Лекция 8 Акустические методы НК

План лекции. Общие понятия: упругие материалы, линейные, однородные, изотропные и анизатропные среды. Продольные, поперечные (сдвиговые) волны и их физические характеристики: скорость, частота, длина, волновое число. Ультразвуковой диапазон волн, акустическое сопротивление контролируемых сред.

Природа и свойства ультразвуковых колебаний. Если в сплошной среде – газах, жидкостях или твердых телах частицы среды окажутся выведенными из положения равновесия, то упругие силы, действующие на них со стороны других частиц, будут возвращать их в положение равновесия. При этом частицы будет совершать колебательное движение. Распространение упругих колебаний в сплошной среде представляет собой волнообразный процесс.
Колебания с частотой от единиц Гц до 20 Гц называются инфразвуковыми, при частоте от 20 Гц до 16…20 кГц колебания создают слышимые звуки. Ультразвуковые колебания соответствуют частотам от 16…20 кГц до 10⁸ Гц, а колебания с частотой более 10⁸ Гц получили название гиперзвуков. На рис.8.1 показана логарифмическая шкала частот, выполненная на основе выражения lg₂f = 1, 2, 3 …, n, где 1, 2, 3 …, n – номера октав.

Рисунок 8.1 - Диапазоны упругих колебаний в материальных средах

Физическая природа упругих колебаний одинакова во всем диапазоне частот. Свойства упругих колебаний.
Форма волны - это форма волнового фронта, т.е. совокупности точек, обладающих одинаковой фазой. Звуковые волны подразделяются по типу волн: они могут быть продольными, поперечными, изгибными, крутильными – в зависимости от условий возбуждения и распространения.

В жидкостях и газах распространяются только продольные волны, в твердых телах могут возникать также поперечные и другие из перечисленных типов волн. В продольной волне направление колебаний частиц совпадает с направлением распространения волны (Рис. 8.2, а), скорость продольной волны

где –Е – модуль Юнга; ρ – плотность среды.

поперечная волна распространяется перпендикулярно направлению колебаний частиц (Рис.8.2, б), скорость поперечной волны

где –G – модуль сдвига; ρ – плотность среды.

а) б)

Рисунок 8.2 – Движение частиц при распространении волны. -

а) - движение частиц среды при распространении продольной волны;

б) - движение частиц среды при распространении поперечной волны.

Продольными называются волны когда направление колебаний, частиц среды совпадают с направлением акустических волн и в среде возникают упругие деформации сжатия.

Любая волна, как колебание, распространяющееся во времени и в пространстве, может быть охарактеризована частотой, длиной волны и амплитудой (Рис. 8.3). При этом длина волны λ связана с частотой f через скорость распространения волны в данном материале c:

λ = c/f.

Частота – это количество колебаний, совершаемых системой в единицу времени; длина волны – это расстояние, которое проходит волна за время равное периоду колебаний T (T = 1/ f), т. е. за время, затраченное на одно колебание; амплитуда колебаний – это максимальное отклонение колебательной системы от положения равновесия.

Рисунок 8.3 - Характеристики колебательного процесса

Длина волныλ — это расстояние, которое проходит волна, пока частица среды совершает одно колебательное движение. Расстояние между соседними максимумами или минимумами возмущения считают длиной волны.
Амплитуда колебаний А - представляет собой максимальное смещение частицы из положения равновесия во время ее колебательного движения, вызванного возбуждением частиц среды.
Частота колебани й f — это число колебаний, совершаемых частицей среды за одну секунду. Для звуковых волн, генерируемых средой, характерен непрерывный ряд или диапазон частот. Самая низкая частота волны называется основной или собственной, а остальные являются гармониками или обертонами. Частота второй гармоники в два раза превышает собственную частоту системы. Аналогично частота третьей гармоники превышает ее в три раза и т.д.
Период колебаний Т - это время, необходимое частице для совершения одного колебатель-ного движения. По определению время, за которое волна производит f колебаний, равно 1 секунде.
Колебание – это возвратно-поступательное движение из одного крайнего положения в другое и обратно через положение равновесия.
Фаза колебаний φ — это отношение смещения колеблющейся частицы в данный момент времени к его амплитудному значению. Если точки колебательного процесса находятся в одной фазе (их разность фаз составляет 2π), то расстояние между этими двумя точками равно одной длине волны λ.
Скорость распространения колебаний С — это расстояние, пройденное волной за одну сек.