tho¹t ®Çu (tøc khi V  0 ) phæ sãng lμ ®ång nhÊt vμ dõng trªn dßng bÊt ®ång nhÊt ngang cã tÝnh ®øt ®o¹n vμ sÏ ®−îc xÐt S0  S0 (, ) . Khi truyÒn sãng trªn dßng ch¶y phæ cña chóng sau nμy. theo quan hÖ (5.4) cã thÓ biÓu diÔn d−íi d¹ng Ta kh¶o s¸t tr−êng hîp thø hai mét c¸ch tØ mØ h¬n. VËy gãc 16 S0 , 0   biÕn ®æi nh− thÕ nμo phô thuéc vμo tèc ®é kh«ng thø nguyªn S  , ,V   , (5.9) ~ ~ ~ 1  V cos  1  1  V cos   V khi truyÒn chïm sãng tíi vïng dßng ch¶y cã tèc ®é V ( x) t¨ng     dÇn. XuÊt ph¸t tõ ®iÒu kiÖn b¶o toμn tÇn sè  vμ hîp phÇn ~ trong ®ã V  4V / g  tèc ®é dßng ch¶y kh«ng thø nguyªn. DÊu vect¬ sãng k y däc quü ®¹o, ta viÕt tÝch ph©n ®éng l−îng chïm ~ (  ) trong biÓu thøc nμy chøng tá tÝnh kh«ng ®¬n trÞ x¸c ®Þnh sãng trong c¸c biÕn V vμ  d−íi d¹ng phæ sãng trªn dßng ch¶y tuú thuéc vμo tÇn sè  , gãc  vμ tèc ®é   ~   V cos   4 sin    sin  , (5.13) V . TÝnh kh«ng ®¬n trÞ t−¬ng tù còng x¶y ra khi x¸c ®Þnh trÞ sè  trong ®ã   gk y / 2  tham sè kh«ng thø nguyªn, kh«ng ®æi däc sè sãng k  k trªn dßng ch¶y 207 208
  5. quü ®¹o. §èi víi nh÷ng chïm sãng ®i ra tõ vïng kh«ng cã dßng Quan hÖ (5.13) cã thÓ xem nh− quü ®¹o truyÒn chïm sãng  ~ ch¶y ( V0  0 ) gi¸ trÞ cña tham sè  nhá h¬n ®¬n vÞ vμ b»ng trªn mÆt ph¼ng V ,  . Quü ®¹o nμy víi   1 biÓu diÔn trªn sin  . Trong tr−êng hîp khi c¸c sãng tho¹t ®Çu ®−îc sinh ra trªn h×nh 5.1a d−íi d¹ng ®−êng cong IIa (hay ®−êng cong IIb víi ~ dßng ch¶y,  cã thÓ lín h¬n ®¬n vÞ.   1 ). Phô thuéc   (V ) kh«ng ph¶i lμ phô thuéc ®¬n trÞ, tøc ~ øng víi cïng mét gi¸ trÞ V khi   1 cã hai gi¸ trÞ gãc  (khi ~   1 øng víi mét V cã thÓ tån t¹i ba gi¸ trÞ  ). NÕu chïm sãng truyÒn tõ vïng kh«ng cã dßng ch¶y ( V0  0 ) tíi vïng dßng ch¶y  ~ t¨ng dÇn vÒ ®é lín V , th× trªn mÆt ph¼ng V ,  sÏ t−¬ng øng diÔn ra sù chuyÓn ®éng vÒ bªn ph¶i däc theo phÇn trªn cña ®−êng cong bªn tr¸i II ®Õn ®iÓm A (®−êng cong IIa trªn h×nh 5.1a hay mét c¸ch chi tiÕt h¬n trªn h×nh 5.1 b). Trong khi ®ã h×nh chiÕu cña tèc ®é nhãm trªn trôc Ox d−¬ng, tøc g 1 C gx  cos   V  0 (khi V  0) . k 2 T¹i ®iÓm A ®¹t gi¸ trÞ lín nhÊt cña tèc ®é dßng ch¶y trªn quü ~ ®¹o vμ quan hÖ (5.13) nh− mét hμm V () cã gi¸ trÞ cùc ®¹i. §iÓm A lμ ®iÓm ngoÆt, sau khi ®i qua nã C gx trë thμnh ©m. Trªn mÆt  ~ ph¼ng V ,  b¾t ®Çu sù chuyÓn ®éng däc theo phÇn d−íi cña ®−êng cong II tõ ®iÓm A vÒ bªn tr¸i (xem h×nh 5.1a, ®−êng cong IIσ ), tøc vÒ phÝa vïng gi¶m dÇn gi¸ trÞ tèc ®é dßng ch¶y. T¹i ®iÓm ngoÆt A sÏ b¾t ®Çu mÊt ®i sù kh«ng ®¬n trÞ x¸c ®Þnh gãc  , vμ gi¸ trÞ cña nã cã thÓ t×m tõ biÓu thøc (5.13) b»ng c¸ch gi¶i ph−¬ng tr×nh ®¹i sè bËc bèn t−¬ng øng, nghiÖm thùc cña nã lμ biÓu thøc: H×nh 5.1. BiÕn d¹ng c¸c tham sè phæ trªn dßng ch¶y t¨ng dÇn tèc ®é (a)   2     1 2 vμ chi tiÕt h¬n t¹i l©n cËn ®iÓm phong to¶ (b) 3 1v 3   2 1  v  3 1  v 1  2 1  3  1    A  arcsin  3 3 I - ®−êng cong trªn ®ã tho¶ m·n quan hÖ ( k C g )  0 ; II - quü ®¹o truyÒn chïm   4  1v  1v 3   ~    sãng trong c¸c biÕn V ,  (mòi tªn chØ h−íng truyÒn); III - ®−êng cong trªn ®ã   C gx  0 (5.14) 209 210
  6. 1 trong ®ã   1  16 / 27 2 . VB    4 g 1  ( / 4)2  míi trë thμnh c¸c sãng ng−îc. Xa dÇn     Trong biÓu thøc nμy cÇn lÊy (–) nÕu   1 . §èi víi c¸c sãng sau ®iÓm B chóng bÞ cuèn xu«i theo dßng. §èi víi c¸c sãng ®ã víi   1 tån t¹i hai ®iÓm ngoÆt – A vμ A (xem h×nh 5.1a). Tèc lu«n tho¶ m·n bÊt ®¼ng thøc C gx  0 . Sãng cμng truyÒn vμo vïng ®é dßng ch¶y t¹i ®ã diÔn ra sù phong to¶ sãng, phô thuéc vμo trÞ víi gi¸ trÞ tèc ®é dßng nhá dÇn th× gãc  gi¶m dÇn tíi kh«ng. sè cña tham sè  (víi   1, V A  1,038 g/ 4,  A  0,096π ). Khi Nh− ®· nhËn xÐt, hîp phÇn vËn tèc nhãm C gx cña c¸c sãng   3 3 / 4 ®iÓm ngoÆt hoμn toμn biÕn mÊt. tíi cã thÓ d−¬ng, cã thÓ ©m. §iÒu kiÖn C gx  0 cã thÓ viÕt thμnh Trong c«ng tr×nh [10] dÉn ®Þnh nghÜa vÒ c¸c sãng tíi vμ ~ d¹ng V cos3   2 cos   0 . §−êng cong III t−¬ng øng víi quan hÖ sãng ng−îc trªn dßng ch¶y. C¸c sãng tíi lμ nh÷ng chïm sãng    ~ mμ tÝch v« h−íng cña vect¬ sãng k víi vËn tèc nhãm C g d−¬ng: nμy còng ®−îc dÉn trªn h×nh 5.1a,b. Nã chia mÆt ph¼ng V ,   thμnh hai vïng øng c¸c trÞ sè kh¸c nhau C gx . Bªn tr¸i ®−êng (k C g )  0 . T−¬ng øng, c¸c sãng ng−îc lμ nh÷ng sãng mμ tÝch cong III, trong c¸c sãng tíi C gx  0 . Nh÷ng sãng mμ   1 cã nμy ©m. Khi truyÒn sãng trªn dßng ch¶y bÊt ®ång nhÊt sù nh÷ng trÞ sè C gx d−¬ng trªn ®o¹n quü ®¹o II gi÷a hai ®iÓm chuyÓn tõ c¸c sãng tíi sang c¸c sãng ng−îc diÔn ra khi  ~ (k C g )  0 . Cã thÓ dÔ dμng chØ ra r»ng ®iÒu nμy x¶y ra kh«ng phong to¶ A vμ A . Cùc ®¹i cña hμm V ®¹t ®−îc t¹i ph¶i t¹i ®iÓm phong to¶ nh− tr−íc ®©y ng−êi ta t−ëng [10], mμ   arccos ( 2 / 3 ) vμ b»ng 4 / 3 2 / 3 . T¹i nh÷ng trÞ sè cña tèc ®é t¹i mét ®iÓm cña quü ®¹o n¬i ®ã tho¶ m·n ®iÒu kiÖn ~ ~ kh«ng thø nguyªn V lín h¬n 4 / 3 2 / 3 c¸c sãng víi C gx  0 1  V cos   0 . §Ó minh ho¹ ®iÒu võa nãi, quan hÖ trªn d−íi  ~ hoμn toμn kh«ng tån t¹i, mÆc dï trong khi ®ã c¸c sãng tíi cã thÓ d¹ng ®−êng cong I ®−îc dÉn trªn mÆt ph¼ng V ,  (xem h×nh ~ tån t¹i víi V  1 . 