Генерация ультразвуковых колебаний

Генерация ультразвуковых колебаний

Генерация ультразвука

Создание упругих колебаний и волн, частота которых превышает область слышимого (воспринимаемого человеком) звука

Анимация

Описание

Генерация (от лат. generatio — рождение) ультразвука — создание упругих колебаний и волн, частота которых превышает область слышимого (воспринимаемого человеком) звука.

Ультразвук (УЗ) — упругие колебания и волны с частотой более » 20 кГц. Излучение УЗ происходит вследствие электромеханического преобразования электрического сигнала в упругий гармонический или импульсный сигнал, или при наличии препятствий на пути постоянного потока газа или жидкости (свистки, сирены). УЗ присутствует в природе в составе спектра многих естественных шумов, может генерироваться некоторыми животными и птицами. Нижняя граница области УЗ — частот, отделяющая ее от области слышимого звука, во многом является условной, поскольку определяется субъективными особенностями человеческого слуха. В научной литературе, во избежание неопределенности, за пороговое значение частоты УЗ обычно принимают частоту 20 кГц. Верхняя граница УЗ-частот обусловлена физической природой упругих волн, которые могут распространяться в материальной среде при условии, что длина волны значительно больше длины свободного пробега молекул в газе или межатомных расстояний в жидкостях или твердых телах. Так, в газах верхняя граница частот УЗ порядка 109 Гц, а в жидкостях и твердых телах — 1012 — 1013 Гц. Упругие волны с частотами 109 — 1013 Гц принято называть гиперзвуком.

УЗ — волны как упругие волны по своей природе не отличаются от упругих волн звукового или инфразвукового диапазонов. Их распространение описывается общими волновыми уравнениями. В газах и жидкостях распространяются только продольные волны, а в твердых телах — продольные и поперечные волны. Для УЗ также применимы законы отражения звука, преломления звука, рефракции звука, дифракции звука, интерференции волн. При распространении УЗ волн в среде происходит их затухание вследствие поглощения и рассеяния. В сильно неоднородных и ограниченных средах имеет место дисперсия скорости УЗ. Ниже будут рассмотрены специфические особенности УЗ.

Особенности УЗ обусловлены относительно высокими его частотами и соответственно малыми длинами волн. Так, длины волн УЗ варьируют, в зависимости от частоты, от нескольких сантиметров вблизи нижней границы УЗ-диапазона до 10-5 см — для гиперзвуковых частот. Вследствие малости длины волны процесс распространения УЗ — волн носит лучевой характер. Параметр, определяющий степень отклонения волновой картины от геометрической (при котором необходимо учитывать дифракционные эффекты), имеет вид:

 

 

P=sqrt(r)¤D

 

где l — длина волны;

r — расстояние от точки наблюдения до объекта;

D — характерный размер объекта.

 

Даже при относительно небольшой величине D для среднего и высокочастотного диапазонов УЗ параметр Р невелик. Таким образом, попадая на крупные препятствия, дефекты или неоднородности среды УЗ — луч испытывает регулярные отражение и преломление. При попадании УЗ луча на малые препятствия возникает рассеянная волна, что позволяет обнаружить в среде весьма малые неоднородности — порядка 0.1 и 0.01 мм. Эта особенность УЗ нашла широкое применение в УЗ-диагностике и дефектоскопии.

Отражение и рассеяние УЗ на неоднородностях среды позволяют формировать в оптически непрозрачных средах акустические изображения предметов с использованием УЗ фокусирующих систем подобно тому, как это делается с помощью световых лучей. Для фокусировки УЗ применяют акустические линзы, рефлекторы, излучатели вогнутой формы; размеры этих устройств должны быть много больше длины волны. Фокусировка УЗ позволяет не только получать звуковые изображения в системах звуковидения и акустической голографии, но и концентрировать звуковую энергию для создания в среде высокой интенсивности звука, что находит практическое применение во многих технических системах и технологических процессах (см. «Примеры использования в технике»).

Важной особенностью УЗ является возможность получения высокой интенсивности при относительно небольших амплитудах колебательного смещения, так как при данной амплитуде интенсивность пропорциональна квадрату частоты. Соответственно с частотой возрастает и роль нелинейных эффектов в УЗ-вом поле большой интенсивности. В частности, могут развиваться акустические течения, скорость которых мала по сравнению с колебательной скоростью частиц. С увеличением частоты возрастает радиационное давление, величина которого пропорциональна интенсивности УЗ. На тела, находящиеся в УЗ-вом поле большой интенсивности действуют пондеромоторные силы акустического и гидродинамического происхождения, пропорциональные квадрату колебательной скорости частиц. Важнейшим нелинейным эффектом в УЗ-вом поле является акустическая кавитация. Связанные с ней эффекты оказывают разнообразное влияние на вещество: происходит разрушение находящихся в жидкости твердых тел (кавитационная эрозия), возникает перемешивание жидкости, снижается ее вязкость, инициируются или ускоряются различные физические и химические процессы.

Временные характеристики

Время инициации (log to от -12 до -4);

Время существования (log tc от -10 до 10);

Время деградации (log td от -11 до -3);

Время оптимального проявления (log tk от -3 до 3).

Диаграмма:

Технические реализации эффекта

Техническая реализация эффекта

Для инициирования УЗ в твердой, жидкой или газообразной среде достаточно вывести какую-либо область среды из состояния равновесия — вызвать его упругую деформацию путем электромеханического преобразования электрического сигнала УЗ частоты, или воздействуя на данную область коротким импульсом, спектр которого содержит УЗ -вые компоненты. Источником начального возмущения может быть, например, электроакустический преобразователь любого типа (пьезокерамический, магнитострикционный и т.п.), находящийся в непосредственном контакте со средой или соединенный с ней посредством дополнительных звеньев, склеек и др., рис. 1.

 

Ультразвук

 

 

Рис. 1

 

Обозначения:

1 — генератор электрического сигнала (а — импульсного, b — гармонического с частотой более 20кГц);

2 — пьезоэлектрический излучатель с собственной частотой более 20 кГц;

3 — среда, в которую излучается УЗ-вой сигнал импульсного (а) или гармонического (b) типа.

Применение эффекта

Разнообразные практические применения УЗ различных частотных диапазонов представлены в таблице 1.

 

Литература

 1. Ультразвук / Под ред. И.П. Голяминой.- М.: Советская Энциклопедия, 1979.

 2. Ультразвуковые преобразователи / Под ред. Е. Кикучи.- М.: Мир, 1972.

Ключевые слова

  • акустика
  • амплитуда
  • акустическая голография
  • акустическое течение
  • волна
  • волна гармоническая
  • волна упругая
  • гиперзвук
  • давление радиационное
  • диспергирование
  • дифракция
  • длина волны
  • звук
  • звуковидение
  • звуковизор
  • интенсивность
  • интерференция
  • инфразвук
  • коэффициент отражения
  • коэффициент преломления
  • коэффициент прохождения
  • пондеромоторные силы
  • рассеяние
  • ультразвук
  • ультразвуковая дефектоскопия
  • ультразвуковая диагностика
  • ультразвуковая кавитация
  • ультразвуковая очистка
  • ультразвуковая эрозия
  • ультразвуковая диспергирование
  • ультразвуковая фокусировка
  • ультразвуковая частота

Разделы естественных наук:



Источник: ligis.ru


Добавить комментарий