Основы акустики по физике

Физические основы акустики

Область физики, изучающая колебательные движения в упругих (твердой,жидкой и газообразной) средах, называется акустикой. Акустика первоначально возникла как наука, исследующая звуковые, т.е. слышимые ухом, колебания. Но, в настоящее время предметом изучения акустики являются и другие механические колебания, которые недоступны слуху человека из-за очень низкой (инфразвук) или высокой (ультразвук) и сверхвысокой (гиперзвук) частоты.

Ультразвуковая волна — это звуковые колебания, превосходящие по частоте определенный порог. Диапазон слышимости звука у человека составляет 20-20 000 Гц. Диапазон черно-белого изображения ультразвука (режим серой шкалы) 2-15 МГц; доплеровские частоты несколько ниже.

В диагностической аппаратуре используется лишь относительно небольшой участок ультразвукового диапазона. Это связано с тем, что колебания высокой частоты не могут глубоко проникать в ткани, а низкие частоты не обес­печивают достаточного качества изображения из-за невысокого разрешения. Самые высокие рабочие частоты имеют датчики офтальмологических аппаратов, низкие — ультразвуковых остеометров и синускопов.

Звуковыми, а также ультра-, гипер- или инфразвуковыми — в зависимости от частоты называются колебания, распространяющиеся в виде продольной волны. Продольная волна представляет собой периодические (повторяющиеся) перемещения частиц среды вперед-назад от положения равновесия. При этом, одни частицы среды толкают другие, находящиеся перед ними и возвращаются на место. Такая волна называется продольной, поскольку перемещение частиц среды происходит по направлению воздействия возмущающего фактора, в отличие от поперечной волны, когда направление колебаний частиц перпендикулярно действующей силе.

Колебательные движения описываются значением ряда параметров: амплитуды, периода, частоты колебаний, длины волны и др.

В тканях тела распространяются только продольные волны, которые представляют собой возвратно-поступательные перемещения частиц среды. Так как продольная волна представляет собой чередующиеся зоны разрежения и сжатия вещества среды, частота колебаний является числом сжатий и разрежений в единицу времени. Измеряется эта величина в герцах (1Гц = одному сжатию разрежению за одну секунду). Период колебаний — это время, за которое происходит одно сжатие и одно разрежение, т.е. величина, обратная частоте колебаний.

где Т — период колебаний, с;

f —частота колебаний, Гц.

Длина волны характеризуется расстоянием между соседними участками с одинаковой степенью разрежения или сжатия. Это расстояние проходит волна за период одного колебания.

Длина волны, частота, период и скорость распространения колебаний связаны между собой простой зависимостью:

где X —длина волны, м;

v — скорость распространения волны, м/с;

f — частота колебаний, Гц;

Т- период колебаний, сек, т.е.

При постоянной скорости звука эти величины обратно пропорциональны. При увеличении частоты длина волны уменьшается, и наоборот.

Скорость распространения волны определяется как расстояние, пройденное волной в среде за 1 секунду. Этот параметр зависит прежде всего от свойств среды (плотности, однородности) и лишь в небольших пределах от изменения температуры. Температура тела человека является практически постоянной величиной, ее колебания в несколько десятых долей градуса существенно не влияют на скорость ультразвука.

X—длина волны (м); f—частота колебаний (Мгц).

3. Физические аспекты ультразвука, нашедшие применение в медицине.

Скорость, с которой ультразвук распространяется в среде, зависит от свойств этой среды, в частности, от ее плотности. Скорость распространения ультразвука в тканях человека при температуре 37°С равна 1540 м/с. Для скорости ультразвука 1540 м/сек, длина волны составляет 0,44 мм на частоте 3,5 Мгц, около 0,3 мм на частоте 5 Мгц.

