Ультразвуковые колебания имеют частоту

Содержание

Ультразвук широко применяется в косметологии и физиотерапии, и представляет собой высокочастотные механические колебания частиц среды, которые распространяются в ней в виде попеременных сжатий и разрежений вещества. Частота ультразвуковых колебаний лежит в неслышном акустическом диапазоне (выше 16 кГц).

Товары, которые упоминаются в статье

US-PEELING, лосьон для ультразвуковой чистки и дезинкрустации

FILLER EFFECT, гель с олигосферами гиалуроновой кислоты 4D

HYAL ULTRA, аппаратный гель с НМ гиалуроновой кислотой

LIFTING ULTRA, аппаратный лифтинг-гель с эластином и коллагеном

В физиотерапии и косметологии используют ультразвук частотой 24-42 кГц, 800-900 кГц или около 3000 кГц.

Основными физическими параметрами и величинами, которые используются для оценки свойств ультразвука, являются частота и интенсивность ультразвуковых колебаний.

Частота ультразвука

Частота колебаний – это число чередований сжатий и разряжений в единицу времени. Единица измерения в СИ – герц (Гц). 1 Гц – одно колебание в секунду. В терапевтической практике ультразвук используют в диапазоне частот 800-3000 кГц (1 кГц=1000 Гц). Выбор частоты ультразвука зависит от глубины расположения органов и тканей, подлежащих воздействию. При поверхностном их расположении применяют ультразвук высокой частоты (3 МГц), при более глубоком – более низкие частоты.

Глубина проникновения ультразвука

Глубина проникновения УЗ-колебаний зависит от их частоты. Чем больше частота колебаний, тем меньше глубина проникновения и наоборот.

  • При частоте 1600-3000 кГц ультразвук проникает на глубину 1-1,5 см (поглощается кожей).
  • при частоте 800-900 кГц – на 4-5 см.
  • при частоте 20-45 кГц проникает на глубину 8-14 см.

При этом следует иметь ввиду, что глубина проникновения веществ при фонофорезе значительно меньше, чем глубина проникновения ультразвуковых волн (колебаний).

Интенсивность ультразвука

Интенсивность ультразвуковых колебаний – это количество энергии, проходящее через 1 см² площади излучателя аппарата в течение 1 секунды. Единица измерения в системе СИ – Вт/см². Применяемую в физиотерапевтической и косметологической практике интенсивность ультразвуковых колебаний условно подразделяют на:

малая интенсивность оказывает стимулирующее действие

средняя — коррегирующее действие (противовоспалительное, обезболивающее)

большая — рассасывающее действие.

Из новых методик интересна так называемая «ультразвуковая липосакция» — применение низкочастотного (20-45 кГц) ультразвука со сверхбольшой интенсивностью – до 3 Вт/см².

Скорость распространения ультразвука в различных средах

Скорость распространения ультразвуковых колебаний в тканях зависит от плотности среды и величины акустического сопротивления. Чем плотнее ткань, тем больше скорость распространения ультразвука. Так, в воздухе она равна 330 м/с, в воде – 1500 м/с, в сыворотке крови – 1060-1540 м/с, в костной ткани – 3350 м/с. Поэтому в неоднородных средах, какими являются ткани организма, распространение ультразвука происходит неравномерно. Таким образом, максимум поглощения ультразвуковой энергии наблюдается в костной ткани, на границе разных тканей, а также на внутренних мембранах клеток.

Частота ультразвуковых колебаний, применяемых в промышленности и биологии, лежит в диапазоне порядка нескольких МГц. Такие колебания обычно создают с помощью пьезокерамических преобразователей из титанита бария. В тех случаях, когда основное значение имеет мощность ультразвуковых колебаний, обычно используются механические источники ультразвука. Первоначально все ультразвуковые волны получали механическим путем (камертоны, свистки, сирены).

В природе УЗ встречается как в качестве компонентов многих естественных шумов (в шуме ветра, водопада, дождя, в шуме гальки, перекатываемой морским прибоем, в звуках, сопровождающих грозовые разряды, и т. д.), так и среди звуков животного мира. Некоторые животные пользуются ультразвуковыми волнами для обнаружения препятствий, ориентировки в пространстве.

Излучатели ультразвука можно подразделить на две большие группы. К первой относятся излучатели-генераторы; колебания в них возбуждаются из-за наличия препятствий на пути постоянного потока — струи газа или жидкости. Вторая группа излучателей — электроакустические преобразователи; они преобразуют уже заданные колебания электрического напряжения или тока в механическое колебание твердого тела, которое и излучает в окружающую среду акустические волны.

Свисток Гальтона

Первый ультразвуковой свисток сделал в 1883 году англичанин Гальтон. Ультразвук здесь создается подобно звуку высокого тона на острие ножа, когда на него попадает поток воздуха. Роль такого острия в свистке Гальтона играет «губа» в маленькой цилиндрической резонансной полости. Газ, пропускаемый под высоким давлением через полый цилиндр, ударяется об эту «губу»; возникают колебания, частота которых (она составляет около 170 кГц) определяется размерами сопла и губы. Мощность свистка Гальтона невелика. В основном его применяют для подачи команд при дрессировке собак и кошек.

Жидкостный ультразвуковой свисток

Большинство ультразвуковых свистков можно приспособить для работы в жидкой среде. По сравнению с электрическими источниками ультразвука жидкостные ультразвуковые свистки маломощны, но иногда, например, для ультразвуковой гомогенизации, они обладают существенным преимуществом. Так как ультразвуковые волны возникают непосредственно в жидкой среде, то не происходит потери энергии ультразвуковых волн при переходе из одной среды в другую. Пожалуй, наиболее удачной является конструкция жидкостного ультразвукового свистка, изготовленного английскими учеными Коттелем и Гудменом в начале 50-х годов XX века. В нем поток жидкости под высоким давлением выходит из эллиптического сопла и направляется на стальную пластинку. Различные модификации этой конструкции получили довольно широкое распространение для получения однородных сред. Благодаря простоте и устойчивости своей конструкции (разрушается только колеблющаяся пластинка) такие системы долговечны и недороги.

Сирена

Другая разновидность механических источников ультразвука — сирена. Она обладает относительно большой мощностью и применяется в полицейских и пожарных машинах. Все ротационные сирены состоят из камеры, закрытой сверху диском (статором), в котором сделано большое количество отверстий. Столько же отверстий имеется и на вращающемся внутри камеры диске — роторе. При вращении ротора положение отверстий в нём периодически совпадает с положением отверстий на статоре. В камеру непрерывно подаётся сжатый воздух, который вырывается из неё в те короткие мгновения, когда отверстия на роторе и статоре совпадают.

Основная задача при изготовлении сирен — это во-первых- сделать как можно больше отверстий в роторе, во-вторых- достичь большой скорости его вращения. Однако практически выполнить оба эти требования очень трудно.

Ультразвук в природе

Летучие мыши, использующие при ночном ориентировании эхолокацию, испускают при этом ртом (кожановые — Vespertilionidae) или имеющим форму параболического зеркала носовым отверстием (подковоносые — Rhinolophidae) сигналы чрезвычайно высокой интенсивности. На расстоянии 1 — 5 см от головы животного давление ультразвука достигает 60 мбар, то есть соответствует в слышимой нами частотной области давлению звука, создаваемого отбойным молотком. Эхо своих сигналов летучие мыши способны воспринимать при давлении всего 0,001 мбар, то есть в 10000 раз меньше, чем у испускаемых сигналов. При этом летучие мыши могут обходить при полете препятствия даже в том случае, когда на эхолокационные сигналы накладываются ультразвуковые помехи с давлением 20 мбар. Механизм этой высокой помехоустойчивости еще неизвестен. При локализации летучими мышами предметов, например, вертикально натянутых нитей с диаметром всего 0,005 — 0,008 мм на расстоянии 20см (половина размаха крыльев), решающую роль играют сдвиг во времени и разница в интенсивности между испускаемым и отраженным сигналами. Подковоносы могут ориентироваться и с помощью только одного уха (моноаурально), что существенно облегчается крупными непрерывно движущимися ушными раковинами. Они способны компенсировать даже частотный сдвиг между испускаемыми и отражёнными сигналами, обусловленный эффектом Доплера (при приближении к предмету эхо является более высокочастотным, чем посылаемый сигнал). Понижая во время полёта эхолокационную частоту таким образом, чтобы частота отражённого ультразвука оставалась в области максимальной чувствительности их «слуховых» центров, они могут определить скорость собственного перемещения.

Читайте также:  Прикорм для месячного котенка

У ночных бабочек из семейства медведиц развился генератор ультразвуковых помех, «сбивающий со следа» летучих мышей, преследующих этих насекомых.

Эхолокацию используют для навигации и птицы — жирные козодои, или гуахаро. Населяют они горные пещеры Латинской Америки — от Панамы на северо-западе до Перу на юге и Суринама на востоке. Живя в кромешной тьме, жирные козодои, тем не менее, приспособились виртуозно летать по пещерам. Они издают негромкие щёлкающие звуки, воспринимаемые и человеческим ухом (их частота примерно 7 000 Герц). Каждый щелчок длится одну-две миллисекунды. Звук щелчка отражается от стен подземелья, разных выступов и препятствий и воспринимается чутким слухом птицы.

Ультразвуковой эхолокацией в воде пользуются китообразные.

Применение ультразвука

Диагностическое применение ультразвука в медицине (УЗИ)

Благодаря хорошему распространению ультразвука в мягких тканях человека, его относительной безвредности по сравнению с рентгеновскими лучами и простотой использования в сравнении с магнитно-резонансной томографией ультразвук широко применяется для визуализации состояния внутренних органов человека, особенно в брюшной полости и полости таза.

Терапевтическое применение ультразвука в медицине

Помимо широкого использования в диагностических целях (см. Ультразвуковое исследование), ультразвук применяется в медицине как лечебное средство.

Ультразвук обладает действием:

  • противовоспалительным, рассасывающим
  • аналгезирующим, спазмолитическим
  • кавитационным усилением проницаемости кожи

Фонофорез — сочетанный метод, при котором на ткани действуют ультразвуком и вводимыми с его помощью лечебными веществами (как медикаментами, так и природного происхождения). Проведение веществ под действием ультразвука обусловлено повышением проницаемости эпидермиса и кожных желез, клеточных мембран и стенок сосудов для веществ небольшой молекулярной массы, особенно — ионов минералов бишофита. [1] Удобство ультрафонофореза медикаментов и природных веществ:

  • лечебное вещество при введении ультразвуком не разрушается
  • синергизм действия ультразвука и лечебного вещества

Показания к ультрафонофорезу бишофита: остеоартроз, остеохондроз, артриты, бурситы, эпикондилиты, пяточная шпора, состояния после травм опорно-двигательного аппарата; Невриты, нейропатии, радикулиты, невралгии, травмы нервов.

Наносится бишофит-гель и рабочей поверхностью излучателя проводится микро-массаж зоны воздействия. Методика лабильная, обычная для ультрафонофореза (при УФФ суставов, позвоночника интенсивность в области шейного отдела — 0,2-0,4 Вт/см2., в области грудного и поясничного отдела — 0,4-0,6 Вт/см2).

Резка металла с помощью ультразвука

На обычных металлорежущих станках нельзя просверлить в металлической детали узкое отверстие сложной формы, например в виде пятиконечной звезды. С помощью ультразвука это возможно, магнитострикционный вибратор может просверлить отверстие любой формы. Ультразвуковое долото вполне заменяет фрезерный станок. При этом такое долото намного проще фрезерного станка и обрабатывать им металлические детали дешевле и быстрее, чем фрезерным станком.

