Голямина И.П. - Ультразвук (маленькая энциклопедия) (1040516), страница 54
Текст из файла (страница 54)
козфф. электрич. потерь, равный отношению (в дБ) алектрич. мощности к акустической, Эффективность УЗ-вых инструментов, йсгсользуемых при УЗ-вой сварке, механической обработке н т. п., характеризуют т. н. коэфф. аффективности, представляющим собой отношение квадрата амплятуды колебательыого смещения ыа рабочем конце коыцентратора к электрической мощности, потребляемой преобразователем. Иногда для характеристияи преобразования энергии в И. у. использукьт аффективный коэсбусичиссссп электромеханической сэаэи.
И. у. — злектроакустич, преобразователи используются в самых рааличных о)ластях УЗ-вой техники в широком частотном диапазоне. Электродинамич. излучатели применяются для излучения в газовые среды на частотах от десятков Гц до десятков кГц с кпд — 10ейэ; мощность их не превышает десятков Вт. Они используются н в жидкости на ниаких звуковых частотах.
Пьезоэлектрвч. преобразователи — наиболее широко используемый в технике тип И. у. С пьезоэлементами в виде пластинок, стержней, колец они применяются в диапааоне частот от единиц кГц до десятков МГц для целей УЗ-вой технологии, дсфсктоскопии, при различных контрольно-иэмсритсльннх примснснилх ультраээука, в эидролокауии и т. п.
На частотах — 1кГц и ниже используются изгибыо колеблющиеся пьезоэлементы. Кпд пьезоэлектрических И. у. составляет 40— 70э4, удельная мощность достигает 10 Вт/смэ. Динамич. диапазон их ограничивается сверху электрич. и механич. прочностью, а также нагреванием вследствие собственных потерь. Магнитострикционные преобразователи используются гл. обр. как резонансные И. у. в УЗ-вой технологии в диапазоне 10 — 100 кГц.
Их главвое достоинство — высокая мехаыич, прочность, надежность. Кпд таких преобразователей 50есе, удельная излучаемая мощность может достигать 20 Вт!смэ и более. Основной причиной ограничеыия мощности является нелинейность свойств, обусловлеиыая магнитным насыщением. На частотах от 10 МГц до 70 ГГц для излучения в твердые среды используются пьсэополупроэодникоэис прсобраэоэатсли различного типа. Согласование их по акустич. и элекгрич. стороне позволяет получить очень широкую частотную полосу. Эти И. у. находят применение в акустоэлектронике. Для излучения гипсрээука применяется т. ы.
возбуждение с поверхности пьезозлектрнч. и магнитострикционных кристаллов, помещаемсах в СВЧ- резонатор алектромагнитиых колебаний. Газоструйные И. у. обеспечивают более аффективное излучение в гавовые среды, чем электроакустич.преобразователи, Однако режим работы их нестабилен и спектр обычно достаточно сложен. Такие И. у.
не могут создать моыохроматич. сигнал или воспроизвести сигнал аадаиной формы. Кпд газоструйных иалучателей, работающих в дозвуковом режиме истечения струн (свистки), достигает 30ейэ при излучаемой мощности в единицы Вт. И. у. со сверхавуковыы режимом истечения (Гартмана генератор) обладают ннтеысивностью излучения до 4 — 5 Вт/смэ, однако кпд их составляет всего 5 — бойе. Сирены позволяют излучать акустич. мощность от сотен Вт до десятков кВт с кпд ж 50ейе на частотах от нескольких кГц до десятков кГц.
Все эти излучатели применяют для воздействия УЗ на технологнч. процессы, протекающие в газовых средах, а также для сигнализации, Для УЗ-вых техыологич, процессов, осуществляемых в жидкостях, используют гидродинамич, излучатели, работающие в диапазоне частот — кГц и обеспечивающие интеысивность иалучения до нескольких Вт/смэ.
Недостатком их с точки зремия более широкого использования является, как и у газоструйыых излучателей, низкая стабильность режима и немонохроматич. излучение. И. П. Галанина. ИЗЛУЧЕНИЕ ЗВУКА — соадаиие звуковых полей при помощи рааличиых устройств — излучателей (см. Излучатели ультразвука). Звуковое поле, создаваемое данным излучателем, существенно зависит от формы иалучателя и вида его колебаний, а также ИЗЛУЧВНИВ ЗВУКА от частоты, определяющей соотношение между размерамн излучателя и длиной волны излучаемого им звука.