Если плотность, структура и температура одинаковы по всей среде, то такая среда называется гомогенной. В гомогенной среде волны распространяются линейно. Различные среды обладают различными свойствами, из которых для нас особенно важен акустический импеданс. Акустический импеданс равен произведению плотности среды на скорость распространения в ней звука и характеризует степень сопротивления среды распространению звуковой волны. Скорость распространения ультразвуковой волны в тканях практически постоянна, поэтому в эхокардиографии акустический импеданс — лишь функция плотности той или иной ткани. Разные ткани: миокард, перикард, кровь, створки клапанов и т. д. — имеют разную плотность. Даже при незначительном различии плотностей между средами возникает эффект «раздела фаз». Ультразвуковая волна, достигшая границы двух сред, может отразиться от границы или пройти через нее.

— угол падения равен углу отражения;

— из-за различий акустических импедансов сред угол преломления не равен углу падения.

Соотношение между углом падения (отражения) и углом преломления описывается формулой:

где n — акустический импеданс,

t — угол между направлением распространения звуковой волны и перпендикуляром к границе фаз.

Чем меньше угол падения (т. е. чем ближе направление распространение звуковой волны к перпендикуляру), тем больше доля отраженных звуковых волн.

Доля отраженного ультразвука определяется тремя факторами:

— разностью акустического импеданса сред — чем больше эта разность, тем больше отражение;

— углом падения — чем ближе он к 90°, тем больше отражение;

— соотношением размеров объекта и длины волны — размеры объекта должны быть не менее 1/4 длины волны. Для измерения меньших объектов требуется ультразвук с большей частотой (т. е. с меньшей длиной волны).

Пространственная разрешающая способность метода определяет расстояние между двумя объектами, при котором их еще можно различить. Например, частота 2,0 МГц дает разрешающую способность в 1 мм. Однако, чем выше частота, тем меньше проникающая способность ультразвука (глубина проникновения): тем легче происходит его затухание. Таким образом, важно найти оптимальную частоту, которая дает максимальную разрешающую способность при достаточной проникающей способности. В табл. приведены значения «половинного затухания» для разных сред, т. е. расстояния, на которых ультразвуковые волны с частотой 2,0 МГц теряют половину своей энергии.

Таблица 1.Значения половинного затухания ультразвуковых волн с частотой 2,0 МГц в различных средах
Среда	Расстояние, см
Вода	380
Кровь	15
Мягкие ткани (кроме мышц)	1—5
Мышечные ткани	0,6—1
Кости	0,7—0,2
Воздух	0,08
Легкие	0,05

Структуры, в которых происходит полное затухание ультразвуковых волн, иными словами, через которые ультразвук не может проникнуть, дают позади себя акустическую тень (shadowing).

Амплитуда колебаний представляет собой расстояние, на которое колеблющиеся частицы среды отклоняются от положения покоя. Величина амплитуды зависит от упругих свойств среды и от мощности ультразвуковой волны. Мощность ультразвуковой волны — это энергия, которая передается через окружающую излучатель поверхность в единицу времени. Данный показатель измеряется в обычных единицах мощности — ваттах (Вт).

Однако, более важной для живых тканей характеристикой является интенсивность ультразвукового излучения, которая определяется как мощность, приходящаяся на единицу площади (Вт/м2 или Вт/см2). Для полной уверенности в отсутствии побочных воздействий ультразвука на организм этот показатель не должен превышать 0,05 Вт/см2.

Распространение продольной волны в тканях не сопровождается переносом массы вещества в пространстве, но приводит к переносу энергии. Количество переносимой энергии по мере распространения волны уменьшается, так как происходит ее отражение и поглощение с переходом механической энергии в тепловую. Этот эффект, совершенно незначительный при малых уровнях интенсивности диагностического ультразвука, является основным действующим фактором в физиотерапевтических ультразвуковых устройствах. Глубина проникновения волны определяется не только мощностью, но и частотой ультразвуковых колебаний, а также свойствами упругости среды, в которую они излучаются. С одной стороны, чем меньше длина волны, (т.е. выше частота), тем более направленным, сфокусированным, будет излучение; с другой — чем выше частота колебаний, тем меньшей будет глубина проникновения ультразвуковой волны в ткани тела. Большие частоты поглощаются быстрее, чем меньшие. Низкие частоты лучше проникают в ткани. Большое значение имеет контакт кожи, геля и датчика. Если изучаемый объект расположен слишком поверхностно, для данного типа датчика можно использовать специальную прокладку.