Ультразвуком можно даже делать винтовую нарезку в металлических деталях, в стекле, в рубине, в алмазе. Обычно резьба сначала делается в мягком металле, а потом уже деталь подвергают закалке. На ультразвуковом станке резьбу можно делать в уже закалённом металле и в самых твёрдых сплавах. То же и со штампами. Обычно штамп закаляют уже после его тщательной отделки. На ультразвуковом станке сложнейшую обработку производит абразив (наждак, корундовый порошок) в поле ультразвуковой волны. Беспрерывно колеблясь в поле ультразвука, частицы твёрдого порошка врезаются в обрабатываемый сплав и вырезают отверстие такой же формы, как и у долота.

Приготовление смесей с помощью ультразвука

Широко применяется ультразвук для приготовления однородных смесей (гомогенизации). Еще в 1927 году американские ученые Лимус и Вуд обнаружили, что если две несмешивающиеся жидкости (например, масло и воду) слить в одну мензурку и подвергнуть облучению ультразвуком, то в мензурке образуется эмульсия, то есть мелкая взвесь масла в воде. Подобные эмульсии играют большую роль в промышленности: это лаки, краски, фармацевтические изделия, косметика.

Применение ультразвука в биологии

Способность ультразвука разрывать оболочки клеток нашла применение в биологических исследованиях, например, при необходимости отделить клетку от ферментов. Ультразвук используется также для разрушения таких внутриклеточных структур, как митохондрии и хлоропласты с целью изучения взаимосвязи между их структурой и функциями. Другое применение ультразвука в биологии связано с его способностью вызывать мутации. Исследования, проведённые в Оксфорде, показали, что ультразвук даже малой интенсивности может повредить молекулу ДНК. [источник не указан 649 дней] Искусственное целенаправленное создание мутаций играет большую роль в селекции растений. Главное преимущество ультразвука перед другими мутагенами (рентгеновские лучи, ультрафиолетовые лучи) заключается в том, что с ним чрезвычайно легко работать.

Применение ультразвука для очистки

Применение ультразвука для механической очистки основано на возникновении под его воздействием в жидкости различных нелинейных эффектов. К ним относится кавитация, акустические течения, звуковое давление. Основную роль играет кавитация. Её пузырьки, возникая и схлопываясь вблизи загрязнений, разрушают их. Этот эффект известен как кавитационная эрозия. Используемый для этих целей ультразвук имеет низкую частоты и повышенную мощность.

В лабораторных и производственных условиях для мытья мелких деталей и посуды применяются ультразвуковые ванны заполоненные растворителем (вода, спирт и т. п.). Иногда с их помощью от частиц земли моют даже корнеплоды (картофель, морковь, свекла и др.).

В быту, для стирки текстильных изделий, используют специальные, излучающие ультразвук устройства, помещаемые в отдельную ёмкость.

Применение ультразвука в эхолокации

В рыбной промышленности применяют ультразвуковую эхолокацию для обнаружения косяков рыб. Ультразвуковые волны отражаются от косяков рыб и приходят в приёмник ультразвука раньше, чем ультразвуковая волна, отразившаяся от дна.

В автомобилях применяются ультразвуковые парктроники.

Применение ультразвука в расходометрии

Для контроля расхода и учета воды и теплоносителя с 60-х годов прошлого века в промышленности применяются ультразвуковые расходомеры.

Применение ультразвука в дефектоскопии

Ультразвук хорошо распространяется в некоторых материалах, что позволяет использовать его для ультразвуковой дефектоскопии изделий из этих материалов. В последнее время получает развитие направление ультразвуковой микроскопии, позволяющее исследовать подповерхностный слой материала с хорошей разрешающей способностью.