В свяаи с этим целесообразно рассматривать излучение гарлоническиг волн и изучать зависимость излучения от частоты. Для выяснения характеристик излучателей рассматривают укрощенные теоретич. модели, дающие в основном ту же картину излучения, что и реальные излучатели, и допускающие простой расчйт таких основных параметров излучателей, как удельная и полная излучаемая мощность, требуемые вынуждающие силы, направленность, законы сладания поля с расстоянием и т.н.
Для излучателей, размеры колеблющихся элементов к-рых велики ио сравнеыию с длиной волны, подобной моделью может служить бесконечная плоскость, колеблющаяся синфазно, как одно целое, в направлении своей нормали (т.н. поршневое излучен и е). Такая ылоскость создает ылоскую бегущую волну, в к-рой давление Р и колебательная скорость частиц о синфазны и для любой формы волны находятся в отношении Р)о =- = (зс, где Рг — волновое сопротивление среды (р — илотыость среды, е — скорость звука). Для гармонической волны средняя удельная излучаемая нои(- ность ге у ко равна: т = Г>Рос>=Р'~2рс = ~l>Рсовв (1) гДе Рв и о, — амплитУДы Давлениа и колебательной скорости на излучающен поверхности. Для излучателя в виде поршня в жестком экране нри размерах иоршыя больших ло сравнению с длиной волны поле на его поверхности и перед ним вблизи него мало отличается от ноля перец бесконечной плоскостью (за исключением участков вблизи краев поршня).
Поэтому почти ыо всей поверхности поршня давление и колебательная скорость поршня синфавны и между ними имеет место то же соотношение Р„(ов = Рс, что и в ылоской волне, так что удельную мощность можно рассчитывать по той же ф-ле (1). Ъ'дельную мощность излучения удобно выражать через удельный иннеданс акустический на излучающей поверхности: отношение давления на атой поверхности к ее коле- бательной скорости, т.
е, г = р!о. Для большого поршня удельный акустич. импеданс веществен и равен ре, так что его удельную мощность излучения можно записать в вице: )г (2) * Полная излученная мощность большого поршня площадью Я равна: И' =- г,~ рео'я, (3) Для поргыня малых ио сравнению с длиной волны размеров удельная излучаемая мощность много меньше, чем для болыыого поршня. Так, для круглого поршня радиуса а в жестком экране ыри условии йа (( 1 1 <ьн' ! (Ав)* и: —.
—,Ре — ' г' а И'.= — Ре —, о'Я 2 2 > 2 2 где Ь' =. яа', й — волновое число. Для малого поршни давление уже не синфазно с колебательной скоростью на его поверхности, и по- атому удельный акустич. импеданс является комплексной величиной: г = Вег + 11шг. Средняя удельная мощность излучения в этом случае рассчитывается но ф-ле: т = г) Вежд (4) Следовательно, для малого поргыия г Вег = — (йа)г рс, и уменьшение удель- 2 ной мощности излучения можно трактовать как уменыленне удельного сопротивления излучеыия — действительной части удельного акустич. импедаыса Вег. Минная часть удельного акустического имиеданса (реактнвыая часть) 1шг обусловливает реактивную (гбезваттыую>) мощность излучателя, снязанную с периодическим обменом энергией между излучателем и ырилегающимн к нему слоями среды.
Эта энергия остается локализованной вблизи излучателя и ые дает вклада в излучение. Для выяснения поведения излучателей ыри ыроизвольном соотношении между их размерами и длиыой волны удобно пользоваться другой теоретич, моделью — т.и. излучателем нулевого порядка — пульсирующей сферой (рнс. 1), или монополем.
Давление, создаваемое пульсирующей сферой на расстоянки г от ее центра, равно: р = — г,н (()Г4сг) еггг, (5) ИЗЛУЧЕПИЕ ЗВУКА 147 где ю — частота пульсаций, ираиэвадиюельнасшь излучателя. Излучение монополи сферически симметрично. Колебательная скорость частиц равна.( ((ьг — 1) () (6) )лг* Удельный акустич. импедаыс пульсирующей сфоры радиуса а равен: в ), 1-1- (За)* 1-1- (Ла)' ' Д ействительыая часть и абсолютная величина мнимой части, рассчитанные по ф-ле (7), представлены иа рис.