Используемые в диагностических целях частоты ультразвука (примерно в диапазоне от 2-х до 15-ти МГц) позволяют получить узкие пучки ультразвукового излучения, проходящие с небольшим расхождением через ткани организма человека. Уменьшают расхождение ультразвукового луча специальные «фокусировочные линзы». При этом, частоты 2-3,5 МГц обеспечивают визуализацию на глубине более 15-20 см, а датчик с рабочей частотой 7,5 МГц — только поверхностно расположенных структур организма (не более 4-5 см). При больших частотах длина волны меньше. Более короткие волны позволяют различать отражающие объекты, расположенные на более близком расстоянии. Следовательно, при использовании более высоких частот разрешение выше, но меньше проникающая способность.

Ткани могут поглощать (преобразовывать в тепло), преломлять (сгибать подобно световым волнам), рассеивать и отражать звуковые волны. Отражение может быть диффузным (как на проекционном экране) или зеркальным (как в зеркале).

Отражение ультразвуковой волны составляет основной принцип действия современной диагностической ультразвуковой аппаратуры, работающей в режиме эхолокации. Часть направленной вглубь тканей энергии ультразвуковой волны отражается на границе неоднородностей внутренней структуры органов и тканей организма и вызывает микродеформацию пьезоэлемента датчика и появление в нем (по принципу прямого пьезоэффекта) электрического импульса, несущего информацию о внутреннем строении исследуемой области.

При близких значениях акустических сопротивлений большая часть ультразвуковой энергии проходит через границу двух сред. Однако современная аппаратура способна воспроизводить на экране отражение менее 1% ее мощности. Отражение будет прямо пропорционально разности акустического сопротивления на границе раздела двух неоднородных сред (тканей). Акустическое сопротивление зависит от плотности ткани и скорости распространения в ней ультразвука. Оно выражается формулой:

Z — акустическое сопротивление кг/м2/с,

Р — плотность среды кг/м3,

с — скорость распространения ультразвука, м/с.

Коэффициент отражения легко определить, если известны акустические сопротивления первой и второй сред:

Ra — коэффициент отражения по амплитуде,

Z1 и Z2 — акустические сопротивления сред.

Понятно, что чем больше разница между акустическими сопротивлениями двух сред, тем большая часть энергии волны отразится на их границе. Именно поэтому при проведении исследования так важно создать акустическую прослойку между датчиком и кожей, нанеся специальную контактную смазку, хорошо проводящую ультразвуковые колебания и тем самым свести к минимуму их отражение. Малейшая воздушная прослойка приводит к почти полному отражению ультразвуковой волны и невозможности получения какой-либо диагностической информации.

Поглощение характеризует количество энергии ультразвуковой волны, которое теряется в пересчете на определенный объем ткани, через которую проходит волна. Этот пропорциональный процесс: определенная доля энергии теряется при прохождении звука на данную глубину. Скорость потери также обратно пропорциональна частоте: чем больше частота, тем быстрее происходит потеря. Децибелы определяют энергию звука в логарифмической шкале, поэтому утрата примерно 3 дБ обозначает, что звуковая энергия стала слабее в 2 раза. Скорость поглощения зависит от типа ткани и в среднем составляет примерно 0,5—1 дБ/см/МГц. Следовательно, для волны с частотой 5 МГц теряется 2,5—5 дБ/см звуковой энергии, т.е. половина энергии волны на каждый сантиметр.

1. Cardiac Ultrasound. Edited by P. Wilde. London, 1993.

2. Клиническое руководство по ультразвуковой диагностике. Под редакцией Митькова В.В., Садриковой В.А., М., Т.5.,1999.

3. Фейгенбаум Х. Эхокардиография. М., 1999.