Ультразвуковая сварка

Ультразвуковая сварка — сварка давлением, осуществляемая при воздействии ультразвуковых колебаний. Такой вид сварки применяется для соединения деталей, нагрев которых затруднен, или при соединении разнородных металлов или металлов с прочными окисными пленками (алюминий, нержавеющие стали, магнитопроводы из пермаллоя и т. п.). Так ультразвуковая сварка применяется при производстве интегральных микросхем.

Применение ультразвука в гальванотехнике

Ультразвук применяют для интенсификации гальванических процессов и улучшения качества покрытий, получаемых электрохимическим способом.

Читайте также:  Плоды черноплодной рябины применение

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какие колебания называются акустическими?

2. Какое свойство тел или объемов среды называется упругостью?

3. Опишите процесс возникновения упругой волны?

4. Как подразделяются упругие колебания в зависимости от частоты?

5. Какие колебания называются ультразвуковыми?

6. Какое основное свойство выделяется у всех волн независимо от их природы?

7. Расскажите, что Вы знаете про инфразвук? Ультразвук? Области применения инфразвука? Ультразвука?

8. Что называется волновым пучком?

9. Какая поверхность называется волновой?

10. Что называется волновым фронтом?

11. Чем отличаются волновая поверхность и волновой фронт друг от друга?

12. Что называется лучом?

13. Как различаются волны по виду фронта?

14. Какая волна называется плоской?

15. Какая волна называется сферической?

16. Как изменяется амплитуда давления с удалением от источника возбуждения в плоской волне? Сферической волне? Цилиндрической волне?

17. Дайте определение ультразвуковой волны?

18. Как определяется тип волны?

19. Какие типы волн используются в УЗД рельсов?

20. Какая волна называется продольной? В каких средах могут распространяться продольные волны и почему?

21. Как иначе называют продольную волну? Почему?

22. Какая волна называется поперечной? В каких средах могут распространяться поперечные волны и почему?

23. Как иначе называют поперечную волну? Почему?

24. Какая волна называется поверхностной? В каких средах распространяется поверхностная волна?

25. На какую глубину контролируемого изделия распространяется поверхностная волна

26. Какие типы волн еще вы знаете?

1 Параметры упругих колебаний и волн:

U – амплитуда колебаний;

v колебательная скорость частиц;

Ф – фаза;

f– частота колебаний частиц в волне;

Т период колебаний;

λ длина волны;

с – скорость волны в среде (скорости различных типов волн различны);

р давление в звуковой волне;

I интенсивность.

Амплитуда – максимальное значение, которое принимает переменная величина (смещение U или скорость ν колеблющейся частицы, звуковое давление волны) при волновом движении (рисунок 19).

расстояние r
U

Рисунок 19 – Параметры волны: U – амплитуда волны, λ – длина волны.

Амплитуда смещения колеблющихся частиц среды U – максимальное отклонение точки среды от своего положения равновесия за период колебательного движения. Амплитуда изменяется от 0 (при нахождении колеблющейся частицы в положении равновесия) до максимального (амплитудного) значения (при максимальном удалении от положения равновесия).

при φ = 0 выражение принимает вид

В любой точке, расположенной на расстоянии r от точки положения равновесия в направлении распространения волны, колебания происходят по такому же закону, но с опозданием на время t1= r/c, что можно записать в виде:

В практике ультразвукового контроля приходится сравнивать между собой амплитуды (реже интенсивности) акустических сигналов, причем они изменяются в очень широких пределах. В связи с этим для удобства подсчета амплитуду колебаний оценивают путем сравнения с некоторой начальной величиной и выражают в относительных логарифмических единицах – децибелах. В ультразвуковой дефектоскопии амплитуду колебаний оценивают по амплитуде напряжения, поступающего на регистрирующее устройство дефектоскопа. Число децибелN, на которое сигнал интенсивностьюI с амплитудой U отличается от некоторого исходного уровня с интенсивностью I и амплитудой U, равно:

гдеU – амплитуда сигнала, поступившего на регистрирующее устройство дефектоскопа, В;

U – амплитуда зондирующего импульса, В.

Величина U всегда больше U, а логарифмы чисел, которые меньше единицы, отрицательны, поэтому в ультразвуковом контроле всегда используют отрицательные значения величин, выраженных в децибелах, на знак «минус» не указывают.

Для описания относительных временных свойств разных частей одной волны или двух волн, распространяющихся одновременно в одной среде, вводится понятие фазы волны. Посмотрите на рисунок 20.

На первом графике показаны две волны, которые полностью совпадают друг с другом. В этом случае говорят, что волны находятся в фазе. На третьем графике в том месте, где у одной волны находится область высокой плотности, у другой – область низкой плотности. В этом случае говорят, что волны находятся в противофазе. При этом, если волны одинаковые (с одинаковой амплитудой), происходит их взаимное уничтожение (в природе это бывает крайне редко, чаще противофазные волны при наложении сильно искажают результирующую волну). Средний график показывает некое промежуточное положение. В этом случае говорят, что фаза одной волны сдвинута относительно другой.

Выражение (ωt + φ) = называется фазой колебаний Ф – это параметр, показывающий, какая часть периода прошла с момента начала последнего цикла колебаний. Если нам известна фаза колебания (ωt + φ), это значит, что мы знаем каковы смещение и скорость колеблющейся частицы, а также в каком направлении движется частица в данный момент.

Две точки волны, которые характеризуются координатами от центра колебаний, имеют разность фаз при φ=0:

В точках, отстоящих друг от друга на целое число волн ( , разность фаз составляет целое число 2π(Ф2Ф1=2π). Эти точки для каждого данного момента времени t имеют смещения, одинаковые по величине и по знаку. Такие точки колеблются в одинаковой фазе.

Наоборот, в точках, отстоящих друг от друга на расстоянии полуволны, для которых r2r1 = , разность фаз равна нечетному числу π, т.е. Ф2Ф1 = π. Такие точки для каждого момента времени имеют смещения, одинаковые по величине, но разные по знаку (в то время как отклонение одной точки равно u, отклонение другой обратно по знаку, т.е. равно –u, и наоборот). Такие точки колеблются в противофазе.

Колебательная скорость частиц среды υ – это скорость, с которой движутся частицы среды, колеблющиеся при прохождении волны около положения равновесия, по отношению к среде в целом.

где υ – величина колебательной скорости;

U – амплитуда смещения частиц среды;

ω – круговая частота;

(ωt — φ) – фаза колебаний, которая определяет состояние колебательной системы в определенный момент времени, рад, град.

Согласно выражению (9) скорость частиц колеблется от нуля до некоторой максимальной величины. Отсюда максимальная амплитуда колебательной скорости

υ = Uω,(10)

т.е. чем больше частота колебаний, тем больше амплитуда колебательной скорости частиц. Физически это объясняется очень просто: чем больше частота колебаний, тем быстрей частицы среды должны перемещаться.

Колебательную скорость следует отличать от скорости распространения звуковой волны (хотя они имеют одинаковую размерность). Величина υ 3 , кг/м 3

Скорость Длина волны Коэффициент затухания продольной волны δ, 1/м Акустическое сопротивление, z ×10 6 , кг/(м 2 с) сl, м/с сt, м/с cr, м/с λl, мм λ t, мм λr, мм Оргстекло 1,18 1,06 0,45 0,42 3,0 – 3,2 Воздух 1,3×10 -3 – – 0,13 – – 4,3×10 -4 Вода 0,998 – – 0,58 – – 0,004 1,49 Сталь 7,8 2,36 1,3 1,21 1 – 8 45,6

Длина ультразвуковой волны λ– минимальное расстояние между зонами, в которых частицы находятся в одинаковых фазах колебаний (например, в фазах сжатия или разрежения для продольной волны) (рисунок 14). Другими словами можно сказать, длина волны – это расстояние между двумя максимумами или минимумами возмущения. Длина ультразвуковой волны зависит от скорости волны с и частоты ультразвуковых колебаний f

где с – скорость распространения волны в данной среде;

f – частота колебаний.

Длину ультразвуковой волны в любой среде можно изменить путем изменения частоты ультразвуковых колебаний. Этот параметр влияет на чувствительность метода ультразвукового контроля. Под чувствительностью метода понимают минимальные размеры (длину, ширину, высоту) дефектов, которые можно обнаружить этим методом.

Читайте также:  Есть ли вишня без косточек

Основной способ обнаружения дефектов в ультразвуковой дефекто­скопии основан на фиксировании сигналов, отраженных от дефектов. Существенную роль при этом играет соотношение между длиной волны ультразвука и геометрическим размером b препятствия на пути волны, размером неоднородностей среды. Распространение ультразвука вблизи препятствий происходит в основном по законам геометрической оптики.

Если размер дефекта b1меньше длины волны, то такой дефект волна огибает в результате дифракции (см. ниже), а значит, преобразователь (источник излучения и приема УЗК) не примет отраженных от дефекта ультразвуковых колебаний. В случае, если частично произойдет отражение от дефекта УЗК, энергия отраженной волны будет слабая и эхо-сигнал от дефекта на экране дефектоскопа малой амплитуды, по амплитуде которого невозможно распознать наличие дефекта в изделии. Если размер дефекта b2больше длины волны, то от него волна отражается, а значит, дефект может быть обнаружен (рисунок 21). Поэтому от длины волны зависит минимальный раз­мер обнаруживаемых дефектов. Одновременно с условиемbλ должно соблюдаться еще одно условие: средний размер d частиц структуры среды не должен превышать длины волны λ, т.е. d λ

Наличие этих импульсов связано с рассеянием ультразвука на структурных неоднородностях, зернах материала. Материалы, состоящие из большого числа крупных зерен, сильно отражающих ультразвук, дают сигналы, похожие на сигналы от дефектов.

Период Т [c]– время, за котороесовершается полный цикл колебаний (рисунок 22).За время, равное одному периоду Т, упругие колебания распространяются на расстояние, равное длине волны.Таким образом, длина волны определяется

λ = сТ, (14)

Частота f [Гц] число полныхколебаний (периодов) частицы около положения равновесия, совершаемых в единицу времени (секунду). Так как за время Т совершается один цикл колебаний, то fT = 1. Следовательно, период Т и частота колебаний f связаны фор­мулой

f = 1/Т, [Гц] (15)

время t
Т
U

Рисунок 22 – Графическое представление величины Т

Таким образом, упругая волна обладает строгой периодичностью в пространстве и периодичностью во времени. Между длиной волны λ и периодом Т имеется простое соотношение. Чтобы получить его, фиксируют внимание на частице, которая в данный момент времени находится на гребне волны. После ухода от неё гребня она окажется во впадине, но через некоторое время, равное λ/с, где с – скорость распространения волны, к ней подойдёт новый гребень, который в начальный момент времени был на расстоянии λ от неё, и частица окажется снова на гребне, как вначале. Этот процесс будет регулярно повторяться через промежутки времени, равные λ/с. Время λ/с совпадает с периодом колебания частицы Т, т. е. λ/с = Т. Это соотношение справедливо для гармонической волны любой природы.

Вместо периода Т часто пользуются частотой f, равной числу периодов в единицу времени. Между f и λ имеет место соотношение: λf = с.

Ультразвуковая волна, распространяясь в среде, вызывает образование областей повышенного и пониженного давления. Речь здесь идет об избыточном дав­лении, то есть о давлении, которое возникает дополнительно к существующему в невозмущенной среде (например, для воздуха – это давление, отличающе­еся от атмосферного). Понятие звукового давления применяют к «подвижным» средам, таким как газы и жидкости.

