Параметры ультразвуковой волны.

ПАРАМЕТРЫ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ВОЛНЫ.

АКУСТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СРЕДЫ.

Колебания частиц среды в ультразвуковой волне характеризуется их смещением относительно положения равновесия

u= U sin (ωt + φ_о)

и колебательной скоростью

ν = Uω sin (ωt + φ_о)

которая изменяется от 0 (при максимальном удалении от положения равновесия) до максимального (амплитудного) значения (при прохождении колеблющейся частицы через положение равновесия).

Максимальное значение, которое принимает переменный параметр (смещение u, скорость ν или другой) за период колебательного движения, называется амплитудой волны.

Фаза волны – это параметр, показывающий, какая часть периода прошла с момента начала последнего цикла колебаний.

Если нам известна фаза колебаний, это значит, что мы знаем каковы смещение и скорость колеблющейся частицы, а также в каком направлении движется частица в данный момент времени.

Длина волны – это минимальное расстояние между двумя точками, колеблющимися в одной фазе. За время, равное одному периоду Т, упругие колебания распространяются на расстоянии, равное длине волны. Длина волны λ связана с частотой и скоростью звука соотношением

λ = с/ f

Частотой f волны называют количество колебаний частиц в секунду.

Период Т волны - это время одного колебания, поэтому период обратно пропорционален частоте:

T=1/f

Значение длины волны в углеродистой стали и воде для некоторых частот приведены в таблице 4.1.

Продольная волна в жидкостях и газах вызывает образование областей повышенного и пониженного давления. Речь здесь идет об избыточном давлении, т.е. о давлении, которое возникает дополнительно к существующему в невозмущенной среде (например, для воздуха – это давление, отличающееся от атмосферного).

Давление в плоской продольной звуковой волне определяется формулой

p =ρcv

Величина z=ρc называется удельным акустическим сопротивлением среды (иногда эту величину называют удельным акустическим импедансом).

Если акустическое сопротивление велико, среда на зывается «жесткой» (различные металлы, стекло): колебательные скорости и смещения малы даже при высоких давлениях; если же импеданс мал (пластмассы, резина, жидкости, газы), то среда называется «мягкой»: даже при малых давлениях достигаются значительные колебательные скорости и смещения. Аналогичным способом высокое сопротивление электрической цепи указывает на трудность прохождения тока большой силы, но малого напряжения.

Если сравнивать воду и воздух, акустическое сопротивление которых на ходятся в соотношении 3600:1 при одинаковой интенсивности звука, то звуковые давления будут находиться в отношении 60:1, а колебательные скорости в отношении 1:60.

Давление в звуковой волне прямо пропорционально акустическомц сопротивлению среды и колебательной скорости частиц в волне:

p = z·v

Плотностью потока энергии называется количество звуковой энергии, проходящей в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную к направлению волны.

w= p²/ z

Под акустическими будем понимать такие свойства упругой среды, от которых зависят условия формирования ультразвуковой волны в среде и взаимодействия с границей раздела двух упругих сред.

Упругая среда характеризуется следующими акустическими свойствами: ρ- плотность материала; с- скорость звуковой волны определенного типа. Кроме указанных к акустическим свойствам следует также отнести степень анизотропии среды, внутреннее трение и теплопроводность, от которых зависит весьма важный акустический параметр - коэффициент затухания ультразвуковой волны δ.

В таблице приведены некоторые параметры, характеризующие акустические свойства сред.

Коэффициент затухания в общем случае складывается из коэффициентов поглощения δ_п и рассеяния δ_р:

δ = δ_п +δ_р

При поглощении звуковая энергия преобразуется в тепловую, при рассеянии она остается звуковой, но уходит в направле­ниях, отличающихся от направления распространения волны.

Поглощение звука обусловлено внутренним трением и тепло­проводностью среды. Коэффициент поглощения в твердых телах пропорционален или частоте (стекло, металлы) или квадрату частоты (резина).

Рассеяние звука характерно для металлов и обусловлено частичным отражением, преломлением и трансформацией волны на границах кристаллов (зерен) вещества.

Доля рассеянной энергии определяется главным образом отношением длины волны к cреднему размеру кристаллита.

В области диффузного рассеяния, где указанное отношение составляет 3÷4, рассеяние максимально.

Наименьшее рассеяние наблюдается при отношении 20...100.

Для одной и той же частоты затухание поперечной волны более существенно по сравнению с продольной, т. к. длина поперечной волны меньше, соответственно меньшее значение имеет и отношение длины волны к размеру кристаллита.

---

Дата добавления: 2015-08-28