4. Инструментальные методы исследования в кардиологии: Руководство / Под ред. Г.И. Сидоренко. — Мн., 1994. — 270 с.

5. Моисеев В.С., Сумароков А.В. Болезни сердца: Руководство для врачей. — М.: Универсум Паблишинг, 2001. — 463 с.

6. Шиллер Н, Осипов М.А. Клиническая эхокардиография, второе издание. – М., Практика, 2005. – 344 с.

Источник

Акустика в физике

Содержание:

Акустика – наука, изучающая физическую природу звуковых волн и вопросы, связанные с возникновение распространением и восприятием звуковых волн. Акустика как наука, с одной стороны является одним из направлений физики (точнее – механики), которое занимается вопросами создания и распространения механических колебаний, с другой стороны тесно связана с психологией человека (восприятие звука человеком).

На странице -> решение задач по физике собраны решения задач и заданий с решёнными примерами по всем темам физики.

Акустика в физике

Акустика — это учение о звуке, то есть о волнах плотности в газах, Одесская опера. Оркестровая яма используется для лучшего направления в зрительный зал звукового потока. жидкостях и в твёрдых телах, слышимых человеческим ухом (диапазон от 16 Гц до 20 кГц), а в широком смысле — область физики, изучающая свойства упругих колебаний и волн от низких частот (условно от 0 Гц) до предельно высоких частот 1012 — 1013 Гц, их взаимодействия с веществом и применения полученных знаний для решения широкого круга инженерных проблем. Термином акустика, сейчас также, часто характеризуют систему звуковоспроизводящей аппаратуры.

Объективная и субъективная характеристики звука

Слуховые органы человека обладают способностью оценивать громкость звука, его высоту и тембр. Исследуя различные звуки с помощью электронного осциллографа, можно детально сопоставить объективную и субъективную оценки звука.

Так как звук есть результат колебательного процесса, происхо» дящего в воздухе, то его можно описать исчерпывающим образом графиком изменения амплитуды (смещения, скорости колебания или давления — это довольно безразлично) во времени. Подобный график дает возможность выяснить, является ли процесс периодическим, и если да, то определить основной тон колебания. Изучая

форму кривой периодического колебания, можно установить, какие обертоны присутствуют и с какими амплитудами. Иначе и более широко говоря, график зависимости колебания от времени позволяет всегда найти спектр колебания, т. е. узнать, какие в нем присутствуют частоты и с какими амплитудами они представлены в спектре. Получение графика происходит с помощью микрофона, присоединенного к осциллографу. В более совершенных установках происходит автоматическое преобразование графика колебания в его спектр.

Упрощенная схема такого анализатора показана на рис. 68. Входной звуковой сигнал, превращенный микрофоном в электрический, усиливается предварительным усилителем и попадает в устройство, состоящее из большого числа фильтров каждый из которых пропускает определенную полосу частот, например октавы (36—48, 48—60 , 60—72 Гц и т. д.).

Про фильтры можно сказать, что они раскладывают сигнал в спектр и при этом с тем большей разрешающей способностью, чем меньше частотный интервал фильтра. Выделенная фильтром часть спектра подается на контакты коммутатора и далее через усилитель и детектор (выпрямитель) направляется на пластины осциллографа, отклоняющие электронный луч по вертикали. Если бы на вторую пару пластин осциллографа напряжение не подавалось, то при включении каждого из фильтров электронный луч отклонялся бы на высоту, пропорциональную амплитуде соответствующей частотной составляющей спектра. Однако можно сделать много лучше, а именно включить при помощи второй пары пластин горизонтальную развертку электронного луча, так чтобы, автоматическое вращение коммутатора было однозначно связано с вращением коммутатора управляющего разверткой и приводимого в движение мотором М. Таким способом можно добиться того, чтобы амплитуды составляющих, пропущенных разными фильтрами, отмечались бы при разных, но вполне определенных горизонтальных смещениях электронного луча, задаваемых батареей Б.

Тогда на экране осциллографа возникнет спектр.

