Автоматизация проектирования средств и систем управления. Физико-тех

C — емкость, Ф.

Резонансная частота механического маятника

f 1 g , 2 L

ãäå g — ускорение свободного падения, м/c2;

L — длина от точки подвешивания маятника до центра его масс, м.

Применение

Наиболее широко явление резонанса используется в радиотехнике. В архитектуре и строительстве явление резонанса учитывают при расче- те акустических характеристик помещений. Используя явление резонанса, можно также гасить нежелательные колебания. Используется для интенсификации различных технологических процессов.

À.с. 508543. Способ обработки металлических изделий, включающий в себя нагрев до температуры отпуска с одновременным приложением механической вибрации, отличается тем, что с целью предотвращения образования усталостных трещин и интенсификации процесса снятия внутренних напряжений в сварных изделиях обработку ведут при местном нагреве зоны сварного шва с одновременной вибрацией всего изделия, осуществляемой в резонансном режиме с частотой, соответствующей частоте при его нагреве.

À.с. 515006. Способ сушки дисперсных материалов, например солода с кипящем слоем путем продувки его восходящим пульсирующим потоком теплоносителя, отличается тем, что с целью интенсификации тепломассообмена продувку ведут в режиме резонанса с увеличением

âзависимости от влажности материала частоты пульсаций потока теплоносителя, например для солода от 6 до 14 Гц, и поддержанием ее равной средней частоте собственных колебаний плотности кипящего слоя.

À.с. 175265. Резонансный датчик уровня сжиженных газов, содержащий колебательный контур, выполненный в виде стержней с укрепленными токопроводящими элементами, отличается тем, что с целью повышения точности измерения стержни настроены на различные резонансные частоты и разнесены относительно друг друга на расстояние, позволяющее образовывать электрическую емкость, достаточную для возбуждения колебания в контуре при возбуждении одного из стержней.

61

А. с. 271051. Способ измерения массы вещества в резервуаре, например жидкого, отличается тем, что с целью повышения точности и надежности измерения возбуждают механические резонансные колебания системы резервуар — вещество, измеряют их частоту, по величине которой судят о массе вещества.

2.5.2. Реверберация

Входы: íåò. Выходы: çâóê.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.21.

Сущность

Реверберация — процесс постепенного затухания звука в закрытых помещениях после выключения его источника. Воздействующий объем помещения представляет собой колебательную систему с очень большим числом собственных частот. Каждое из собственных колебаний характеризуется своим коэффициентом затухания, зависящим от поглощения звука при его отражении от ограничивающих поверхностей и при его распространении. Поэтому возбужденные источником в центре собственные колебания (изображены в виде окружностей на рис. 2.21) различных частот затухают не одновременно. Реверберация оказывает значительное влияние на слышимость речи и музыки в помещении, так как слушатели воспринимают прямой звук на фоне ранее возбужденных колебаний воздействующего объема, спектр которых изменяется во времени в результате постепенного затухания отдельных собственных колебаний.

Длительность реверберации характеризуется временем реверберации, т. е. временем, в течение которого интенсивность звука уменьшается в 106 раз, а его уровень — на 60 дБ. Время реверберации — важнейший фактор, определяющий акустическое качество помещения. Оно тем больше, чем больше объем помещения (или время свободного пробега звука) и чем меньше поглощение

Рис. 2.21. Принцип реверберации на ограничивающих поверхностях.

62

Математическое описание

T 0,163V ,

A

ãäå T — время реверберации;

V — объем помещения;

À — эквивалентная звукопоглощающая поверхность (представляет собой все звукопоглощение в помещении),

À = ïîëSïîë + стеныSстены + потолокSпотолок + поглощение предметами,

ãäå S — площадь,

— звукопоглощение.

За основу данного уравнения берется диффузное звуковое поле, т. е. равномерно распределенное поглощение в практически кубическом по форме помещении с объемом менее 2000 м3.

Применение

Эффект реверберации широко используется в архитектурной акустике. В частности, реверберация с правильно подобранным временем задержки (что достигается подбором геометрии помещения) позволяет усиливать звучание музыкальных инструментов в концертном зале.

А. с. 346588. Акустический способ определения количества вещества в замкнутом сосуде отличается тем, что с целью упрощения в свободном пространстве сосуда создают акустический импульс и измеряют время реверберации, по которому судят о количестве вещества.

2.5.3. Акустомагнетоэлектрический эффект

Входы: магнитное поле, звуковая волна.

Выходы: электрический ток, электрическое напряжение.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.22.

