Ультразвук представляет собой колебания механического характера. Их особенностью является то, что они имеют частоту, которую ухо человека воспринимать не способно.
Скорость распространения ультразвука определяется величинами плотности ткани и ее упругости. Подробнее о том, что она собой представляет, можно ознакомиться далее.
Основные параметры ультразвука
К наиболее значимым параметрам ультразвуковой волны можно отнести ее период и длину. Частотой волны принято считать количество циклов, которые она совершила в течение одной секунды.
Согласно международной системе единиц частота волны измеряется в Герцах (сокр. Гц.). Формула нахождения частоты волны и график, демонстрирующий наиболее значимые ее параметры, представлены ниже.
Что касается скорости звукового потока, то при определенной температуре и давлении в идеально упругом материале она является неизменной. Длина волны находится как отношение скорости звука к частоте. Условное обозначение длины волны – метры. Также существует прямая связь между длиной волны и скоростью звука. Выражается она формулой:
λ = с/f
Где λ – длина волнового потока, выражаемая в метрах (сокр. м.); с – скорость ультразвука, выражаемая в метрах, деленных на секунду (сокр. м/с).
Если рассматривать скорость ультразвука, который протекает в твердых веществах, то для ее расчета требуется воспользоваться следующей формулой (формула применима именно для продольных волн):
Для поперечных волн надлежит применять другую расчетную формулу:
Также в контексте рассматриваемой темы важным является понимание термина «Дисперсия звука». Звуковая дисперсия определяется как зависимость скорости волн от их частот. Данный параметра ультразвука может быть непостоянен и зависеть как от свойств среды, в которой он протекает, так и от присутствия конкретных границ объекта.
Разновидности ультразвуковых волн
Когда проводятся какие-либо ультразвуковые исследования, чаще всего внимание акцентируется на волнах поперечного и продольного характера распространения.
Помимо них изучаются и иные разновидности распространения ультразвуковых волн, например, поверхностные и волны Лэмба. На самых распространенных типах волн стоит остановиться подробнее:
Поперечные волны
Волны данного типа распространяются таким образом, что направление их протекания перпендикулярно плоскости, в которой находятся направления скоростей движения частиц и относительных смещений.
Продольные волны
Отличительной особенностью волн продольного типа является то, что они перемещаются в направлении, полностью аналогичном тому, куда происходит смещение объекта и в котором распространяется скорость частиц среды.
Волны Лэмба
Волны Лэмба (названы в честь ученого Горация Лэмба, открывшего их) часто еще называют «Нормальными». Для волн Лэмба характерно распространение в упругой среде. Данная среда состоит из бегущих и стоячих волн.
Такие волны способны двигаться исключительно в пластинах, толщиной полностью сопоставимых с их длиной. Если их толщина хотя бы немного выше, то распространяться они не будут. Для Волн Лэмба характерна дисперсия.
Поверхностные волны
Поверхностные ультразвуковые волны также называют «Рэлеевскими». Тип их движения носит эллиптический характер, проходят они по поверхности тела. Скорость ультразвука, относящегося к поверхностному типу, составляет приблизительно 90% от той скорости, которую развивают ультразвуковые волны поперечного типа. Также стоит отметить, что проникновение Рэлеевский волны внутрь тела равно 1-й длине волны.
Визуализация ультразвуковых волн
Визуализация ультразвуковых волн требуется для наглядной демонстрации их характеристик и придания им более точного описания. Например, если визуализировать продольные и поперечные ультразвуковые волны, то их изображение будет выглядеть так:
Для информации! Ультразвуковая визуализация активно используется в медицине. С ее помощью медицинские работники научились проводить эффективное и быстрое диагностирование проблем, возникающих с кровеносными сосудами, животом и при беременности. Помимо этого ультразвуковая диагностика применятся для проведения биопсии и исследования состояния сердца пациента.
Если же демонстрировать ультразвуковые волны в общем виде, переводя их на изображение, то выглядеть они будут так, как на картинке ниже.