Линейчатые спектры возникают у периодических колебаний, сплошные — у колебаний, не имеющих периода. К первым относятся музыкальные звуки, ко вторым — различного рода шумы.

Один и тот же Музыкальный тон, взятый на разных инструментах, будет иметь одну и ту же основную частоту, но разный спектр. Тембровая окраска звука определяется распределением интенсив-ностей обертонов (см., например, рис. 69). Чем сложнее спектр, тем богаче тембр звука в музыкальном отношении. Интересно, что фазовые сдвиги обертонов (вернитесь к формуле на стр. 91) не влияют на субъективное восприятие звука. Ухо чувствует только силу обертонов.

Анализ шумов имеет практическое значение. Если известны частоты, особенно сильно представленные в шуме, то это облегчает установление причин шума, а значит, и его устранение.

Сила и громкость звука

На рис. 70 жирными кривыми ограничена область колебаний, воспринимаемых на слух средним человеком. По оси ординат отложены

две однозначно связанные величины: амплитуда звукового давления и сила (интенсивность) звука. Звуковое давление и сила звука связаны в простейшем случае формулой

Действительно, интенсивность волны

где — плотность энергии, т. е. Но Делая подстановку, мы получим написанную выше формулу. Сила звука может быть измерена в

Для воздуха Сильнейшие звуки, вызывающие болевое, ощущение, создаются давлением порядка 2000 бар, очень слабые звуки, но все же воспринимаемые средним человеком, имеют давление Мы получим для предельных ин-тенсивностей звука цифры от до

Столь большой диапазон интенсивностей делает целесообразным введение логарифмической шкалы. Если сила одного звука а другого то говорят, что громче на децибелов, если

Величину называют уровнем громкости. Таким образом, если силы звука отличаются в миллион раз, то по громкости они различаются на 60 децибелов.

Оценивая силу звука в децибелах, надо указать нулевой уровень. Обычно берут величину, близкую к порогу слышимости тогда шепот обладает громкостью порядка 15 дБ, а шум самолета — 120 дБ.

Возвращаясь еще раз к диаграмме слуховых восприятий, отметим, что область речи заключена в более узкие рамки как по частотам (от 100 до 10 000 Гц), так и по силам (от 40 до 80 дБ). Звуки разной частоты обладают различной слышимостью. Лучше всего ухо воспринимает частоты в несколько тысяч герц. Ниже 20 Гц лежит область инфразвуков, выше 10 000—20 000 Гц — область ультразвука.

Приведем примерные значения звукового давления интенсивности и громкости звука

Архитектурная акустика

В одних помещениях произносимая речь звучит неразборчиво, хотя и громко, в других залах оратору надо возвышать голос, чтобы быть услышанным. Представляют интерес поиски физических констант помещения, характеризующих его акустические свойства.

Опыт показывает, что важнейшим фактором такого рода является так называемое время реверберации — время, в течение которого произнесенный звук ослабляется в миллион раз по отношению к первоначальной силе. В акустическом отношении помещение наилучшее, е,сли время реверберации т составляет 0,5—1,5 с. Если т меньше 3 с, помещения считают хорошими. Если же время реверберации превосходит 5 с, то акустика такого помещения очень плоха, она характеризуется «тулким звучанием».

Произнесенный в каком-либо месте большого зала звук отражается от стенок, пола и потолка комнаты, отражается от мебели, от драпировок, от одежды сидящих в зрительном зале людей. Если при каждом отражений звук теряет большую долю энергии, то затухание звука произойдет очень быстро. Время реверберации в этом случае очень мало, звук будет «глухим». Гулкость возникнет в том случае, если звук будет многократно отражаться с малым затуханием. Слушатель будет улавливать звуковую волну, непосредственно достигшую уха, двукратно отраженную, трехкратно отраженную и т. д. Если время между приходом этих звуковых волн не превысит то ухо услышит не два или три звука, как в хорошо известном явлении эха, а воспримет размазанный и, следовательно, нечеткий-звук.