Сущность

Если поперек направления распространения звука в проводящей среде наложить магнитное поле (см. рис. 2.22), то электроны, которые увлекаются звуком, будут отклоняться в этом поле, что приведет к возникновению поперечного тока или, если образец разомкнуть в поперечном направлении, электродвижущей силы (ЭДС). Но магнитное поле в соответствии с законом Лоренца отклоняет электроны разных скоростей по-разному, поэтому

63

величина и даже знак ЭДС показывают, какие электроны увлекаются звуком, т. е. каковы свойства электронного газа в данной среде. В каждом веществе звук увлекает за собой группу электронов, характерных именно для данного вещества. Если

звук проводит через границу двух веществ, то одни электроны должны смениться другими, например более холодные более горячими. При этом от границы будет уноситься тепло, а сама граница — охлаждаться. Данный эффект похож на известный эффект Пельтье. Однако принципиальное отличие этого эффекта от эффекта Пельтье состоит в том, что он не исчезает даже при очень низких темпера-

турах и охлаждение может продолжаться до температур, близких к абсолютному нулю. Это открытие зарегистрировано под номером 133 в следующей формулировке: установлено неизвестное ранее явление возникновения в телах, проводящих ток, помещенных в магнитное поле, при прохождении через них звука, электродвижущей силы поперек направления распространения звука, обусловленной взаимодействием со звуковой волной носителей заряда, находящихся в различных энергетических состояниях. На осно-

где — подвижность носителей тока;

W — плотность потока звуковой энергии; e — заряд электрона;

n — концентрация носителей тока; s — скорость звука;

— коэффициент поглощения звука; H — напряженность магнитного поля.

Применение

А. с. 512422. Способ измерения времени релаксации энергии носителей заряда в кристалле, заключающийся в измерении проводимости и раз-

64

ности потенциалов на исследуемом образце, отличается тем, что с целью упрощения и повышения точности измерения в образец вводят ультразвуковую волну, измеряют разность потенциалов в направлении распространения волны и проводимость в перпендикулярном направлении.

А. с. 543140. Способ усиления поверхностных звуковых волн в пьезоэлектрическом полупроводнике, основанный на взаимодействии звуковых волн с электрическим полем, отличается тем, что, с целью повышения эффективности, дрейфовое напряжение прикладывают в направлении, перпендикулярном распространению поверхностной звуковой волны.

2.6. Волновое движение

Волна — это возмущение, распространяющееся с конечной скоростью в пространстве и несущее с собой энергию. Суть волнового движения состоит в переносе энергии без переноса вещества. Любое возмущение связано с каким-то направлением (вектор электрического поля в электромагнитной волне, направление колебаний частиц при звуковых волнах, градиент концентрации, градиент потенциала и т. д.). По взаимоположению вектора возмущения и вектора скорости волны, волны подразделяются на продольные (направление вектора возмущения совпадает с направлением вектора скорости) и поперечные (вектор возмущения перпендикулярен вектору скорости). В жидкостях и газах возможны только продольные волны, в твердых телах — и продольные и поперечные.

Волна несет с собой и потенциальную и кинетическую энергию. Скорость волны, т. е. скорость распространения возмущения, зависит как от вида волны, так и от характеристик среды, например от прочности бетона при затвердевании. Измеряя скорость распространения ультразвука можно определить, какую прочность набрал бетон в процессе выпаривания.

В Японии предложено пропускать ультразвук через стальные изделия перпендикулярно тем поверхностям, расстояние между которыми нужно измерить. Стальные изделия помещаются в ванну, которая просвечивается ультразвуковыми импульсами. Измерив время, необходимое для прохождения импульса от каждого вибратора, определяют внешние размеры изделия.

При наличии дисперсии волн понятие скорости волны становится не однозначным: приходится различать фазовую скорость (скорость

65

распространения определенной фазы волны) и групповую скорость, являющуюся скоростью переноса энергии, что усложняет различные измерительные работы с помощью различного вида колебаний. В случае же когерентного колебания фазовая скорость может нести информацию о свойствах среды.

2.6.1. Эффект Доплера

Входы: скорость. Выходы: частота.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.23.

Сущность

Эффект Доплера — изменение частоты и длины волн, регистрируемых приемником, вызванное движением их источника и движением приемника. Для волн, распространяющихся в какой-либо среде (например, звука), нужно принимать во внимание движение как источника, так и приемника волн относительно этой среды. Для электромагнитных волн (например, света), для распространения которых не нужна никакая среда, имеет значение только относительное движение источника и приемника. Также важен случай, когда в среде движется заряженная частица с релятивистской скоростью. В этом случае в лабораторной системе регистрируется черенковское излучение, имеющее непосредственное отношение к эффекту Доплера.

Если источник волн движется относительно среды, то расстояние между гребнями волн (длина волны) зависит от скорости и направления

Рис. 2.23. Источник волн перемещается налево; тогда слева частота волн становится выше (больше),

а справа — ниже (меньше)

66

движения. Если источник движется по направлению к приемнику, т. е. догоняет испускаемые им волны, то длина волны уменьшается, если удаляется — длина волны увеличивается (см. рис. 2.23).

Математическое описание

При движении источника навстречу приемнику частота, регистрируемая неподвижным приемником,

ãäå v — скорость приемника относительно среды; c — скорость волн, испускаемых источником;

f0 — частота, с которой источник испускает волны.

Применение

На основе этого эффекта созданы приборы для измерения скорости движения различных объектов.

Пат. 3555899 США. Установка для ультразвукового измерения расхода жидкостей в трубопроводе. Имеется устройство для создания двух траекторий распространения ультразвука между противоположными боковыми стенками трубопровода и устройство, которое направляет эти траектории таким образом, что они располагаются в плоскости, проходящей через параллельно продольные прямые, и наклонены к обеим прямым под взаимно дополняющими углами. Установка имеет устройство, которое посылает ультразвуковые колебания в двух противоположных направлениях по каждой из двух траекторий. Расход определяется путем измерения скорости распространения колебаний по направлению потока и навстречу потоку и вычисления среднего значения разности между указанными различными скоростями. Распространение звуковых колебаний по одной траектории может быть обеспечено путем отражения ультразвуковых колебаний, идущих по другой траектории.

Пат. 3564488 США. Прибор для измерения скорости движущихся объектов, например для измерения скорости движения тела по рельсам: по одному из рельсов пускаются ультразвуковые волны. В приборе имеется пьезоэлектрический преобразователь, который служит для обнаружения доплеровской частоты в отраженном сигнале, исходящей от точ-

67

ки, расположенной вблизи места контакта движущегося тела с рельсом. Частота Доплера используется для измерения скорости движущегося по рельсам объекта.

2.6.2. Поляризация волн

Входы: íåò.

Выходы: поляризованная волна.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.24 и 2.25.

Сущность

Поляризация — нарушение осевой симметрии поперечной волны относительно направления распространения этой волны. В неполяризованной волне колебания векторов и скорости частиц среды беспорядоч- но сменяют друг друга, так что ни одно из этих направлений колебаний не является преимущественным.

Поперечную волну называют поляризованной, если в каждой точке пространства направление колебаний сохраняется неизменным (линей- но-поляризованным) или изменяется с течением времени по определенному закону.

Поляризация может возникнуть вследствие отсутствия осевой симметрии в возбуждающем волну излучателе (например, в лазерах) при отражении и преломлении волн на границе двух сред (наибольшая степень поляризации имеет место при отражении под углом Брюстера — тангенс угла равен коэффициенту преломления окружающей среды), при распространении волны в анизотропной среде.

Поляризация может возникать и при рассеянии света. Рассеянный на неоднородных средах естественный свет в некоторых направлениях является линейно-поляризованным (и наоборот, линейно-поляризованный свет в некоторых направлениях не рассеивается). Это явление, как и при поляризации света, отраженного под углом Брюстера, исходит из природы самой электромагнитной поперечной световой волны, а вовсе не из анизотропии и ориентации молекул, что лишь препятствует полной поляризации рассеянного света.

Основными являются два вида поляризации:

1) линейная — колебания возмущения происходит в каком-то одном направлении в плоскости колебаний. В таком случае говорят о «плоскополяризованной волне» (рис. 2.24, à);

68

Рис. 2.24. Линейная (à) и круговая (á) поляризация

2)круговая — конец вектора амплитуды описывает окружность

âплоскости колебаний. В зависимости от направления вращения вектора может быть правой или левой (рис. 2.24, á).

На основе этих двух формируются и другие, более сложные виды поляризации, например эллиптическая (см. рис. 2.25).

69

ãäå c — скорость света;— длина волны.

Применение

Поляризация используется для создания различных оптических эффектов. Круговая поляризация применяется в антеннах космических линий связи, так как для приема сигнала не важно положение плоскости поляризации передающей и приемной антенн. В наземных линиях используют антенны с линейной поляризацией.

А. с. 269588. Способ определения стойкости стекла в спаях с металлом к электролизу, состоящий в том, что через термостат-образец пропускают электрический ток, причем напряжение питающего источника остается постоянным и измеряют величину тока, проходящего через образец, отличающийся тем, что с целью повышения точности наблюдений, о ходе процесса электролиза судят по изменению картины, наблюдаемой в лучах поляризованного света, механических напряжений в местах спая с металлом.

А. с. 221345. Способ контроля кристаллизации кондитерских масс в процессе производства путем микрокопирования исследуемого образца отличается тем, что с целью повышения точности контроль осуществляют в проходящем поляризованном световом луче с измерением при этом интенсивности потока с последующим определением содержания кристаллов.

А. с. 249025. Способ оценки распределения контактных напряжений по величине деформации пластичной прокладки, располагаемой в зоне контакта между соприкасающимися поверхностями, отличается тем, что с целью повышения точности в качестве пластичной прокладки используют пленку из оптически чувствительного материала, которую затем просве- чивают поляризованным светом в направлении действия контактных сил, и по картине полос судят о распространении контактных напряжений.

2.6.3. Дифракция

Входы: перемещение. Выходы: интенсивность света.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.26.

Сущность

В общем случае дифракция — это отклонения волновых движений от законов геометрической оптики. Если на пути распространения волны

70