Прохождение звука через границы раздела двух сред

Звуковые методы исследования.
Звук может быть источником информации о состоянии органов человека.
1. Аускультация - непосредственное выслушивание звуков, возникающих внутри организма. По характеру таких звуков можно определить, какие именно процессы протекают в данной области тела, и в некоторых случаях установить диагноз. Приборы, применяемые для выслушивания: стетоскоп, фонендоскоп. Фонендоскоп состоит из полой капсулы с передающей мембраной, которая прикладывается к телу, от нее идут резиновые трубки к уху врача. В полой капсуле возникает резонанс столба воздуха, вызывающий усиление звучания и, следовательно, улучшение выслушивания. Выслушиваются дыхательные шумы, хрипы, тоны сердца, шумы в сердце.
В клинике используются установки, в которых выслушивание осуществляется при помощи микрофона и динамика. Широко применяется запись звуков с помощью магнитофона на магнитную ленту, что дает возможность их воспроизведения.
2. Фонокардиография - графическая регистрация тонов и шумов сердца и их диагностическая интерпретация. Запись осуществляется с помощью фонокардиографа, который состоит из микрофона, усилителя, частотных фильтров, регистрирующего устройства.
3. Перкуссия - исследование внутренних органов посредством постукивания по поверхности тела и анализа возникающих при этом звуков. Постукивание осуществляется либо с помощью специальных молоточков, либо при помощи пальцев.

Если в замкнутой полости вызвать звуковые колебания, то при определенной частоте звука воздух в полости начнет резонировать, усиливая тот тон, который соответствует размеру полости и ее положению. Схематично тело человека можно представить суммой разных объемов: газонаполненных (легкие), жидких (внутренние органы), твердых (кости). При ударе по поверхности тела возникают колебания с разными частотами. Часть из них погаснет. Другие совпадут с собственными частотами пустот, следовательно, усилятся и из-за резонанса будут слышны. По тону перкуторных звуков определяют состояние и топографию органа. Прохождение звука через границу раздела двух сред. При падении плоской звуковой волны на границу раздела двух сред, обладающих различными плоскостями и скоростями звука (т.е. с разными акустическими сопротивлениями), часть энергии отражается, а другая проходит во вторую среду. Причем, угол отражения равен углу падения, а энергия, проходящая во вторую среду, подчиняется закону преломления Снеллиуса, который гласит, что отношение синусов углов падения и отражения равно отношению скоростей звука в обеих средах. Здесь видна определенная внешняя аналогия с прохождением раздела двух сред электромагнитными волнами, хотя физическая природа акустического и электромагнитного полей принципиально различны. Но общность в том, что отношение скоростей звука и относительных диэлектрических проницаемостей сред, называют показателем, или коэффициентом преломления первой среды по отношению ко второй. Относительные интенсивности (по амплитуде, или по силе звука, или по мощности) отраженной и преломленной звуковых волн определяются известными соотношениями Релея. Эти соотношения справедливы только для сред без потерь, в которых отсутствует затухание, т.е. поглощение звука, а граница раздела сред плоская, достаточно протяженная, микронеровности которой много меньше длины звуковой волны. Такие условия, как правило, на практике выполняются только в частных случаях. Поэтому подробно рассматривать соотношения Релея в общем виде не будем, а остановимся на анализе частных случаев, которые характерны для акустических средств измерений и дефектоскопии.

Таким частным, но важным случаем, в технике акустических измерений является случай нормального падения звуковой волны на границу раздела сред и материалов. Для этого варианта отражения от границы сред будут отсутствовать при равенстве акустических сопротивлений сред, т.е. тогда, когда

(1.1)
Выражение определяет требование полного согласования сред, которое всегда стремятся выполнить разработчики акустических средств измерений при проектировании их измерительных каналов: источник ультразвука - объект контроля - акустический приемный датчик-преобразователь, что гарантировало бы максимальную энергетическую эффективность зондирующего излучения.
Введем коэффициент, определяющий отношение акустических сопротивлений обеих сред (материалов),

(1.2)
тогда, исходя из соотношения Релея, можем найти коэффициент отражения Г от границы раздела сред при нормальном падении волны

(1.3)
Формула дает значение коэффициента отражения Г по мощности, т.е. по интенсивности звука, так как записаны квадраты отношений.
Следует отметить внешнюю схожесть соотношения с аналогичным соотношением для определения коэффициента отражения по мощности в электрорадиотехнике, хотя физическая сущность возникновения отражений в первом и втором случае принципиально различны.
Те же основные соотношения Релея позволяют записать относительное значение коэффициента пропускания D по интенсивности излучения

(1.4)
Видно, что значение Г, как и значение D, зависят только от отношения акустических сопротивлений сред, образующих границу раздела.
Два предыдущих выражения формально не изменяться, если m заменить на 1/m, т.е. условно заменить первую среду второй.
Подчеркнем, что коэффициенты Г и D являются чисто энергетическими коэффициентами, показывающими относительные величины отраженной и прошедшей энергии вне зависимости, с какой стороны границы раздела находится исходная звуковая волна. Однако некоторые другие параметры звуковых и ультразвуковых волн оказываются зависящими от того, с какой стороны к границе раздела исходная волна подходит. Эти особенности будут рассмотрены ниже. На рис.1.1 представлены зависимости Г и D от m (или от 1/m, что равнозначно), так как и m и 1/m показывают, как отличаются акустические сопротивления соприкасающихся сред или материалов.

Рисунок 1.1 - Зависимости Г и D от m
Расчеты показывают, что при переходе звуковых волн из жидкостей в воздух, или из воздуха в жидкость, а также на границе раздела твердое тело, например, конструкционный материал в воздух - коэффициент отражения по энергии звуковых волн приближается к 100%.
Последний факт дает отрицательный и положительный эффекты в технике акустических измерений:
так, при измерении параметров материалов изделий приходиться изыскивать способы согласования с тем, чтобы максимум зондирующего излучения ввести в ОК и снять его на акустический датчик-преобразователь;
в акустической гидролокации - наоборот - получаем максимально отраженный сигнал от подводных целей, внутренний объем которых заполнен воздухом.
Рассмотрим теперь задачу отражения и прохождения звуковой волны пластины материала, “акустическая" толщина которой (т.е. в долях длины волны) соизмерима с длиной волны звуковых колебаний. Решение подобной задачи в акустике актуально для двух практических случаев: во-первых, когда необходимо создать для источника и приемника звуковых колебаний “прозрачную" защитную, механически прочную оболочку (например, обтекатель для гидроакустической станции, или акустически прозрачное окно для датчика-преобразователя); во-вторых, при решении обратной задачи - задачи создания практически непрозрачного для звуковых волн конструктивного экрана, защищающего, например, измерительную аппаратуру, от внутреннего или внешнего паразитного акустического излучения.
Все из тех же исходных соотношений Релея получим

(1.5)
где Г - геометрическая толщина пластины материала; 2 - длина звуковой волны в этой пластине.
Последнее выражение позволяет найти толщину пластины, при которой она дает максимум отражения и обладает максимальной “акустической" прозрачностью.
Исследуя формулу на максимум коэффициента отражения по мощности Г max,

(1.6)
при (n=1,2,3….), т.е. максимумы коэффициента отражения звуковых волн будут, когда “акустическая" толщина пластины (т.е. в долях длины звуковой волны в ее материале), равна нечетному числу четвертей волны.

Отметим, что условия по нахождению Гmax и Dmax формально схожи с условиями радиоволнового прохождения диэлектрических пластин, но с отличием, что в первом случае имеем дело с “акустической" толщиной пластин из одного материала, а, во-вторых, - с радиопрозрачными пластинами из диэлектрических материалов, и с “электрической” толщиной пластин, т.е. в долях длины электромагнитной волны в последних. Вернемся к исследованию “акустической" прозрачности пластин из различных конструкционных материалов. На рис.1.2 дана зависимость коэффициента пропускания D пластинок из алюминия (m ? 0,094) и из плексигласа (m ? 0,454) в воде от их “акустической" толщины, т.е. от отношения tГ/л2, которые рассчитаны по формуле (1.5).

Рисунок 1.2 - зависимость коэффициента пропускания D
Из графиков рис.1.2 сделаем два вывода:
во-первых, максимальное прохождение, равное 100%, при tГ/л2= 0,5;
во-вторых, при всех других соотношениях tГ/л2 акустическая прозрачность пластины будет возрастать с приближением m к 1.

Последние данные имеют большое практическое значение при выборе звукопроницаемых окон в жидкостях; для увеличения D в широком диапазоне отношений материал следует выбирать так, чтобы параметр m приближался к 1. Таким образом, проектируются защитные обтекатели гидроакустических станций и глубиномеров. Эти же условия также всегда принимаются во внимание при проектировании защитных оболочек приемно-передающих устройств акустических измерительных приборов, работающих в воздухе. Но в этом случае, необходимо “акустически” согласовать защитную оболочку с воздушной средой.