Физические основы ультразвука

Ультразвуком принято называть механические колебания упругой мате­риальной среды с частотой, превышающей предел слышимости человечес­кого уха в диапазоне частот от 20 кГц до 20 МГц. Диапазон нижних частот от 20 Гц до 20 кГц называется звуковым, а до 20 Гц – инфразвуковым. Диа­пазон верхних частот (свыше 20 МГц) принято называть гиперзвуковым.

Распространяясь в упругой среде, ультразвук создает волнообразное смещение частиц среды, образуя области сжатия или растяжения этих час­тиц. В природе наиболее часто встречаются два вида колебаний – непрерыв­ные или импульсные в зависимости от способа их возбуждения.

Непрерывные колебания, распространяясь в упругой среде, образуют волну, которую можно описать уравнением

(5.27)

где а – смещение частицы среды относительно положения равновесия; А – амплитуда смещения; – круговая частота, ; Т – период колебания; f – частота колебания; V – скорость распространения волны; Х – текущая координата.

Между частотой f и периодом колебаний T существует зависимость

(5.28)

Следовательно, период ультразвуковых колебаний находится в преде­лах от T = 1/20000 = 5´10^–5 с до
Т = 1 / 20 000 000 = 5´10^–8 с.

Такие малые промежутки времени удобнее выражать в микросекундах (1 мкс = 1´10^–бс).

Ультразвуковая волна, как и любая другая, периодична во времени и в пространстве. Временной период Т и пространственный период λ, который принято называть длиной волны, а также частота колебаний f и скорость их распространения V связаны соотношением

(5.29)

На рис. 5.17, а показаны непрерывные гармонические колебания час­тиц упругой среды с постоянной установившейся амплитудой и частотой.

При распространении волны амплитуда или частота могут изменяться по определенному закону, и такая волна называется модулированной по амплитуде или по частоте. Кроме непрерывных колебаний в природе быва­ют импульсные колебания, когда энергия от одной частицы к другой пере­дается порциями на протяжении определенного времени. Отличительной особенностью таких колебаний является то, что частицы совершают колеба­ния от состояния покоя до максимальной амплитуды, и далее колебания уменьшаются опять до состояния покоя. Характер импульсного колебания в значительной степени зависит от вида внешнего воздействия и способа пе­редачи энергии.

Наиболее распространенным способом возбуждения импульсного ко­лебания в твердой упругой среде является механический удар. На рис. 5.17, б приведен характер импульсных колебаний, возбуждае­мых в преобразователях с помощью электрического разряда. Величина Т _с называется периодом следования импульсов.

Рис. 5.17. Формы механических колебаний:
а – непрерывные синусоидальные; А – амплитуда
колебаний; 1 – длина волны; б – импульсные;
Т _с – период следования импульсов

Физическая природа ультразвука такая же, что и звука, поэтому нет существенной разницы между ультразвуком и слышимым звуком, и все ос­новные явления акустики наблюдаются и в ультразвуковой области частот.

Частицы материальной среды, в которой распространяется ультразвук, совершают колебательные движения около своих положений равновесия, создавая при этом зоны сжатия и растяжения. Такие колебания частицы со­вершают не в одной, а в нескольких плоскостях.

Дата добавления: 2014-11-25