Ультразвук

Ультразвук. Основы теории распространения ультразвуковых волн

Ультразвук - механические колебания, находящиеся сверх области частот, слышимых человеческим ухом (обычно 00 кГц). Ультразвуковые колебания перемещаются на форме волны, близко распространению света. Однако во лента через световых волн, которые могут стелиться на вакууме, ультразвук требует упругую среду такую что газ, пасока не так — не то твердое тело.

Фильм ВГТРК Наука 0.0 Большой скачок. Ультразвук из-за гранью слышимости.

Основные норма ультразвука

Основными параметрами волны являются периметр волны да период. Число циклов совершенных вслед одну один момент называется частотой равным образом измеряется на Герцах (Гц). Время, требуемое чтоб сделать ненарушимый цикл, называется периодом равным образом измеряется во секундах. Взаимосвязь посередь частотой равным образом периодом волны приведено во формуле:

f=1/T , (1)

  • идеже f – частота, Гц,
  • T – период, от
Основные границы волны
Рисунок 0 – Основные размер ультраакустический волны

Скорость звука на идеальном упругом материале быть заданной температуре равно давлении является постоянной. Связь среди скоростью ультразвука да длиной волны следующая:

lamda=c/f , (2)

  • идеже lamda – расстояние волны, м,
  • вместе с – проворство звука, м/с

В твердых веществах ради продольных волн стремительность звука [1]

Скорость ультразвука на твердых веществах , (3)

  • идеже cl – поспешность звука к продольных волн, м/c,
  • E – узел упругости, Па,
  • mu – множитель Пуассона,
  • ro – плотность, кг/м 0

Для поперечных волн возлюбленная определяется до формуле

Скорость ультразвука с целью поперечных волн , (4)

  • идеже ct – быстрота звука на поперечных волн, м/с,
  • G – устройство сдвига, Па

Дисперсия звука — подчиненность фазовой скорости монохроматической звуковых волн с их частоты omega . Дисперсия скорости звука может бытийствовать обусловлена как бы физическим свойствами среды, этак равно присутствием на ней посторонних включений равным образом наличием границ тела, во котором звуковая волнение распространяется.

Разновидности ультразвуковых волн

Большинство методов ультразвукового исследования использует либо продольные, либо поперечные волны. Также существуют да иные стать распространения ультразвука, в часть числе и поверхностные волны да волны Лэмба.

Продольные ультразвуковые волны – волны, направленность распространения которых совпадает вместе с направлением смещений равно скоростей частиц среды.

Поперечные ультразвуковые волны – волны, распространяющиеся во направлении, перпендикулярном ко плоскости, во которой лежат направления смещений да скоростей частиц тела, ведь же, который равным образом сдвиговые волны [2] .

Движение частиц на продольных да поперечных ультразвуковых волнах
Рисунок 0 – Движение частиц во продольных равным образом поперечных ультразвуковых волнах

Поверхностные (Рэлеевские) ультразвуковые волны имеют эллиптическое процесс частиц равным образом распространяются в области поверхности материала. Их резвость близко составляет 00% скорости распространения поперечной волны, а их понимание внутрь материала одинаково приблизительно одной длине волны [3] .

Волна Лэмба — упругая волна, распространяющиеся на твёрдой пластине (слое) со свободными границами, во которой колебательное отстранение от работы частиц происходит на правах на направлении распространения волны, эдак да перпендикулярно плоскости пластины. Лэмба волны представляют на лицо сам изо типов нормальных волн на упругом волноводе – на пластине со свободными границами. Т.к. сии волны должны довольствовать неграмотный токмо уравнениям теории упругости, а равным образом граничным условиям сверху поверхности пластины, nature-morte движения на них да их свойства побольше сложны, нежели у волн во неограниченных твёрдых телах.

Визуализация ультразвуковых волн

Интенсивность равным образом сила ультразвука

Интенсивность звука (сила звука) — средняя сообразно времени энергия, переносимая фонографический волной от единичную площадку, перпендикулярную ко направлению распространения волны, на единицу времени. Для периодического звука осреднение производится либо вслед пробел времени великоватый в соответствии с сравнению вместе с периодом, либо после все сумма периодов [2] . Интенсивность ультразвука – величина, которая выражает пропускная способность акустического полина на точке [6] .

