4. Колебания и волны

4.1. Механические колебания

Колебанияминазывают процессы, точно или приблизительно повторяющиеся через одинаковые промежутки времени. По своему характеру колебания подразделяют на:свободные(илисобственные) ивынужденные.

Свободные колебания– представляют собой колебания, совершаемые системами, представленными самим себе, около своего положения равновесия. Для возбуждения собственных колебаний требуется определенное количество энергии. Частота собственных колебаний определяется целиком свойствами самой системы.

Вынужденные колебаниясовершаются под действием внешней периодической силы, например, колебания мембраны микрофона, барабанной перепонки уха, ударного элемента отбойных молотков, пластины магнитострикционного преобразователя ультразвуковых агрегатов. Частота вынужденных колебаний равна частоте вынуждающей силы, а амплитуда колебаний зависит от свойств системы.

Вынужденные колебания, возбуждаемые в системе внешними силами, часто приводят к интенсификации многих, технологических процессов.

Если на сверло наложить в процессе сверления возвратно-поступательные колебания, направленные вдоль его оси, то процесс сверления намного упрощается, так как сверло многократно (с частотой колебания) как бы возвращается в исходное положение, поэтому его не уводит, трение уменьшается, повышается чистота поверхности сверления.

Особую роль в колебательных процессах играет явление резонанса– резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний, наступающего при приближении частот собственных и вынужденных колебаний системы. Явление резонанса используется для интенсификации различных технологических процессов.

Автоколебания– незатухающие колебания, которые осуществляются в неконсервативной системе при отсутствии переменного внешнего воздействия (за счет внутреннего источника энергии), причем амплитуда и период этих колебаний определяются свойствами самой системы. Классический пример автоколебательной системы – маятниковые часы. Как правило, автоколебательные системы склонны к самовозбуждению.

4.2. Акустика

Акустоэлектрический эффект – возникновение проводящего тока или ЭДС в проводящей среде (металл, полупроводник) под действием бегущей ультразвуковой волны. Появление тока связано с передачей импульса (и соответственно энергии) от ультразвуковой волны электроном проводимости. Это приводит к направленному движению носителей - электрическому току в направлении распространения звука.

В замкнутой цепи, состоящей из кристалла CdS с металлическими электродами, перпендикулярными направлению распространению звука, и измерительного прибора, будет протекать акустоэлектрический ток. Если же цепь разомкнута, то между электродами возникает акустоэлектрическая разность потенциалов.

Наряду с продольными можно наблюдать и поперечный эффект, то есть возникновение разности потенциалов на электродах кристалла, расположенных параллельно направлению распространения звука. Эффект имеет место и при упругих поверхностных волнах.

Применение: измерение интенсивности ультразвука в твердых телах, структуры звукового поля, для исследования электрических свойств полупроводников.

Рис. 4.1. Схема измерителя акустоэлектрической ЭДС:

1 – кристалл CdS; 2 – электроды; 3 – звукопроводы;

4 – излучатель; 5 – приемник

Одним из широко известных колебательных движений является звук– продольные колебания частичек среды, в которых распространяется звуковая волна.

Акустические (звуковые) колебания, как и механические колебания, часто используют для интенсификации различных технологических процессов.

Акустические колебания различной частоты по разному воздействуют на животных.

На основе этого в США разработаны устройство и способ, предназначенные для разгона животных. С этой целью мозг животных подвергается действию раздражающих колебаний со спектром, лежащим в звуковом диапазоне частот, представляющий собой совокупность многочисленных колебаний, успокаивающих мозг животных. Раздражающие колебания действуют на мозг животного одновременно с успокаивающими колебаниями при этом осуществляется модуляция раздражающих колебаний успокаивающими.

Характер звуковых колебаний зависит от свойства источника звука, поэтому, измеряя различные характеристики звуковых колебаний, можно установить характеристики источника звука. А зная характеристики звуковой волны, можно по ее изменению при прохождении различных сред установить параметры среды.

В США разработан автоматический прибор, сортирующий при помощи звука яблоки, так как установлено, что зрелые, незрелые и перезрелые яблоки оказывают различное сопротивление проходящим сквозь них звуковым волнам разных частот.

Звук распространяется в воздухе с определенной скоростью. Если в какой-то определенной системе координат возникает звуковой импульс, то по времени прохождения его к осям координат, которое может быть зафиксировано приемниками звука, можно определить координаты источника звука. Такой путь и избрали в институте Кибернетики АН БССР.

При использовании ЭВМ в качестве автоматического проектировщика необходимо вводить в нее графическую информацию. С этой целью графическая информация предоставляется в виде набора различных кривых, координаты которых вводятся с помощью миниатюрной искры, возникающей при соприкосновении специального звукового карандаша (Электроакустического преобразователя) с любой из точек чертежа, звук который достигает системы координатных микрофонов, расположенных по краям чертежа. Одна система выдает координату по Х, другая по У.

При подходе к преграде акустические волны отражаются (эффект известен как эхо). Поэтому, если в закрытом помещении включить и сразу выключить источник звука, то возникает явлениереверберациит.е. послезвучание, обусловленное приходом в определенную точку запоздавших отраженных или рассеянных звуковых волн.

Измеряя время реверберации (время в течении которого интенсивность звука уменьшается в 1000000 раз) можно определить объем свободного помещения.