Источники Звуковых Волн

Министерство образования и  науки РФ Федеральное агентство по образованию

Государственное Образовательное  Учреждение Высшего Профессионального  Образования

Иркутский Государственный Технический  Университет

 

 

 

Реферат

«Источники Звуковых Волн»

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

Студент 1 курса 

группы Элб -12-1

Назарекно Дмитрий

Проверил : доц.  Елин В.П.________________

 

Иркутск 2012 г. 

Содержание

Введение 3

Приборы для приема и излучения звуковых волн. 9

Применение звуковых волн 11

Список  литературы 13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Звуковые волны

Наше зрение – это способность  улавливать свет – очень высокочастотные  электромагнитные волны, отраженные объектом наблюдения.

Благодаря зрению мы получаем большую часть информации об окружающем мире. Однако свет может проходить только через воздух, стекло и еще очень небольшое количество прозрачных материалов.

Прозрачность – это  способность физических тел пропускать световые волны. Непрозрачность большинства  материалов означает, что световые волны частично поглощаются. Поэтому увидеть внутреннее строение подавляющего большинства физических тел мы не можем. Из выше сказанного следует, что для «просвечивания» оптически непрозрачных тел можно воспользоваться волнами другой физической природы, например, звуковыми и, используя аналогию между световыми и выбранными волнами иного происхождения осуществить процесс, подобный оптическому видению. Под аналогией подразумевается способность воспринимать волны, отраженные от объекта и упорядочить их в пространстве так, как это делает хрусталик нашего глаза.

Рассмотрим, что такое  звуковые волны и их основные характеристики.

Если в некотором объеме  среды вызвать механическое возмущение, то частицы среды этого объема смещаются из положения покоя  и приходят в движение. Благодаря  упругим силам, действующим между  частицами, возникающее движение будет  последовательно передаваться соседним частицам и возмущение с некоторой  скоростью будет распространяться в среде. Такое движение называется волновым движением или волной.

Когда возмущение достаточно малы и вызываемые ими деформации линейно связаны с упругими силами, волна в идеальной безграничной среде распространяется без изменения формы и называется акустической волной. Область, в пределах которой происходит распространение акустической волны, называется акустическим полем. Если возмущение имеет периодический характер, то создаваемое им поле называют звуковым.

При распространении звуковой волны в какой-либо среде в  одних местах происходит сгущение частиц и повышение давления, в других – разряжение частиц и понижение  давления. Приращение начального давления, обусловленное звуковой волной, называется акустическим давлением или звуковым давлением. В идеальных (невязких) жидкостях возникают только нормальные напряжения, вызывающие распространение волны в направлении смещения частиц, такая волна называется продольной. При касательных напряжениях возбуждаются поперечные волны – колебания частиц происходят перпендикулярно к направлению распространения волны.

Рассмотрим основные соотношения, характеризующие упругую среду. Пусть в некоторый начальный момент объем упругой среды увеличился и занял объем V. Тогда относительное изменение V, , называемое расширением, определится как:

.

При изменении объема меняется плотность среды  . Относительное изменение плотности S, называемое уплотнением, определяется как:

 

 

Основываясь на очевидном  равенстве 

,

получим:

.

При условии  ; , что обычно достаточно хорошо  соблюдается в акустике, получим:

.

При малых изменениях объема относительное изменение плотности  равно относительному изменению  объема с обратным знаком.

Относительное изменение  объема в упругой среде сопровождается изменением давления  . - обозначается как и носит название избыточного или звукового давления. Очевидно, что пропорционально расширению

,

где - коэффициент объемной упругости, - коэффициент сжимаемости.

Соотношение между давлением  и линейной деформацией.

Выделим элементарный объем ***** , ограниченных одинаковыми участками плоскостей, перпендикулярных оси Х.

При малых смещениях 

,

где - линейная деформация, можно положить, что

,

тогда

,

т.е. звуковое давление пропорционально  линейной деформации.

Если на грани а₁b₁ существует давление р, то на грани а₂b₂ в этот же момент оно равно ;

Давление р есть функция координат х, следовательно

Составим уравнение движения выделенного объема. Масса объема равна  , ускорение , результирующая сила равна , получим уравнение:

,

с учетом получим:

и используя выражение  , получим:

,

где .

Уравнение называется волновым уравнением и является основным, описывающим  распространение звуковых волн.

Величина  называется удельным акустическим или волновым сопротивлением и является важной акустической характеристикой среды.

Основные свойства распространения  звуковых волн.

В среде с постоянным -фром звуковой волны от точки возбуждения до точки приема распространяется по прямой лини, называемую лучом.

Если среда имеет плоскую  границу отражения, то в точку  приема отраженная волна приходит так, если бы она была возбуждена в сплошной среде в точке, расширенной зеркально  к источнику.

При прохождении из среды  со скоростью звука с₁, в среду со скоростью с₂, изменение направления лучей подчиняется закону импульсов:

Все закономерности удовлетворяющие  одному общему принципу, показаны выше, это принцип наименьшего времени  Ферма.

Из выше сказанного можно  сделать вывод, что акустические волны, отраженные от объекта с  , которое отличается от среды распространения, характеризуют этот объект и могут быть использованы для получения изображения этого объекта.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приборы для приема и излучения  звуковых волн.