Интенсивность и мощность ультразвука
Интенсивностью звука (величиной его силы) называют энергию, которую ультразвуковая волна переносит через единичную площадку. Причем эта площадка располагается перпендикулярно стороне, в которой перемещается сама волна за конкретную величину времени.
Интенсивностью распространения ультразвука принято считать величину, отражающую характеристику мощности поля в конкретно заданной точке области. Если рассматривать плоскую волну синусоидального характера, то интенсивность звука будет определяться по формуле:
Теперь подробнее о характеристике, отражающей величину мощности звукового потока. Она является отражением определенного количества энергии, которую ультразвуковая волна способна передавать за конкретный промежуток времени через наблюдаемую поверхность.
Для информации! В системе СИ интенсивность звукового потока обозначается как «ватт деленный на метр квадратный» (сокр. Вт/м2).
Рассматривая интенсивность ультразвукового потока в сферической волне, нужно отметить, что она обратно пропорциональна квадрату расстояния от места ее испускания. Если же волна стоячая (т.е. ее интенсивность в конкретной ситуации равна нулю), то звуковая энергия отсутствует.
Существуют мгновенные и средние величины мощностей звукового потока. Отдельного внимания заслуживают вторые, демонстрирующие значение за определенный период и находящиеся в прямой зависимости от среды, в которой распространяются.
Ниже представлена таблица, демонстрирующая зависимость скоростей ультразвуковых волн, от среды (материала, с которым они взаимодействуют).
Из таблицы видно, что значения в зависимости от среды распространения могут сильно отличаться. Это следует учитывать при проведении научных исследований.
Затухание ультразвука
Также при изучении скорости ультразвука необходимо ознакомиться с одной из важнейших его характеристик – затуханием. Под затуханием распространяющейся в условной среде ультразвуковой волны следует понимать амплитуду и ее интенсивность. Причин, по которым ультразвук способен с течением времени терять свою силу, довольно много. Ниже представлены основные из них:
1. Поглощение ультразвуковых волн – процесс носит необратимый характер и заключается в трансформации энергии в другие ее состояния (например, в тепловую энергию).
2. Затухание волны посредством увеличения ее расстояния от источника, ее испускающего. Убывание амплитуды происходит по причине особенностей размеров и формы источника.
3. Ультразвук обладает свойством рассеивания в случае распространения в областях, для которых характерна неоднородная структура. Ввиду неоднородности среды протекания происходит снижение потока энергии, выпущенного в определенном направлении, который с течением времени искажается.
Чтобы лучше понимать сущность причин, на каждой имеет смысл остановиться подробнее:
Убывание амплитуды
По мере движения ультразвуковой волны происходит ее распределение на площадь волнового фронта. Вследствие этого наблюдается уменьшение энергии, которая поступает на единицу площади – происходит постепенное убывание амплитуды волны.
Рассеяние ультразвука
Иногда модули упругости и свойства среды, в которой происходит распространение ультразвука, подвержены постоянным изменениям. Именно из-за них может наблюдаться рассеяние ультразвука.
Важно! Неоднородности в средах распространения волн различны. Например, в газовых средах могут присутствовать капли каких-либо веществ. В воде периодически встречаются воздушные пузырьки, в твердых материалы могут присутствовать вкрапления кристаллов или других типов материалов.
Поглощение ультразвука
Причиной поглощения волны и уменьшения скорости ультразвука могут быть особенности работы самых разных механизмов, с которыми им приходится сталкиваться по мере распространения.
Ключевыми характеристиками среды являются ее теплопроводность и вязкость. Также не менее важную роль играют всевозможные процессы внутри среды на молекулярном уровне и тепловое непостоянство структуры кристаллической решетки объекта.
Отражение ультразвука от границы раздела сред
Как известно, ультразвук обладает свойством направленного движения в среде. Однако бывает так, что одна среда соседствует с другой и ультразвук подходит к границе между ними.
Когда это случается, можно наблюдать, что одна часть энергии будет отражена в изначальную среду, а вторая часть перейдет во вторую, уже в ней продолжая свое движение с учетом новых окружающих условий.
Соотношение между энергией, оставшейся в первой среде и энергией, продолжившей свое движение в новой среде, определяется волновым сопротивлением сред.
Если сохраняется условие, при котором дисперсии скорости ультразвука нет, то у сопротивления волнового характера полностью отсутствует прямая или косвенная зависимость от того, какой формой обладает рассматриваемая волна. Таким образом, волновое сопротивление можно математически вычислить формулой, указанной на изображении ниже.
Коэффициенты прохождения и отражения определяются по следующим формулам:
Интерференция и дифракция ультразвуковых волн
При рассмотрении понятия скорости ультразвука и составления общей картины принципов протекания волн, будет нелишним разобрать два термина – дифракция и интерференция.
Звуковая дифракция
Периодически при детальном рассмотрении волн можно наблюдать отклонения в поведении звука. Причина кроется в самой природе волн. Дифракция звука способна давать один из результатов:
видимое несоответствие физических характеристик ультразвуковых пучков сразу после их удаления от источника и после их распространения сквозь небольшое отверстие в экране;
наличие видимых сгибов ультразвуковых пучков после прохождения препятствий, толщиной их превышающих;
наличие волновых изгибов после прохождения препятствий, имеющих толщину меньшую, чем длина проходимой волны.
Звуковые поля, которые являются следствием работы волновых дифракций при их взаимодействии с препятствующими нормальному распространению объектами, помещенными в область на неоднородностях самой среды, носят название «рассеянные поля».
Для предметов, при взаимодействии с которыми имеется звуковая дифракция и толщина которых при этом больше, чем длина испускаемой источником ультразвуковой волны (далее в уравнении этот параметр будет обозначаться символом «λ»), степень отклонений от общей геометрической картины напрямую зависит от величины волны:
P = √λr/D
Где r – расстояние от объекта до точки наблюдения; D – поперечник предмета.
Интерференция
Интерференцией потока в физике называют отсутствие в некотором пространстве равномерного распределения амплитуды волны, находящейся в зависимости от взаимодействия между фазами, которые соединяются в конкретной пространственной области.
Если складывать гармонические волны, демонстрирующие идентичную частоту, распределение амплитуд будет демонстрировать единую интерференционную картину. Если представить такие волны в графическом виде, то на изображении будут наблюдаться чередующиеся уплотняющиеся полоски.
Важно! При рассмотрении интерференции следует помнить, что для нее характерен единственный частный случай – касается он складывания волны, обладающей плоской формой, с ее отражением от граничной полосы. В этом случае имеет место образование вертикальных волн с узлами, которые будут находиться параллельно пограничной области.
Явления, формирующие ультразвук
Перед тем, как перейти непосредственно к рассмотрению существующих на данный момент излучателей ультразвука, следует разобраться, что именно применяется для его получения. Чтобы ультразвук был сформирован, применяют:
магнитострикацию;
электрострикацию;
обратный пьезоэлектрический эффект.
Стоит на каждом явлении остановиться подробнее.
Магнитострикация
Сущность магнитострикации заключается в применении стержня ферромагнитного типа. В его роли могут выступать самые разные металлы – никель, железо, сталь, а также всевозможные их комбинации. Функция этого стержня заключается в периодических контролируемых изменениях своих линейных размеров. Провоцируются эти изменения путем воздействия на стержень магнитного поля, которое специально направляется по его оси.
Если этот ферромагнитный стержень будет помещен во внутрь переменного магнитного поля (самый простой способ осуществить это – поместить стержень во внутреннюю полость катушки с протекающим по ней переменным током), то этим в нем будут вызваны колебательные движения. Самые большие колебательные амплитуды будут достигнуты в момент резонанса.
Стержневой торец начнет колебаться, выпуская в окружающую среду ультразвук. Его интенсивность будет напрямую зависеть от того, насколько велика текущая колебательная амплитуда.
Электрострикация
Существуют материалы, для которых характерно изменение размеров при попадании в электрические поля. Именно это изменение габаритов материала при воздействии на него электрического поля и получило название «явление электрострикации».
Явление электрострикации отличается от указанной выше магнитострикации тем, что размеры объекта изменяются только в зависимости от того, каким напряжением обладает воздействующее электрическое поле. Причем не имеет совершенно никакого значения, какой у него знак – плюс или минус. К материалам, для которых свойственна подобная изменчивость, относятся керамика, титанат-цирконат свинца и титанат бария.
Обратный пьезоэлектрический эффект
Явление, называемое обратным пьезоэлектрическим эффектом, заключается в том, что на пластину, изготовленную из кварцевого кристалла (в качестве альтернативы допустимо применение и любого другого кристалла анизотропного типа), оказывается воздействие электрическим полем, в результате чего она в зависимости от направленности поля, может демонстрировать либо удлинение, либо напротив – сжатие.
Если взять обкладки плоского конденсатора, подать на них переменное напряжение, после чего разместить между ними пластину, то на начнет производить колебательные движения.
Пластина, непрерывно взаимодействуя с окружающей средой, начнет сразу передавать ей колебания, формируя звуковую волну (скорость ультразвука при этом может существенно отличаться от первоначальных значений на этапе его формирования в излучателе в зависимости от среды).
Излучатели ультразвука
Под излучателями ультразвука понимают приборы, цель которых заключается в формировании звуковых. Причем эти колебания могут формироваться в самых разных средах (в том числе и неоднородных) – в твердых, жидких и газообразных. Устройства, формирующие ультразвук, занимаются тем, что преобразуют энергии звукового поля в иные типы энергии.
Чаще всего в научной среде можно встретить именно электроакустические преобразователи ввиду простоты их производства и эксплуатации, а также по причине низкой стоимости изготовления. К излучателям данного типа относят магнитострикционные, пьезоэлектрические, электростатические и электродинамические преобразователи.
Функция всех перечисленных выше приборов – преобразовать электрическую энергию и колебательную энергию тела, на которое та подается. Именно твердые тела, на которые был подан ток, становятся источниками формирования волн низкой частоты (ультразвука).
В большинстве случаев преобразователи являются линейными. В связи с этим установки формируют колебания за счет возбуждающего сигнала, носящего электрический характер. Только при появлении наибольших амплитуд можно периодически наблюдать нелинейные искажения.
Когда требуется создать монохроматическую волну, то необходимо применять устройства, принцип действия которых основан на другом явлении – резонанса.
Принцип их действия основан на одном из колебательных процессов, формирующихся внутри системы. Эти колебания формируются генераторной установкой. Именно он возбуждает преобразователь.
Важно! Существуют излучатели, формирующие волны посредством воздействия электрического тока на электрострикции жидкости. Однако применяются они довольно редко. Как правило, применение находят излучатели, в которых напряжение подается именно на твердотельные стрежни.
Характеристики излучателя ультразвука
У приборов, призванных преобразовывать энергию тока в колебания определенной частоты, достаточно много специфических параметров, самые значимые из них – чувствительность рабочего инструмента, его удельная мощность и электрический коэффициент полезного действия. Подробнее о каждой характеристике:
Чувствительность
Чувствительность – одна из важнейших характеристик излучателя. Под чувствительностью преобразователя понимается отношение давления, оказываемого звуком на излучатель, к напряжению, поступающему к нему от генераторной установки (источника питания).
Данная характеристика преобразователя имеет большое значение в случаях его применения в системах, работающих со звуковой сигнализацией, гидролокацией и в других приборах аналогичной направленности.
Удельная мощность
Помимо обычной мощности оборудования, которая оценивается в ваттах, для преобразователей ультразвука также большое значение играет параметр удельной мощности. Удельная мощность представляет собой средний мощностной показатель, который приходится на определенный участок излучающей площади. Единицы измерения удельной мощности – Вт/м2.
Электрический коэффициент полезного действия
Данная величина характеризует то, насколько эффективен излучатель, испускающий энергетические потоки в озвучиваемую среду. Чтобы вычислить данный коэффициент, необходимо разделить параметр акустической мощности на величину электрической энергии, которая была затрачена в течение определенного интервала времени.
Звуковое поле излучателя
Звуковое поле излучателя делится на дальнюю и ближнюю зоны. К первой относится область, расположенная непосредственно перед излучателем. В этом месте амплитуда эха попеременно проходит через свои максимальные и минимальные отклонения. Граница данной зоны располагается на завершающем максимуме, расположенном на дистанции N от излучателя.
Дальняя зона располагается за границей N. После этой точки давление поля будет постепенно уменьшаться, пока не достигнет нуля. Последний максимум N находится в прямой зависимости от параметров длины и диаметра волны. Вычислить его можно по формуле, указанной ниже.
N = (D^2-λ^2)/4λ
В этом уравнении N обозначается расстояние от преобразователя до границы ближней среды. Под D понимается диаметр преобразователя, а длина волны выражается λ. Обладая некоторыми из данных, можно вычислять и иные параметры, имеющиеся в уравнении.
Важно! Следует помнить о том, что характеристики звукового поля зависят от конструктивных особенностей преобразователя. Это значит, что одну из важнейших ролей в распространении звуковых сигналов играет форма излучателя и то, насколько чувствителен будет встроенный датчик.
Применение ультразвука
Сфер применения ультразвука великое множество, при этом они довольно разноплановы. Применение ультразвука в общем виде можно разделить на три основных категории:
1. Детальное научное изучение какого-либо вещества или объекта, получение информации о нем посредством проведения диагностических мероприятий с применением ультразвука.
2. Обработка сигналов и последующая их передача.
3. Воздействие на вещество или материал.
Как известно, существует прямая зависимость между скоростью, с которой происходит передвижение и затухание волн и тем, в каких средах они протекают и с какими объектами в процессе распространения взаимодействуют. Зная об этой зависимости, ученые научились применять ультразвук с целью:
исследования кристаллических пород и иных твердых тел;
получения данных о процессах, протекающих в жидкостях и газах на молекулярном уровне;
определения количества конкретных составляющих в смесях и растворах;
вычисления скорости, с которой газ или жидкость проходят определенное расстояние;
вычисления наличия или отсутствия в смесях лишних примесей;
определения того, насколько тот или иной материал прочен;
обеспечения контроля над правильностью протекания всевозможных химических реакций, полимеризации и пр.
Данные касаемо того, какой молекулярный состав у вещества получаются за счет замеров скорости ультразвука и того, насколько быстро он поглощается средой (веществом) очень важны. Такие исследования помогают оценить концентрацию растворов, определяя кинетику состава, срок его старения и т.д.
Ультразвуковые расходометры, основанные на эффекте Доплера, работают за счет измерения скорости ультразвука. Примерно такие же устройства уже длительное время функционируют в медицинских учреждениях, где они успешно вычисляют скорость и расход кровяного потока.
Огромное количество измерительных методов основаны на волновом рассеянии и отражении. Возможность точно определять наличие инородных тел широко используется для:
гидролокационных установок на кораблях;
аппаратов, призванных исследовать человека на наличие всевозможных заболеваний;
дефектоскопии на промышленных предприятиях;
точного вычисления габаритов объектов;
визуализации звуковых полей;
для точного определения жидкостей и сыпучих материалов в запечатанных емкостях.
Ультразвук при наличии определенных технологий можно без труда преломлять, фокусировать и отражать. Все эти качества ультразвуковых волн применяются при проведении дефектоскопии. Отраженные сигналы какой-либо среде символизируют о том, что в ней находятся предметы, которых там быть не должно. Таким образом, ультразвук помогает вычислять то, что другими исследовательскими методами выявить либо невозможно, либо слишком долго и затруднительно.
Как видно из статьи, чтобы четко понимать физическую особенность скорости ультразвука, необходимо сначала получить массу полезных сведений, напрямую с ней связанных. Ультразвук применяется во многих сферах научной деятельности, в особенности он нашел свое практическое применение в медицине.
Оставить комментарий: