66 Акустические датчики в сфз.

В качестве механизма обнаружения используется механическая, или акустическая, волна. Когда волна распространяется внутри материала или по его поверхности, любые изменения характеристик траектории распространения волны влияют на скорость и/или амплитуды волны. Частота и фазовые характеристики показывают изменение скорости волны. Практически все акустические приборы и датчики для генерирования волны используют пьезоэлектрические материалы. Пьезоэлектрические акустические сенсоры создают механические волны с помощью электрического поля. Эти волны распространяются через субстрат, а затем, для проведения необходимых измерений, трансформируются обратно в электрическое поле.

изображена схема типичного акустического устройства. Перемещение частиц поперечных, или сдвиговых, волн происходит по нормали по отношению к направлению распространения волны. Оно может быть поляризовано таким образом, чтобы быть параллельным или перпендикулярным по отношению к чувствительной поверхности. Движение сдвиговой горизонтальной волны обозначает поперечные перемещения параллельно чувствительной поверхности; движение сдвиговой вертикальной волны – перпендикулярно ей. Волна, проходящая через подложку, называется объемной волной. Если волна распространяется на поверхности подложки, тогда она называется поверхностной волной. Любое изменение в характеристики пути распространения акустической волны изменит соответственно и результат на выходе. Все датчики будут работать в газовой или вакуумной среде, но только их совокупность будет эффективно работать при контакте с жидкостями. Поперечная горизонтальная волна не излучает энергию в жидкостях, и это позволяет работать с жидкостями без чрезмерного затухания. В общем случае, чувствительность датчика пропорциональна количеству энергии, которая возникает на пути распространения волны. Датчики объемной акустической волны рассеивают энергию с поверхности через вещество основы на другую поверхность. Распределение энергии минимизирует интенсивность энергии на поверхности, на которой происходит измерение.

67 Понятие звука. Основные параметры, определяющие величину скорости звука в различных средах. Звуковое давление.

Звук, в широком смысле — упругие волны, распространяющиеся в какой-либо упругой среде и создающие в ней механические колебания; в узком смысле — субъективное восприятие этих колебаний специальными органами чувств животных или человека.

Как и любая волна, звук характеризуется амплитудой и спектром частот. Обычно человек слышит звуки, передаваемые по воздуху, в диапазоне частот от 16—20 Гц до 15—20 кГц. Звук ниже диапазона слышимости человека называют инфразвуком; выше: до 1 ГГц, — ультразвуком, от 1 ГГц — гиперзвуком.

Различают продольные и поперечные звуковые волны в зависимости от соотношения направления распространения волны и направления механических колебаний частиц среды распространения.

Звуковые волны могут служть примером колебательного процесса. Всякое колебание связано с нарушением равновесного состояния системы и выражается в отклонении её характеристик от равновесных значений с последующим возвращением к исходному значению. Для звуковых колебаний такой характеристикой является давление в точке среды, а её отклонение — звуковым давлением.

Если произвести резкое смещение частиц упругой среды в одном месте, например, с помощью поршня, то в этом месте увеличится давление. Благодаря упругим связям частиц давление передаётся на соседние частицы, которые, в свою очередь, воздействуют на следующие, и область повышенного давления как бы перемещается в упругой среде. За областью повышенного давления следует область пониженного давления, и, таким образом, образуется ряд чередующихся областей сжатия и разрежения, распространяющихся в среде в виде волны. Каждая частица упругой среды в этом случае будет совершать колебательные движения.

В жидких и газообразных средах, где отсутствуют значительные колебания плотности, акустические волны имеют продольный характер, то есть направление колебания частиц совпадает с направлением перемещения волны. В твёрдых телах, помимо продольных деформаций, возникают также упругие деформации сдвига, обусловливающие возбуждение поперечных (сдвиговых) волн; в этом случае частицы совершают колебания перпендикулярно направлению распространения волны. Скорость распространения продольных волн значительно больше скорости распространения сдвиговых волн.

Звук – это волна. Скорость распространения звуковой волны напрямую зависит от свойств среды, в которой звуковая волна распространяется. Этими свойствами являются упругость и плотность среды. Чем более упругая и более плотная среда, тем скорость распространения звуковой волны в ней выше. Скорость звука в газах находится в прямой зависимости от температуры газа: с повышением температуры скорость звука возрастает. Скорость распространения звука в газах меньше, чем в жидкостях и в твердых телах. Скорость звука в жидкостях также зависит от температуры жидкости. Она больше, чем в газах, но меньше, чем в твердых телах. Скорость звука в воде зависит не только от температуры воды, но и от концентрации в ней солей. Скорость распространения звука в морской воде несколько выше, чем в пресной.

Звуково́е давле́ние — переменное избыточное давление, возникающее в упругой среде при прохождении через неё звуковой волны. Единица измерения — паскаль (Па).

Мгновенное значение звукового давления в точке среды изменяется как со временем, так и при переходе к другим точкам среды, поэтому практический интерес представляет среднеквадратичное значение данной величины, связанное с интенсивностью звука:

где I— интенсивность звука, P — звуковое давление, Zs— удельное акустическое сопротивление среды, < > t — усреднение по времени.

Т. о., З. д. представляет собой переменную часть давления, т. е. колебания давления относительно среднего значения, частота которых соответствует частоте звуковой волны. З. д. — основная количественная характеристика звука. Единица измерения З. д. в системе единиц СИ — ньютон на м2. З. д. в воздухе изменяется в широких пределах — от 10-5 н/м2 вблизи порога слышимости до 103 н/м2 при самых громких звуках, например шумах реактивных самолётов. В воде на ультразвуковых частотах порядка нескольких Мгц с помощью фокусирующих излучателей получают значение З. д. до 107н/м2. При значит. З. д. наблюдается явление разрыва сплошности жидкости — Кавитация. З. д. следует отличать от давления звука.