2.1. Звуковые колебания.

Упругие колебания и волны. Упругость – это свойство твердых тел восстанавливать свою форму и объем (а жидкостей и газов – только объем) после прекращения действия внешних сил. Среду, обладающую упругостью, называют упругой средой. Упругие колебания – это колебания механических систем, упругой среды или ее части, возникающие под действием механического возмущения. Упругие или акустические волны – механические возмущения, распространяющиеся в упругой среде. Частный случай акустических волн – слышимый человеком звук, отсюда происходит термин акустика (от греч. akustikos – слуховой) в широком смысле слова – учение об упругих волнах, в узком – учение о звуке. В зависимости от частоты упругие колебания и волны называют по-разному.

Диапазоны частот упругих колебаний

Название колебаний и волн	Качественное определение	Частота, Гц
		физический диапазон	условный диапазон
Инфразвук	Ниже границы слышимости	Ниже 16…25	Ниже 20
Звук	Диапазон слышимости	От 16…25 до (15…20)·103	20…20·103
Ультразвук	Выше границы слышимости	От (15…20)·103 до 109	20·103 …1·109
Гиперзвук	Длина волны меньше длины свободного пробега молекул воздуха	Выше 109	Выше 109

2.2. Природа и свойства уз-колебаний.

1. Ультразвук – это упругие колебания и волны высокочастотной части спектра акустических волн.

2. Акустическими (упругими) волнами называют распространяющиеся в упругой среде механические возмущения (деформации). Упругие волны могут возникать в любой среде: твердой, жидкой, газообразной. Возмущения от источника передаются частицам среды, которые начинают колебаться относительно своей точки равновесия. Эти колебания передаются соседним частицам, которые тоже начинают колебаться, затем все новым и новым, и возникает упругая волна.

3. Основное свойство упругих волн состоит в том, что в волне осуществляется перенос энергии без переноса вещества.

4. Пространство, в котором распространяются упругие волны, называется звуковым или акустическим полем.

5. Линию, указывающую направление распространения волны называют лучом, а границу, отделяющую колеблющиеся частицы от частиц среды, еще не начавших колебаться – фронтом волны. Это определение фронта волны характерно для кратковременных возмущений (импульсов), а вообще фронт волны – это геометрическое место точек среды, в которых в рассматриваемый момент времени фаза волны имеет одно и тоже значение.

6. Упругие волны характеризуются параметрами:

 - длиной;  - частотой и с - скоростью распространения (скорость распространения фронта волны), которые связаны зависимостью:

или ,

где Т - период колебания [сек], т.е. длительность одного полного цикла колебаний данного периодического процесса. Он характерен для гармонической волны. Так как внешняя сила, приложенная к неограниченной среде, изменяется гармонически, то вызванную его волну называют гармонической или синусоидальной. Для гармонической волны с периодом колебаний Т, прошедшей расстояние , закон изменения какой-либо физической величины а в функции времени t (рис. 2.1) записывается уравнением:

,

где А - амплитуда колебаний, т.е. максимальное отклонение системы от положения равновесия, она равна абсолютному значению наибольшего отклонения; k – волновое число или волновой вектор, ориентированный в направлении распространения волны, абсолютная величина которого , т.е. равна числу волн на отрезке 2;  - круговая или циклическая частота  = 2 f

7. - длина волны, т.е. расстояние на которое волна распространяется за один период колебаний частицы среды.

8. Частотой , [с^-1]-называют величину, показывающую сколько раз в секунду повторяется колебание. Частоту f = 1 с^-1 (одно колебание в сек.) – называют Гц. При УЗ контроле применяют скорость в миллионах колебаний в секунду (МГц). Значение аргумента функции cos при каждом фиксированном "t" называют фазой. Фаза показывает какая часть а мплитуды достигнута в определенный момент времени, и при изменении расстоянии r на длину волны  или времени t на период колебания Т фаза меняется на 2 , а з

   Рис. 2.1.

   начение "а" не меняется. Это свойство характеризует периодичность процесса в пространстве и времени, т.е. формула показывает, что величина "а" периодически меняется во времени и пространстве.