Основу физической природы ультразвука составляют

Основу физической природы ультразвука составляют

Введение Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ

1.1. Природа и получение ультразвуковых колебаний

Глава 2. Использование ультразвуковых преобразователей

1. Электромагнитные ультразвуковые преобразователи
2. Пьезоэлектрические преобразователи
3. Термин “пьезоактивность”
4. Проявления пьезоактивности
5. Область применения пьезоэлектрических преобразователей
6. Погрешности пьезоэлектрических преобразователей

Контрольные вопросы

Введение

В настоящее время широкое применение в науке и технике нашло одно из физических явлений природы – УЛЬТРАЗВУК. На основе этого явления создано и продолжает создаваться и проектироваться множество, весьма различных устройств. Ученными были обнаружены прямой и обратный пьезоэффекты, в которых проявляется связь между упругим и электрическим или магнитным состояниями пьезоматериалов. Они могут быть использованы для преобразования электрической энергии в механическую и обратно. Устройство, осуществляющее такое преобразование, называется преобразователем. В качестве материалов для преобразователей применяются вещества с сильно выраженной связью упругого и электрического или магнитного состояний. Самые распространенные из них – это ультразвуковые преобразователи. Это устройства преобразующие в ультразвуковые колебания, колебания другого рода. Например: механические, электрические и т.д. При помощи ультразвуковых преобразователей сейчас можно исследовать различные тела, явления. Как например: расстояние, скорость, наличие дефектов, твердость и т.д.

Глава 1. Физические основы ультразвуковых колебаний.

1.1. Природа и получение ультразвуковых колебаний



Упругие механические колебания, распространяю­щиеся в воздухе, воспринимают обычно как звуки. Это — акустические колебания. Если их частота более 20 000 Гц (20 кГц), т. е. выше порога слышимости для человече­ского уха, то такие колебания называют ультразву­ковыми (УЗК). В дефектоскопии наиболее часто ис­пользуют диапазон частот 0,5—10 МГц (1 МГц=10 6 Гц). Упругие колебания могут быть возбуждены в твер­дых, жидких и газообразных средах. При этом колеба­тельное движение возбужденных частиц благодаря на­личию упругих сил между ними вызывает распространение упругой УЗ-волны, сопровождаемое переносом энергии. Для получения УЗ-колебаний применяют пьезоэлек­трические, магнитострикционные, электромагнитно-акус­тические (ЭМА) и другие преобразователи. Наибольшее распространение получили пьезоэлектрические преобра­зователи, изготовленные из пьезокерамических материалов или из монокристалла кварца. На поверхности пьезо­пластины наносят тонкие слои серебра, служащие элек­тродами. При подаче на пьезопластину электрического напряжения она изменяет свою толщину вследствие так называемого обратного пьезоэлектрическо­го эффекта. Если напряжение знакопеременно, то пластина колеблется в такт этим изменениям, создавая в окружающей среде упругие колебания. При этом плас­тина работает как излучатель. И наоборот, если пьезоэлектрическая пластина воспринимает им­пульс давления (отраженная УЗ-волна), то на ее по­верхности вследствие прямого пьезоэлектри­ческого эффекта появляются электрические за­ряды, величина которых может быть измерена. В этом случае пьезопластина работает как приемник. Процесс распространения ультразвука в пространст­ве является волновым. Граница, отделяющая колеблю­щиеся частицы среды от частиц, еще не начавших коле­баться, называется фронтом волны. Упругие волны характеризуются скоростью распространения С, длиной волны А, и частотой колебаний f. При этом под длиной волны понимается расстояние между ближайшими час­тицами, колеблющимися одинаковым образом (в одина­ковой фазе). Число волн, проходящих через данную точ­ку пространства в каждую секунду, определяет частоту УЗ-колебаний. Длина волны связана со скоростью ее распространения соотношением

Источник

Природа и свойства ультразвуковых колебаний

Если в сплошной среде – газах, жидкостях или твердых телах частицы среды окажутся выведенными из положения равновесия, то упругие силы, действующие на них со стороны других частиц, будут возвращать их в положение равновесия. При этом частицы будет совершать колебательное движение. Распространение упругих колебаний в сплошной среде представляет собой волнообразный процесс.
Колебания с частотой от единиц Герц (Гц) до 20 Герц называются инфразвуковыми, при частоте от 20 Гц до 16…20 кГц колебания создают слышимые звуки. Ультразвуковые колебания соответствуют частотам от 16…20 кГц до 10 8 Гц, а колебания с частотой более 10 8 Гц получили название гиперзвуков [1]. На рисунке 1.1 показана логарифмическая шкала частот, выполненная на основе выражения lg₂f = 1, 2, 3 …, n, где 1, 2, 3 …, n – номера октав.

