Ультразвук и его применение
Категория реферата: Рефераты по физике
Теги реферата: рефератов, женщины реферат
Добавил(а) на сайт: Третьяков.
Предыдущая страница реферата | 1 2 3 4 5 6 | Следующая страница реферата
Упругие волны с частотами 109 – 1013 Гц принято называть гиперзвуком.
Ультразвук как упругие волны.
УЗ-вые волны (неслышимый звук) по своей природе не отличаются от упругих волн слышимого диапазона. В газах и жидкостях распространяются только продольные волны, а в твердых телах – продольные и сдвиговые.
Распространение ультразвука подчиняется основным законам, общими для
акустических волн любого диапазона частот. К основным законам
распространения относятся законы отражения звука и преломления звука на
границах различных сред, дифракции звука и рассеяния звука при наличии
препятствий и неоднородностей в среде и неровностей на границах, законы
волноводного распространения в ограниченных участках среды. Существенную
роль при этом играет соотношение между длиной волны звука ( и
геометрическим размером D – размером источника звука или препятствия на
пути волны, размером неоднородностей среды. При D((( распространение звука
вблизи препятствий происходит в основном по законам геометрической акустики
(можно пользоваться законами отражения и преломления). Степень отклонения
от геометрической картины распространения и необходимость учета
дифракционных явлений определяются параметром [pic], где r – расстояние от
точки наблюдения до объекта, вызывающего дифракцию.
Скорость распространения УЗ-вых волн в неограниченной среде
определяется характеристиками упругости и плотностью среды. В ограниченных
средах на скорость распространения волн влияет наличие и характер границ, что приводит к частотной зависимости скорости (дисперсия скорости звука).
Уменьшение амплитуды и интенсивности УЗ-вой волны по мере ее
распространения в заданном направлении, то есть затухание звука, вызывается, как и для волн любой частоты, расхождением фронта волны с
удалением от источника, рассеянием и поглощением звука. На всех частотах
как слышимого, так и неслышимых диапазонов имеет место так называемое
«классическое» поглощение, вызванное сдвиговой вязкостью (внутренним
трением) среды. Кроме того, существует дополнительное (релаксационное)
поглощение, часто существенно превосходящее «классическое» поглощение.[1]
При значительной интенсивности звуковых волн появляются нелинейные эффекты:
. нарушается принцип суперпозиции и возникает взаимодействие волн, приводящее к появлению тонов;
. изменяется форма волны, ее спектр обогащается высшими гармониками и соответственно растет поглощение;
. при достижении некоторого порогового значения интенсивности УЗ в жидкости возникает кавитация (см. ниже).
Критерием применимости законов линейной акустики и возможности пренебрежения нелинейными эффектами является: М (( 1, где М = v/c, v – колебательная скорость частиц в волне, с – скорость распространения волны.
Параметр М называется «число Маха».
[pic] пецифические особенности ультразвука
Хотя физическая природа УЗ и определяющие его распространение основные законы те же, что и для звуковых волн любого диапазона частот, он обладает рядом специфических особенностей. Эти особенности обусловлены относительно высокими частотами УЗ.
Малость длины волны определяет лучевой характер распространения УЗ-вых волн. Вблизи излучателя волны распространяются в виде пучков, поперечный размер которых сохраняется близким к размеру излучателя. Попадая на крупные препятствия такой пучок (УЗ луч) испытывает отражение и преломление. При попадании луча на малые препятствия возникает рассеянная волна, что позволяет обнаруживать в среде малые неоднородности (порядка десятых и сотых долей мм.). Отражение и рассеяние УЗ на неоднородностях среды позволяют формировать в оптически непрозрачных средах звуковые изображения предметов, используя звуковые фокусирующие системы, подобно тому, как это делается с помощью световых лучей.
Фокусировка УЗ позволяет не только получать звуковые изображения
(системы звуковидения и акустической голографии), но и концентрировать
звуковую энергию. С помощью УЗ-вых фокусирующих систем можно формировать
заданные характеристики направленности излучателей и управлять ими.
Периодическое изменение показателя преломления световых волн, связанное с изменением плотности в УЗ-волне, вызывает дифракцию света на ультразвуке, наблюдаемую на частотах УЗ мегагерцевого-гигагерцевого диапазона. УЗ волну при этом можно рассматривать как дифракционную решетку.
Важнейшим нелинейным эффектом в УЗ-вом поле является кавитация –
возникновение в жидкости массы пульсирующих пузырьков, заполненных паром, газом или их смесью. Сложное движение пузырьков, их схлопывание, слияние
друг с другом и т.д. порождают в жидкости импульсы сжатия (микроударные
волны) и микропотоки, вызывают локальное нагревание среды, ионизацию. Эти
эффекты оказывают влияние на вещество: происходит разрушение находящихся в
жидкости твердых тел (кавитационная эрозия), возникает перемешивание
жидкости, инициируются или ускоряются различные физические и химические
процессы. Изменяя условия протекания кавитации, можно усиливать или
ослаблять различные кавитационные эффекты, например с ростом частоты УЗ
увеличивается роль микропотоков и уменьшается кавитационная эрозия, с
увеличением давления в жидкости возрастает роль микроударных воздействий.
Увеличение частоты приводит к повышению порогового значения интенсивности, соответствующей началу кавитации, которое зависит от рода жидкости, ее
газосодержания, температуры и т.д.. Для воды при атмосферном давлении оно
обычно составляет 0,3(1,0 Вт/см2. Кавитация – сложный комплекс явлений. УЗ-
вые волны, распространяющиеся в жидкости, образуют чередующиеся области
высоких и низких давлений, создающих зоны высоких сжатий и зоны разрежений.
В разреженной зоне гидростатическое давление понижается до такой степени, что силы, действующие на молекулы жидкости, становятся больше сил
межмолекулярного сцепления. В результате резкого изменения
гидростатического равновесия жидкость «разрывается», образуя многочисленные
мельчайшие пузырьки газов и паров. В следующий момент, когда в жидкости
наступает период высокого давления, образовавшиеся ранее пузырьки
схлопываются. Процесс схлопывания пузырьков сопровождается образованием
ударных волн с очень большим местным мгновенным давлением, достигающим
нескольких сотен атмосфер.
[pic] сточники и приемники ультразвука.
В природе УЗ встречается как в качестве компоненты многих естественных шумов (в шуме ветра, водопада, дождя, в шуме гальки, перекатываемой морским прибоем, в звуках, сопровождающих грозовые разряды, и т.д.), так и среди звуков животного мира. Некоторые животные пользуются УЗ-выми волнами для обнаружения препятствий, ориентировки в пространстве.
Излучатели ультразвука можно подразделить на две большие группы. К
первой относятся излучатели-генераторы; колебания в них возбуждаются из-за
наличия препятствий на пути постоянного потока – струи газа или жидкости.
Вторая группа излучателей – электроакустические преобразователи; они
преобразуют уже заданные колебания электрического напряжения или тока в
механическое колебание твердого тела, которое и излучает в окружающую среду
акустические волны.
Механические излучатели.
В излучателях первого типа (механических) преобразование кинетической энергии струи (жидкости или газа) в акустическую возникает в результате периодического прерывания струи (сирена), при натекании ее на препятствия различного вида (газоструйные генераторы, свистки).
УЗ сирена – два диска с большим количеством отверстий, помещенные в камеру (рис. 1).Поступающий под большим давлением в камеру воздух выходит через отверстия обоих дисков. При вращении диска-ротора (3) его отверстия будут совпадать с отверстиями неподвижного диска-статора (2) только в определенные моменты времени. В результате возникнут пульсации воздуха. Чем больше скорость вращения ротора, тем больше частота пульсации воздуха, которая определяется по формуле:
[pic], где N – число отверстий, равнораспределенных по окружности ротора и статора; ( - угловая скорость ротора.
Давление в камере сирен обычно составляет от 0,1 до 5,0 кгс/см2.
Верхний предел частоты УЗ, излучаемого сиренами не превышает 40(50 кГц, однако известны конструкции с верхним пределом 500 кГц. КПД генераторов не
превышает 60%. Так как источником излучаемого сиреной звука являются
импульсы газа, вытекающего из отверстий, частотный спектр сирен
определяется формой этих импульсов. Для получения синусоидальных колебаний
используют сирены с круглыми отверстиями, расстояния между которыми равны
их диаметру. При отверстиях прямоугольной формы, отстоящих друг от друга на
ширину отверстия, форма импульса треугольная. В случае применения
нескольких роторов (вращающихся с разной скоростью) с отверстиями
расположенными неравномерно и разной формы, можно получить шумовой сигнал.
Акустическая мощность сирен может достигать десятков кВт. Если в поле
излучения мощной сирены поместить вату, то она воспламенится, а стальные
стружки нагреваются докрасна.
Рекомендуем скачать другие рефераты по теме: куплю дипломную работу, банк бесплатных рефератов.
Предыдущая страница реферата | 1 2 3 4 5 6 | Следующая страница реферата