Физические основы ультразвука

Ультразвук - упругие колебания и волны с частотами приблизительно от 1,5— 2 Ч104 Гц (15—20 кГц) и до 109 Гц (1 ГГц).

Таблица 3

Диапазон частот ультразвука

Каждая из этих подобластей характеризуется своими специфическими особенностями генерации, приёма, распространения и применения.

По своей физической природе ультразвук представляет собой упругие волны и в этом он не отличается от звука. Частотная граница между звуковыми и ультразвуковыми волнами поэтому условна; она определяется субъективными свойствами человеческого слуха и соответствует усреднённой верхней границе слышимого звука. Однако благодаря более высоким частотам и, следовательно, малым длинам волн имеет место ряд особенностей распространения ультразвука. Так, для УЗВЧ длины волн в воздухе составляют 3,4Ч10-3—3,4Ч10-5 см, в воде 1,5Ч10-2—1,5 Ч10-4 см и в стали 5Ч10-2— 5Ч10-4 см. Ультразвук в газах и, в частности, в воздухе распространяется с большим затуханием. Жидкости и твёрдые тела (в особенности монокристаллы) представляют собой, как правило, хорошие проводники ультразвука, затухание в которых значительно меньше. Так, например, в воде затухание ультразвука при прочих равных условиях приблизительно в 1000 раз меньше, чем в воздухе. Поэтому области использования УСЧ и УЗВЧ относятся почти исключительно к жидкостям и твёрдым телам, а в воздухе и газах применяют только УНЧ. Ввиду малой длины волны ультразвука на характере его распространения сказывается молекулярная структура среды, поэтому, измеряя скорость ультразвука и коэффициент поглощения, можно судить о молекулярных свойствах вещества.[11]

Измерение скорости ультразвука в твердых телах, жидкостях и газах указывают на то, что скорость не зависит от частоты колебаний или длины звуковой волны, т.е. для звуковых волн не характерна дисперсия. В твердых телах могут распространяться продольные и поперечные волны, скорость распространения которых находят с помощью формул:

, (2.1)

, (2.2)

где Е – модуль Юнга, G – модуль сдвига в твердых телах. В твердых телах скорость распространения продольных волн почти в два раза больше чем скорость распространения поперечных волн.

В жидкостях и газах могут распространяться лишь продольные волны. Скорость звука в воде находят за формулой:

, (2.3)

где K- модуль объемного сжатия вещества.

В жидкостях при возрастании температуры скорость звука возрастает, что связано с уменьшением коэффициента объемного сжатия жидкости.

Для газов выведена формула, которая связывает их давление с плотностью:

, ( 2.4 )

впервые эту формулу для нахождения скорости звука в газах использовал И. Ньютон. Из формулы (2.4) видно, что скорость распространения звука в газах не зависит от температуры, она также не зависит от давления, поскольку при возрастании давления возрастает и плотность газа. Формуле ( 2.4 ) можно придать и более рациональный вид: на основе уравнения Менделеева – Клапейрона:

, (2.5)

тогда скорость звука будет равна:

, ( 2.6 )

Формула ( 2.6 ) носит название формулы Ньютона. Рассчитанная с ее помощью скорость звука в воздухе составляет при 273К 280 м/с. Реальная же экспериментальная скорость составляет 330 м/с. Этот результат значительно отличается от теоретического и причину этого установил Лаплас. Он показал, что распространение звука в воздухе происходит адиабатно. Звуковые волны в газах распространяются так быстро, что, что созданные локальные изменения объема и давления в газовой среде происходят без теплообмена с окружающей средой. Лаплас вывел уравнение для нахождения скорости звука в газах:

Информация по теме:

Расчет количества резервных каналов связи
Коэффициент готовности пучка каналов связи определяется по формуле (если каждого канала по направлению равны) , где - количество каналов в пучке (рассчитано в пункте 10 для каждого направления). Произведем расчет для участка Хабаровск-Комсомольск: . Тогда . Так как , то необходимо добавлять резервн ...

Конкуренция на рынке сбыта
Конкуренция на данном рынке очень серьёзная. Это такие современные мастерские, рассредоточенные по всему населённому пункту. Ситуация на рынке обслуживания автомобилей напрямую зависит от тенденции развития отечественного автопарка. За последние 10 лег он бизнес план увеличился в 2,5 раза и в насто ...

Преимущества и недостатки разных способов снабжения
Преимуществом снабжения судов водой из городских водопроводов является высокая надежность данного способа. Однако использование его связано с необходимостью периодического подхода судов к местам заправки водой, на что затрачивается дополнительное время, если этот процесс не совпадает с периодами по ...