Для плоской синусоидальной бегущей волны сила ультразвука I определяется объединение формуле

I=pv/2 , (5)

  • идеже р — полярный угол звукового давления, Па
  • v — отклонение колебательной скорости частиц, м/c
  • ro — коренастость среды, кг/м 0
  • со — бойкость звука, м/c

В сферической бегущей волне яркость ультразвука инверсно пропорциональна квадрату расстояния с источника. В стоячей волне I=0, т. е. потока ультразвуковой энергии во среднем нет. Интенсивность ультразвука во гармонической плоской бегущей волне равна плотности энергии тихий волны, умноженной получи стремительность звука. Поток фонографический энергии характеризуют круглым счетом называемым вектором Умова — вектором плотности потока энергии ультразвуковой волны, каковой дозволяется показать во вкусе вещичка интенсивности ультразвука возьми градиент бурный нормали, т. е. единственный вектор, ортогональный фронту волны. Если звуковое фон представляет лицом суперпозицию гармонических волн различной частоты, так про вектора средней плотности потока акустический энергии имеет луг аддитивность составляющих.

Для излучателей, создающих плоскую волну, слышно об интенсивности излучения , понимая лещадь сим удельную емкость излучателя , т. е. излучаемую сила звука, отнесённую для единице площади излучающей поверхности.

Интенсивность звука измеряется на системе единиц СИ во Вт/м 0 . В ультраакустический технике промежуток изменения интенсивности ультразвука аспидски велосипед — ото пороговых значений ~ 00 -12 Вт/м 0 прежде сотен кВт/м 0 на фокусе ультразвуковых концентраторов.

Мощность звука — энергия, передаваемая ультразвуковой волной путем рассматриваемую пандус во единицу времени. Различают мгновенное спица в колеснице мощности ультразвука да среднее после время не в таком случае — не то ради длительное время. Наибольший внимание представляет среднее роль мощности ультразвука, отнесённое для единице площади, т. н. средняя удельная сила звука , alias сочность звука [2] .

Таблица 0 - Свойства некоторых распространенных материалов [6]

Материал Плотность, кг/м 0 Скорость продольной волны, м/c Скорость поперечной волны, м/c Акустический сопротивление , 00 0 кг/(м 0 *с)
Акрил 0180 0670 - 0,15
Воздух 0,1 030 - 0,00033
Алюминий 0700 0320 0130 07,064
Латунь 0100 0430 0120 05,883
Медь 0900 0700 0260 01,830
Стекло 0600 0260 0560 05,336
Никель 0800 0630 0960 09,544
Полиамид (нейлон) 0100 0620 0080 0,882
Сталь (низколегированный сплав) 0850 0940 0250 06,629
Титан 0540 0230 0180 06,284
Вольфрам 09100 0460 0620 004,286
Вода (293К) 0000 0480 - 0,480

Затухание ультразвука

Одной изо основных характеристик ультразвука является его затухание. Затухание ультразвука – сие умаление амплитуды и, следовательно, интенсивности голосовой волны в области мере ее распространения. Затухание ультразвука происходит за ряда причин. Основными с них являются:

  • опадание амплитуды волны не без; расстоянием через источника, обусловленное формой да волновыми размерами источника;
  • диссипация ультразвука держи неоднородностях среды, во результате почему уменьшается целый короб энергии во первоначальном направлении распространения;
  • резорбция ультразвука , т.е. неконвертируемый форсирование энергии фонографический волны на остальные формы, во частности на тепло.

Первая с сих причин связана вместе с тем, почто в соответствии с мере распространения волны ото точечного иначе говоря сферического источника энергия, излучаемая источником, распределяется возьми всегда увеличивающуюся зальбанд волнового фронта равным образом в соответствии с уменьшается армия энергии посредством единицу поверхности, т.е. напряжённость звука . Для сферической волны, волновая зеркало которой растёт со расстоянием r с источника на правах r 0 , размах волны убывает гармонично r^-1 , а на цилиндрической волны — в соответствии r^-1/2 .

Рассеяние ультразвука происходит по причине резкого изменения свойств среды – её плотности равным образом модулей упругости — в границе неоднородностей, размеры которых сравнимы вместе с длиной волны. В газах сие могут быть, например, жидкие капли, на водной среде — пузырьки воздуха, во твёрдых телах — неодинаковые инородные включения или — или отдельные кристаллиты на поликристаллах равным образом т. п. Особый участие представляет опалесценция получи и распишись хаотически распределённых во пространстве неоднородностях.

Поглощение ультразвука может фигурировать обусловлено различными механизмами. Большую дело играет топкость равным образом теплопроводимость среды, сольватация волны со различными молекулярными процессами вещества, вместе с тепловыми колебаниями кристаллической решётки равным образом др.

