Вопрос №3. Ультразвук. Диапазоны уз. Примеры.

Упругие механические колебания, распространяющиеся в воздухе, воспринимают обычно как звуки. Это – акустические колебания. Если их частота более 20 000 Гц (20 кГц), т. е. выше порога слышимости для человеческого уха, то такие колебания называют ультразвуковыми (УЗК).

В дефектоскопии наиболее часто используют диапазон частот 0,5 – 10 МГц (1 МГц = 106Гц).

Ультразвуки широко используются в технике, например для направленной подводной сигнализации, обнаружения подводных предметов и определения глу­бин (гидролокатор, эхолот). Например, в эхолоте от пьезокварцевого генератора, укрепленного на судне, посылаются на­правленные ультразвуковые сигналы, ко­торые, достигнув дна, отражаются от него и возвращаются обратно. Зная скорость их распространения в воде и определяя время прохождения (от подачи до воз­вращения) ультразвукового сигнала, мож­но вычислить глубину. Прием эха также производится с помощью пьезокварца. Звуковые колебания, дойдя до пьезоквар­ца, вызывают в нем упругие колебания, в результате чего на противоположных поверхностях кварца возникают электри­ческие заряды, которые измеряются.

Если пропускать ультразвуковой сиг­нал через исследуемую деталь, то можно обнаружить в ней дефекты по характерно­му рассеянию пучка и по появлению уль­тразвуковой тени. На этом принципе со­здана целая отрасль техники – ультра­звуковая дефектоскопия, начало кото­рой положено С. Я. Соколовым (1897 – 1957). Применение ультразвука легло также в основу новой области акустики – акустоэлектроники, позволяющей на ее основе разрабатывать приборы для обра­ботки сигнальной информации в микрора­диоэлектронике.

Ультразвук применяют для воздейст­вия на различные процессы (кристаллиза­цию, диффузию, тепло- и массообмен в ме­таллургии и т. д.) и биологические объек­ты (повышение интенсивности процессов обмена и т.д.), для изучения физических свойств веществ (поглощения, структуры вещества и т.д.). Ультразвук использует­ся также для механической обработки очень твердых и очень хрупких тел, в ме­дицине (диагностика, ультразвуковая хи­рургия, микромассаж тканей) и т. д.

Вопрос №4.

Звуковое давление. Амплитуда звукового давления.

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

Амплитуда звукового давления p – максимальное дополнительное давление, возникающее в среде при прохождении звуковых волн, выражается в Паскалях (Па).

Вопрос №5.

Энергия звуковых волн. Кинетическая, потенциальная энергии. Средняя плотность

энергии.

Движущаяся волна, подобно любому движущемуся объекту, несёт энергию от одной точки пространства к другой (от источника к приёмнику). При этом перенос энергии происходит без переноса вещества среды, хотя сама среда вовлечена в волновой процесс передачи энергии. Величина энергии, переносимой волной, может меняться в широких пределах.

Энергия, переносимая упругой волной, складывается из потенциальной энергии деформации и кинетической энергии колеблющихся частиц.

Энергия звуковой волны – добавочная энергия среды, обусловленная наличием звуковых волн. Энергия звуковой волны единицы объёма среды называют плотностью звуковой энергии Е и равна:

где первый член – плотность кинетической энергии Екин, а второй – плотность потенциальной энергии Епот;

ρ - плотность среды;

β = 1/ρс² - сжимаемость среды, с - скорость звука;

 - колебательная скорость частиц;

р - звуковое давление.

Для плоской бегущей волны Екин=Епот и плотность полной энергии Е = ρu² = βр². В произвольной волне такое же выражение имеет место для среднего по времени значения плотности полной звуковой энергии.

Плотность звуковой энергии в системе единиц СИ измеряется в Дж/м³, в системе СГС - в эрг/см³; 1 эрг/см³ = 10-1 Дж/м³. Для гармонической плоской бегущей звуковой волны средняя по времени плотность энергии равна Е= (λ/2)ρu²₀ = (λ/2)bp²₀, где u₀ и p₀ – амплитуды колебательной скорости и давления.