Створення пружних коливань і хвиль, частота яких перевищує область чутного (сприйманого людиною) звуку
Генерація (від лат. Generatio - народження) ультразвуку - створення пружних коливань і хвиль, частота яких перевищує область чутного (сприйманого людиною) звуку.
Ультразвук (УЗ) - пружні коливання і хвилі з частотою більше »20 кГц. Випромінювання УЗ відбувається внаслідок електромеханічного перетворення електричного сигналу в пружний гармонійний або імпульсний сигнал, або при наявності перешкод на шляху постійного потоку газу або рідини (свистки, сирени). УЗ присутній в природі в складі спектра багатьох природних шумів, може генеруватися деякими тваринами і птахами. Нижня межа області УЗ - частот, що відокремлює її від області чутного звуку, багато в чому є умовною, оскільки визначається суб'єктивними особливостями людського слуху. У науковій літературі, щоб уникнути невизначеності, за порогове значення частоти УЗ зазвичай приймають частоту 20 кГц. Верхня межа УЗ-частот обумовлена фізичною природою пружних хвиль, які можуть поширюватися в матеріальному середовищі за умови, що довжина хвилі значно більше довжини вільного пробігу молекул в газі або міжатомних відстаней в рідинах або твердих тілах. Так, в газах верхня межа частот УЗ близько 10 9 Гц, а в рідинах і твердих тілах - 10 12 - 10 13 Гц. Пружні хвилі з частотами 10 9 - 10 13 Гц прийнято називати гіперзвуком.
УЗ - хвилі як пружні хвилі за своєю природою не відрізняються від пружних хвиль звукового або инфразвукового діапазонів. Їх поширення описується загальними хвильовими рівняннями. У газах і рідинах поширюються тільки поздовжні хвилі, а у твердих тілах - поздовжні і поперечні хвилі. Для УЗ також застосовні закони відбиття звуку, заломлення звуку, рефракції звуку, дифракції звуку, інтерференції хвиль. При поширенні УЗ хвиль в середовищі відбувається їх згасання внаслідок поглинання і розсіяння. У сильно неоднорідних і обмежених середовищах має місце дисперсія швидкості УЗ. Нижче будуть розглянуті специфічні особливості УЗ.
Особливості УЗ обумовлені відносно високими його частотами і відповідно малими довжинами хвиль. Так, довжини хвиль УЗ варіюють, залежно від частоти, від декількох сантиметрів поблизу нижньої межі УЗ-діапазону до 10 -5 см - для гіперзвукових частот. Внаслідок малості довжини хвилі процес поширення УЗ - хвиль носить променевої характер. Параметр, що визначає ступінь відхилення хвильової картини від геометричної (при якому необхідно враховувати дифракційні ефекти), має вигляд:
P = sqrt (lЧ r) ¤ D
де l - довжина хвилі;
r - відстань від точки спостереження до об'єкта;
D - характерний розмір об'єкта.
Навіть при відносно невеликій величині D для середнього і високочастотного діапазонів УЗ параметр Р невеликий. Таким чином, потрапляючи на великі перешкоди, дефекти або неоднорідності середовища УЗ - промінь зазнає регулярні відображення і переломлення. При попаданні УЗ променя на малі перешкоди виникає розсіяна хвиля, що дозволяє виявити в середовищі досить малі неоднорідності - близько 0.1 і 0.01 мм. Ця особливість УЗ знайшла широке застосування в УЗ-діагностики та дефектоскопії.
Відбиток і розсіювання УЗ на неоднорідностях середовища дозволяють формувати в оптично непрозорих середовищах акустичні зображення предметів з використанням УЗ фокусирующих систем подібно до того, як це робиться за допомогою світлових променів. Для фокусування УЗ застосовують акустичні лінзи, рефлектори, випромінювачі ввігнутої форми; розміри цих пристроїв повинні бути багато більше довжини хвилі. Фокусування УЗ дозволяє не тільки отримувати звукові зображення в системах звуковидения і акустичної голографії, але і концентрувати звукову енергію для створення в середовищі високої інтенсивності звуку, що знаходить практичне застосування в багатьох технічних системах і технологічних процесах (див. "Приклади використання в техніці").
Важливою особливістю УЗ є можливість отримання високої інтенсивності при відносно невеликих амплітудах коливального зміщення, так як при даній амплітуді інтенсивність пропорційна квадрату частоти. Відповідно з частотою зростає і роль нелінійних ефектів в УЗ-вом поле великої інтенсивності. Зокрема, можуть розвиватися акустичні течії, швидкість яких мала в порівнянні з коливальної швидкістю частинок. Зі збільшенням частоти зростає радіаційне тиск, величина якого пропорційна інтенсивності УЗ. На тіла, що знаходяться в УЗ-вом поле великої інтенсивності діють пондеромоторні сили акустичного і гідродинамічного походження, пропорційні квадрату швидкості коливань частинок. Найважливішим нелінійним ефектом в УЗ-вом поле є акустична кавітація. Пов'язані з нею ефекти надають різноманітний вплив на речовина: відбувається руйнування знаходяться в рідині твердих тіл (кавітаційна ерозія), виникає перемішування рідини, знижується її в'язкість, ініціюються або прискорюються різні фізичні і хімічні процеси.
Час ініціації (log t o від -12 до -4);
Час існування (log t c від -10 до 10);
Час деградації (log t d від -11 до -3);
Час оптимального прояви (log t k від -3 до 3).
Технічні реалізації ефекту
Технічна реалізація ефекту
Для ініціювання УЗ у твердій, рідкому або газоподібному середовищі досить вивести будь-яку область середовища зі стану рівноваги - викликати його пружну деформацію шляхом електромеханічного перетворення електричного сигналу УЗ частоти, або впливаючи на дану область коротким імпульсом, спектр якого містить УЗ -вие компоненти. Джерелом початкового обурення може бути, наприклад, електроакустичний перетворювач будь-якого типу (пьезокерамический, магнітострикційний і т.п.), що знаходиться в безпосередньому контакті із середовищем або поєднаний з нею за допомогою додаткових ланок, склеєних і ін. Рис. 1.
1 - генератор електричного сигналу (а - імпульсного, b - гармонійного з частотою більше 20 кГц);
2 - п'єзоелектричний випромінювач з власною частотою понад 20 кГц;
3 - середовище, в яку випромінюється УЗ-вої сигнал імпульсного (а) або гармонійного (b) типу.
Різноманітні практичні застосування УЗ різних частотних діапазонів представлені в таблиці 1.
1. Ультразвук / Под ред. І.П. Голяміной.- М. Радянська Енциклопедія, 1979.
2. Ультразвукові перетворювачі / Под ред. Е. Кікучі.- М. Світ, 1972.
- акустика
- амплітуда
- акустична голографія
- акустичне протягом
- хвиля
- хвиля гармонійна
- хвиля пружна
- гіперзвук
- тиск радіаційне
- диспергування
- дифракція
- довжина хвилі
- звук
- звукобачення
- звуковізорах
- інтенсивність
- інтерференція
- інфразвук
- коефіцієнт відображення
- коефіцієнт заломлення
- коефіцієнт проходження
- пондеромоторні сили
- розсіювання
- ультразвук
- ультразвукова дефектоскопія
- ультразвукова діагностика
- ультразвукова кавітація
- ультразвукове очищення
- ультразвукова ерозія
- ультразвукова диспергування
- ультразвукова фокусування
- ультразвукова частота
Розділи природничих наук: