Особенности генерации и распространения упругих колебаний и волн в различных средах

Механические колебания частиц упругой среды, распространяющиеся в виде волн в газообразной, жидкой или твердой средах, подразделяются на:

·  инфразвук c частотой колебаний до 16 Гц;

· слышимый звук c частотой колебаний от 16 Гц до 20 кГц;

· ультразвук c частотой колебаний от 20 кГц до 1 ГГц;

· гиперзвук c частотой колебаний более 1 ГГц.

Исследования особенностей генерации и распространения упругих колебаний и волн в частотном диапазоне Гц, их взаимодействия с различными средами, относящимися к объектам как живой, так и неживой природы проводятся в различных областях науки и техники.

Среда называется упругой или линейной, если её деформация пропорциональна приложенной силе (аналогично закону Гука). Упругими, или механическими волнами называются механические возмущения (деформации), распространяющиеся в упругих средах. Упругие волны часто называют звуковыми волнами. Волна называется продольной, если частицы среды колеблются в направлении распространения волны, или поперечной, если частицы среды колеблются перпендикулярно распространению волны. Поверхностные волны наблюдаются на свободной поверхности жидкостей, твердых тел. При распространении такой волны частицы среды колеблются как вдоль, так и поперёк направлению распространения волны.

Существует достаточно большое разнообразие различных по своей физической природе способов генерации механических колебаний (волн). Наибольшее практическое применение получили следующие способы генерации инфра- и низкочастотных, а также звуковых, ультразвуковых и гиперзвуковых колебаний:

· механические;

· электромагнитные;

· магнитострикционные;

· пьезоэлектрические;

· электрострикционные;

· тепловые.

Первые в основном применяются для возбуждения звуковых колебаний в газообразных средах (частота колебаний находится в диапазоне от единиц герц до нескольких кГц).

К механическим методам получения ультразвуковых колебаний относятся сирены, газоструйные генераторы, электромеханические устройства. При воздействии большой мощности ультразвука на различные среды проявляются различные эффекты, например: клочок ваты, подвергаемый воздействию ультразвука, сгорает в течение нескольких секунд; стальные стружки нагреваются докрасна; в жидкости возникает кавитация и пр.

Для возбуждения ультразвуковых колебаний в жидких и твердых средах в качестве электромеханических преобразователей энергии применяют излучатели, основанные на магнитострикционном или пьезоэлектрическом эффекте (частота колебаний может достигать нескольких МГц).

В общем случае физическая природа генерации механических колебаний в различных средах может быть самой разнообразной. Например, при внезапном нагреве (тепловом ударе) поверхности тела возникают механические напряжения в материале. При этом излучаются звуковые волны, а также ударные волны с длительностью до наносекунд. Например, для получения ультразвука и гиперзвука используют лазер. С его помощью можно получать волны определенных типов с большого расстояния под разными углами. Регулируя диаметр луча лазера можно получить сферические и плоские волны. При этом температура тела не оказывает заметного влияния на процесс возбуждения звуковых волн. 

В зависимости от структуры среды и способа генерации возмущения могут генерироваться различные типы акустических волн. При распространении волны энергия периодически преобразуется из потенциальной в кинетическую. Если колебания частиц среды происходят около точки их равновесия, то переноса вещества в пространстве нет.

В газах и жидкостях могут распространяться в основном только продольные волны, а в твердых телах могут генерироваться и возникать комбинации различных типов волн: продольных, поперечных, сдвиговых, изгибных, крутильных, поверхностных, объемных и др. По форме волны могут быть плоскими, сферическими, цилиндрическими.

Для определения скорости распространения акустических волн в различных средах используют следующие соотношения:

 - в газе (  - давление в среде,  - плотность среды,  - отношение 

               удельных теплоемкостей при постоянном давлении и объеме);

- в твердом теле (  - модуль Юнга материала);

- в жидкости (  - адиабатическая сжимаемость среды).

Как следует из приведенных формул, скорость распространения акустических волн в различных средах зависит от многих факторов. Например, скорость распространения волн в газах будет пропорциональна давлению, температуре и обратно пропорциональна плотности, молярной массе вещества:

;    ; .        (2.1)

С увеличением частоты колебаний скорость распространения акустических волн возрастает. Скорость распространения упругих деформаций в твердых телах зависит от типа волны:     

> > > .              (2.2)

     

⇐ Предыдущая234567891011Следующая ⇒

Поделиться: