Голямина И.П. - Ультразвук (маленькая энциклопедия) (1040516), страница 51
Текст из файла (страница 51)
Данное выше определение 3, д. относится к случаю распространения звука п гааах и жидкостнх, где имеются только нормальные силы к любыи выделенным площадкам в среде, т. е. давление. Для иаотропных твердых тел понятие давления применимо только в случае всестороннего растяжения и сжатия.
В общем же случае произвольной деформации напряженное состояние тела уже нельая охарактеризовать одной скалярнои пелвчииой — давлением — и приходится пользоваться понятием тенаора упругих напряжс инй (см. У>грузие волны). При работе с УЗ имеют дело с 3. д. от величин — 10 ' Па до 10' — 10' Па (напр., в фокусе УЗ-вых концентраторов). Длн измерения 3. д. применяют различные измерительные приемники УЗ. гл.
обр. пьезоэлектрическое преобравовотели. Па частотах, блиакнх н гиперзвуковым, пользуптся пьегополупроводаиповыми преобрагователлми и плеиоч>*ими преоброговотеллми. В жидкостях при больших интенсивностях УЗ применяют радиомет р, на высоких частота хв термичесеие приемники звука. Одним из эталонных методов измерения 3.
д. служит метод, использующий Рглел дигя, позволяющий определять колебательную скорость, по величине к-рой вычисляется значение 3. д. .Ли>ел Б е р г и а и Л., Ульгрегзуп и его првменепае е паупе и гехпапе, пео. с псы., М., 1956; Кпасппьпааое В. А., Звуковые в ультразвуковые залпы, 3 аед., М., 1969.
и. А. Красильников. ЗВУКОВОЕ ПОЛŠ— совокупность пространственно-вроменных распределений величин, характериаующих рассматриваемое звуковое возмущение, Важнейшие из них: гвуаовое давление р, яолебатвльпее сеорость частиц о, еолеба>нелепое смешение частиц хй, относительное изменение плотности (т. н. акустич. сжатие) г =- бр/р (где р — плотность среды), адиабатнч. иаменение темп-рьг б Т, сопровождающее сжатия и разрежения среды. При введении понятия «3.
п.е среду рассматривают как сплошную и молекулярное строение вещества во внимание не принимают. З.п. научают либо методами геоме!причегпой аяустиеи, либо на основе теории волн. При достаточно гладкой зависимости величин, характериаующих 3, и., от координат и времеми (т. е. при отсутствии скачков давления и колебательной скорости от точки к точке) все зти величины оказываются сильно свяаанными друг с другом: задание пространственно-временной зависимо- звкковок полк сти одной из них (напр., звукового давления) полностью определяет пространственно-временные зависимости всех остальных.
Эти зависимости определяются ур-ниями 3. п., к-рые в Отсутствии дисперсии скараггии звука сводятся к волновому ур-нию для каждой ив величин и ур-ниям, связывающим эти величины между собой. Напр., зяуковое давление удовлетворяет волновому ур-иню агр Лр — = О, а при известном сг дв звуковом давлении можно определить остальные характеристики 3. и. по ф-лам: = — — йгаа) рсц 1 и С=) гг)1; 5= 1 7= 1а, 1 иг ' арг где г — скорость звука, у = Ср)Сг— отношение теплоемкости при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме, п — коэфф.
объемного теплового расширения среды. Для гармонич. 3. и. волновое ур-ние переходит в ур-ние Гельмгольца: Лр + Узр = О, где й = агав волновое число для частоты ы, а выражеяия для скорости и смещения принимают вид: 1 с 1 и =- —, пгаг) р; с = — = —, пгаб р. 1ию — гм ию* Кроме того, 3. и. должно удовлетворять граничным условиям, т. е. требованиям, к-рые налагают на величины, характеризующие 3.
к., фиэич. свойства границ — поверхностей, ограничивающих среду, поверхностей, ограничивающих помещенные в среду препятствия, п поверхностей раздела различных сред. Напр., на абсолютно жесткой границе нормальна в компонента колебательной скорости г„должна обращаться в нуль; на свободной поверхности должно обращаться в нуль звуковое давление; на границе, характеризующейся ияиедаггссм акугтизеским, ОтнОшение Р1ии Должно Равнптьса УпельномУ акустич, имкедансу границы; на поверхности раздела двух сред величины р и г„по обе стороны от поверхности должны быть попарно равны.
В реальных жидкостях и газах имеется дополнительное граничное условие: обращение в нуль касательной компоненты колебательной скорости на жесткой границе или равенстао касательных компонент ва поверхности раздела двух сред. В твердых телах внутренние напряжения характеризуются не давлением, а тензором напряжений, что отражает наличие упругости среды по отношению к изменению не только ес объема (как в жидкостях и газах), но и формы. Соответственно усложняются и ур-ния 3.
в. и граничные условия. Еще более сложны ур-ния для анизотропных сред (см. Раскрсгюраиские ультраааука в кристаллах). Ур-ния 3. и. и граничные условна отнюдь не определяют сами по себе вид воли: в рааличных ситуациях в той же среде при тех жо граничных условиях 3. и. будут иметь равный вид.
Ниже описаны равные виды 3. и., возникающие в различных ситуацияк. 1. Свободные волны — 3. п., к-рые могут существовать во всей неограниченной среде в отсутствии внешних воздействий, напр. клоскпе волны, бегущие вдоль осн а: р — — р(к -г сс) (верхний знак относится х волне, бегущей в воложительном направлении осп к, а нижний — к волне, распространяющейся в противоположном направлении). Если выбрать ва положительное направление оси а направление распространения волны, то отношение давления к колебательной скорости равно волновому сопротивлению среды: р1г =. -)- рс.
Отсюда видно, что в местах положительного звукового давления направление колебательной скорости в бегущей волне совпадает с направлением распространения волны, в местах отрицательного давления — противоположно этому направлению, а в местах обрап(ения давления в нуль колебательная скорость также обращается в нуль. Гармоническая плоская бегущая волна имеет внд: р =- расея(ы1 — ук + гр), где ра и ф — соответственно амплитуда волны и ее начальная фаза в точке а =- О. В средах с дисперсией скорости звука скорость гармонической волны с = ыг)г зависит от частоты (см.
Фааоаая скорость). 2. Колебания в ограниченных областях среды в отсутствии внешних воздействий, напр. 3. и., возникающее в аамкнутои объеме при заданных начальных условиях. Такие 3. и, можно представить в виде суперпоэиции звуновок полк 136 стоячих вояк, характерных для дан- ного объема среды. 3. 3. п., возникающие в неограни- ченной среде при ааданных началь- ных условиях — значениях давления к колебательной скорости в век-рый аачзльный момент времеви (напр., 3.
и., вовннкающее после нарыва). 4. 3. п. излучения, создаваемые колеблющимися телами, струямн жид- кости или гава, захлопывающимися пуаырьками и др. естественными или искусственными акустич. излучателя- ми (см. Излучспис саука). Простейшие ко форме коля излучения: м о н о- пальное иалучекие — сфе- рнчески симметричная расходящаяся волна; для гармонич. излучения оиа еам имеет вид: р =- — 1рюО, где ()— ьпг ' пуоиавопительиоспьь источниьа (нагьр., скорость изменения объема пульси- рующего тела, малого по сравнению с длиной волны), помещенного в центр волны, а г — расстояние от центра. Амплитуда звукового давления при мокопольноль иалучении изменяется с расстоянием как 1!г. Колебатель- ная скорость при монопольном излуьзг-П чепии о =- — Π— с' ".
В веволпочпг* вой зоне (Уг б 1) скорость изменяет- ся с расстоянием как 1!гь, а в вол- новой ()сг ',У 1) — как 1(г. Сдвиг фаз между давлением и скоростью моно- тонно убывает от 90' в центре волны до куля на бесконечности; тангенс фазового угла равен 1!йг. Д и и о л ь- н о е и а л учение — сферическая расходящаяся волна с авосьмерочпойи характеристиков папракаспноюпи вида: ьь — г м, р= — à — с ' соз6, Гас' где Р— сила, приложенная к среде в центре волны, а 6 — угол между направлением силы и направлением на точку наблюдения. Такое же излучение создается палой но сравнению с длиной волны сферой, помещенной в центр волны и осциллирующей со скоростью и = Р!йярюаз, где а — радиус сферы.
П о р ш н евое излучение — З.п., создаваемые поступательными колебаниями плоского поршня. Если размеры иалучающей поверхности много больше длины волны, то излучение представляет собой квазиплоскую волну, распространяющуюся в виде огранич. пучка, опирающегося на поршень. По мере удаления от поршня дифракция размывает пучок, переходящий на большом расстоянии от поршня в многолепестковую расходящуюся сферическую волну. Все виды 3. п. излучения на большом расстоянии от излучателя (в т. и.
дальней зоне, или зоне бзраунгофера) асимптотически вринимают вид расходящихся сферич. волн: о р = А — Л(6, ф), где А — постоянная, 6 и ф — углы сферич. системы координат, а функция П вЂ” характеристика направленности излучения. Т. о., асимптотическн поле убывает обратно пропорционально расстоянию точки наблюдения от области расположения источника звука. Для получения желаемой характеристики направленности применяют акустич. антенны, состоящие из многих излучателей с соответственно подобранным соотношением амплитуд и фаа излучения каждым иа них.
Началом дальней воны обычно считают расстояние г = Оь))ь, где П вЂ” поперечные размеры излучающей системы, а )ь — длина волны. В т. н. ближней зоне (френелевская вона) для 3. п. излучения в общем случае нет к.-л. определенной вависимости поля от г, а угловая зависимость поля меняется при изменении г — характеристика направленности еще не сформирована. 5. З.п. фокусировки — поля вблизи фокусов и каустик фокусирующих устройств, характериаующиеся повышенными значениями звукового давления, обращающегося (яри пользовании приближениями геометрич. акуствки) в бесконечность в фокусах и на каустиках (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