 

Вся современная техническая  акустика основывается на процессах  преобразования энергии электрических  колебаний в энергию звуковых или механических колебаний и  обратно. Такие устройства называются электроакустическими и электромеханическими преобразователями.

Электрические преобразователи  механических колебаний можно разделить  на два класса: обратимые и необратимые (вентильные).

Типичным примером вентильного  приемника является угольный микрофон.

К наиболее распространенным обратимым электромеханическим  преобразователям относится пьезоэлектрические, магнитострикционные, электродинамические, электростатические преобразователи.

В преобразователях предназначенных  для излучения монохромного сигнала  используется явление резонанса: они  работают на одном собственных колебаниях механической системы, на частоту которых  настраивается генератор электрических  колебаний, возбуждающий преобразователь.

К основным характеристикам  излучателей относятся их частотный  спектр, излучаемая мощность звука, направленность излучения.

Для резонансных электроакустических  преобразователей рабочей частотой является собственная частота  и ширина полосы пропускания , где - добротность.

Также характеризуется чувствительностью, электроакустическим к.п.д. и собственным  электрическим импедансом.

Обратимые преобразователи  в режиме приема акустического сигнала  позволяет воспроизводить временную  форму сигнала и, следовательно, получить сведения о его фазе, частоте  и спектре.

Приемники, размеры которых  много меньше длины волны, так  называемые точечные, позволяют получить сложную пространственную структуру  акустического поля.

Итак, звуковые волны, излученные какими-либо источниками, могут проходить  через оптически непрозрачные тела, отражаться от инородных включений, имеющихся в них, и достигать  внешней поверхности тел.

Их распространение в  однородной и неоднородной среде  аналогично распространению световых волн.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Применение звуковых волн

Звуколокация.

На явлении эхо основан  метод определения расстояний до различных предметов и обнаружения  их месторасположений. Допустим, что  каким-нибудь источником звука испущен  звуковой сигнал и зафиксирован момент его испускания. Звук встретил какое-то препятствие, отразился от него, вернулся и был принят приёмником звука. Если при этом был измерен промежуток времени между моментами испускания и приёма, то легко найти и расстояние до препятствия. За измеренное время t звук прошёл расстояние 2s, где s - это расстояние до препятствия, а 2s - расстояние от источника звука до препятствия и от препятствия до приёмника звука

По этой формуле можно  найти расстояние до отражателя сигнала. Но ведь надо ещё знать, где он находится, в каком направлении от источника сигнал встретил его. Между тем звук распространяется по всем направлениям, и отраженный сигнал мог прийти с разных сторон. Чтобы избежать этой трудности используют не обычный звук, а ультразвук.

Ультразвуковые волны  по своей природе такие же, как  обычные звуковые волны, но не воспринимаются человеком как звук. Это объясняется тем, что частота колебаний в них больше, чем 20 000 Гц. Такие волны наблюдаются в природе. Есть даже такие живые существа, способные их испускать и принимать. Ультразвуковые волны и притом большой мощности можно создавать с помощью электрических и магнитных методов.

Главная особенность ультразвуковых волн состоит в том, что их можно  сделать направленными, распространяющимися  по определённому направлению от источника. Благодаря этому по отражению  ультразвука можно не только найти  расстояние, но и узнать, где находится  тот предмет, который их отразил. Так можно, например, измерять глубину  моря под кораблем.

Звуколокаторы позволяют  обнаруживать и определять местоположение различных повреждений в изделиях, например пустоты, трещины, постороннего включения и  др. В медицине ультразвук используют для обнаружения различных аномалий в теле больного - опухолей, искажений формы органов или их частей и т.д. Чем короче длина ультразвуковой волны, тем меньше размеры обнаруживаемых деталей. Ультразвук используется также для лечения некоторых болезней.

 

 

Ультразвуковая  обработка.

 

 Ультразвуковые волны  так же используют в станках  для обработки хрупких и твёрдых материалов.

Основа станка - преобразователь  энергии высокочастотных колебаний  электрического тока. Ток поступает  на обмотку преобразователя от электронного генератора и превращается в энергию  механических (ультразвуковых) колебаний  той же частоты. К преобразователю присоединён специальный волновод, который, увеличивая амплитуду колебаний, передаёт их к инструменту такой формы, какой нужно получить отверстие. Инструмент прижимают к материалу, в котором надо получить отверстие, а к месту обработки  подводят зёрна абразива размером меньше 100 мкм, смешанные с водой. Эти зёрна попадают между инструментом и материалом, и инструмент, как отбойный молоток, вбивает их в материал. Если материал хрупкий, то зёрна абразива откалывают от него микрочастицы размером 1 - 5 мкм. Но это не так мало! Частиц абразива под инструментом сотни и инструмент наносит более 20 000 ударов в одну секунду, поэтому процесс обработки проходит достаточно быстро, и отверстие диаметром 20 - 30 мм  в стекле толщиной 10 - 15 мм  можно сделать примерно за одну минуту.

Список  литературы

1. Тюлин В.Н. «Введение в теорию излучателя и рассеяния звука»
2. Свердлин Г.М. «Прикладная гидроакустика»
3. Гик Л.Д. «Акустическая голография»
4. Ультразвук / под редакцией Голямина И.П.