Очевидно, что вопрос о времени затухания звука определяется поглощением его на окружающих телах. Так как звук отражается многократно, то через короткое время постоянного звучания какого-либо источника все помещение более или менее равномерно заполнится звуковой, т. е. колебательной, энергией. Через короткий срок установится равновесие между энергией, отдаваемой источником, и энергией, поглощаемой средой. Заметим, кстати, что при отсутствии поглощения звуковая энергия в закрытом помещении возрастала бы неограниченно при постоянном звучании источника.

Представим себе, что источник звука прекратил свою работу. Тогда будет происходить лишь одно явление, а именно, поглощение звуковой энергии поверхностью тел, находящихся в помещении. Каждый из материалов, принимающий участие в этом процессе, обладает характерным для него коэффициентом поглощения Если в помещении имеется открытое окно, то для него можно принять коэффициент поглощения равным 1, так как звук полностью уходит (а это все равно, что поглощается) из помещения. Для гладкой и твердой стены коэффициент близок к нулю (для бетона 0,015). Теперь поглощение звука, характерное для всего помещения, можно описать величиной в этой сумме учитываются все поверхности, ограничивающие помещение. Теория показывает, что время реверберации зависит от величины и от объема помещения а именно, В этой формуле объем надо выразить в кубических метрах, а величину А — в квадратных метрах (0,16—размерный коэффициент).

Нетрудно с помощью последней формулы найти типичные значения времен реверберации. Коэффициент поглощения для бетона мы привели только что; не намного больше (до 3%) энергии поглощают стекло, дерево, штукатурка. Резкое увеличение поглощения происходит при внесении в помещение мягких материалов. Достаточно сказать, что одежда одного человека поглощает столько же звука, сколько стены. Для мягких материалов коэффициенты поглощения колеблются от 0,5 до 0,9. Для решения акустических проблем при строительстве зданий большое значение имеют пористые материалы, коэффициент поглощения которых может приблизиться к а для мягких материалов (пеностекло, пенобетон).

Атмосферная акустика

Если волна переходит из одной среды в другую, то она меняет направление распространения в соответствии с законом преломления. Угол, на который меняется направление распространения, определяется показателем преломления, т. е. отношением скоростей распространения.

Известно (§32), что скорость распространения звука чувствительно зависит от температуры. Изменение температуры на 1 °С увеличивает скорость звука примерно на 0,5 м/с. В различных слоях земной атмосферы температура имеет, как правило, разные значения.

Значит, в разных слоях воздуха звук будет иметь различную скорость. Как же скажется на распространении звука то обстоятельство, что он движется в среде, где коэффициент преломления непрерывно меняется?

Ответ на этот вопрос, дает схема, изображенная на рис. 71. Представим себе, что звук проходит через серию слоев, внутри которых показатель преломления постоянен, а при переходе от слоя к слою меняется скачком. Путь звуковой волны представится ломаной линией. Если же толщины слоев будут малы и различия в коэффициентах преломления начнут уменьшаться, то ломаная линия будет неотличима от кривой. Значит, в среде переменного показателя преломления звуковые волны распространяются, вообще говоря, по кривым линиям. При этом линия загибается всегда таким образом, что от точки к точке волна движется кратчайшее время (это положение носит название принципа Ферма). В этом случае прямая линия в известном смысле не является кратчайшей.

Покажем справедливость этого принципа для случая двух соседних участков ломаной кривой, которую мы только что рассматривали. Для простоты положим, что оба участка имеют равные толщины и разные скорости распространения Время, затрачиваемое волной, чтобы пройти указанный на рисунке путь, равно

Время выражено через независимую переменную х. Давая х различные значения, мы будем получать разные преломления и разные времена перехода от той же начальной точки к той же конечной точке.

Наименьшим время будет при условии, что т. е. при условии

Но есть синус угла падения, а — синус угла преломления. Мы доказали, что преломление волны происходит так, чтобы время ее движения стало минимальным. Следует подчеркнуть, что этот результат справедлив для всех волновых процессов, а не только для упругих волн.

