В.А. Алешкевич Л.Г. Деденко, В.А. Караваев - Колебания и волны (1111878), страница 21
Текст из файла (страница 21)
(5.24) Наибольшую амплитуду колебаний имеет волна основной частоты (и = 1), поэтому пьезоизлучатели применяются, как правило, на основной частоте. На частотах до нескольких мегагерц широкое распространение получили преобразователи из пьезокерамики. Пьезокерамика представляет собой поликристаллический сегнетоэлектрический материал (твердые растворы на основе ВаТ10 -СаТЮз, РЬТЮ -РЬупО и другие), обладающий после поляризации в электрическом поле устойчивыми и сильными пьезоэлектрическими свойствами.
Из пьезокерамики можно изготавливать излучатели самой разной формы (в виде пластин, стержней, колец и так далее). С помошью преобразователей сферической или цилиндрической формы получают сфокусированный ультразвуковой пучок, в фокусе которого интенсивность звука достигает 10 —:10ь Вт)смз.
На частотах порядка десятков и сотен мегагерц толщина г' становится настолько малой, что изпповить преобразователь можно лишь в жестком соединении со звукопроводом— массивным куском звуюпроводяшего материала. В этом случае на хорошо опюлированную по- Лекция 5 1ОЗ верхность звукопровода напыляется металлическая пленка (один эаектрцд), к юторой приваривается толстая (порядка 1 мм) пластинка пьезоэлекгрика. Затем эта пластинка сошлифовывается до нужной толшины Х, после чего на нее наносится второй электрод. На частотах порядка 1 ГГц толщина пьезопреобразователя составляет г' -1 мкм. Изготовление таких преобразователей представляет серьезную технологическую проблему.
В этом частотном диапазоне применяются пленочные преобразователи, получае- мые напылением на торец звукопровода пьезоэлектрических пленок из таких материалов, как С0$, Ъй, ЕпО и другие. Современные технологии позволяют создавать преобразователи с коэффициентом преобразования электрической энергии в акустическую до 90'.4 и мошностью волны, достигаюшей нескольких ватт. Применение акустических методов. Для современного уровня развития акус- тики характерно чрезвычайно широкое применение акустических методов для решения разнообразных задач не только в физике, но также и в информационной и измерительной технике, промышленности, медицине„биологии, военном деле и т.
д. Первое (в порядке исторического становления) важное прикладное направление в акустике связано с получением при помощи акустических волн информации о свойствах и строении веществ, о происходящих в них процессах. Применяемые в этих случаях методы основаны на измерении скорости распространения и коэффициента поглощения ультразвука на разных частотах (10 —:10 Гц в газах и 10 ьэ10 Гц в жцд- 4 . 5 5 . ю костях и твердых телах).
Такие исследования позволяют получать информацию об уп- ругих и прочностных характеристиках материалов, о степени их чистоты и наличии примесей„о размерах неоднородностей, вызывающих рассеяние и поглошение волн, и т, д, Большая группа методов базируется на эффектах отражения и рассеяния упругих волн на границе между различными средами, что позволяет обнаруживать присутствие инородных тел и их местоположение. Зги методы лежат в основе таких направлений, как гидролокация, неразрушающнй контроль изделий и материалов, медицинская диагностика. Применение акустической локации в гидроакустике имеет исключительное значение, поскольку звуковые волны являются единственным вцдом волн, распространяющихся на большие расстояния в естественной водной среде, Как разновидность дефектоскопии, широко применяемой в промышленности, можно рассматривать ультразвуковую диагностику в медицине. Даже при небольшом различии в плотности биологических тканей происходит отражение ультразвука на их границах.
Поэтому ультразвуковая диагностика позволяет выявлять образования, не обнаруживаемые с помощью рентгеновских лучей. В такой диагностике используются частоты ультразвука порядка 10 Гц; интенсивность звука при этом не превышает 0„5 мВт/ем~, что считается вполне безопасным для организма. В настоящее время развитие дефектоскопии привело к созданию акустической томографии.
В этом методе с помошью набора приемников ульт- развука или одного сканирующего приемника регистрируются упругие волны, рассеи- Колебания и волны ваемые в разных направлениях, а затем с использованием компьютерной обработки сигналов на экране дисплея формируется объемное изображение внутренней структуры исследуемого объекта. Другим важным прикладным направлением акустики является активное воздействие ультразвуком на вещество. Такое воздействие широко используется в промышленной технологии для поверхностной обработки деталей, сварий интенсификации химических процессов и т.
д. В жидкостях основную роль прн таком воздейспзии играет кавитацня— образование в интенсивной звуковой волне пульсирующих пузырьков. Схлопывание пу- зырьков сопровождается мощным гидродинамическим возмущением и сильным локаль- ным разогревом вещества, в результате чего разрушается поверхность твердого тела, находящегося в области кавитации. Применение ультразвука для воздействия на живой организм в медицине основывается на эффектах, возникающих в биологических тканях прн прохождении через них акустических волн.
При умеренной интенсивности звука (до 1 Вт!см ) колебания частиц среды вызывают микромассаж тканей, а поглощение звука— локальный разогрев, что применяется в ультразвуковой терапии. При больших интенсивностях сильное нагревание и кавитация вызывают разрушение тканей. Для хирургических операций используется сфокусированный ультразвуковой пучок, который позволяет производить локальные разрушения в глубинных структурах (например, мозга или почки) без повреждения окружающих тканей.
В хирургии применяется ультразвук с частотами 0,5 е 5 МГц, интенсивность которого в фокусе достигает 10з Вт/смз. Основные характеристики звука. Упругие волны в воздухе. имеющие частоты в пределах от 20 Гц до 20 кГц, вызывают у человека ощущение звука. В узком смысле упругие волны в любой среде, имеющие частоту в этом интервале, называются слышимыми звуковыми волнами, или просто звуком. Волны с частотами ч < 20 Гц называются инфразвуком, а с частотами ч > 20 кГц — ультразвуком. Инфразвук и ультразвук че- ловеческим ухом не воспринимаются. В действительности, самые низкие и самые высокие частоты интервала слышимых звуков доступны, как правило, лишь очень молодым людям. С возрастом этот ин- тервал сужается, причем мужчины начинают утрачивать чувствительность к высоким частотам раньше, чем женшины.
После 50 лет люди чаще всего утрачивают способность к восприятию звуков с частотами ч > 12 кГц. Звуки различаются по высоте, тембру и громкости. ОС Всякий реальный звук„как правило, представляет собой не простое гармоническое колебание, а является наложением нз- лебаний с определенным набором частот. Чтобы убедиться в этом, подключим микрофон М через усилитель УС ко входу У ос- Рип 5.8 Лекция 5 105 циллографа ОС (рис. 5.8) и будем регистрировать осциллограммы различных источников звука. Наиболее близким к гармоническому является звук камертона К вЂ” осциллограмма по своему виду очень близка к синусоиде.
Из произносимых звуков более всего походят на гармонические гласные звуки. Однако уже здесь заметно отличие осциллограммы от синусоцлы, что указывает на сложный состав гласных звуков. Гораздо более сложный вид характерен для осциллограмм согласных звуков. Принципиально возможно„используя набор резонаторов (см. ниже) или компьютерную обработку осциллограмм„произвести гармонический анализ звука, то есть установить тот набор частот, который присутствует в данном звуке.
Измеряя интенсивность каждой из гармоник, можно получить акустический спектр. Если в результате такого анализа ока- 1 жется, что звук состоит из колебаний с диск- 1, ретными частотами у пуз, уз итак далее, то спектр называется линейчатым. На рис. 5.9а показан пример такого спектра. где по оси ординат опюжены интенсивности 1 простых (гармонических) звуков. Может быть и другая ситуация, когда в звуке присутствуют колебания всех частот в некотором интервале 9, < у < ум Такой спектр, изображенный на рис. 5.9б, называется сплошным. По оси ординат здесь отложена так называемая спектральная плот- бч чг ность интенсивности звука Г(ч) = б11 Ъ . В Рис, 5.9.
атом случае можно говорить об интенсивности сУ = Д(9)бч звука, занимающего узкий частотный интервал дч . Эта интенсивность численно равна заштрихованной на рисунке площади. Естественно, что полная интенсивность 1 сложного звука со сплошным спектром будет равна плошади под кривой Дч) . Сплошным спектром обычно обладают шумы. Колебания с линейчатым спектром вызывают ощущение звука с более или менее определенной высотой. Такой звук называется тональным. Высота тонального звука определяется основной (наименьшей) частотой 9, .
Колебания с частотами 9 з, 9, и так далее называются обертонами. Соотношения интенсивностей основного тона 1, и обертонов 1м 1з, ... определяют тембр звука, придают ему определенную окраску. Фазы гармоник на тембр звука не влияют. В отсутствие обертонов тональный звук называют чистым тоном. Камертоны дают чистый тон и используются при настройке музыкальных инструментов. Из каждого музыкального инструмента извлекают звуки с характерным набором гармоник. Это позволяет на слух различать звуки одного тона (с одинаковой основной частотой у, ), извлекаемые из флейты, трубы„фортепьяно и др. На рис. 5.10 показа- Колебания и волны 106 а) б) Рис. 5.10.
в) своим спектральным составом. На рис. 5.11 изображена клавиатура рояля с указанием основных частот клавиш, а также приближенные диапазоны основных частот для других инструментов и голосов. Закон Вебера-Фехнера. Диаграмма слуха. Определение громкости звука основано на психофизическом законе, установленном в 1846 году Э.— Г. Вебером, который заложил основы «психометриигэ т.е. количественных измерений ощущений. Поскольку ощущение является субъективным процессом, то абсолютные измерения силы ощущений невозможны, и Вебер перенес проблему в область измерения относительных величин и искал минимальные различия в ощущениях, которые можно зафиксировать.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
