Акустические колебания

Инфразвуковое колебание

Инфразвуковые колебания с уровнями свыше 150 дБ не переносятся человеком. Неблагоприятные последствия вызывает инфразвук в интервале частот 2 — 15 Гц.

Инфразвуковые колебания характеризуются большой длиной волны и могут быть периодическими, нерегулярными и кратковременными. Техногенными источниками инфразвука периодического характера являются поршневые двигатели с малым числом оборотов, поршневые насосы. Как периодические, так и нерегулярные инфразвуковые волны возникают при колебаниях больших гибких поверхностей.

Инфразвуковые колебания, связанные с изменением усилий прижатия бурильных труб к стенкам скважины, не вызывают значительных динамических нагрузок, так как обладают низкой частотой. Они носят релаксационный характер и полностью связаны по частоте и амплитуде с низкочастотными крутильными колебаниями.

Инфразвуковые колебания, связанные с изменением усилий прижатия бурильных груб к стенкам скважины, не вызывают значительных динамических нагрузок, так как обладают низкой частотой. Они носят релаксационный характер и полностью связаны по частоте и амплитуде с низкочастотными крутильными колебаниями.

Инфразвуковые колебания — механические колебания с частотами меньше 16 гц, не создающие звукового впечатления у человека.

Инфразвуковые колебания имеют место в авиационной и космической технике. Источниками инфразвука в авиации являются турбина и компрессор реактивного двигателя.

Инфразвуковые колебания с уровнем звукового давления до 150 дБ находятся в пределах выносливости человека при кратковременном воздействии, низкочастотные колебания с уровнем свыше 150 дБ испытуемые совершенно не переносят. Вначале появляются жалобы на головную боль, головокружение, изменение ритма сердечной деятельности, учащение дыхания, звон в ушах, снижение остроты зрения, колебания в области грудной клетки, кашель. Затем возникает чувство страха, тошнота, общая слабость, утомление.

Источниками инфразвуковых колебаний являются также мощные вентиляционные системы и системы кондиционирования.

Затухание инфразвуковых колебаний в приземном слое атмосферы составляет примерно 8 — 10 — б дБ / км, поэтому метод защиты расстоянием в этом случае крайне неэффективен.

Звукоизоляция источника инфразвуковых колебаний не обладает достаточной эффективностью на частотах менее 10 Гц, хотя на практике в ряде случаев применяется. Для повышения ее эффективности на частотах, ниже 10 Гц, требуется создавать мощные, жесткие конструкции из материалов с поверхностной плотностью 105 — 106 кг / м, что в ряде случаев нерентабельно.

В современном производстве инфразвуковые колебания в настоящее время имеют широкое распространение. Они образуются при работе компрессоров, турбин, дизельных двигателей, электровозов, промышленных вентиляторов и других крупногабаритных машин и механизмов.

Во многих случаях инфразвуковые колебания являются доминирующей частью спектров шума.

Для уменьшения амплитуды инфразвуковых колебаний могут быть использованы следующие способы: интерференционный, отражения звуковых волн к источнику их генерирования, поглощения звуковой энергии и некоторые другие.

Вибрации часто сопровождаются инфразвуковыми колебаниями. С другой стороны, инфразвуковые колебания часто вызывают вибрацию упругих тел и поверхностей. В связи с этим инфразвуковые колебания, упоминавшиеся в гл.

Учитывая большую длину волны инфразвуковых колебаний, отрицательное воздействие их на организм человека проявляется на значительных расстояниях от источника.

Интенсивность и мощность ультразвука

Интенсивность звука (сила звука) — средняя по времени энергия, переносимая звуковой волной через единичную площадку, перпендикулярную к направлению распространения волны, в единицу времени. Для периодического звука усреднение производится либо за промежуток времени большой по сравнению с периодом, либо за целое число периодов . Интенсивность ультразвука – величина, которая выражает акустического поля в точке .

Для плоской синусоидальной бегущей волны интенсивность ультразвука I определяется по формуле

, (5)

  • где р — амплитуда звукового давления, Па
  • v — амплитуда колебательной скорости частиц, м/c
  • — плотность среды, кг/м3
  • с — скорость звука, м/c

В сферической бегущей волне интенсивность ультразвука обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника. В стоячей волне I = 0, т. е. потока звуковой энергии в среднем нет. Интенсивность ультразвука в гармонической плоской бегущей волне равна плотности энергии звуковой волны, умноженной на скорость звука. Поток звуковой энергии характеризуют так называемым вектором Умова — вектором плотности потока энергии звуковой волны, который можно представить как произведение интенсивности ультразвука на вектор волновой нормали, т. е. единичный вектор, перпендикулярный фронту волны. Если звуковое поле представляет собой суперпозицию гармонических волн различной частоты, то для вектора средней плотности потока звуковой энергии имеет место аддитивность составляющих.

Для излучателей, создающих плоскую волну, говорят об интенсивности излучения, понимая под этим удельную мощность излучателя, т. е. излучаемую мощность звука, отнесённую к единице площади излучающей поверхности.

Интенсивность звука измеряется в системе единиц СИ в Вт/м2. В ультразвуковой технике интервал изменения интенсивности ультразвука очень велик — от пороговых значений ~ 10-12 Вт/м2 до сотен кВт/м2 в фокусе ультразвуковых концентраторов.

Мощность звука — энергия, передаваемая звуковой волной через рассматриваемую поверхность в единицу времени. Различают мгновенное значение мощности ультразвука и среднее за период или за длительное время. Наибольший интерес представляет среднее значение мощности ультразвука, отнесённое к единице площади, т. н. средняя удельная мощность звука, или .

Таблица 1 — Свойства некоторых распространенных материалов

Материал Плотность, кг/м3 Скорость продольной волны, м/c Скорость поперечной волны, м/c , 103 кг/(м2*с)
Акрил 1180 2670 3,15
Воздух 0,1 330 0,00033
Алюминий 2700 6320 3130 17,064
Латунь 8100 4430 2120 35,883
Медь 8900 4700 2260 41,830
Стекло 3600 4260 2560 15,336
Никель 8800 5630 2960 49,544
Полиамид (нейлон) 1100 2620 1080 2,882
Сталь (низколегированный сплав) 7850 5940 3250 46,629
Титан 4540 6230 3180 26,284
Вольфрам 19100 5460 2620 104,286
Вода (293К) 1000 1480 1,480

Разновидности ультразвуковых волн

Большинство методов ультразвукового исследования использует либо продольные, либо поперечные волны. Также существуют и другие формы распространения ультразвука, включая поверхностные волны и волны Лэмба.

Продольные ультразвуковые волны – волны, направление распространения которых совпадает с направлением смещений и скоростей частиц среды.

Поперечные ультразвуковые волны – волны, распространяющиеся в направлении, перпендикулярном к плоскости, в которой лежат направления смещений и скоростей частиц тела, то же, что и сдвиговые волны .

Рисунок 2 – Движение частиц в продольных и поперечных ультразвуковых волнах

Поверхностные (Рэлеевские) ультразвуковые волны имеют эллиптическое движение частиц и распространяются по поверхности материала. Их скорость приблизительно составляет 90% скорости распространения поперечной волны, а их проникновение вглубь материала равно примерно одной длине волны .

Волна Лэмба — упругая волна, распространяющиеся в твёрдой пластине (слое) со свободными границами, в которой колебательное смещение частиц происходит как в направлении распространения волны, так и перпендикулярно плоскости пластины. Лэмба волны представляют собой один из типов нормальных волн в упругом волноводе – в пластине со свободными границами. Т.к. эти волны должны удовлетворять не только уравнениям теории упругости, но и граничным условиям на поверхности пластины, картина движения в них и их свойства более сложны, чем у волн в неограниченных твёрдых телах.

Амплитуда и фаза колебаний

Амплитуда колебаний – модуль наибольшего смещения тела от положения равновесия. Обозначение – ​\( A\, (X_{max}) \)​, единицы измерения – м.

Фаза колебаний – это величина, которая определяет состояние колебательной системы в любой момент времени. Обозначение – ​\( \varphi \)​, единицы измерения – рад (радиан).

Фаза колебаний – это величина, стоящая под знаком синуса или косинуса. Она показывает, какая часть периода прошла от начала колебаний. Фаза гармонических колебаний в процессе колебаний изменяется. ​\( \varphi_0 \)​ – начальная фаза колебаний.Начальная фаза колебаний – величина, которая определяет положение тела в начальный момент времени.

Важно! Путь, пройденный телом за одно полное колебание, равен четырем амплитудам

Применение ультразвука

Многообразные применения ультразвука, при которых используются различные его особенности, можно условно разбить на три направления. связано с получением информации посредством ультразвуковых волн, — с активным воздействием на вещество и — с обработкой и передачей сигналов (направления перечислены в порядке их исторического становления). При каждом конкретном применении используется ультразвук определённого частотного диапазона.

Получение информации с помощью ультразвуковых методов. Ультразвуковые методы широко используются в научных исследованиях для изучения свойств и строения веществ, для выяснения проходящих в них процессов на макро- и микроуровнях. Эти методы основаны главным образом на зависимости и от свойств веществ и от процессов, в них происходящих.

Воздействие ультразвука на вещество. Активное воздействие ультразвука на вещество, приводящее к необратимым изменениям в нём, или воздействие ультразвука на физические процессы, влияющее на их ход, обусловлено в большинстве случаев нелинейными эффектами в звуковом поле. Такое воздействие широко используется в промышленной технологии; при этом решаемые с помощью ультразвуковой технологии задачи, а также и сам механизм ультразвукового воздействия различны для разных сред.

Обработка и передача сигналов. Ультразвуковые устройства применяются для преобразования и аналоговой обработки электрических сигналов в различных отраслях радиоэлектроники, например в радиолокации, связи, вычислительной технике, и для управления световыми сигналами в оптике и оптоэлектронике. В устройствах для управления электрическими сигналами используются следующие особенности ультразвука: малая по сравнению с электромагнитными волнами скорость распространения; малое поглощение в кристаллах и соответственно высокая добротность резонаторов .

Пьезоматериалы
Преобразователи
Проектирование

Й.Крауткремер, Г.Крауткремер. Справочник. Ультразвуковой контроль материалов.-Москва.: Металлургия, 1991.
Голямина И.П. Ультразвук.-Москва.: из-во «Советская энциклопедия», 1979
General Electric Sensing. Ultrasonic transducers technical notes.- Panametrics, ltd
Под редакцией И.С.Григорьева, Е.3.Мейлихова. Справочник. Физические величины.-Москва.:1991.
Б.А.Агранат, В.И.Башкиров, Ю.И.Китайгородский, Н.Н.Хавский. Ультразвуковая технология.-Москва.:Металлургия, 1974.
Балдев Радж, В.Раджендран, П.Паланичами. Применения ультразвука.-Москва.:Техносфера, 2006.

Ультра- и инфразвук

Ультразвук – это механические волны, аналогичные звуковым, но имеющие частоту от 20 кГц до миллиарда герц.

Волны, имеющие частоту более миллиарда герц, называют гиперзвуком.

Ультразвук применяется для обнаружения дефектов в литых деталях. На исследуемую деталь направляют поток коротких ультразвуковых сигналов. В тех местах, где дефектов нет, сигналы проходят сквозь деталь, не регистрируясь приемником.

Если же в детали есть трещина, воздушная полость или другая неоднородность, то ультразвуковой сигнал отражается от нее и, возвращаясь, попадает в приемник. Такой метод называют ультразвуковой дефектоскопией.

Другими примерами применения ультразвука являются аппараты ультразвукового исследования, аппараты УЗИ, ультразвуковая терапия.

Инфразвук – механические волны, аналогичные звуковым, но имеющие частоту менее 20 Гц. Они не воспринимаются человеческим ухом.

Естественными источниками инфразвуковых волн являются шторм, цунами, землетрясения, ураганы, извержения вулканов, гроза.

Инфразвук – тоже важные волны, которые используют для колебаний поверхности (например, чтобы разрушить какие-нибудь большие объекты). Мы запускаем инфразвук в почву – и почва дробится. Где такое используется? Например, на алмазных приисках, где берут руду, в которых есть алмазные компоненты, и дробят на мелкие частицы, чтобы найти эти алмазные вкрапления (рис. 4).

Рис. 4. Применение инфразвука

Музыкальные волны. Шум

Самые интересные звуковые волны – музыкальные звуки и шумы. Какие предметы могут создать звуковые волны? Если мы возьмем источник волны и упругую среду, если мы заставим источник звука колебаться гармонически, то у нас возникнет замечательная звуковая волна, которая будет называться музыкальным звуком. Этими источниками звуковых волн могут быть, например, струны гитары или рояля. Это может быть звуковая волна, которая создана в зазоре воздушном трубы (органа или трубы). Из уроков музыки вы знаете ноты: до, ре, ми, фа, соль, ля, си. В акустике они называются тонами (рис. 7).

Рис. 7. Музыкальные тоны

У всех предметов, которые могут издавать тоны, будут особенности. Чем они различаются? Они различаются длиной волны и частотой. Если эти звуковые волны создаются не гармонически звучащими телами или не связаны в общую какую-то оркестровую пьесу, то такое количество звуков будет называться шумом.

Шум – беспорядочные колебания различной физической природы, отличающиеся сложностью временной и спектральной структуры. Понятие шума есть бытовое и есть физическое, они очень схожи, и поэтому мы его вводим как отдельный важный объект рассмотрения.

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ

Часть 1

1. Какой путь пройдёт груз математического маятника за 10 полных колебаний, если амплитуда колебаний равна 3 см?

1) 30 см 2) 60 см 3) 90 см 4) 120 см

2. Маятник совершает 20 полных колебаний за 10 с. Чему равна частота колебаний маятника?

1) 20 Гц 2) 2 Гц 3) 1 Гц 4) 0,5 Гц

3. Во сколько раз надо изменить массу груза пружинного маятника, чтобы период колебаний увеличился в 9 раз?

1) увеличить в 3 раза 2) уменьшить в 9 раз 3) уменьшить в 81 раз 4) увеличить в 81 раз

4. Массу груза математического маятника, совершающего гармонические колебания, увеличили в 9 раз. При этом период колебаний

1) увеличился в 3 раза 2) увеличился в 9 раз 3) уменьшился в 3 раза 4) не изменился

5. Если перенести математический маятник с Земли на Марс, то

1) частота колебаний не изменится 2) частота колебаний увеличится 3) частота колебаний уменьшится 4) маятник не будет колебаться

6. На рисунке представлен график колебаний математического маятника. Период колебаний маятника равен

1) 1 с 2) 2 с 3) 3 с 4) 4 с

7. Период колебаний частиц в волне можно вычислить по формуле

1) ​\( T=\frac{\nu}{\lambda} \)​ 2) ​\( T=\frac{\lambda}{\nu} \)​ 3) ​\( T=\lambda\nu \)​ 4) ​\( T=v\nu \)​

8. На рисунке показан график волны, бегущей вдоль упругого шнура, в некоторый момент времени. Длина волны равна расстоянию

1) ВС 2) BD 3) BE 4) OD

9. Сравните громкость звука и высоту тона двух звуковых колебаний, если для первого колебания: амплитуда ​\( A_1 \)​ = 2 мм, частота ​\( \nu_1 \)​ = 500 Гц, для второго колебания: \( A_2 \) = 4 мм, частота \( \nu_w \) = 300 Гц.

1) громкость первого звука больше, чем второго, а высота тона меньше 2) и громкость, и высота тона первого звука больше, чем второго 3) и громкость и высота тона первого звука, меньше, чем второго 4) громкость первого звука меньше, чем второго, а высота тона больше

10. Волна частотой 3 Гц распространяется в среде со скоростью 6 м/с. Длина волны равна

1) 18 м 2) 2 м 3) 1 м 4) 0,5 м

11. Математический маятник отвели в сторону и отпустили. Как будут изменяться значения величин, характеризующих колебания маятника при его движении к положению равновесия. Для каждой величины из первого столбца подберите соответствующее характеру её изменения слово из второго столбца. Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами. Цифры могут повторяться.

ВЕЛИЧИНЫ A) смещение Б) скорость B) потенциальная энергия

ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ 1) увеличивается 2) уменьшается 3) не изменяется

12. Среди приведённых ниже положений укажите два правильных и запишите их номера в таблице.

1) Звук распространяется только в воздухе. 2) Колебания, частота которых больше 20 000 Гц, называются ультразвуком. 3) Инфразвук — колебания, частота которых больше 16 Гц. 4) Эхо — явление многократного отражения звуковых волн от преград. 5) Звуковые волны — поперечные.

Звуковое поле излучателя

Звуковое поле преобразователя делят на две зоны: ближнюю зону и дальнюю зону. Ближняя зона это район прямо перед преобразователем, где амплитуда эха проходит через серию максимумов и минимумов. Ближняя зона заканчивается на последнем максимуме, который располагается на расстоянии N от преобразователя. Известно, что расположение последнего максимума является естественным фокусом преобразователя. Дальняя зона это район находящийся за N, где давление звукового поля постепенно уменьшается до нуля .

Рисунок 3 – Звуковое поле круглого излучателя

Положение последнего максимума N на акустической оси в свою очередь зависит от диаметра и длины волны и для дискового круглого излучателя выражается формулой

, (17)

  • где N – длина ближней зоны, м,
  • D – диаметр излучателя, м,
  • – длина волны, м

Однако поскольку D обычно значительно больше , уравнение можно упростить и привести к виду

, (18)

Рисунок 4 – Ближняя и дальняя зоны звукового поля

Характеристики звукового поля определяются конструкцией ультразвукового преобразователя. Следовательно, от его формы зависит распространение звука в исследуемой области и чувствительность датчика.

Физиологическое действие инфразвука

Органы человека, как и любое физическое тело имеют собственную
резонансную частоту. Под воздействием звука с этой частотой они могут
испытывать внутреннее изменение структуры, вплоть до потери собственной
работоспособности. На этом принципе основано инфразвуковое оружие. Также
при совпадении воздействующего звука с ритмами мозга, такими как
альфа-ритм, бета-ритм, гамма-ритм, дельта-ритм, тета-ритм, каппа-ритм,
мю-ритм, сигма-ритм и др., может возникнуть нарушение активности
церебральных механизмов мозга.

Все случаи контакта человека
и инфразвука можно поделить на две большие группы. Контакты в
пространстве, не ограниченном жесткими стенками и контакты в помещениях,
то есть в пространстве, ограниченном жесткими стенками. Таким образом, с
точки зрения акустики, это контакты с бегущей волной (в первом случае), и контакты в полости резонатора (во втором случае).

Физиологическое действие инфразвука на открытом пространстве

Как пример, рассмотрим вредную для человеческого организма стоячую
волну частотой в 7 Гц, названную академиком Шулейкиным голос моря ,
образующуюся по принципу, схожему с образованием стоячей волны в трубе,
у которой один конец открыт, а другой закрыт. Для такой трубы, открытой
с одного конца основная частота f = v/4L, где v — скорость звука
в среде, L – длина трубы. Таким образом, опасный для человека инфразвук
может образовываться в море с глубиной в h=v/4f+k*v/f (k=0,1,2,3…) и
ровным донным рельефом, что соответствует глубинам около 50+200*k
метров, в зависимости от солёности и температуры воды.

Физиологическое действие инфразвука в помещении

В процессе трудовой деятельности большинство контактов человека и
инфразвука (ИЗ) происходит именно в пространстве, ограниченном жесткими
стенками.

С физической точки зрения все многообразие помещений может быть
сведено к резонаторам двух типов: — резонатору типа Гельмгольца и
резонатору типа труба. В эксперименте показано, что даже небольшая, по
сравнению с длинной ИЗ волны, комната, может служить четверть волновым
резонатором частотой 5,5 Гц.

Таким образом, человек, в силу привычки или служебной необходимости
находящийся в той или иной части помещения, будет контактировать с
различными физическими компонентами распределенной в пространстве
помещения акустической волны. Но, с точки зрения биологии, контакт с
разными раздражителями должен вызвать разную ответную реакцию органов и
систем.

Экспериментально показано, что нахождение в разных частях даже
небольшого помещения способно вызвать разнонаправленную реакцию органов и
систем человека и животных. Выделена зона градиента ИЗ волны, в которой
падает работоспособность, уменьшается частота различия звуковых
импульсов и световых мельканий, резко активируется активность
симпатического звена регуляции сосудистой системы и развивается реакция
гиперкоагуляции крови. Это связано с прямым действием ИЗ на стенки
кровеносных сосудов

В то же самое время у людей и животных, находящихся в противоположном
конце помещения умеренно, но статистически достоверно, растет
работоспособность, уменьшается активность свертывающих систем крови и
улучшаются показатели реакции на частоту световых мельканий.

Зависимость ответной реакции организма на нахождение человека и
животных в разных частях одного и того же помещения сохранялась в
пределах проверенной интенсивности ИЗ от 80 до 120 дБ и частотах 8, 10 и
12 Гц.

Никаких психических реакций на наиболее часто встречающиеся в
промышленности уровни ИЗ выявлено не было. Данные опытов указывают, что
ИЗ, даже невысокой интенсивности, в зависимости от места нахождения
подопытного объекта, может быть небезопасен для здоровья и может, в то
же самое время, обладать положительным стимулирующим эффектом.

Зональная биологическая активность ИЗ может послужить основой
сравнительно простых способов защиты от ИЗ, основанных на выведении
рабочего места человека-оператора из биологически вредной зоны.

Интерференция и дифракция ультразвуковых волн

Интерференция звука — неравномерность пространственного распределения амплитуды результирующей звуковой волны в зависимости от соотношения между фазами волн, складывающихся в той или иной точке пространства. При сложении гармонических волн одинаковой частоты результирующее пространственное распределение амплитуд образует не зависящую от времени интерференционную картину, которая соответствует изменению разности фаз составляющих волн при переходе от точки к точке. Для двух интерферирующих волн эта картина на плоскости имеет вид чередующихся полос усиления и ослабления амплитуды величины, характеризующей звуковое поле (например, звукового давления). Для двух плоских волн полосы прямолинейны с амплитудой, меняющейся поперёк полос соответственно изменению разности фаз. Важный частный случай интерференции — сложение плоской волны с её отражением от плоской границы; при этом образуется стоячая волна с плоскостями узлов и пучностей, расположенными параллельно границе.

Дифракция звука — отклонение поведения звука от законов геометрической акустики, обусловленное волновой природой звука. Результат дифракции звука — расхождение ультразвуковых пучков при удалении от излучателя или после прохождения через отверстие в экране, загибание звуковых волн в область тени позади препятствий, больших по сравнению с длиной волны, отсутствие тени позади препятствий, малых по сравнению с длиной волны, и т. п. Звуковые поля, создаваемые дифракцией исходной волны на препятствиях, помещённых в среду, на неоднородностях самой среды, а также на неровностях и неоднородностях границ среды, называются рассеянными полями. Для объектов, на которых происходит дифракция звука, больших по сравнению с длиной волны , степень отклонений от геометрической картины зависит от значения волнового параметра

, (15)

  • где D — поперечник объекта (например, поперечник ультразвукового излучателя или препятствия),
  • r — расстояние точки наблюдения от этого объекта

Скорость распространения звуковой волны

Скорость звука зависит от условий среды и температуры (рис. 5).

Рис. 5. Скорость распространения звуковой волны в различных средах

Обратите внимание: в воздухе скорость звука при  равна , при  скорость увеличивается на. Если вы исследователь, то вам могут пригодиться такие знания

Вы, может быть, даже придумаете какой-нибудь температурный датчик, который будет фиксировать расхождения температуры путем изменения скорости звука в среде. Мы уже знаем, что чем плотнее среда, чем более серьезное взаимодействие между частицами среды, тем быстрее распространяется волна. Мы в прошлом параграфе обсудили это на примере сухого и воздуха влажного воздуха. Для воды скорость распространения звука . Если создать звуковую волну (стучать по камертону), то скорость ее распространения в воде будет в 4 раза больше, чем в воздухе. По воде информация дойдет быстрее в 4 раза, чем по воздуху. А в стали и того быстрее:  (рис. 6).

Рис. 6. Скорость распространения звуковой волны

Вы знаете из былин, что Илья Муромец пользовался (да и все богатыри и обычные русские люди и мальчики из РВС Гайдара), пользовались очень интересным способом обнаружения объекта, который приближается, но располагается еще далеко. Звук, который он издает при движении, еще не слышен. Илья Муромец, припав ухом к земле, может ее услышать. Почему? Потому что по твердой земле передается звук с большей скоростью, значит, быстрее дойдет до уха Ильи Муромца, и он сможет подготовиться к встрече неприятеля.

Распространение инфразвука

Для инфразвука характерно малое поглощение в различных средах,
вследствие чего инфразвуковые волны в воздухе, воде и в земной коре
могут распространяться на очень далёкие расстояния. Поскольку инфразвук
слабо поглощается, он распространяется на большие расстояния и может
служить предвестником бурь, ураганов, цунами. Это явление находит
практическое применение при определении места сильных взрывов или
положения стреляющего орудия. Звуки взрывов, содержащие большое
количество инфразвуковых частот, применяются для исследования верхних
слоев атмосферы, свойств водной среды.

Характеристики излучателя ультразвука

К основным характеристикам излучателей ультразвука относятся их частотный спектр, излучаемая мощность звука, направленность излучения. В случае моночастотного излучения основными характеристиками являются рабочая частота излучателя ультразвука и его частотная полоса, границы которой определяются падением излучаемой мощности в два раза по сравнению с её значением на частоте максимального излучения. Для резонансных электроакустических преобразователей рабочей частотой является собственная частота f преобразователя, а ширина полосы Δf определяется его добротностью Q.

, (16)

Излучатели ультразвука (электроакустические преобразователи) характеризуются чувствительностью, электроакустическим коэффициентом полезного действия и собственным электрическим импедансом.

Чувствительность излучателя ультразвука — отношение звукового давления в максимуме характеристики направленности на определённом расстоянии от излучателя (чаще всего на расстоянии 1 м) к электрическому напряжению на нём или к протекающему в нём току. Эта характеристика применяется к излучателям ультразвука, используемым в системах звуковой сигнализации, в гидролокации и в других подобных устройствах. Для излучателей технологического назначения, применяемых, например, при ультразвуковых очистке, коагуляции, воздействии на химические процессы, основной характеристикой является мощность. Наряду с общей излучаемой мощностью, оцениваемой в Вт, излучатели ультразвука характеризуют удельной мощностью, т. е. средней мощностью, приходящейся на единицу площади излучающей поверхности, или усреднённой интенсивностью излучения в ближнем поле, оцениваемой в Вт/м2.

Эффективность электроакустических преобразователей, излучающих акустическую энергию в озвучиваемую среду, характеризуют величиной их электроакустического коэффициента полезного действия, представляющего собой отношение излучаемой акустической мощности к затрачиваемой электрической. В акустоэлектронике для оценки эффективности излучателей ультразвука используют так называемый коэффициент электрических потерь, равный отношению (в дБ) электрической мощности к акустической. Эффективность ультразвуковых инструментов, используемых при ультразвуковой сварке, механической обработке и тому подобное, характеризуют так называемым коэффициентом эффективности, представляющим собой отношение квадрата амплитуды колебательного смещения на рабочем конце концентратора к электрической мощности, потребляемой преобразователем. Иногда для характеристики преобразования энергии в излучателях ультразвука используют эффективный коэффициент электромеханической связи.

Ссылка на основную публикацию