2. Распространение звуковых волн
Звуковые волны при своем распространении подчиняются тем же закономерностям, что и световые. В частности, они могут огибать препятствия, (явление дифракции), для них выполняются законы отражения и преломления. На границе раздела двух сред (например, воздух-вода) направление распространения звуковых волн изменяется. На основании закона преломления
Рис. 23.5
можно сделать вывод, что если v2 < v1, то < , т.е. угол преломления меньше угла падения (рис. 23.5, а).
Если в среде скорость звука плавно изменяется от точки к точке, то возникает явление рефракции — искривления звуковых лучей в неоднородной среде. При этом звуковые лучи изгибаются всегда в сторону слоя с меньшей скоростью звуковой волны (рис. 23.5, б) и рефракция выражена тем сильнее, чем больше градиент неоднородности среды и соответственно скорости звука.
В морской воде скорость звука зависит от ее солености, плотности, температуры и других факторов. В результате, скорость звука изменяется с изменением глубины (рис. 23.6). Из-за рефракции образуются зоны тени (мертвые зоны) — рис.23.6, а; а звук может возвратиться к поверхности моря, не достигнув дна (рис. 23.6, б); возможно также возникновение сверхдальних звуковых каналов (рис. 23.6, в). Канал — это слой воды, в котором звук распространяется с наименьшей скоростью. Луч отклонившийся от канала вверх или вниз, возвращается в него обратно. В таком канале звук может распространяться на расстояния в сотни и тысячи километров.
Звуковая
волна, распространяясь в среде, затухает
в соответствии с законом
,
где I —
интенсивность звука, прошедшего слой
среды толщиной x;
I0 —
начальная интенсивность звука; —
коэффициент поглощения.
Особенность распространения звуковых волн в воде — их слабое затухание. Никакие виды электромагнитных волн, в том числе световые, не распространяются в воде на сколько-нибудь значительные расстояния, поэтому звуковые волны — это единственно возможное средство получения информации и связи под водой. Для этих целей используют как звуковые, так и ультразвуковые частоты. Наиболее широко в гидроакустике применяются эхолоты и гидролокаторы, которые используют для навигационных целей (плавание вблизи скал, рифов); для рыбопромысловой разведки, поисковых работ; для решения военных задач (поиск подводных лодок противника, безперископная торпедная атака и т.д.). Пассивным средством подводного наблюдения служат шумопеленгаторы.
Рис. 23.6
3. Ультразвук
Ультразвуком называют звуковые волны с частотами от 2104 до 1013 Гц. Верхний предел частот ультразвука в данной среде определяется межмолекулярным расстоянием (или длиной свободного пробега в газе): в кристаллах и жидкостях он равен 1012-1013 Гц, а в газах — 109 Гц.
Из-за большой частоты (малой длины волны) ультразвук характеризуется особыми свойствами. Так, ультразвуковые волны подобно световым могут образовывать строго направленные пучки. Отражение и преломление этих пучков на границе двух сред подчиняется законам геометрической оптики. С помощью вогнутых зеркал ультразвуковые волны можно направлять от источника в строго определенном направлении.
Ультразвуковые волны большой интенсивности можно получать даже при сравнительно небольших амплитудах колебаний, так как при данной амплитуде I 2 (формула (22.10)). Поэтому высоким частотам ультразвука соответствуют большие интенсивности (до 20 Вт/см2). Это приводит к нагреву тел, подвергающихся воздействию ультразвука, к образованию в жидкостях пустот в виде мельчайших пузырьков с кратковременным возрастанием давления до сотен и тысяч атмосфер (явление кавитации).
Ультразвуковые волны ускоряют протекание процессов диффузии, существенно влияют на растворимость веществ и в целом на ход химических реакций в жидкой фазе. Ультразвук применяют в технике для ускорения процессов тепло- и массообмена; получения металлов с мелкокристаллической структурой; очистки (с помощью кавитации) от загрязнений различных деталей (часовое производство, электронная техника и т.д.); пайки алюминиевых деталей; сварки пластмассовых изделий и т.д.; ультразвуковой дефектоскопии; звуковидения (преобразования по схеме: ультразвук электрические колебания световые колебания).