Акустические волны

Акустическими волнами называются продольные волны, распространяющиеся в газообразных, жидких и твердых средах. Если частота волны лежит в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц, то они называются звуковыми. Волны, частота которых меньше 20 Гц, называются инфразвуком, если больше 20 кГц – ультразвуком.

При нормальных условиях в атмосфере Земли скорость звука практически не зависит от частоты и составляет .

Основные параметры звука:

- высота – характеристика определяемая частотой основной гармоники колебаний,

- тембр – характеристика, определяемая количеством гармонических составляющих,

- громкость – параметр, зависящий от амплитуды звуковых колебаний.

Поверхностью или фронтом волны называется геометрическое место точек среды, имеющих одинаковую фазу колебаний. Направление перпендикулярное фронту волны называется лучом.

Волновой фронт может иметь различную форму. Если источник звука имеет размер малый по сравнению с длиной волны, то он излучает практически сферическую волну. В противном случае геометрия источника колебаний определяет геометрию фронта волны. Если источник колебаний находится на бесконечности, то фронт волны, регистрируемый нами является плоским. Если фронт волны плоский, то лучи параллельны сами себе.

Так как скорость распространения волны зависит от плотности среды, то при прохождении раздела двух сред звук претерпевает преломление и отражение. Преломление, это изменение направления распространения волны – резкий излом лучей на границе раздела двух сред.

Законы преломления и отражения изучались Рэлеем. Им был установлен, что угол падения волны равен углу отражения и что взаимосвязь между углом падения и углом преломления имеет вид:

,

где - угол падения волны, - угол преломления волны, - соответственно скорости распространения волны в первой и во второй среде.

Если интенсивность звука в первой среде, то интенсивность звука во второй (определяется следующим образом:

,

где - коэффициент проникновения Рэлея.

Из закона сохранения энергии следует, что коэффициент отражения волны () равен:

.

Факт отражения звуковых колебаний от раздела двух сред используется в ультразвуковой дефектоскопии, в медицине – УЗИ, на этом принципе работают эхолоты и т.д.

1. Основы гидродинамики и аэродинамики

В этом разделе физики изучаются:

1. законы движения жидкости,

1. силы, с которыми движущаяся жидкость действует на помещенные в нее тела.

Первая задача решается путем применения законов механики с учетом двух специфических свойств жидкостей и газов а) вязкости и б) сжимаемости.

В качестве наиболее простой модели жидкости (газа) берут такую жидкость (газ), у которой отсутствуют вязкость и сжимаемость. Это идеальная жидкость (газ) с точки зрения гидродинамики. Такая модель применима во многих случаях, даже в случае легко сжимаемых газов при не слишком больших скоростях.

Вторая задача решается учетом сил, действующей со стороны движущейся жидкости на объемное тело. При малых скоростях это силы вязкости, при больших скоростях – силы инерции частиц жидкости. Величина этих обеих сил зависит только от относительного перемещения жидкости и находящегося в ней тела.

Чтобы иметь представление о движении жидкости нужно знать движение каждого ее элементарного объема. Поэтому вводится понятие «линия тока». Направление линии тока в каждой точке совпадает с направлением скорости движения частиц жидкости. Величина скорости характеризуется густотой линий тока.

В случае установившегося потока скорости частиц в каждой точке остаются неизменными во времени и линии тока совпадают с траекториями движения частиц жидкости.

Часть потока, ограниченная линиями тока называется трубкой тока.

При течении жидкости в каналах или трубах ситуация вблизи стенок осложнена трением жидкости о стенки. Вдали от стенок течение не осложнено их влиянием и называется свободным течением.

Течения жидкости можно разделить на два класса: потенциальные и вихревые. Если вращение элементарных объемов жидкости отсутствует, то течение потенциальное, в противном случае – вихревое.

Дата добавления: 2014-01-05