Основы радиоэлектроники

Системы передачи информации

Физическая природа звуковых и ультразвуковых колебаний

Звуковые и ультразвуковые колебания - это продольные к направлению распространения упругие колебания материальных частиц. Это означает, что звук и ультразвук может возникать и распространяться только в материальных средах и материалах. В вакууме ни звук, ни ультразвук существовать не могут.

Под ультразвуковыми колебаниями в акустике понимают такие колебания, частота которых лежит за верхним пределом слышимости человеческого уха, т.е. превосходит примерно 20 кГц.

Звуковые колебания, по частоте превышающие эту величину, относят к ультразвуковым. В настоящее время удается получить ультразвуковые колебания с частотой до 106 кГц и более.

Следовательно, область ультразвуковых колебаний превышает 16 октав. В длинах волн это означает, что ультразвуковые волны занимают очень широкий диапазон, простирающийся:

в воздухе (скорость распространения звука с ≈ 330 м/с, а длины волн соответственно от λ ≈ 1,6 до λ ≈ 0,3·10-4 см);

в жидкостях (скорость примерно с ≈ 1200 м/с, а длины волн от λ ≈ 6 доλ ≈ 1,2·10-4 см);

в твердых телах (примерная скорость распространения с ≈ 4000 м/с,

а длины волн, учитывая частотный диапазон в 16 октав, от λ ≈ 20 до λ ≈ 4·10-4 см).

Таким образом, длина наиболее коротких ультразвуковых волн по порядку величины сравнима с длиной видимых световых волн. Именно малость длин ультразвуковых колебаний и обусловила их применение во всех областях техники, технологии, медицины.

Ультразвук является своеобразной физической основой получения информации при различных измерениях, контроле и дефектоскопии. Заметим, что, кроме распространяющихся в материальных средах чисто продольных волн, к ультразвуковым колебаниям относятся колебания поперечные, поверхностные, изгиба и сдвига. Эти виды ультразвуковых колебаний имеют ту же физическую природу (т.е. колебания материальной среды или частиц материала).

Так, например, из-за неоднородности среды отраженные волны могут распространяться и в плоскости, перпендикулярной к начальному направлению - это и будут поперечные волны. На поверхности раздела двух материальных сред могут возникать и распространяться ультразвуковые волны, связанные с обеими средами - это и есть поверхностные волны.

Однако все виды ультразвуковых колебаний объединяет один физический факт - всегда направление переноса ультразвуковой энергии совпадает с направлением, в котором колеблются материальные частицы среды или материала. Реально в окружающем нас пространстве, в контролируемых с помощью ультразвука изделиях, в анизотропных средах, на границах раздела сред и т.п. в силу неоднородности последних всегда имеем дело с совокупностью видов звуковых и ультразвуковых колебаний.

Кроме того, при некоторых условиях возможны резонансные явления, а также явления сложения и вычитания (компенсация) колебаний. По этой причине, по аналогии с электромагнитным полем, следует говорить об акустическом поле.

Анализировать и аналитически описать звуковое поле весьма сложно. Основополагающие законы ультразвука получены в результате исследования одной продольной волны, но они как исходные, применяются и для анализа сложных акустических полей.

Законы акустики слышимого диапазона действуют без изменения в области ультразвука. Однако наблюдаются некоторые особые явления, не имеющие места в слышимом диапазоне, и обусловленные очень малыми длинами волн ультразвукового диапазона.

В первую очередь, это возможность визуального наблюдения ультразвуковых волн оптическими методами, которая позволяет реализовать многочисленные способы измерения различных констант материалов.

Ультразвуковой диапазон позволил создать новый класс акустооптических приборов и новое научно-техническое направление - акустооптику. Далее, благодаря малым длинам ультразвуковой волны допускают отличную фокусировку и, следовательно, получение остронаправленного излучения. Здесь можно говорить об ультразвуковых лучах и строить на их основе звукооптические системы, обладающие повышенной локальностью при контроле и диагностике изделий.

Сравнительно простыми техническими средствами удается получить ультразвуковые колебания больших интенсивностей, которые трудно получить в акустике слышимого диапазона. Последнее позволяет строить мощные гидролокационные станции, и применять ультразвук в различных технологических процессах в качестве своеобразного и эффективного инструмента при обработке твердых материалов и изделий, а также при смешивании, или разделении материалов, находящихся в жидкой фазе. Перейти на страницу: 1 2


Другое по теме:

Производительность мультисервисного узла доступа IP-телефония - это технология, которая обеспечивает голосовую связь по сетям передачи данных. Другими словами, IP-телефония позволяет осуществлять международные и междугородние переговоры в режиме реального времени через сеть Internet или любую ...