Таким образом, волна, идущая в неоднородной среде, меняет свое направление так, чтобы удлинить свой путь в среде с большой скоростью распространения и сократить его в слоях, где скорость распространения меньше. Иначе говоря, слои с большой скоростью распространения будут проходиться по возможности полого, а слои с малой скоростью распространения — по возможности отвесно.

Эти замечания делают вполне понятными рисунки, на которых схематически представлен ход звуковой волны для случая, когда температура воздуха убывает с высотой (что обычно имеет место днем) и когда температура возрастает с высотой (ночные условия) (рис. 72).

В данном случае большая скорость распространения звука имеет место в слоях, близких к земле. Если проследить за распространением звуковой волны, вышедшей из надземного пункта под небольшим углом к вертикали, то обнаружится следующая картина. Каждый последующий слой отклоняет волну все дальше и дальше от вертикали. Когда угол падения достигнет угла для которого преломление прекращается, происходит полное отражение. Формально причины полного отражения понятны: не может стать большим единицы. Физическая сущность этого интересного явления будет рассмотрена ниже (§ 128) на примере электромагнитных волн. Как бы то ни было, волна не только не распространяется вдоль земной поверхности, но, напротив, поворачивается и направляется вверх. Нарисованная картина делает понятным образование «зон молчания». Ночью путь звуковой волны обращен выпуклостью кверху. Поэтому слышимость ночью много выше, чем днем. Если же звук распространяется над отражающей поверхностью (водная гладь), то несильные звуки могут быть слышны за несколько километров. Путь волны представляет тогда последовательность выпуклых дуг (рис. 73).

Действие ультразвука

Колебательная энергия в единице объема звукового поля пропорциональна квадрату частоты. Действительно, плотность колебательной энергии но амплитуда скоростиа следовательно, пропорционально Сильные источники ультразвука способны создать колебания с амплитудой давления в десятки атмосфер. Таким образом, в микрообъемах вещества несколько тысяч раз в секунду напряжение достигает десятков атмосфер давления, падает до нуля, достигает десятков атмосфер растяжения и т. д.

Ясно, что такое сильное механическое действие может привести к ряду специфических явлений. К ним относится явление кавитации. В момент колебания, соответствующий предельному растяжению в жидкости, находящееся в ультразвуковом поле, происходит микроскопический разрыв, куда устремляются растворенные газы и пар. В момент колебания, соответствующий сжатию, в области этих разрывов возникают колоссальные давления порядка тысяч атмосфер.

Столь существенные действия ультразвука могут быть использованы для преодоления сил, действующих между молекулами. Эмульсии (жир в воде, бензол в воде и пр.) диспергируются под действием ультразвука. В частице, взвешенной в воде, наступает рано или поздно кавитационный разрыв. Дробящее действие ультразвука находит широкое применение в промышленности.

Однако и при отсутствии кавитации действие ультразвука может быть немаловажным. Если ультразвуковая волна проходит через аэрозоль (газ со взвешенными твердыми частицами, например дым), то результатом является осаждение частиц. Ультразвуковые колебания собирают твердые частицы в узлах звукового давления, частицы слипаются и становятся достаточно тяжелыми, чтобы опуститься на землю.

Нахождение раковин, внутренних трещин и других дефектов металлов с помощью ультразвукового просвечивания является также важной областью применения ультразвука. Метод основан на отражении ультразвука границей среда — воздух или основной металл— включение. Заметный эффект будет получен лишь в том случае, если размеры дефекта больше длины волны. Чтобы увидеть дефект размером в 1 мм, нужна длина волны менее 0,1 мм и, значит, частоты порядка Обычно работают на много меньших частотах и применяют метод для обнаружения крупных пороков.

Широко известно применение ультразвука в эхолотах и гидролокаторах.

Услуги по физике:

Лекции по физике:

Присылайте задания в любое время дня и ночи в ➔

Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.

Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды.

Сайт предназначен для облегчения образовательного путешествия студентам очникам и заочникам по вопросам обучения . Наталья Брильёнова не предлагает и не оказывает товары и услуги.

Источник