Рисунок 1.1 — Диапазоны упругих колебаний в материальных средах

Физическая природа упругих колебаний одинакова во всем диапазоне частот. Для понимания природы упругих колебаний рассмотрим их свойства.
Форма волны — это форма волнового фронта, т.е. совокупности точек, обладающих одинаковой фазой. Колебания плоскости создают плоскую звуковую волну, если излучателем служит цилиндр, периодически сжимающийся и расширяющийся по направлению своего радиуса, то возникает цилиндрическая волна. Точечный излучатель, или пульсирующий шарик, размеры которого малы по сравнению с длиной излучаемой волны, воздает сферическую волну.
Звуковые волны подразделяются по типу волн: они могут быть продольными, поперечными, изгибными, крутильными – в зависимости от условий возбуждения и распространения. В жидкостях и газах распространяются только продольные волны, в твердых телах могут возникать также поперечные и другие из перечисленных типов волн. В продольной волне направление колебаний частиц совпадает с направлением распространения волны (Рисунок 1.2, а), поперечная волна распространяется перпендикулярно направлению колебаний частиц (Рисунок 1.2, б) [2].





а) движение частиц среды при распространении продольной волны; б) движение частиц среды при распространении поперечной волны.
Рисунок 1.2 – Движение частиц при распространении волны

Любая волна, как колебание, распространяющееся во времени и в пространстве, может быть охарактеризована частотой, длиной волны и амплитудой (Рисунок 3) [3]. При этом длина волны λ связана с частотой f через скорость распространения волны в данном материале c: λ = c/f.



Рисунок 1.3 — Характеристики колебательного процесса

Частота – это количество колебаний, совершаемых системой в единицу времени; длина волны – это расстояние, которое проходит волна за время равное периоду колебаний T (T = 1/f ), т. е. за время, затраченное на одно колебание; амплитуда колебаний – это максимальное отклонение колебательной системы от положения равновесия.
По своей физической природе звуковые и ультразвуковые колебания ничем друг от друга не отличаются. Это упругие колебания в материальных средах. Рассмотрим, какими параметрами можно охарактеризовать волну:
Длина волны λ — это расстояние, которое проходит волна, пока частица среды совершает одно колебательное движение. Расстояние между соседними максимумами или минимумами возмущения считают длиной волны.
Амплитуда колебаний А — представляет собой максимальное смещение частицы из положения равновесия во время ее колебательного движения, вызванного возбуждением частиц среды.
Частота колебаний f — это число колебаний, совершаемых частицей среды за одну секунду. Единицей частоты является Герц (Гц). Для звуковых волн, генерируемых средой, характерен непрерывный ряд или диапазон частот. Самая низкая частота волны называется основной или собственной, а остальные являются гармониками или обертонами. Частота второй гармоники в два раза превышает собственную частоту системы. Аналогично частота третьей гармоники превышает ее в три раза и т.д.
Период колебаний Т — это время, необходимое частице для совершения одного колебательного движения. По определению время, за которое волна производит f колебаний, равно 1 секунде.
Колебание – это возвратно-поступательное движение из одного крайнего положения в другое и обратно через положение равновесия.
Фаза колебаний φ — это отношение смещения колеблющейся частицы в данный момент времени к его амплитудному значению. Если точки колебательного процесса находятся в одной фазе (их разность фаз составляет 2π), то расстояние между этими двумя точками равно одной длине волны λ.
Скорость распространения колебаний С — это расстояние, пройденное волной за одну секунду.

Рассмотрим особенности ультразвуковых колебаний:
Обычно границей начала ультразвукового диапазона частот принято считать 16. 20 кГц. Следует отметить, что столь большой диапазон выбран по той причине, что для каждого человека граница ультразвука (неслышимости звука) своя. Для некоторых это 10 кГц, для других — 20 кГц, а встречаются уникумы способные воспринимать и 25 кГц.
Еще более сложная проблема с определением верхней границы ультразвукового диапазона. Возможности человеческого уха здесь не играют роли, и приходится отталкиваться от физической природы упругих колебаний, которые могут распространяться в материальной среде при условии, длина волны больше межатомных расстояний.
Длина их волны пропорциональна 1/f . λ= с /f . На основании исследований установлено существование УЗ колебаний с частотой большей, чем 100 мГц. УЗ более высокой частоты затухает настолько, что колебания поглощаются непосредственно у поверхности излучателя.
На практике используются УЗ колебания с частотой до 25 мГц [2,3]. Колебания таких высоких частот могут распространяться только в кристаллах.

659305, г. Бийск, ул. Трофимова 27, корп. Б, каб. 101-1

Источник

Физические основы ультразвука

Ультразвуком принято называть механические колебания упругой мате­риальной среды с частотой, превышающей предел слышимости человечес­кого уха в диапазоне частот от 20 кГц до 20 МГц. Диапазон нижних частот от 20 Гц до 20 кГц называется звуковым, а до 20 Гц – инфразвуковым. Диа­пазон верхних частот (свыше 20 МГц) принято называть гиперзвуковым.

Распространяясь в упругой среде, ультразвук создает волнообразное смещение частиц среды, образуя области сжатия или растяжения этих час­тиц. В природе наиболее часто встречаются два вида колебаний – непрерыв­ные или импульсные в зависимости от способа их возбуждения.

Непрерывные колебания, распространяясь в упругой среде, образуют волну, которую можно описать уравнением

где а – смещение частицы среды относительно положения равновесия; А – амплитуда смещения; – круговая частота, ; Т – период колебания; f – частота колебания; V – скорость распространения волны; Х – текущая координата.

Между частотой f и периодом колебаний T существует зависимость

Следовательно, период ультразвуковых колебаний находится в преде­лах от T = 1/20000 = 5´10 –5 с до
Т = 1 / 20 000 000 = 5´10 –8 с.

Такие малые промежутки времени удобнее выражать в микросекундах (1 мкс = 1´10 –б с).

Ультразвуковая волна, как и любая другая, периодична во времени и в пространстве. Временной период Т и пространственный период λ, который принято называть длиной волны, а также частота колебаний f и скорость их распространения V связаны соотношением

На рис. 5.17, а показаны непрерывные гармонические колебания час­тиц упругой среды с постоянной установившейся амплитудой и частотой.

При распространении волны амплитуда или частота могут изменяться по определенному закону, и такая волна называется модулированной по амплитуде или по частоте. Кроме непрерывных колебаний в природе быва­ют импульсные колебания, когда энергия от одной частицы к другой пере­дается порциями на протяжении определенного времени. Отличительной особенностью таких колебаний является то, что частицы совершают колеба­ния от состояния покоя до максимальной амплитуды, и далее колебания уменьшаются опять до состояния покоя. Характер импульсного колебания в значительной степени зависит от вида внешнего воздействия и способа пе­редачи энергии.

Наиболее распространенным способом возбуждения импульсного ко­лебания в твердой упругой среде является механический удар. На рис. 5.17, б приведен характер импульсных колебаний, возбуждае­мых в преобразователях с помощью электрического разряда. Величина Т _с называется периодом следования импульсов.



Рис. 5.17. Формы механических колебаний:
а – непрерывные синусоидальные; А – амплитуда
колебаний; 1 – длина волны; б – импульсные;
Т _с – период следования импульсов

Физическая природа ультразвука такая же, что и звука, поэтому нет существенной разницы между ультразвуком и слышимым звуком, и все ос­новные явления акустики наблюдаются и в ультразвуковой области частот.

Частицы материальной среды, в которой распространяется ультразвук, совершают колебательные движения около своих положений равновесия, создавая при этом зоны сжатия и растяжения. Такие колебания частицы со­вершают не в одной, а в нескольких плоскостях.

Источник

Читайте также:  Молекула белка живая природа