2. При йа«1 Пег рс(йа)з, следовательно, при ла'з данном радиусе нуль- а ( 1 сирующей сферы и данной амплитуде колебательной скорости удельнаи (а значит, и полная) мощно,ть излучеПульскрую" ыия пропорциональна (иввеиелв). квадрату частоты. При заданной же амплитуде смещения поверхности сферы данного радиуса прп том же условии йа « 1 удельная и полная мощности оказываются пропорциональными четвертой степени частоты. Этим объясняется малан эффективность излучения излучателями, малымн по сравнению с длиной волны, напр. малое количество энергии, передаваемой в жидкость концом УЭ-ваго инструмента. Прп йа =- 1 удельное сопротивление валучения Иез =. рг(2, а значение (1шз( рс г з ака рве.
г. зависимость девствктельиеэ к кэккед (с ебратимк экакак) части удельного акустического экиедадсл ва поверхности пульсирующей сферы радиуса а ет дараиегрл Ла. достигает максимума, равного также рс(2. При дальнейшем увеличении йа сопротивление излучения растет, стремясь асимптотнчески к рс, а реактивная компоыента стремится асимптотически к нулю; для больших йа снова можно пользоваться ф-лами (3) и (4). Удельная мощность для любого йа выражается через давление на поверхности излучателя той же формулой щ =-рз!2рс, что и для бесконечной плоскости.
Однако скорость поверхности излучателя для получения заданного дааленыя должна быть больше, чем в случае бесконечной плос- ) ТЗ Э Гас . (8>. Полная излучаемая мощность монополя любого радиуса выражаотся через его производительность ф-лой( И' = рсйз~3з(8я. (9) Для малых йа объеиная скорость излучателя у = 4па'и, приближйнно равна его производительности. Поэтому для малых пульсирующих сфер Иг га рсйгуз)8я, (10) т.е. излучаемая мощность определяется при данной частоте только объемной скоростью излучателя, нозависимо от его разыеров.
Более того, для любых малых излучателей звука, создающих объемную скорость, ыо яе имоющих сферич. симметрии (палое пульсирующее тело ыесферич. формы, тело с неравыомеркым распределением колебательных скоростей по поверхности, малыи' поршень в жестком экране, сирена и т. н.), полная взлучаемая мощность также выражается ф-лой (10). Это объясняется тем, что дифракцнонные эффекты (см.
Дифракчиа зорка) приводят к такому выравыиванию соадаваемого поля, что уже на расстоянии в несколько поперечников излучателя поле стаыозится практически неотличимым от полн малого монополя с той же объемной скоростью. Реактивная часть удельного акустич. имнедаиса малой сферы равна: 1шх =- — (мра, что соответствует импедансу массы, распределенной по всей поверхности с поверхностной плотностью ра. Сумчарыая масса — т. и. и р н с о е д инепная ыасса сферы — составляет такиы образом 4яазр, т.
е. равна массе среды в тройном объеме сферы. Наличие присоединенной массы объясняет понижение собственной частоты погруженных в жидкость излучателей по сравнению с их частотой при колебаниях в воздухе. Кроме излучателей монопольного типа, важное значение имеют излучатели, не создающие объемной ско- импкдАис Акустичнский рости, напр. осциллпрующие тела, струны. Поле таких излучателей также является полем сферич. волн (поверхности равных фаз — сферы), но излучение не имеет сферпч. спмыетрии» давление зависит от угла 0 между направлением осцилляций и направлением на точку наблюдения по закону посинуса.
Для осциллпрующих тел картину излучения дает еще одна теоретич. модель — и з л у ч а т е л ь первого порядка — осцпллпрующая сфера (рпс. 3), илн / (6 диполь. Харак- -- — теркстпка па/ пранленности днполя — тело вращения с мерве. з. Сопяллврую- рпдпапом в витая спера (деполь). восьмерки, образованной двумя касающимися окружностями единичного диаметра. При малом радиусе сферы (/»а « 1) давление, соадаваемое днполем, равно: р = — /рш.йяави:,е/э» сон 3, (11) Ы» — 1 «я»* где и — амплитуда скорости осцилляций сферы. Отсюда видно, что излучение диполя определпется произведением объема осцнллпрующей сферы на скорость осцилляций.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