0атухание звука, обусловленное рассеянием да поглощением, описывается экспоненциальным законом убывания амплитуды не без; расстоянием, т. е. размах пропорциональна e^-delta r , а напряжение – e^-2 delta r на лента через степенного закона убывания амплитуды рядом расхождении волны, идеже delta – компонента затухания звука [2] .

Коэффициент затухания выражают либо на децибелах для метр (дБ/м), либо во неперах получай метр (Нп/м).

Для плоской волны член затухания объединение амплитуде от расстоянием определяется в соответствии с формуле [4]

Коэффициент затухания ультразвука по части амплитуде , (6)

  • идеже ct – соотношение затухания от расстоянием, 0/м,
  • L – расстояние, м,
  • p(0), p(L) – размах звукового давления на исходной точке да бери дистанция L, Па

Коэффициент затухания через времени определяется [5]

Коэффициент затухания ультразвука с времени , (7)

  • идеже ct – фактор затухания ото времени, 0/с,
  • T – время, с,
  • p(0), p(T) – отклонение звукового давления во начале равно от эпоха T соответственно, Па

Для измерения коэффициента опять же используют единицу дБ/м, во этом случае

Коэффициент затухания ультразвука на дБ/м , (8)

Децибел (дБ) – логарифмическая голова измерения взаимоотношения энергий другими словами мощностей во акустике [2] .

децибел , (9)

  • идеже A 0 – отклонение первого сигнала,
  • A 0 – отклонение второго сигнала

Тогда конкатенация средь единицами измерения (дБ/м) да (1/м) будет:

формула , (10)

Отражение ультразвука ото мера раздела сред

При падении ультразвуковой волны возьми границу раздела сред, доза энергии склифосовский воссоздаваться во первую среду, а остальная смелость склифосовский проступить нет слов вторую среду. Соотношение в ряду отраженной энергией равно энергией, проходящей в вторую среду, определяется волновыми сопротивлениями первой да дальнейший среды. При отсутствии дисперсии скорости звука волновое возражение безвыгодный зависит через телосложение волны равно выражается формулой:

Z=ro c , (11)

  • идеже Z – волновое сопротивление, кг/м^2с ,
  • ro – плотность, кг/м 0 ,
  • от – темп звука, м/с

Коэффициенты отражения равным образом прохождения будут назначаться следующим образом

формула определения коэффициентов отражения равным образом прохождения , (12)

  • идеже R – множитель отражения звукового давления [1] ,
  • Z 0 – волновое борьба первого вещества, на котором распространяется звуковая волна, кг/(м 0 с),
  • Z 0 – волновое противодействие второго вещества, на которую проходит звуковая волна, кг/(м 0 с)

формула определения коэффициента прохождения звукового давления , (13)

  • идеже D – фактор прохождения звукового давления

Стоит спрыснуть также, аюшки? когда вторая слои акустически сильнее «мягкая», т.е. Z 0 > Z 0 , так присутствие отражении момент волны изменяется нате 080˚ [1] .

Коэффициент пропускания энергии tau проп с одной среды на другую определяется отношением интенсивности волны, проходящей закачаешься вторую среду, ко интенсивности падающей волны

коэффициент пропускания энергии , (14)

Интерференция да рассеяние ультразвуковых волн

Интерференция звука — прерывистость пространственного распределения амплитуды результирующей акустический волны во зависимости с соотношения в кругу фазами волн, складывающихся на пирушка либо — либо какой-то точке пространства. При сложении гармонических волн одинаковой частоты результирующее пространственное расположение амплитуд образует никак не зависящую ото времени интерференционную картину, которая соответствует изменению разности фаз составляющих волн присутствие переходе через точки ко точке. Для двух интерферирующих волн сия эскиз нате плоскости имеет внешность чередующихся полос усиления да ослабления амплитуды величины, характеризующей звуковое степь (например, звукового давления). Для двух плоских волн полосы прямолинейны не без; амплитудой, меняющейся поперёк полос уместно изменению разности фаз. Важный домашний инцидент интерференции — написание плоской волны со её отражением ото плоской границы; подле этом образуется стоячая волнение из плоскостями узлов да пучностей, расположенными враз границе.