Таким образом, звуковое или акустическое давлениер [Па][Н/м 2 ]в среде представляет собой разность между мгновенным значением давления в данной точке среды при наличии звуковых колебаний и статического давления в той же точке при их отсутствии. Давление в продольной звуковой волне определяется форму­лой

р =ρсv, [Па][Н/м 2 ](16)

Давление в волне прямо пропорционально акустическому со­противлению среды и колебательной скорости частиц в волне:

р =Zv,(17)

где Z – акустическое сопротивление среды (см. ниже).

Иногда по аналогии с электротехникой формулу (17) называют акусти­ческим законом Ома. Но между электрическим законом Ома и его акустическим аналогом общность только внешняя, а существующие отличия принципиальны:

1) акустическое сопротивление Z в противоположность омическому сопротивлению R не определяет энергию, преобразованную в тепло. Это принципиальное различие между Z и R;

2) величина Z показывает только сопротивляемость среды распространению ультразвуковых волн, поэтому абсолютно упругие (т.е. идеальные) среды без потерь (т.е. среды, в которых энергия колебаний совсем не преобразуется в тепловую) также характеризуется акустическим сопротивлением.

Иначе, звуковое давление есть переменное давление в среде, обусловленное акустическими колебаниями. Амплитуда звукового давления рможет быть рассчитана через амплитуду колебания частиц среды U. Эти величины связаны соотношением

где ρ – плотность среды;

ω = 2πf – круговая частота колебаний;

U – амплитуда смещения колеблющихся частиц в волне.

На расстоянии в половину длины волны λ/2 амплитудное значение давления из положительного становится отрицательным, т.е. разница давлений в двух точках, отстоящих друг от друга на λ/2 пути распространения волны, равна 2р.

Волновой процесс распространения упругих колебаний в мате­риальной среде сопровождается переносом энергии. При волновом процессе энергия не остается локализованной в данном участке, а перемещается в среде. Волна переносит энергию от источника колебаний к участку среды. Для характеристики этого процесса введем в рассмотрение понятие поток энергии. Поток энергии Ф через некоторую площадку, перпендикулярную направлению распространения волны, представляет собой количество энергии, которая проходит в единицу времени через данную площадку.

Количество энергии, перенесенной волной за единицу времени (1 с) через единичную площадь (1 м 2 ), перпендикулярную к направлению распространения волны, называютинтенсивностью волны I [Вт/м 2 ](иногда «силой звука»). Поскольку в дефектоскопии, как и в физике, приходится иметь дело с интенсивностями звуковых волн, изменяющимися в огромных пределах (в тысячи и более раз), то для удобства их сравнения применяют относительные логарифми­ческие единицы – децибелы [дБ] [dB]. В этом случае уровень силы звука в децибелах

где I – некоторое пороговое значение интенсивности звуковой вол­ны;

I = 10 -12 Вт/м 2 – уров­ень нижнего порога слышимости человеческого уха.

Поскольку преобразователи, используемые в ультразвуковых дефектоскопах, реагируют на величину давления, то важно знать связь между интенсивностью и давлением:

I = p 2 / 2ρс, [Вт/м 2 ](20)

Из выражения (20) видно, что интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды звукового давления, поэтому уровень давления можно определить как

где р – величина давления, соответствующая нижнему порогу слышимости;

U – пороговое значение амплитуды колебаний; чаще всего за U принимается

амплитуда зондирующего импульса или амплитуда эхо-сигнала отверстия диаметром 6 мм в стандартном образце СО-3Р на пороговом уровне.

В заключение еще раз перечислим основные параметры ультразвуковых колебаний и волн, которые следует считать информативными, т. е. через измерения которых с помощью акустических приборов, можно получать объективную информацию о свойствах и характеристиках качества материалов и изделий.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: При сдаче лабораторной работы, студент делает вид, что все знает; преподаватель делает вид, что верит ему. 9531 — | 7349 — или читать все.

91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)

очень нужно

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *