Физическая сущность ультразвука

 

Все известные в природе звуки по своей физической сущности едины. Они представляют собой упругие колебания, распространяющиеся в газах, жидкостях и твердых телах в виде волн. Существенной физической разницы между звуком и ультразвуком нет. Их различие заключается в способности человеческого уха реагировать на упругие колебания среды; звуковые колебания являются слышимыми, а ультразвуковые - неслышимыми.

Сущность упругих колебаний можно пояснить таким примером. Если тело М (рис. 3), упруго скрепленное пружиной с жесткой опорой, из положения равновесия сдвинуть в положение 1, растянув для этого пружину, а затем отпустить его, то оно начнет совершать колебательные движения от положения I до положения II. С потерей энергии эти колебания постепенно прекратятся, но при повторном воздействии на тело возобновятся.

Колебательная система

Рис 3 – Простейшая колебательная система

Размах этих колебаний с определенным допущением можно выразить величиной 2l, т. е. тело М относительно своего положения равновесия совершает в нашем случае колебания в обе стороны по горизонтали условно с одинаковым смещением l. Наибольшее смещение колеблющегося тела от положения своего равновесия называют амплитудой (A) колебаний; полный размах колебаний составляет величину 2А.

Механические упругие колебания распространяются в виде волн, следующих одна за одной с определенной частотой (f). Частотой называют число колебаний, совершаемых в одну секунду. За единицу частоты принято одно колебание в секунду - герц (Гц); 1000 Гц составляют 1 килогерц (кГц).

Под ультразвуковыми колебаниями принято понимать упругие механические колебания в диапазоне частот от 16 кГц (16 тыс. колебаний в секунду) и выше (до 10-7 Гц). На практике наиболее часто используют упругие механические колебания частотой до 48-70 кГц.

Отрезок времени, в течение которого выведенное из состояния равновесия тело совершает одно полное колебание, т. е. выходит из положе нему возвращается, называется периодом (Т) колебания.

Число, показывающее, какая часть периода прошла от начала колебания тела, называется фазой колебания. Если фазы двух колебаний одинаковы, то говорят, что эти колебания происходят в одной фазе. И, наоборот, если фазы двух колебаний отличаются на 0,5 периода, то это означает, что колебания происходят в противоположных фазах.

Выведенное из состояния равновесия тело будет продолжать колебаться без дополнительного (повторного) воздействия некоторое время; частоту таких колебаний называют собственной частотой колебаний тела. Постепенно амплитуда таких колебаний будет уменьшаться. Поэтому их называют затухающими или свободными. Они возникают, когда тело, получив некоторое количество энергии извне, например от толчка, колеблется некоторое время под воздействием силы, направление которой противоположно направлению смещения тела (возвращающая сила).

Если же какой-либо источник колебаний периодически сообщает телу колебания, а амплитуда последних остается в течение какого-то времени неизменной, то такие колебания называют незатухающими. Незатухающие колебания, вызванные внешним периодическим воздействием, называют вынужденными колебаниями.

Физическая сущность ультразвука

Рис 4 – Схема незатухающих колебаний: 1- область разрежения, 2 – область сжатия

Незатухающие колебания можно схематично представить в виде упругих, например продольных, волн (рис. 4). Волной называют явление распространения звуковых (ультразвуковых) колебаний в определенной среде. Продольными называют волны, при которых направление следования колебаний частиц среды (твердое тело, жидкость или газ) совпадает с направлением распространения волн. Эти волны имеют синусоидальную форму. При прохождении продольных волн в какой-либо среде отдельные участки последней подвергаются де формациям сжатия и разрежения. Эти деформации являются упругими в любой среде: твердой, жидкой и газообразной, т. е. продольные упругие волны могут распространяться в любой из этих сред.

Важнейшей характеристикой волнового движения является длина волны (l), представляющая собой расстояние между двумя соседними сжатиями или разрежениями, находящимися в одном периоде колебаний, т. е. в одной фазе. В областях сжатия (пучности) амплитуда колебаний имеет максимальное значение; в областях разрежения (узлы) - минимальное.

Звуковые волны, распространяющиеся в среде, вызывают колебания ее материальной точки. Энергия колебаний последней передается окружающим ее частицам этой среды, а они в свою очередь передают колебания новым частицам и т. д. Таким образом, звуковые и ультразвуковые колебания периодически, т. е. с определенной частотой, изменяют состояние среды, в которой они распространяются. В результате всем частицам данной среды, связанным друг с другом, сообщается энергия звуковых волн.

Если частицы среды движутся перпендикулярно направлению распространения волн, то эти волны называют поперечными (сдвиговыми). Поперечные волны имеют место только в твердых телах; в жидкостях и газах они не распространяются, так как такие среды не обладают упругостью формы.

В твердых телах кроме продольных и поперечных волн могут иметь место поверхностные волны, которые не проникают в глубину тела, а распространяются по его поверхности. На практике наиболее широкое применение имеют продольные волны.

Скорость распространения упругих колебаний различна для различных сред и зависит от их плотности и сжимаемости. Так, для многих металлических материалов скорость распространения продольных волн составляет от 4000 до 7000 м/с, поперечных - от 2000 до 3500 м/с, а поверхностных - примерно 0,9 последних.

Похожие материалы