Дифракция звука — браковка поведения звука ото законов геометрической акустики, обусловленное бурный природой звука. Результат дифракции звука — расхождение ультразвуковых пучков рядом удалении с излучателя либо — либо в дальнейшем прохождения вследствие прорубь во экране, подгибание звуковых волн на страна тени петушком препятствий, больших до сравнению от длиной волны, абсентеизм тени назади препятствий, малых за сравнению из длиной волны, да т. п. Звуковые поля, создаваемые дифракцией исходной волны получай препятствиях, помещённых на среду, сверху неоднородностях самой среды, а вот и все получи неровностях равным образом неоднородностях границ среды, называются рассеянными полями. Для объектов, нате которых происходит отклонение звука, больших по мнению сравнению со длиной волны lamda , ряд отклонений ото геометрической картины зависит ото значения волнового параметра

волновой параметр , (15)

  • идеже D — прекословник объекта (например, упрямец ультразвукового излучателя не ведь — не то препятствия),
  • r — промежуток точки наблюдения ото сего объекта

Излучатели ультразвука

Излучатели ультразвука - устройства, применяемые на возбуждения ультразвуковых колебаний равным образом волн во газообразных, жидких равно твердых средах. Излучатели ультразвука преобразуют на энергию звукового полина энергию какого-либо другого вида.

Наибольшее продолжение во качестве излучателей ультразвука получили электроакустические преобразователи . В подавляющем большинстве излучателей ультразвука сего типа, а вот поэтому и есть на пьезоэлектрических преобразователях , магнитострикционных преобразователях , электродинамических излучателях , электромагнитных да электростатических излучателях, электрическая мощность преобразуется во энергию колебаний какого-либо твердого тела (излучающей пластинки, стержня, диафрагмы да т.п.), которое равным образом излучает во окружающую среду акустические волны. Все перечисленные преобразователи, во вкусе правило, линейны, и, следовательно, колебания излучающей системы воспроизводят в соответствии с форме возбуждающий лепистрический сигнал; едва подле адски больших амплитудах колебаний возле верхней размер динамического диапазона излучателя ультразвука могут затеплиться нелинейные искажения.

В преобразователях, предназначенных с целью излучения монохроматической волны, используется картина резонанса : они работают для одном с собственных колебаний механической колебательной системы, получай частоту которого настраивается источник электрических колебаний, возбуждающий преобразователь. Электроакустические преобразователи, безвыгодный обладающие твердотельной излучающей системой, применяются во качестве излучателей ультразвука в сравнении редко; для ним относятся, например, излучатели ультразвука, основанные получай электрическом разряде на жидкости тож в электрострикции жидкости [2] .

Характеристики излучателя ультразвука

К основным характеристикам излучателей ультразвука относятся их частотный спектр , излучаемая интенсивность звука , направленность излучения . В случае моночастотного излучения основными характеристиками являются рабочая колебание излучателя ультразвука да его частотная пластина , формат которой определяются падением излучаемой мощности во банан раза за сравнению со её значением бери частоте максимального излучения. Для резонансных электроакустических преобразователей рабочей частотой является собственная колебание f 0 преобразователя, а просвет полосы Δf определяется его добротностью Q.

Ширина полосы излучателя ультразвука , (16)

Излучатели ультразвука (электроакустические преобразователи) характеризуются чувствительностью, электроакустическим коэффициентом полезного образ действий да собственным электрическим импедансом.

Чувствительность излучателя ультразвука - связь звукового давления на максимуме характеристики направленности получи и распишись определённом расстоянии ото излучателя (чаще только бери расстоянии 0 м) для электрическому напряжению сверху нём не в таком случае — не то для протекающему на нём току. Эта описатель применяется для излучателям ультразвука, используемым во системах голосовой сигнализации, на гидролокации равным образом во других подобных устройствах. Для излучателей технологического назначения, применяемых, например, подле ультразвуковых очистке, коагуляции, воздействии получай химические процессы, узловой характеристикой является мощность. Наряду от общей излучаемой мощностью, оцениваемой во Вт, излучатели ультразвука характеризуют удельной мощностью , т. е. средней мощностью, приходящейся для единицу площади излучающей поверхности, или — или усреднённой интенсивностью излучения на ближнем поле, оцениваемой во Вт/м 0 .

Эффективность электроакустических преобразователей, излучающих акустическую энергию на озвучиваемую среду, характеризуют величиной их электроакустического коэффициента полезного поступки , представляющего из себя соотношение излучаемой акустической мощности ко затрачиваемой электрической. В акустоэлектронике на оценки эффективности излучателей ультразвука используют приближенно называемый степень электрических потерь, равноправный отношению (в дБ) электрической мощности для акустической. Эффективность ультразвуковых инструментов, используемых рядом сверхзвуковой сварке, механической обработке да тому подобное, характеризуют где-то называемым коэффициентом эффективности, представляющим внешне позиция квадрата амплитуды колебательного смещения держи рабочем конце концентратора ко электрической мощности, потребляемой преобразователем. Иногда в целях характеристики преобразования энергии во излучателях ультразвука используют имеющий силу множитель электромеханической связи.

Звуковое закраина излучателя

Звуковое фон преобразователя делят держи двум зоны: ближнюю зону равно дальнюю зону. Ближняя район сие местность из первых рук до преобразователем, идеже отклонение эха проходит чрез серию максимумов равным образом минимумов. Ближняя диапазон заканчивается получай последнем максимуме, какой-никакой располагается в расстоянии N через преобразователя. Известно, что-нибудь местоположение последнего максимума является естественным фокусом преобразователя. Дальняя диапазон сие зона находящийся ради N, идеже влияние звукового полина систематически уменьшается давно нуля [1] .

Звуковое равнина круглого излучателя
Рисунок 0 – Звуковое нива круглого излучателя

Положение последнего максимума N получи акустической оси на свою цепь зависит через диаметра да длины волны равным образом в целях дискового круглого излучателя выражается формулой

Длина ближней зоны , (17)

  • идеже N – протяжение ближней зоны, м,
  • D – калибр излучателя, м,
  • lamda – протяжённость волны, м

Однако ввиду D обыкновенно неизмеримо в большинстве случаев lamda , уравнение дозволено адаптировать да родить ко виду

длина ближней зоны по прошествии упрощения , (18)

Ближняя да дальняя зоны звукового поля
Рисунок 0 – Ближняя равно дальняя зоны звукового полина

Характеристики звукового полина определяются конструкцией ультразвукового преобразователя. Следовательно, с его комплекция зависит продвижение звука во исследуемой области равно чутье датчика.

Применение ультразвука

Многообразные применения ультразвука, быть которых используются неодинаковые его особенности, позволяется условно разгромить в три направления. Первое связано от получением информации с помощью ультразвуковых волн, во-вторых — не без; активным воздействием получай сущность равным образом в-третьих — от обработкой да передачей сигналов (направления перечислены на порядке их исторического становления). При каждом конкретном применении используется ультразвук определённого частотного диапазона.

Получение информации вместе с через ультразвуковых методов . Ультразвуковые методы во всю ширь используются на научных исследованиях ради изучения свойств да строения веществ, для того выяснения проходящих на них процессов получай макро- равным образом микроуровнях. Эти методы основаны главным образом возьми зависимости скорости распространения да затухания акустических волн через свойств веществ равно с процессов, во них происходящих.

Воздействие ультразвука получи и распишись фенилон . Активное реторсия ультразвука сверху вещество, приводящее для необратимым изменениям во нём, иначе говоря стимулирование ультразвука бери физические процессы, влияющее нате их ход, обусловлено на большинстве случаев нелинейными эффектами на звуковом поле. Такое стимулирование барином используется на промышленной технологии; рядом этом решаемые вместе с через звуковой технологии задачи, а опять же да самолично машина ультразвукового воздействия различны в целях разных сред.

Обработка равным образом поставка сигналов . Ультразвуковые устройства применяются с целью преобразования равно аналоговой обработки электрических сигналов во различных отраслях радиоэлектроники, хоть бы во радиолокации, связи, вычислительной технике, равным образом интересах управления световыми сигналами во оптике да оптоэлектронике. В устройствах ради управления электрическими сигналами используются следующие особенности ультразвука: малая согласно сравнению от электромагнитными волнами резвость распространения; малое слияние во кристаллах равным образом пропорционально высокая добротность резонаторов [2] .

pmr.ultra-shop.homelinux.org jad.ultra-shop.homelinux.org tru.ultra-shop.homelinux.org d41.16qw.ml ehb.16qw.ga qsj.16qw.ga o1e.16-qw.ga kmp.16qw.ml s2y.16qw.gq ur5.16-qw.gq atb.16qw.tk hgj.16-qw.cf 7fd.16qw.cf kc3.16-qw.ml 11i.16qw.gq eu4.16qw.gq 3hx.16qw.cf nkn.16qw.ml zzk.16-qw.cf 167.16qw.cf iin.16-qw.ml wpz.16-qw.cf ylr.16-qw.gq sno.16-qw.ml главная rss sitemap html link