Ультразвук. Звуковые волны в закрытом объеме. Резонаторы. Эффект Доплера

ν =_{ } ,
которая показывает число полных колебаний за секунду. Частота колебаний измеряется в герцах (Гц) в честь немецкого физика Г. Герца (1857-1894 гг.), но может выражаться и в более крупных кратных единицах – килогерцах (кГц) и мегагерцах (МГц).
Частота колебаний (ν) выражается соотношением:
_{ },
где v - скорость распространения звуковых волн (м/с)
λ – длина волны. ( Рис. 5)
Рис. 5
Таким образом, в соответствии с определенной частотой, звуковые волны принято разделять на следующие диапазоны:
*инфразвук - до 16 Гц
*слышимый звук - 16 Гц - 20000 Гц

*ультразвук - 20 кГц - 1000 МГц

*гиперзвук - выше 109 Гц.
Итак, мы на примерах выяснили, что такое звук. Коротко рассмотрели его характеристики для того, чтобы понять: любое тело, колеблющееся со звуковой частотой, является источником звука, так как от него в окружающей его среде возникают и распространяются звуковые волны. Частоты в диапазоне от 16 Гц до 20 кГц называются звуковыми.
Поэтому, звуковые волны характеризуются частотой в пределах от 16 Гц до 20 Гц. Упругие волны с частотой ν_{ }16 Гц называются инфразвуком, а ν_{ } - ультразвуком.
1. Понятие ультразвука.
В последнее время все более широкое распространение в производстве находят технологические процессы, основанные на использовании энергии ультразвука. В связи с ростом единичных мощностей и скоростей различных агрегатов и машин, растут уровни шума, в том числе и в ультразвуковой области частот. Ультразвуком называют механические колебания упругой среды с частотой, превышающей верхний предел слышимости -20 кГц. Единицей измерения уровня звукового давления является дБ. Единицей измерения интенсивности ультразвука является (Вт/_{ })
Ультразвуковые колебания возникают при работе моторов автомобилей, станков и ракетных двигателей. В практике для получения ультразвука обычно применяют электромеханические генераторы ультразвука, действие которых основано на способности некоторых материалов изменять свои размеры под действием магнитного (магнитострикционные генераторы) или электрического поля (пьезоэлектрические генераторы), при этом генераторы издают звуки высокой частоты. (См. приложение 4)
Вследствие большой частоты (малой длины волны), ультразвук обладает особыми свойствами. Так, подобно свету, ультразвуковые волны могут образовывать строго направленные пучки. Отражение и преломление этих пучков на границе двух сред подчиняется законам геометрической оптики. Он сильно поглощается газами и слабо - жидкостями. В жидкости под воздействием ультразвука образуются пустоты в виде мельчайших пузырьков с кратковременным возрастанием давления внутри них. Кроме того, ультразвуковые волны ускоряют протекание процессов диффузии (взаимопроникновения двух сред друг в друга). Ультразвуковые волны существенно влияют на растворимость вещества и в целом на ход химических реакций._{ }
Таким образом, эти свойства ультразвука и особенности его взаимодействия со средой, обусловливают его широкое техническое и медицинское использование.
Поглощение ультразвуковых волн. Если среда, в которой происходит распространение ультразвука, обладает вязкостью и теплопроводностью или в ней имеются другие процессы внутреннего трения, то при распространении волны происходит поглощение звука, то есть по мере удаления от источника амплитуда ультразвуковых колебаний становится меньше, так же как и энергия, которую они несут. Среда, в которой распространяется ультразвук, вступает во взаимодействие с проходящей через него энергией и часть ее поглощает. Преобладающая часть поглощенной энергии преобразуется в тепло, меньшая часть вызывает в передающем веществе необратимые структурные изменения. Поглощение является результатом трения частиц друг об друга, в различных средах оно различно. Поглощение зависит также от частоты ультразвуковых колебаний. Теоретически, поглощение пропорционально квадрату частоты.
Величину поглощения можно характеризовать коэффициентом поглощения, который показывает, как изменяется интенсивность ультразвука в облучаемой среде. С ростом частоты он увеличивается. Интенсивность ультразвуковых колебаний в среде уменьшается по экспоненциальному закону. Этот процесс обусловлен внутренним трением, теплопроводностью поглощающей среды и ее структурой. Его ориентировочно характеризует величина полупоглощающего слоя, которая показывает, на какой глубине интенсивность колебаний уменьшается в два раза (точнее в 2,718 раза или на 37%). По Пальману, при частоте, равной 0,8 МГц средние величины полупоглощающего слоя для некоторых тканей таковы: жировая ткань - 6,8 см; мышечная - 3,6 см; жировая и мышечная ткани вместе - 4,9 см. С увеличением частоты ультразвука величина полупоглощающего слоя уменьшается. ._{ }
Таким образом, при частоте, равной 2,4 МГц, интенсивность ультразвука, проходящего через жировую и мышечную ткани на глубине 1,5 см, уменьшается в два раза. Кроме того, возможно аномальное поглощение энергии ультразвуковых колебаний в некоторых диапазонах частот - это зависит от особенностей молекулярного строения данной ткани. Известно, что _{ }энергии ультразвука затухает на молекулярном уровне и _{ }на уровне микроскопических тканевых структур. _{ }