5.1a, b). §−êng cong I tiÕp gi¸p víi ®−êng cong II t¹i ®iÓm B ë ~ §iÓm B cã tÝnh chÊt lμ t¹i ®ã tÝnh kh«ng ®¬n trÞ trong c¸c ®ã VB  1 / 1   / 4  . §−êng cong I lμ ®−êng bao cña mét hä 2 quan hÖ (5.9), (5.10) vμ (5.12) mÊt ®i. DÊu (+) t−¬ng øng víi c¸c quü ®¹o t−¬ng øng víi nh÷ng trÞ sè kh¸c nhau cña tham sè  . sãng tíi trong c¸c biÓu thøc nμy, cßn dÊu (–) - c¸c sãng ng−îc. Sù trïng hîp cña ®iÓm phong to¶ A víi ®iÓm chuyÓn tiÕp tõ c¸c TrÞ sè cña sè sãng k t¹i ®iÓm B b»ng 42 / g , tøc lμ nã kh«ng sãng tíi sang sãng ng−îc B chØ x¶y ra trong ®iÒu kiÖn mét phô thuéc vμo tèc ®é dßng ch¶y vμ gãc  . chiÒu, khi   sin 0 . HiÖu øng c¸ch biÖt ®iÓm A víi ®iÓm B trë Trong biÓu thøc phæ sãng (5.9) xuÊt hiÖn ®iÓm kú dÞ khi nªn thÓ hiÖn cμng râ nÐt h¬n khi tham sè  t¨ng dÇn. ~ 1  V cos   0 . T¹i l©n cËn ®iÓm B ®é lín cña phæ tÇn - gãc tiÕn Mét thùc tÕ lý thó lμ trªn ®o¹n quü ®¹o tõ ®iÓm phong to¶ tíi v« cïng. §Æc ®iÓm nμy ®· xuÊt hiÖn do sö dông phÐp thay A ®Õn ®iÓm B c¸c sãng tíi bÞ dån ng−îc trë l¹i xu«i theo dßng ch¶y ( C gx  0 ), vμ chØ sau ®ã t¹i ®iÓm B n¬i tèc ®é dßng b»ng thÕ c¸c biÕn trong biÓu thøc (5.4). BiÓu thøc cã mÆt trong 211 212
  7. ~ Jacobien (5.4) trë thμnh v« cïng khi 1  V cos   0 . Trong ®−îc trong mét c«ng tr×nh tr−íc ®©y [281]. §èi víi c¸c sãng ®Òu  S  () chuyÓn thμnh mét biÓu thøc quen thuéc vÒ diÔn biÕn biªn tr−êng hîp nμy (k C g )  0 , tøc h×nh chiÕu cña vËn tèc nhãm cña ®é sãng trªn dßng ch¶y do M. S. Longuet-Higgins vμ R. Stewart chïm lªn h−íng ®· chän, x¸c ®Þnh bëi gãc  , b»ng 0. Trªn ®· nhËn ®−îc [314]. h−íng nμy thêi gian sèng ®o ®−îc cña chïm víi tÇn sè    g / 4V cos  t¨ng v« h¹n. Chïm sãng thÓ hiÖn b»ng mét Trªn dßng ch¶y ®èi mÆt t¨ng dÇn, phæ toμn phÇn cña sãng sãng ®¬n, ®Òu, phæ cña nã ®−îc xÊp xØ b»ng hμm-  ®−îc quan nÖm t¹o thμnh tõ c¸c phæ sãng tíi vμ sãng ng−îc. S~  (  g / 4V cos ) cã ®iÓm kú dÞ t¹i    g / 4V cos  . Sãng ng−îc, nh− ®· chØ ra tr−íc ®©y, xuÊt hiÖn do ph¶n x¹ c¸c sãng tíi tõ dßng ch¶y bÊt ®ång nhÊt ph−¬ng ngang vμ bÞ cuèn Nh− vËy ®èi víi hîp phÇn ®· cho ®é lín cña phæ thêi gian tr«i xu«i theo dßng ch¶y. NÕu tèc ®é dßng V () ®¬n ®iÖu t¨ng S  (, ) nhËn trÞ sè v« cïng lín. Nh− sÏ chØ ra d−íi ®©y, nÕu ®Õn mét gi¸ trÞ nμo ®ã, sau ®ã trë nªn kh«ng ®æi, th× trªn ®o¹n nh− kh«ng dïng phæ thêi gian, mμ dïng phæ kh«ng gian, th× n¬i tèc ®é kh«ng ®æi phæ sãng ®−îc m« t¶ chØ b»ng phæ cña c¸c ®iÓm kú dÞ nμy ®· kh«ng xuÊt hiÖn. Kú dÞ phæ (5.9) t¹i ®iÓm B sãng tíi. lμ kh¶ tÝch. Ta sÏ xÐt sù biÕn d¹ng phæ tÇn - gãc cña sãng trong tr−êng TrÞ sè phæ cña c¸c sãng ng−îc S  (, ) còng t¨ng cïng víi hîp nμy. Gi¶ sö r»ng gi¸ trÞ ban ®Çu cña phæ sãng ®−îc m« t¶ sù gi¶m tèc ®é dßng ch¶y, vμ vÒ gi−ãi h¹n khi V  0 xuÊt hiÖn bëi biÓu thøc xÊp xØ kú dÞ kh«ng kh¶ tÝch, chøng tá vÒ sù sù t¨ng v« h¹n biªn ®é c¸c  n  1   n  n S0 , 0   Q 0 n  1 m0 exp  max  max   , sãng träng lùc. Theo (5.9) b−íc sãng cña c¸c sãng nμy gi¶m cïng (5.16) n 1 n        víi sù gi¶m vËn tèc. §é dèc c¸c sãng bÞ dßng ch¶y mang xu«i trong ®ã m0  m«men kh«ng cña phæ; Q(0 )  ph©n bè gãc ban dßng t¨ng m¹nh vμ cã thÓ v−ît qu¸ gi¸ trÞ tíi h¹n cho phÐp, ®iÒu nμy ch¾c ch¾n dÉn tíi ®æ nhμo sãng. ®Çu, ®−îc xÊp xØ b»ng hμm c«sin luü thõa bèn. Ta cho trÞ sè tÇn sè cùc ®¹i phæ  max b»ng 0,86 rad/s, n  4 . Ta xÐt tr−êng hîp ph©n bè gãc cña phæ ban ®Çu khi kh«ng cã dßng ch¶y lμ kh¸ hÑp vμ nã cã thÓ biÓu diÔn d−íi d¹ng tÝch Trªn dßng ch¶y ®èi mÆt, theo nh÷ng ®iÒu ®· nãi ë trªn, S0  S0     0  , ph©n bè gãc ®−îc x¸c ®Þnh b»ng quan hÖ ë ®©y  (  0 )  hμm-delta cña Dirak. Trong tr−êng hîp nμy nhê 2     8    16 sin 2  16 sin 2  t−¬ng quan (5.9) phæ tÇn sè mét chiÒu ®−îc dÉn tíi d¹ng ~ Q  (,V )  1    1   4    3   ~ ~ 4 S0 () 4 ~   1  1  V cos    S     S  , 0 (,V ) d  1  1  V cos     . (5.15)         ~ ~2 1  V 1  1  V       ~     2 cos   cos   V , 3 (5.17)  BiÓu thøc cña phæ S () trïng víi mét t−¬ng quan ®· nhËn 213 214
  8.  ~ ë ®©y  , V  hμm Hevisside, tÝnh tíi sù v¾ng mÆt c¸c hîp Trªn h×nh 5.2a, b dÉn gi¸ trÞ phæ biÕn d¹ng trªn dßng ch¶y  ~ víi c¸c tèc ®é dßng V  1,0 vμ 3,0 m/s, tÝnh theo c¸c c«ng thøc phÇn sãng trong c¸c vïng t−¬ng øng cña mÆt ph¼ng , V . (5.9), (5.16). Dßng ch¶y ng−îc dÉn tíi t¨ng m¹nh ®é lín phæ, trªn dßng xu«i thÊy phæ gi¶m, trong khi ®ã tÇn sè cùc ®¹i phæ hÇu nh− kh«ng biÕn ®æi. H×nh 5.3. Hμm ph©n bè n¨ng l−îng theo gãc trªn dßng ch¶y ng−îc V  1 m/s (a) V  3 m/s (b) ®èi víi c¸c tÇn sè  : vμ trªn dßng cïng h−íng H×nh 5.2. DiÔn biÕn phæ sãng S ( , ) trªn dßng ch¶y ng−îc V  1 m/s (a) 1  0,85 rad/s; 2  0,65 rad/s; 3  1,5 rad/s V  3 m/s (b) øng víi nh÷ng gi¸ trÞ  : vμ trªn dßng cïng h−íng §−êng chÊm - g¹ch nèi chØ ph©n bè n¨ng l−îng theo gãc ban ®Çu 1  0o ; 2  15o ; 3  30 o ; 4  60 o §−êng chÊm - g¹ch nèi chØ c¸c gi¸ trÞ t−¬ng øng cña kho¶ng c©n b»ng, ®−êng Trªn h×nh 5.3a,b dÉn h×nh d¶i qu¹t ®Þnh h−íng phæ cho c¸c o g¹ch nèi - phæ ban ®Çu khi V  0 m/s,   0 tÇn sè kh¸c nhau. H×nh nμy quy chuÈn vÒ gi¸ trÞ phæ cùc ®¹i t¹i tèc ®é dßng ®· cho. Tõ c¸c h×nh vÏ thÊy r»ng dßng ch¶y ng−îc 215 216
  9. lμm hÑp d¶i qu¹t h−íng, h¬n n÷a t¹i c¸c tÇn sè cao møc ®é hÑp kh«ng cao h¬n kho¶ng c©n b»ng, cßn cùc ®¹i phæ xª dÞch vÒ vïng l¹i cμng t¨ng. Trªn dßng ch¶y cïng chiÒu diÔn ra ®iÒu ng−îc l¹i. c¸c tÇn sè thÊp h¬n, vμ b¶n th©n phæ trë nªn hÑp h¬n. §iÒu nμy ®−îc kh¼ng ®Þnh b»ng d÷ liÖu quan tr¾c thùc ®Þa [332]. NÕu sãng ®i vμo vïng mμ t¹i ®ã h−íng sãng ng−îc h−íng dßng ch¶y, th× n¨ng l−îng sãng trªn mét ®¬n vÞ diÖn tÝch sÏ Trong vïng víi dßng ch¶y ®ång h−íng sÏ quan s¸t thÊy bøc t¨ng do t−¬ng t¸c víi dßng ch¶y ng−îc. T¨ng tr−ëng n¨ng l−îng tranh ng−îc l¹i. ë ®©y mét phÇn n¨ng l−îng sãng bÞ dßng ch¶y cã thÓ bÞ h¹n chÕ bëi sù tiªu t¸n liªn quan víi ®æ sãng. Trong hÊp phô, cßn biªn ®é c¸c hîp phÇn sãng trë nªn thÊp h¬n giíi phæ xuÊt hiÖn kho¶ng c©n b»ng, tøc mét d¶i c¸c tÇn sè  vμ c¸c h¹n æn ®Þnh. Sù ®æ sãng chÊm døt, cßn phô thuéc phæ ®i thÊp gãc  , t¹i ®ã dßng n¨ng l−îng nhËn tõ dßng ch¶y c©n b»ng víi h¬n so víi kho¶ng c©n b»ng. mÊt n¨ng l−îng do ®æ sãng. 5.3. M« h×nh phæ vÒ sãng cån Nãi chung, kh«ng cã c¨n cø nμo ®Ó cho r»ng kho¶ng c©n b»ng phæ tÇn sè cña sãng trªn dßng ch¶y cã d¹ng nh− biÓu thøc M« t¶ hiÖn t−îng, sè liÖu thùc nghiªm. Nh÷ng n¨m gÇn quen biÕt cña O. M. Phillips [190] S  () ~  . NÕu sö dông gi¶ 5 ®©y c¸c nhμ nghiªn cøu sãng giã chó ý nhiÒu tíi sãng cån. Lo¹i thiÕt vÒ tÝnh v¹n n¨ng cña phæ kh«ng gian trong kho¶ng c©n sãng biÓn kh«ng ®Òu, xuÊt hiÖn ë mét sè n¬i cã dßng ch¶y vßng b»ng [301], th× ®iÒu ®ã cho phÐp t×m phæ tÇn sè - gãc cña qua nh÷ng n¬i n−íc n«ng, ®¸y mÊp m« hoÆc khi sãng truyÒn kho¶ng trªn dßng ch¶y b»ng c¸ch tÝnh thªm t−¬ng quan t¶n vμo n¬i gÆp dßng ch¶y ng−îc h−íng th−êng ®−îc gäi lμ sãng cån. m¹n t−¬ng øng. Nh− vËy, phæ tÇn sè - gãc cña kho¶ng c©n b»ng Sãng cån còng cã thÓ do nh÷ng nguyªn nh©n t−¬ng tù kh¸c. sÏ cã d¹ng Trong c¸c c«ng tr×nh [8,125] ®· m« t¶ tØ mØ vÒ hiÖn t−îng sãng ~ cån do c¸c céng t¸c viªn ViÖn H¶i d−¬ng, ViÖn Hμn l©m Nga 5 1  1  V cos      ~ S  ,      g 2  5  V ,  ~ quan tr¾c ®−îc. Trong c¸c c«ng tr×nh nμy ®· thùc hiÖn ®o sãng (5.18) ~ 32 1  V cos  vμ dßng ch¶y trong eo biÓn nèi vÞnh Onhega víi B¹ch H¶i. S¬ ®å xuÊt hiÖn sãng cån biÓu diÔn trªn h×nh 5.4. C¸c sãng cån lu«n ~ ~ ë ®©y   h»ng sè Phillips; (V , )  ph©n bè gãc t−¬ng øng. quan tr¾c ®−îc trong thêi gian dßng triÒu lªn (hoÆc triÒu xuèng) æn ®Þnh, vμo lóc tèc ®é ch¶y cùc ®¹i vμ hay gÆp nhÊt trong Kho¶ng c©n b»ng (5.18) ®−îc biÓu diÔn b»ng ®−êng chÊm - g¹ch tr−êng hîp giã vμ dßng ch¶y ng−îc h−íng nhau. Trong giã nèi trªn h×nh 5.2a, b. Sù giao nhau cña ®−êng cong kho¶ng c©n m¹nh, sãng giã lμm lu mê sãng cån. Sãng cån lμ sãng ng¾n vμ b»ng víi phô thuéc phæ ®· x©y dùng tr−íc ®©y cã nghÜa r»ng ë dèc h¬n so víi sãng giã vμ sãng lõng th«ng th−êng, ngoμi ra, nã l©n cËn kho¶ng c©n b»ng vμ phÝa ph¶i kho¶ng ®ã xÊp xØ phæ (5.9) bÊt ®èi xøng h¬n, ®Ønh sãng nhän, cßn ®¸y sãng tho¶i h¬n. cã thÓ lμ kh«ng ®óng. NÕu sù biÕn d¹ng sãng trªn dßng ch¶y ng−îc diÔn ra kh¸ chËm so víi thêi gian h×nh thμnh phæ sãng Nh÷ng phæ sãng cån dùng theo c¸c b¨ng ghi sãng ®o trong hÖ d−íi t¸c ®éng cña ®æ sãng, th× phÇn ®i xuèng cña phæ sÏ ®i qua quy chiÕu di ®éng g¾n víi dßng ch¶y cã tÝnh biÕn ®éng lín. §a 217 218
  10. phÇn c¸c phæ cã hai ®Ønh, tøc hiÖn diÖn hai cùc ®¹i gÇn c¸c tÇn sè  / 2  0,25 vμ  0,5 Hz. T¹i vïng tÇn cao sau ®Ønh thø hai, mËt ®é phæ S ( ) gi¶m nhanh vμ t¹i mét kho¶ng tÇn nμo ®ã cã thÓ xÊp xØ b»ng phæ c©n b»ng cña Phillips S   g 2 5 [8] (h×nh 5.5). VÒ gi¶i thÝch lý thuyÕt hiÖn t−îng sãng cån, ng−êi ta cho r»ng nã cã thÓ liªn quan tíi sù biÕn d¹ng sãng giã trªn dßng ch¶y bÊt ®ång nhÊt, hoÆc liªn quan tíi sù h×nh thμnh sãng trªn mÆt tù do khi dßng ch¶y l−în quanh b·i c¶n ngÇm [8]. H×nh 5.4. S¬ ®å sãng cån lo¹i gi¸p ranh: 1 – vïng n−íc lÆng; 2 – ®íi chuyÓn tiÕp; 3 – d¶i ®á nhμo; 4 – sãng ®Ønh nhän; 5 – sãng nÒn; 6 – b·i ngÇm; xm – ®iÓm cùc ®¹i vËn tèc dßng ch¶y Trong môc nμy xÐt sù ph¸t triÓn mét trong nh÷ng gi¶ thiÕt H×nh 5.5. Phæ sãng mÆt trong sãng cån lo¹i gi¸p ranh (sè liÖu thùc nghiÖm [8]): ®· nªu. Mét trong c¸c m« h×nh sãng cån cã thÓ lμ sù biÕn d¹ng 1 – vïng n−íc lÆng; 2 – ®íi chuyÓn tiÕp; 3 – d¶i ®á nhμo; 4 – phæ c©n b»ng cña Phillips sãng trªn nÒn dßng ch¶y bÊt ®ång nhÊt ph−¬ng ngang cì lín trong phÐp xÊp xØ quang h×nh hoc. Ngoμi ra còng kh«ng lo¹i trõ ThiÕt lËp bμi to¸n. XÐt bμi to¸n trong phÐp xÊp xØ quang vai trß gi¸n tiÕp cña nh÷ng b·i c¶n ngÇm mμ khi c¸c dßng ch¶y h×nh trªn c¬ së ph−¬ng tr×nh c©n b»ng mËt ®é t¸c ®éng sãng nhanh l−în quanh chóng t¹o ra sù bÊt ®ång nhÊt dßng rÊt d−íi d¹ng phæ (5.1). Khã kh¨n chñ yÕu cña bμi to¸n lμ ë chç chóng ta ch−a nghiªn cøu ®Çy ®ñ vÒ hμm nguån G . NÕu nh− vÒ m¹nh cã ¶nh h−ëng ®Æc biÖt tíi c¸c sãng mÆt. 219 220
  11. c¬ chÕ ph¸t sinh Gin vμ qu¸ tr×nh t¸i ph©n bè phi tuyÕn n¨ng 1  F k  4Q () . NÕu tõ ph−¬ng tr×nh c©n b»ng mËt ®é phæ S  (k )  l−îng Gnl ng−êi ta ®· nhËn ®−îc c¸c quan hÖ lý thuyÕt, nh−ng 2 vÒ qu¸ tr×nh tiªu t¸n sãng Gds cho ®Õn nay ch−a cã mét biÓu n¨ng l−îng sãng (trong ®ã tÝnh tíi t¸c ®éng cña giã vμ dßng ch¶y lªn sãng) chuyÓn sang ph−¬ng tr×nh cho mËt ®é t¸c ®éng thøc nμo ®−îc thõa nhËn. §Ó h¹n chÕ sù ph¸t triÓn phæ sãng cã sö dông hμm hiÖu chØnh d−íi d¹ng 1    1  ( S / S ) q , th× nã ng−êi ta th−êng dïng c¸ch nh©n hμm nguån trong ph−¬ng tr×nh c©n b»ng n¨ng l−îng víi mét thμnh phÇn 1  f ( S / S ) . Hμm cã d¹ng hiÖu chØnh 1  f ( S / S ) thiÕt lËp gi¸ trÞ tíi h¹n kh¶ dÜ cña mËt   N  q  N  N  q d dN  u N 1       , (5.19) ®é phæ S  vμ b»ng c¸ch ®ã nã gi¸n tiÕp tÝnh tíi sù tiªu t¸n n¨ng   N      N   dt dt      l−îng sãng. §Ó tÝnh sãng trªn n−íc s©u, khi kh«ng cã dßng ch¶y, ë ®©y N   S /  ; q  tham sè møc phi tuyÕn, ®Æc tr−ng cho víi t− c¸ch lμm phæ tíi h¹n S  h×nh thμnh bëi t¸c dông liªn tôc hiÖu qu¶ cña phÐp h¹n chÕ t¨ng tr−ëng phæ sãng mμ ta ®−a vμo. cña giã ng−êi ta sö dông phæ Pierson-Moskovitz. Cßn tr−êng hîp cã mÆt dßng ch¶y bÊt ®ång nhÊt ph−¬ng ngang th× ng−êi ta Khi gi¶i ph−¬ng tr×nh (5.19) tiÖn h¬n c¶ lμ chuyÓn tõ c¸c    biÕn k  k x , k y sang c¸c biÕn k ,   , ë ®©y   arctg (k y / k x ) . ch−a biÕt ph¶i xÊp xØ b»ng phæ tíi h¹n nμo. V× vËy, trong tr−êng hîp nμy ng−êi ta sö dông nh÷ng lËp luËn cßn tuú tiÖn h¬n. ThÝ C¸c ®Æc tr−ng cña ph−¬ng tr×nh (5.19) viÕt d−íi d¹ng: dô, trong c«ng tr×nh [11], hμm nguån trong ph−¬ng tr×nh c©n dy dx b»ng mËt ®é t¸c ®éng sãng ®· lÊy b»ng G  U N (1  N / N 0 ) , ë  C gx  C g cos   Vx ;  C gy  C g cos   V y ; (5.20) dt dt ®©y N 0  mËt ®é t¸c ®éng khi kh«ng cã dßng ch¶y; U  gia sè d 1       dk t¨ng tr−ëng sãng. Tuy nhiªn, d¹ng hμm nguån nh− thÕ ch−a ®ñ   sin   cos   ; (5.21)   cos   sin  ;  y  x y x dt dt k   h¹n chÕ sù t¨ng tr−ëng phæ sãng. ThÝ dô, trong tr−êng hîp cã thÓ bá qua t¸c ®éng giã ( U  0 ) mËt ®é phæ n¨ng l−îng S  N d   , (5.22) sÏ biÕn thiªn rÊt nhiÒu vμ cã thÓ lμm t¨ng ®¸ng kÓ phæ cña t dt kho¶ng c©n b»ng [301,337] nÕu nh− nã ®−îc m« t¶ b»ng kiÓu trong ®ã     k cos Vx  k sin  V y ; Vx vμ V y  c¸c hîp phÇn xÊp xØ hμm nguån nh− trªn.  vect¬ tèc ®é dßng ch¶y V ; C g  m«®un gi¸ trÞ tèc ®é nhãm. B©y giê ta thö x¸c ®Þnh c¸c thμnh phÇn sao cho chóng cã thÓ h¹n chÕ sù t¨ng tr−ëng phæ mËt ®é t¸c ®éng sãng trong NghiÖm bμi to¸n mét chiÒu. Ta sö dông c¸c quan hÖ ph−¬ng tr×nh ®éng häc (5.1) khi sãng truyÒn vμo gÆp vïng dßng (5.19) – (5.22) ®Ó m« t¶ diÔn biÕn cña phæ sãng cån. Theo s¬ ®å ch¶y bÊt ®ång nhÊt ph−¬ng ngang vμ cã giã. Muèn vËy, ta lîi ®Ò xuÊt trong c«ng tr×nh [8], ta sÏ xem r»ng (xem h×nh 5.4) sãng dông gi¶ thiÕt vÒ sù tån t¹i kho¶ng c©n b»ng nh− mét tr¹ng tõ vïng kh«ng cã dßng ch¶y ( V0  0 ) truyÒn vμo vïng cã dßng th¸i tíi h¹n cña phæ n¨ng l−îng kh«ng gian [301]. Cho r»ng kho¶ng c©n b»ng lμ bÊt biÕn vμ xÊp xØ cña nã cã thÓ viÕt b»ng 221 222
  12.  ch¶y tèc ®é V   V ( x), 0 h−íng ®èi mÆt víi sãng. Tèc ®é dßng t¨ng dÇn, sù t¨ng tr−ëng phæ bÞ giíi h¹n bëi sù ®æ nhμo sãng. ch¶y V ( x) ®¬n ®iÖu t¨ng ®Õn mét gi¸ trÞ cùc ®¹i nμo ®ã Vmax (t¹i Trªn nÒn dßng ch¶y cïng h−íng sÏ x¶y ra ®iÒu ng−îc l¹i – mËt x  xm ), sau ®ã nã ®¬n ®iÖu gi¶m ®Õn kh«ng. Trong c«ng tr×nh ®é n¨ng l−îng sãng gi¶m ®i do sù t−¬ng t¸c víi dßng ch¶y, vμ sù hiÖn diÖn cña kho¶ng c©n b»ng trong (5.23) kh«ng ¶nh h−ëng [8] sãng kh«ng ®Òu kh«ng cã nguån gèc tõ giã ®−îc gäi lμ sãng ®Õn ®Æc ®iÓm diÔn biÕn cña nghiÖm. cån. Kh«ng nªn hoμn toμn nhÊt trÝ víi ý kiÕn nμy. Ýt ra th× ë ®©y Ta sÏ chuyÓn tõ phæ mËt ®é t¸c ®éng N (k ) tíi phæ tÇn sè vÊn ®Ò vÒ sù ph¸t sinh sãng bëi giã lμ vÊn ®Ò cßn bá ngá. Tuy n¨ng l−îng S ( ) ®−îc ®o trong hÖ quy chiÕu g¾n liÒn víi dßng nhiªn, nÕu thõa nhËn vai trß giã trong sù h×nh thμnh sãng cån ch¶y S ()   k k /  N () k  k ( ) . L−u ý r»ng chÝnh lμ trong hÖ kh«ng ®¸ng kÓ, th× cã thÓ bá qua thμnh phÇn thø nhÊt ë vÕ ph¶i ph−¬ng tr×nh (5.19). täa ®é nμy ng−êi ta ®· ®o phæ sãng trªn nÒn dßng ch¶y trong Tr−êng hîp bμi to¸n mét chiÒu, khi S (k , )  S ( k ) () , c«ng tr×nh [8]. Nh− d−íi ®©y sÏ cho thÊy, phæ nμy kh¸c vÒ c¨n b¶n víi phæ ®−îc ®o trong hÖ täa ®é cè ®Þnh S () ®· m« t¶ trong ph−¬ng tr×nh (5.19) dÔ dμng tÝch ph©n, vμ nghiÖm cña nã cã thÓ biÓu diÔn d−íi d¹ng gi¶i tÝch môc 5.2. XuÊt ph¸t tõ quan hÖ (5.23), ta viÕt nghiÖm cho phæ S () d−íi d¹ng 1     q  q 1 q q N  N 0 1  N 0 N  0  N  , (5.23) 1   1   q 9    1  S0 0   q 9q  k k   k0    S    S0 0     1  ,   1    ë ®©y N 0 vμ N  0  tuÇn tù lμ nh÷ng gi¸ trÞ ban ®Çu cña mËt ®é  0   0 k0   0  9   F g 20 5          t¸c ®éng sãng vμ kho¶ng c©n b»ng, ®−îc cho t¹i t  t0 . C¸c ®èi sè   cña c¸c hμm N 0 k0 , ro , t0  vμ N  0 k0 , ro , t0  lμ nh÷ng hμm sè cña (5.24)   k xem xÐt t¹i thêi ®iÓm t ë ®iÓm cô thÓ r : k0  k0 k , r , t  , ë ®©y S0 (0 )  phæ ban ®Çu cña sãng khi kh«ng cã dßng ch¶y.   r0  r0 k , r , t  . Nh÷ng biÓu thøc cuèi cïng nμy lμ c¸c nghiÖm cña Ta sö dông biÓu thøc cña phæ tÇn ban ®Çu, lÊy trong tr−êng hîp kh«ng dßng ch¶y (    ) cã d¹ng (5.16), trong ®ã n  tham hÖ (5.20) – (5.22). sè x¸c ®Þnh h×nh d¹ng cña phæ cã thÓ chÊp nhËn b»ng 5,5. TÇn Tõ nghiÖm nhËn ®−îc (5.23) thÊy r»ng trong tr−êng hîp khi sè cùc ®¹i phæ (  max ) sau nμy sÏ ®−îc biÕn ®æi. N 0  N  vμ N  0 ~ N  mËt ®é t¸c ®éng gi÷ nguyªn kh«ng ®æi   däc theo c¸c quü ®¹o truyÒn chïm sãng, tøc N (k , r , t ) ~ §Ó x¸c ®Þnh c¸c gi¸ trÞ 0 nh− lμ nh÷ng hμm sè cña , V , r  N 0 (k0 , r0 , t0 ) . NghiÖm nh− vËy ®· ®−îc xem xÐt tr−íc ®©y. Trong cã mÆt trong (5.24), cÇn gi¶i hÖ ph−¬ng tr×nh (5.20) – (5.22) ®èi víi mét tr¾c diÖn tèc ®é dßng ch¶y V ( x) ®· chän. D−íi d¹ng ®Çy tr−êng hîp N ~ N  sù hiÖn diÖn cña kho¶ng c©n b»ng ¶nh h−ëng ®Õn ®Æc ®iÓm diÔn biÕn cña nghiÖm N vμ trong giíi h¹n ®ñ hÖ nμy kh«ng thÓ tÝch ph©n ®−îc ngay ®èi víi tr−êng hîp q N0 N , N  mét chiÒu. V× vËy ta ph¶i cã lËp luËn nh− sau. 9 N . Nh− sau ®©y sÏ thÊy, t×nh huèng nμy cã Tõ ph−¬ng tr×nh (5.22) suy ra r»ng ®èi víi tr−êng vËn tèc thÓ x¶y ra khi truyÒn sãng tíi gÆp dßng ch¶y ng−îc cã tèc ®é 223 224
  13. dßng ch¶y dõng V tÇn sè  gi÷ nguyªn kh«ng ®æi däc theo quü 1  ~  1 ~    ~ 1     ~      2    2    , 2  (5.25) 1  ~    41     ®¹o truyÒn chïm sãng. Trong tr−êng hîp mét chiÒu ®iÒu nμy cã     thÓ viÕt thμnh   Vk  0 . Quan hÖ nμy x¸c ®Þnh gi¸ trÞ cña sè ë ®©y   V / Vmax ; ~  V / g  tÇn sè kh«ng thø nguyªn; ( ~ )  y y sãng k0 phô thuéc vμo k vμ tèc ®é dßng ch¶y V . Tuy nhiªn hμm Hevisaide. cïng mét gi¸ trÞ tèc ®é V cã thÓ t−¬ng øng víi hai sè sãng kh¸c nhau. Trªn dßng ch¶y ng−îc t¹i cïng mét ®iÓm (khi x  xm ) cã Mét biÓu thøc t−¬ng tù ®−îc viÕt cho c¸c sãng ®· v−ît qua ®iÓm cã tèc ®é dßng ch¶y cùc ®¹i ( x  xm ) thÓ tån t¹i c¶ c¸c sãng tíi ( C gx  0 ) vμ sãng ng−îc ( C gx  0 ) sinh 1  ra do sù ph¶n x¹ c¸c sãng tíi tõ dßng ch¶y bÊt ®ång nhÊt   q ~ 1  1  S0 1     1  ~  7 q  1  ~   q S2    S0 1         ph−¬ng ngang. Sau khi c¸c sãng ®i qua vÞ trÝ cùc ®¹i tèc ®é dßng 9   F g 2 5 1  ~ 5      ch¶y (trªn ®o¹n x  xm ) cã thÓ chØ tån t¹i c¸c sãng tíi. V×   nguyªn nh©n ®ã tÝch ph©n chuyÓn ®éng ®· nªu kh«ng ®ñ ®Ó gi¶i 1  ~  1 ~    ~ 1 ~ 2    41         2    2    .  (5.26) ~ 1     ®¬n trÞ bμi to¸n. ë ®©y cßn ph¶i chó ý tíi nh÷ng lËp luËn ®éng     häc. DÔ nhËn thÊy r»ng t¹i ®iÓm x  xm biÓu thøc (5.25) chuyÓn VËy nÕu chïm sãng trong khi truyÒn tíi gÆp dßng ch¶y thμnh (5.26). ng−îc cã tèc ®é t¨ng dÇn mμ ®¹t tíi ®iÓm V  V * , t¹i ®ã tho¶ m·n ®iÒu kiÖn phong to¶ C gx  C g  V *  0 , th× nã bÞ ph¶n x¹ tõ Ta sÏ kh¶o s¸t ®Æc ®iÓm diÔn biÕn cña phæ sãng ®−îc m« t¶ b»ng nghiÖm võa nhËn ®−îc. Muèn vËy, cÇn cho c¸c trÞ sè cña dßng ch¶y vμ bÞ mang xu«i dßng. Muèn nh− vËy cÇn ph¶i lμm sao ®Ó V *  Vmax . NÕu kh«ng th× chïm sãng sÏ ®i qua "rμo c¶n" – nh÷ng tham sè cã mÆt trong (5.25), (5.26). Ta sÏ xem r»ng trÞ sè q b»ng 2, ®ã lμ gi¸ trÞ th−êng ®−îc nhiÒu t¸c gi¶ chÊp nhËn khi vïng gi¸ trÞ cùc ®¹i tèc ®é dßng ch¶y. Khi V *  Vmax t¹i vïng tÝnh sãng theo tr−êng giã [331]. ( x  xm ) sÏ tån t¹i c¶ c¸c sãng tíi lÉn c¸c sãng ng−îc. NÕu V *  Vmax sÏ kh«ng cã c¸c sãng ng−îc. T¹i vïng kh¸c ( x  xm ) cã Ta biÕn ®æi c¸c biÓu thøc phæ (5.25), (5.26) thμnh d¹ng tæng qu¸t h¬n. Muèn vËy, ta tiÕn hμnh chuÈn hãa c¸c phæ S1 vμ S 2 thÓ chØ tån t¹i nh÷ng sãng tíi ®· ®i qua "rμo c¶n". Nhê nh÷ng theo gi¸ trÞ cùc ®¹i cña phæ ban ®Çu lËp luËn nμy, vμ cïng víi mèi t−¬ng quan (5.24), ta biÓu diÔn  n 1 phæ tÇn sè S () t¹i vïng ( x  xm ) d−íi d¹ng S0  max   n  1 m0 exp    /  max . n  1    q ~ 1  1  S0 1     1  ~ 7 q  1  ~   ~ ~ q S1    S0 1    BiÓu diÔn c¸c gi¸ trÞ phæ chuÈn hãa S1 vμ S 2 nh− lμ hμm cña      9   F g 2 5 1  ~ 5  tÇn sè kh«ng thø nguyªn ~ . Khi ®ã trong c¸c biÓu thøc phæ     y   xuÊt hiÖn mét sè tham sè kh«ng thø nguyªn, cÇn ph¶i cho gi¸ trÞ. Nh÷ng tham sè ®ã lμ:   Vmax / g  tèc ®é dßng ch¶y kh«ng 225 226
  14. thø nguyªn vμ vm  Vmax  max / g – "møc hiÖu qu¶" cña tr¾c diÖn dßng ch¶y ®· chän ¶nh h−ëng tíi c¸c hîp phÇn mang n¨ng l−îng cña phæ. Cã thÓ chØ ra r»ng khi  m  0,1 ¶nh h−ëng cña dßng ch¶y lªn phæ sãng kh«ng ®¸ng kÓ. MÆt kh¸c, khi  m  0,5 dßng ch¶y hoμn toμn phong to¶ sãng ( S 2  0 ), v× vËy viÖc xem xÐt tr−êng hîp  m lín h¬n trÞ sè ®· nªu sÏ kh«ng cã nghÜa, v× ®¹c ®iÓm diÔn biÕn phæ sÏ kh«ng kh¸c g×. Tr−íc hÕt xÐt tr−êng hîp phong to¶ sãng khi  m  0,5 . §Ó x¸c ®Þnh ®¹i l−îng phæ ban ®Çu ph¶i cho ph−¬ng sai m0 . Nã cã mÆt trong (5.25) vμ (5.26) d−íi d¹ng mét tÝch kh«ng thø nguyªn m0 ( n  1)4 /  F g 2  0 , ta cã thÓ liªn hÖ nã víi ®é dèc ban ®Çu max trung b×nh cña sãng h0 /  0  2,722  10 2 0 (ë ®©y h0 vμ  0 tuÇn tù lμ ®é cao vμ b−íc sãng trung b×nh ban ®Çu). Ta kh¶o s¸t ¶nh h−ëng cña tham sè 0 lªn ®Æc ®iÓm diÔn biÕn cña nghiÖm. Trªn h×nh 5.6 trong ¶y lÖ loga thÓ hiÖn phæ ~ S1 ( ~ ) víi nh÷ng trÞ sè kh¸c nhau  0 t¹i ®iÓm n¬i tèc ®é dßng ~ y H×nh 5.6. §Æc ®iÓm diÔn biÕn nghiÖm S1 ( ~ ) trong tû lÖ loga y ~ ch¶y   0,175 . §−êng cong 1 biÓu diÔn phæ S1 khi 0  0 , tøc  0,5,   0,175 vμ mét sè trÞ sè  0 : víi  m 1 - 0,0; 2 - 0,001; 3 - 0,01; 4 - 0,1; 5 - 10,0 øng víi c¸c sãng biªn ®é v« cïng nhá. NÐt chÝnh cña phæ lμm nã kh¸c víi phæ ban ®Çu (5.16) lμ sù hiÖn diÖn hai cùc ®¹i trªn c¸c tÇn sè ~1  0,240 vμ ~2  0,787 . MÆc dï cùc ®¹i phæ thø hai lín C¸c ®−êng cong 2–6 trªn cïng h×nh vÏ thÓ hiÖn c¸c phæ ®èi y y víi mét sè trÞ sè cña tham sè 0 . Khi t¨ng tham sè nμy, cùc ®¹i h¬n cùc ®¹i thø nhÊt rÊt nhiÒu, nh−ng nh×n chung phæ tr«ng phæ thø hai gi¶m vμ khi 0  0,05 th× mÊt h¼n. Nh− vËy 0 gièng mét cÊu tróc ®èi xøng. Sù ph©n ®«i phæ nh− thÕ nμy liªn ®ãng vai mét tham sè ®iÒu chØnh tr¹ng th¸i phÇn phæ cao tÇn. quan víi viÖc c¸c ®èi sè phæ chuyÓn mét c¸ch h×nh thøc tõ  sang ~ (1  ~ ) ; vÒ ý nghÜa vËt lý cña ®iÒu nμy sÏ ®−îc t×m hiÓu Gi¸ trÞ ®Ønh thø hai cßn phô thuéc vμo tham sè n trong biÓu y y thøc xÊp xØ phæ (5.16). ë ®©y n chÊp nhËn b»ng 5,5, víi n t¨ng sau. Khi tèc ®é  gi¶m dÇn, c¸c cùc ®¹i phæ cμng t¸ch ra xa lªn, sù t¸ch ®«i hai cùc ®¹i trªn phæ cμng râ nÐt h¬n. nhau, gi¸ trÞ cña ®Ønh phæ thø nhÊt tiÕn dÇn tíi ®¬n vÞ, cßn ®Ønh Ta sÏ xem nghiÖm (5.25) vμ (5.26) m« t¶ sù tiÕn triÓn phæ thø hai – t¨ng m¹nh h¬n vμ vÒ giíi h¹n sÏ tiÕn tíi v« cïng. sãng nh− thÕ nμo khi chóng truyÒn tíi n¬i gÆp dßng ch¶y ng−îc bÊt ®ång nhÊt ph−¬ng ngang. Trong tÝnh to¸n ta chÊp nhËn 227 228
  15. 0  0,01 , ®iÒu nμy t−¬ng øng víi viÖc cho sãng ban ®Çu d−íi nhiÒu so víi ®Ønh thø nhÊt vμ h×nh nh− nã "nuèt mÊt" cùc ®¹i ~ ~ ~ thø nhÊt. Khi    m cùc ®¹i phæ S1 cã ®é lín  3,9 t¹i tÇn sè d¹ng sãng lõng tho¶i. Trªn h×nh 5.7a thÓ hiÖn c¸c phæ S1 vμ S 2 kh«ng thø nguyªn ~1  0,5 , tøc t−¬ng øng víi tÇn sè 1  2 m . y cña sãng trªn dßng ch¶y (xem h×nh 5.4), tèc ®é cùc ®¹i ~  m  0,25 . Víi tèc ®é nμy, sù phong to¶ tÊt c¶ c¸c hîp phÇn phæ NhËn thÊy r»ng tÇn sè cña cùc ®¹i thø hai  2 cña phæ S1 ~ mang n¨ng l−îng kh«ng x¶y ra vμ phæ S 2 so s¸nh ®−îc vÒ ®é trong thêi gian tiÕn triÓn ®· biÕn ®æi trong ph¹m vi lín – tõ ~ 6,5 ®Õn 2 m . lín víi S1 . T¹i giai ®o¹n ®Çu truyÒn sãng (khi   0,1 ), quan s¸t thÊy ~ t¨ng cùc ®¹i ban ®Çu cña phæ S1 n»m ë tÇn sè ~1  0,12 vμ xuÊt y ~  0,64 . Cù ®¹i thø hai ®· xuÊt hiÖn cùc ®¹i thø hai ë tÇn sè y hiÖn t¹i nh÷ng tÇn sè lín h¬n 0,5. C¸c gi¸ trÞ tÇn sè nμy chøng tá vÒ c¸c sãng ng−îc, xuÊt hiÖn do ph¶n x¹ c¸c sãng ban ®Çu tõ dßng ch¶y bÊt ®ång nhÊt ph−¬ng ngang. Trªn h×nh 5.7a còng dÉn ra nh÷ng giai ®o¹n tiÕn triÓn cña ~ phæ S1 diÔn ra t¹i c¸c ®iÓm n¬i tèc ®é dßng  tuÇn tù b»ng b»ng 0,15, 0,175 vμ 0,2. ë ®©y nhËn thÊy sù t¨ng tr−ëng tiÕp theo ~ cña phæ S1 , ®Æc biÖt ë l©n cËn ®Ønh thø hai vμ sù xÝch l¹i gÇn nhau cña c¸c cùc ®¹i phæ. Gi¸ trÞ cùc ®¹i thø hai trë nªn lín h¬n ®¸ng kÓ so víi cùc ®¹i thø nhÊt. Sù tiÕn triÓn tiÕp theo cña phæ víi nh÷ng trÞ sè  ®· nªu kh¸ phï hîp víi d÷ liÖu quan tr¾c (xem h×nh 5.5). §Æc ®iÓm diÔn biÕn chøng tá sù æn ®Þnh t−¬ng ®èi cña tÇn sè thø nguyªn cña cùc ®¹i ®Ønh phæ thø nhÊt 1  (1,20  1,45) m vμ sù bÊt æn ®Þnh cña gi¸ trÞ mËt ®é phæ. C¸c t¸c gi¶ c«ng tr×nh [8] còng ®· ®i ®Õn kÕt luËn t−¬ng tù trªn c¬ së ph©n tÝch d÷ liÖu thùc nghiÖm. Tuy nhiªn, nhËn thÊy r»ng trong thùc nghiÖm tèc ®é cùc ®¹i  m kh«ng v−ît qu¸ 0,2. H×nh 5.7a. TiÕn triÓn c¸c phæ sãng trªn dßng ch¶y ng−îc khi  m  0,25, q  2 vμ  0  0,01 víi mét sè gi¸ trÞ tèc ®é  : Khi t¨ng dÇn tèc ®é dßng ch¶y  (xem h×nh 5.7 a, ®−êng 1 - 0,1; 2 - 0,15; 3 - 0,175; 4 - 0,20; 5 - 0,225 cong 5) ®Õn gi¸ trÞ cùc ®¹i cña nã c¶ hai ®Ønh phæ tiÕp tôc xÝch ~ ~ §−êng liÒn chØ phæ S1 , ®−êng chÊm - g¹ch nèi chØ S 2 , l¹i gÇn nhau vμ chËp thμnh mét. §Ønh thø hai trë nªn lín h¬n ®−êng g¹ch nèi - kho¶ng c©n b»ng 229 230
  16. ~ víi phæ S1 , sau ®ã c¾t gi¶m nhanh tíi kh«ng. Sù c¾t gi¶m nμy lμ do nh÷ng ®iÒu kiÖn ®éng häc ®èi víi c¸c sãng bÞ phong to¶ bëi tèc ®é dßng ch¶y vμ kh«ng thÓ v−ît qua "rμo c¶n". Trªn thùc tÕ sù ®øt ®o¹n ®ét ngét nh− vËy ch¾c g× ®· cã thËt. Nã ®· xuÊt hiÖn trong nghiÖm v× chóng ta ®· bá qua hiÖu øng t¸i ph©n bè phi tuyÕn n¨ng l−îng trong phæ sãng vμ sù t¸c ®éng cña giã. Sù hiÖn diÖn cña giã nhÊt thiÕt ph¶i dÉn tíi sù ph¸t sinh bæ sung nh÷ng hîp phÇn cao tÇn trªn dßng ch¶y vμ t−¬ng øng víi ®iÒu ®ã lμ sù gi¶m ®Òu ®Òu h¬n cña phæ trong vïng tÇn ®· nªu. Tuy nhiªn trong thùc nghiÖm m« t¶ trong c«ng tr×nh [8] thùc sù quan s¸t thÊy sù gi¶m kh¸ nhanh cña phæ ë d¶i tÇn ®· nªu (xem h×nh 5.5, ®−êng cong 1), ®iÒu nμy kh¼ng ®Þnh vÒ chÊt ®Æc ®iÓm cña nghiÖm mμ chóng ta ®· nhËn ®−îc. ~ NhËn thÊy r»ng nÕu nh− ®èi víi c¸c phæ S1 c¸c ®−êng cong 1 – 5 t−¬ng øng víi nh÷ng giai ®o¹n liªn tiÕp tiÕn triÓn phæ sãng khi truyÒn theo h−íng t¨ng tèc ®é dßng ch¶y ng−îc, th× ®èi ~ víi c¸c phæ S 2 c¸c ®−êng cong 1' – 5' ph¶n ¸nh t×nh huèng ng−îc l¹i, tøc phæ ®−îc ký hiÖu 5' x¶y ra tr−íc phæ ký hiÖu 1'. ë ®©y c¸c sãng chuyÓn ®éng trong vïng n¬i tèc ®é dßng ch¶y ng−îc gi¶m. KÕt qu¶ lμ n¨ng l−îng sãng bÞ hÊp thô bíi øng suÊt H×nh 5.7b. TiÕn triÓn c¸c phæ sãng trªn dßng ch¶y ng−îc khi ~  m  0,25, q  10 vμ  0  0,01 víi mét sè gi¸ trÞ tèc ®é  : tia, vμ phæ S 2 gi¶m ®i. C−êng ®é sãng sau rμo c¶n (khi x  xm ) 1 - 0,1; 2 - 0,15; 3 - 0,175; 4 - 0,20; 5 - 0,225 ~ ~ ®ét ngét gi¶m, vμ sãng cã ®Æc ®iÓm ®Òu ®Æn h¬n. Sãng trë nªn §−êng liÒn chØ phæ S1 , ®−êng chÊm - g¹ch nèi chØ S 2 , ®−êng g¹ch nèi - dμi vμ tho¶i. kho¶ng c©n b»ng ~ §iÓm A trªn phæ S1 ký hiÖu vÞ trÝ ®øt ®o¹n phæ liªn quan Trªn cïng h×nh vÏ nμy ®−êng chÊm - g¹ch nèi (c¸c ®−êng 1' ~ tíi sù phong to¶ c¸c hîp phÇn cao tÇn, ®iÒu nμy suy ra tõ – 5') chØ phæ S 2 cña c¸c sãng ®· ®i quan vïng cùc ®¹i tèc ®é nghiÖm (5.25). DiÔn biÕn nh− vËy cña phæ liªn quan tíi nh÷ng dßng ch¶y ("rμo c¶n") vμ ®ang n»m trong vïng n¬i tèc ®é dßng ~ ~ ~ gi¶ thiÕt xuÊt ph¸t vμ ®· ®−îc m« t¶ ë trªn ®èi víi phæ S 2 . Tuy ch¶y cã cïng trÞ sè nh− ®èi víi c¸c sãng cña phæ S1 . Kh¸c víi S1 , ~ ~ ~ nhiªn, kh¸c víi S 2 , sù ph¸t sinh c¸c hîp phÇn cao tÇn S1 ph¶i phæ S 2 cã mét ®Ønh. T¹i vïng c¸c tÇn sè nhá nã hoμn toμn trïng mang ®Æc ®iÓm m¹nh mÏ h¬n, v× ®©y lμ sù ph¸t sÝnh sãng trªn 231 232
  17. dßng ch¶y ng−îc t¨ng tèc ®é, vμ mËt ®é phæ ë ®©y thùc tÕ ph¶i nªn gièng h¬n so víi quan tr¾c thùc. lín h¬n ®¸ng kÓ. Víi sù t¨ng dÇn tèc ®é cùc ®¹i cña dßng ch¶y Lý gi¶i vËt lý vÒ sãng cån. Sau nh÷ng ®iÒu tr×nh bμy  m ®iÓm A dÞch vÒ vïng c¸c tÇn sè cao, tøc diÔn ra sù "lÊp ®Çy" trªn ®©y, ta cã thÓ ®i tíi gi¶i thÝch sù xuÊt hiÖn cña sãng cån phæ b»ng nh÷ng hîp phÇn ch−a bÞ phong to¶ t¹i c¸c gi¸ trÞ  m nh− sau. C¸c sãng khi truyÒn tíi gÆp dßng ch¶y bÊt ®ång nhÊt nhá h¬n. ph−¬ng ngang sÏ t¨ng ®é cao vμ gi¶m b−íc sãng. Nh÷ng sãng ng¾n nhÊt, sau ®ã c¶ nh÷ng sãng dμi h¬n b¾t ®Çu bÞ phong to¶. Kho¶ng c©n b»ng Phillips chuÈn hãa theo gi¸ trÞ cùc ®¹i cña  n 1 Trong lóc ®ã xuÊt hiÖn c¸c sãng ng−îc, chóng bÞ mang ng−îc trë phæ ban ®Çu S R  v / ~  exp  5  / 0 ®−îc ®¸nh dÊu b»ng y l¹i theo dßng ch¶y. MÆt tù do lμ tæng hîp cña hai hÖ thèng: c¸c n sãng tíi vμ c¸c sãng ng−îc. §é cao c¸c sãng ng−îc t¨ng m¹nh, ®−êng g¹ch nèi trªn h×nh 5.7a (c¸c ®−êng cong 1'' – 5''). Nh− ®· cßn b−íc sãng gi¶m. Tr−íc khi sù tiªu t¸n b¾t ®Çu cã vai trß, thÊy, cùc ®¹i phæ thø hai vμ phæ c¸c tÇn sè cao h¬n v−ît qu¸ 2– mËt ®é t¸c ®éng gi÷ nguyªn kh«ng ®æi, cßn n¨ng l−îng vμ tÇn sè 3 lÇn gi¸ trÞ kho¶ng c©n b»ng. Sù v−ît tréi cña phæ c¸c tÇn sè  t¨ng, tøc diÔn ra "sù dÞch chuyÓn" hμi ®ang xÐt trong phæ. cao cã thÓ liªn quan tíi t×nh huèng sau. Kh¸i niÖm kho¶ng c©n Sau khi ®é dèc sãng ®¹t tíi mét gi¸ trÞ tíi h¹n nμo ®ã sãng sÏ ®æ b»ng ®· ®−îc O. M. Phillips [190] ®−a ra víi t− c¸ch lμ mét nhμo. Trong ®ã phÇn phÝa trªn cña ®Ønh bÞ "c¾t ®øt", tøc biªn ®é tr¹ng th¸i phæ tíi h¹n nμo ®ã, h×nh thμnh d−íi t¸c ®éng cña giã sãng gi¶m ®ét ngét, cßn b¶n th©n sãng tiÕp tôc bÞ dßng ch¶y lªn mÆt n−íc vμ sù tiªu t¸n sãng. V× vËy kh«ng cã ®ñ c¨n cø ®Ó mang ®i, ®é cao cña nã t¨ng, b−íc sãng gi¶m cho ®Õn lÇn ®æ cho r»ng nÕu c¬ chÕ ph¸t sinh sãng liªn quan kh«ng ph¶i víi t¸c nhμo sau. ®éng cña giã, mμ víi sù t−¬ng t¸c cña sãng vμ dßng ch¶y bÊt Do ¶nh h−ëng h÷u hiÖu cña dßng ch¶y lªn sãng, sù c©n ®ång nhÊt ph−¬ng ngang, th× tr¹ng th¸i tíi h¹n cña phæ sÏ b»ng trong phæ cã thÓ x¶y ra t¹i nh÷ng gi¸ trÞ mËt ®é phæ lín trïng khíp víi kho¶ng c©n b»ng Phillips. Trong khu«n khæ m« h¬n so víi trong sãng giã b×nh th−êng. Chóng t«i nh¾c l¹i r»ng h×nh ®· chÊp nhËn, cã thÓ lμm h¹ thÊp ®¸ng kÓ møc cña c¸c hîp phÇn phæ tÇn sè cao. §Ó lam ®iÒu nμy cÇn thay v× chÊp nhËn q ®é dèc trung b×nh cña sãng giã b»ng 1/36, trong khi ®é dèc tíi h¹n cña sãng cã thÓ v−ît qu¸ 1/7. Trong phæ sãng cån, c¸c sãng b»ng kh«ng liªn quan tíi luËt tiªu t¸n n¨ng l−îng b×nh ph−¬ng víi ®é dèc gÇn víi ®é dèc tíi h¹n nhiÒu h¬n rÊt nhiÒu, ®iÒu nμy vÉn th−êng dïng trong c¸c bμi to¸n tÝnh sãng theo tr−êng giã [331], h·y lÊy gi¸ trÞ q lín h¬n mét c¸ch ®¸ng kÓ. ThÝ dô, víi dÉn ®Õn sù bÊt æn ®Þnh rÊt lín cña mÆt dËy sãng. ë ®©y mÆt tù q  10 d¹ng phæ dÉn trªn h×nh 5.7 b. ThÊy r»ng, trong tr−êng do trë thμnh vïng sãng ®Ønh nhän – cã rÊt nhiÒu sãng t−¬ng ®èi ng¾n, dèc, sù ®æ nhμo sãng diÔn ra m¹nh mÏ. hîp nμy ¶nh h−ëng cña tiªu t¸n trong m« h×nh trë nªn m¹nh h¬n. §é v−ît tréi cña phæ trªn kho¶ng c©n b»ng kh«ng qu¸ 25%, Tæng kÕt nh÷ng g× ®· nãi ë trªn, ta thÊy r»ng r»ng ®Æc ®iÓm ~ tiÕn triÓn chñ yÕu cña phæ S1 x¶y ra khi truyÒn sãng tíi gÆp trong ®ã cùc ®¹i thø hai gi¶m so víi tr−êng hîp tr−íc, cßn tÇn sè cña nã dÞch chuyÓn mét Ýt vÒ vïng tÇn thÊp. Tuy h×nh d¹ng phæ dßng ch¶y t¨ng tèc ®é lμ sù xuÊt hiÖn cùc ®¹i phæ thø hai, sù nh×n chung kh«ng bÞ biÕn ®æi nhiÒu, phÇn tÇn cao cña nã trë t¨ng tr−ëng nhanh cña nã vμ sù xª dÞchtÇn sè cùc ®¹i vμo vïng 233 234
  18. tÇn thÊp. Cùc ®¹i thø hai nμy g©y nªn bëi sù hiÖn diÖn cña c¸c trªn c¸c dßng ch¶y ch−a ®−îc thÊy trong c«ng tr×nh [8] v× lý do sãng ng−îc xuÊt hiÖn do kÕt qu¶ phong to¶ c¸c sãng tíi trªn gi¸ trÞ tèc ®é cùc ®¹i cña dßng ch¶y t−¬ng ®èi bÐ. Tr−íc hÕt ®ã lμ dßng ch¶y. Sù gia t¨ng c−êng ®é t¸c ®éng giã ch¾c sÏ dÉn tíi hiÖn t−îng hîp nhÊt hai cùc ®¹i phæ, theo tÝnh to¸n cña m« h×nh diÔn ra t¹i  m  0,2 vμ ®· ®−îc minh ho¹ ë trªn víi lμm lu mê nh÷ng hiÖu øng ®· m« t¶, ®iÒu nμy g©y bëi hai nguyªn nh©n: do gi¶m tÇn sè cùc ®¹i phæ  max , tøc gi¶m tèc ®é   0,225 . kh«ng thø nguyªn cña dßng ch¶y  m , vμ do møc cao h¬n cña Khi t¨ng n÷a tèc ®é cùc ®¹i dßng ch¶y  m vμ truyÒn sãng phæ ban ®Çu trong vïng cùc ®¹i phæ vμ ë bªn ph¶i nã, tøc t¨ng vμo vïng c¸c tèc ®é lín h¬n, sù hîp nhÊt nμy tiÕp tôc diÔn ra. tham sè 0 (xem h×nh 5.6). T×nh huèng nh− vËy ®−îc thÓ hiÖn trªn h×nh 5.8 cho tèc ®é cùc ®¹i  m  0,5 . ThÊy r»ng b©y giê phæ sãng cã d¹ng ®èi xøng qua ~  0,5 , gi¶m vÒ ®é réng vμ ®Æc biÖt vÒ ®é lín (kho¶ng hai bËc). y C¸c hîp phÇn phæ thÊp tÇn x©m nhËp vμo vïng víi gi¸ trÞ tèc ®é dßng lín h¬n so víi nh÷ng hîp phÇn phæ ë l©n cËn cùc ®¹i phæ cã thÓ. §iÒu nμy t−¬ng tù nh− hiÖn t−îng "thÊm d−íi c¶n" quen thuéc trong c¬ l−îng tö [120]. 5.4. −íc l−îng t−¬ng t¸c phi tuyÕn yÕu trong phæ sãng cån Tæng quan vÊn ®Ò. MÆc dï trong môc tr−íc ®· chØ ra ¶nh h−ëng ¸p ®¶o cña dßng ch¶y bÊt ®ång nhÊt ph−¬ng ngang lªn sù h×nh thμnh phæ sãng, nh−ng vÊn ®Ò vÒ vai trß cña c¸c hiÖu øng phi tuyÕn trong qu¸ tr×nh nμy cßn bá ngá. Hμm nguån b¸n thùc nghiÖm sö dông trong m« h×nh ch−a tÝnh ®Õn hiÖu øng t−¬ng H×nh 5.8. TiÕn triÓn c¸c phæ sãng (trong tû lÖ loga) t¹i  m  0,5 vμ mét sè gi¸ t¸c phi tuyÕn yÕu cña sãng trong phæ sãng cån. §ång thêi còng trÞ tèc ®é  : 1 - 0,225; 2 - 0,25; 3 - 0,30; 4 - 0,35 tån t¹i gi¶ thiÕt [125] r»ng hÖ thèng "hoμ khÝ", tøc hÖ thèng gåm c¸c hoμ ©m víi h−íng chuyÓn ®éng vμ biªn ®é kh¸c nhau kh«ng So s¸nh nghiÖm nhËn ®−îc trong khu«n khæ m« h×nh lý t−¬ng t¸c, mμ ®¬n thuÇn céng víi nhau, cã thÓ lμ m« h×nh phï thuyÕt ®Ò xuÊt ë ®©y víi d÷ liÖu quan tr¾c thùc ®Þa vÒ phæ sãng hîp cho tr−êng sãng nh− vËy. MÆt kh¸c, c¸c t¸c gi¶ c«ng tr×nh cån [8,125] cho thÊy sù phï hîp kh«ng chØ vÒ mÆt ®Þnh tÝnh, mμ [125] cho r»ng d÷ liÖu thùc nghiÖm chøa ®ùng b»ng chøng öng trong nhiÒu tr−êng hîp c¶ mÆt ®Þnh l−îng. H¬n n÷a, m« h×nh hé xÊp xØ phæ b»ng phæ Kolmagorov S  g 4 / 3 11 / 3 . §iÒu nμy ®· cho phÐp Ýt ra m« t¶ ®Þnh tÝnh mét sè t×nh huèng diÔn biÕn sãng 235 236
  19. ®−îc tõ (5.19)–(5.22) nÕu tham sè q tiÕn tíi v« cïng. §iÒu nμy cho phÐp hä nªu ra gi¶ thiÕt vÒ sù kÝch ®éng sãng cån quy m« nhá vμ nã t¨ng tr−ëng tiÕp nhê kÕt qu¶ vËn chuyÓn phi tuyÕn vÒ thùc tÕ cã nghÜa r»ng trong vïng tÇn cao gi¸ trÞ mËt ®é phæ t¸c ®éng sãng vÒ phÝa c¸c tÇn sè thÊp tíi c¸c giíi h¹n ®æ nhμo ®−îc chÊp nhËn b»ng gi¸ trÞ mËt ®é phæ trong kho¶ng c©n b»ng cña Phillips. Tuy nhiªn, gi¶i thÝch h×nh thμnh sãng cån nh− vËy Phillips.  g©y nghi ngê, v× phæ Kolmagorov vμ tÊt c¶ nh÷ng hÖ qu¶ rót ra Nh− vËy, nhê ph−¬ng tr×nh mËt ®é phæ t¸c ®éng sãng N (k ) tõ ®ã ®· nhËn ®−îc trong c¸c c«ng tr×nh [66–68] ®èi víi kho¶ng (5.19) trong tr−êng hîp N  N  däc theo ®−êng ®Æc tr−ng cã trong suèt trong phæ sãng giã. Nh÷ng gi¶ thiÕt vÒ tån t¹i thÓ dÔ dμng t×m mËt ®é phæ n¨ng l−îng S phô thuéc vμo tÇn sè kho¶ng trong suèt trong phæ sãng cån ch¾c g× ®−îc tho¶ m·n  vμ gãc   arctg (k y / k x ) trong thùc tÕ, bëi v× Ýt ra th× sù t−¬ng t¸c c¸c sãng víi dßng ch¶y 1 k k  k0  bÊt ®ång nhÊt ph−¬ng ngang diÔn ra trong toμn d¶i tÇn. S ,    S0 0 , 0  ,  (5.27) 0 k0   0    Ngoμi ra, h×nh d¹ng bÊt ®èi xøng cña sãng ("®Ønh nhän vμ ch©n tho¶i", nh− nh÷ng nhμ nghiªn cøu m« t¶) vμ sù ®æ nhμo   2 ~ cos    arcsin    sin  ; S  ,    mËt ë ®©y 0   1    m¹nh mÏ cña sãng ("n−íc s«i") chøng tá vÒ sù tiªu t¸n vμ vai trß  0  0 0 0 0   cña c¸c hiÖu øng phi tuyÕn m¹nh trong mét kho¶ng tÇn réng   cña phæ. Tõ nghiÖm nhËn ®−îc (5.25) còng cã mét phÇn nμo ®ã ®é phæ n¨ng l−îng ban ®Çu trong vïng n¬i dßng ch¶y v¾ng mÆt. kh¼ng ®Þnh ®iÒu võa nãi; ®Æc ®iÓm diÔn biÕn cña nghiÖm trong Gi¶ sö r»ng hμm ph©n bè gãc cña n¨ng l−îng cña phæ tû lÖ víi vïng phæ tÇn cao ®−îc quy ®Þnh bëi tham sè q . Ta nhí l¹i r»ng b×nh ph−¬ng c«sin. q m« t¶ møc ®é phi tuyÕn cña ph−¬ng tr×nh xuÊt ph¸t (5.19), lμ Khi truyÒn sãng trªn n−íc s©u tõ vïng kh«ng cã dßng c¬ së cña m« h×nh ®ang xÐt. Thùc tÕ r»ng khi t¨ng tham sè q ch¶y tíi gÆp dßng ch¶y dõng bÊt ®ång nhÊt cã tèc ®é biÕn ®æi ~ ®Æc ®iÓm diÔn biÕn cña nghiÖm ë vïng phæ tÇn cao S1 trë nªn däc h−íng cña nã, tÇn sè  vμ hîp phÇn vect¬ sãng k y gi÷ gièng víi phæ thùc quan tr¾c, chøng tá vÒ ý nghÜa cña c¸c hiÖu nguyªn däc tia. Trong tr−êng hîp nμy nghiÖm (5.27) cã thÓ viÕt øng phi tuyÕn m¹nh trong sù h×nh thμnh vïng phæ cao tÇn. Cßn d−íi d¹ng vÒ vÊn ®Ò vai trß cña t−¬ng t¸c phi tuyÕn yÕu trong sù h×nh S ,   S0 1  ~ cos 1  ~ cos   . 2   (5.28) thμnh phæ sãng cån th× cßn bá ngá. Trªn dßng ch¶y ng−îc, do sù biÕn d¹ng c¸c tham sè ®éng X©y dùng phæ hai chiÒu sãng cån. Cã thÓ nghÜ r»ng ë häc cña sãng sÏ diÔn ra sù thu hÑp ph©n bè gãc, trong ®ã tho¶ ®©y ®Ó tÝnh sù t−¬ng t¸c phi tuyÕn yÕu cã thÓ sö dông xÊp xØ m·n bÊt ®¼ng thøc phæ tÇn ®· nhËn ®−îc trong môc tr−íc. Tuy nhiªn, muèn vËy sin 2  cÇn biÕt kh«ng ph¶i lμ phæ mét chiÒu - phæ tÇn, mμ lμ phæ cos2 0  1   0. (5.29) 1  ~ cos 4 kh«ng gian hay phæ tÇn sè - gãc S (, ) , phæ nμy ch−a nhËn  ®−îc trong thÝ nghiÖm [8]. NghiÖm gi¶i tÝch cña nã cã thÓ nhËn 237 238
  20. trong c¸c phÇn ®ã C gx  0 hay C gx  0 . V× tèc ®é cùc ®¹i cña tr¾c diÖn dßng ch¶y ®· chän (xem h×nh 5.9a) cã giíi h¹n Vmax   , nªn kh«ng ph¶i tÊt c¶ c¸c sãng tíi ®i qua ®iÓm tÝnh sÏ ph¶n x¹ tõ dßng ch¶y ®èi mÆt. V× vËy, nh÷ng sãng tíi nμo cã thÓ ph¶n x¹ t¹i c¸c tèc ®é lín h¬n Vmax th× trªn dßng ch¶y ®· cho kh«ng ph¶n x¹, vμ tõ chóng kh«ng sinh ra c¸c sãng ng−îc. §iÒu kiÖn v¾ng mÆt c¸c sãng ng−îc ®ã t¹i ®iÓm, theo kÕt qu¶ môc 5.2, cã thÓ viÕt d−íi d¹ng: 0,5 cos   ~  0 ;  (5.30) 1  sin   A sin  A / sin   ~  0 , 0,5   2 (5.31) 0    1 ; gãc trong ®ã   V / Vmax  A ®−îc x¸c ®Þnh theo quan hÖ (5.14). H×nh 5.9. Nh÷ng quü ®¹o chïm sãng trªn dßng ch¶y ng−îc: a – tr¾c diÖn tèc ®é dßng ch¶y; B – ®iÓm tíi h¹n, t¹i ®ã V  Vmax ; C¸c ®iÒu kiÖn (5.30) vμ (5.31) t¸ch ra mét phÇn miÒn biÕn b – nh÷ng quü ®¹o truyÒn chïm sãng ®i tíi ®iÓm A; C – ®iÓm ngoÆt thiªn cho phÐp cña c¸c ®èi sè cña c¸c hμm (xem h×nh 5.10) tuú thuéc vμo t−¬ng quan tèc ®é  . Ta biÓu diÔn phæ sãng trªn dßng §Ó x©y dùng phæ toμn phÇn ph¶i "thu thËp" tÊt c¶ c¸c tia ®i ch¶y cã tÝnh tíi c¸c ®iÒu kiÖn ®éng häc d−íi d¹ng tíi ®iÓm tÝnh. Nh−ng kh«ng ph¶i tÊt c¶ c¸c chïm sãng xuÊt   n 1  n   ph¸t cã kh¶ n¨ng ®i tíi ®ã. Trªn h×nh 5.9 b thÓ hiÖn c¸c quü ®¹o   2V n v S1 , ,V   v m0 n  1 1   exp ~ cos     2 ~ n  1   cña c¸c chïm sãng trªn nÒn tèc ®é dßng ch¶y ng−îc (xem h×nh g     5.9 a). ë ®©y cã thÓ t¸ch ra hai lo¹i tia. Lo¹i thø nhÊt ®i ra tõ    1  biªn gi−ãi xuÊt ph¸t, ®i tíi ®iÓm tÝnh víi trÞ sè d−¬ng cña hîp  1  ~ cos   ~  n 1 1  2   cos   ~    n 5    phÇn tèc ®é nhãm   2 g    C gx  0,5 cos   V  0 , 1  sin 2  A 1  1     cos   ~    ~      k , (5.32)   sin  / sin  A 2 2     tøc ®ã lμ c¸c sãng tíi, truyÒn lªn trªn theo dßng ch¶y. Ngoμi ra, ®i tíi ®iÓm nμy cßn cã c¸c chïm sãng ng−îc ( C gx  0 ). Vïng hai trong ®ã   sin 1  ~ cos   . 2  chiÒu biÕn thiªn cña c¸c biÕn ~,   ®èi víi tr−êng hîp dßng y BiÓu thøc nμy chøng tá vÒ sù thu hÑp ph©n bè gãc cña phæ ch¶y ng−îc l¹i ( V  0 ) thÓ hiÖn trªn h×nh 5.10. §−êng cong II trªn dßng ch¶y ng−îc vμ vÒ sù hiÖn diÖn cÊu tróc hai ®Ønh cña øng víi ®iÒu kiÖn C gx  0 chia miÒn tÝch ph©n thμnh hai phÇn, phæ liªn quan víi sù tßn t¹i c¸c sãng tíi vμ sãng ng−îc ph¶n x¹ 239 240
nguon tai.lieu . vn