Разработка демонстрационной установки для исследования звуковых волн

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Основные характеристики звуковых волн

1.1 Исторический обзор проблемы

1.2 Общие сведенья о звуковых волнах

1.3 Скорость звука

1.4 Распространение звуковых волн

1.5 Интенсивность звука

1.6 Объективные характеристики звука

1.7 Субъективные характеристики звука

1.8 Высота звука

1.9 Ультразвук и его характеристики

1.10 Инфразвук

2. Измерение скорости распространения волн

2.1 Импульсный дальномер

2.2 Структура лабораторной установки

3. Разработка лабораторно-демонстрационной установки

3.1 Функциональная схема устройства

3.2 Передающая часть установки

3.3 Элементная база передающей части устройства

3.4 Печатная плата передающей части устройства

3.5 Приемная часть

3.6 Элементная база приемной части устройства

3.7 Печатная плата приемной части устройства

3.8 Счетно-индикаторная часть

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Импульсная модуляция широко используется в обширной группе радиоэлектронных устройств. Различные методы импульсной модуляции сигналов находят широкое применение в современной компьютерной технике. Импульсная модуляция позволяют осуществить кодированную радиосвязь, отличающуюся высокой скрытностью и помехозащищенностью, а так же многоканальную связь на одной несущей частоте.

Актуальным вопросом на сегодняшний день является рассмотрение импульсных устройств с возможностью модуляции их временных параметров внешним электрическим сигналом.

Целью дипломной работы является разработка демонстрационной установки для исследования звуковых волн. Расчет звуковых характеристик

1. Основные характеристики звуковых волн

1.1 Исторический обзор проблемы

Звук -- это распространяющиеся в упругих средах (газах, жидкостях и твердых телах) механические колебания. Учение о звуке, по классическому определению, и есть акустика.

Звуки начали изучать ещё в далёкой древности. Первые наблюдения по акустики были проведены в VI веке до нашей эры. Пифагор установил связь между высотой тона и длиной струны или трубы издавающей звук.

В IV в. до н.э. Аристотель первый правильно представил, как распространяется звук в воздухе. Он сказал, что звучащее тело вызывает сжатие и разрежение воздуха и объяснил эхо отражением звука от препятствий.

В XV веке Леонардо да Винчи сформулировал принцип независимости звуковых волн от различных источников.

В 1660 году в опытах Роберта Бойля было доказано, что воздух является проводником звука (в вакууме звук не распространяется).

В 1700 - 1707 гг. вышли мемуары Жозефа Савёра по акустике, опубликованные Парижской Академией наук. В этих мемуарах Савёр рассматривает явление, хорошо известное конструкторам органов: если две трубы органа издают одновременно два звука, лишь немного отличающиеся по высоте, то слышны периодические усиления звука, подобные барабанной дроби. Савёр объяснил это явление периодическим совпадением колебаний обоих звуков. Если, например, один из двух звуков соответствует 32 колебаниям в секунду, а другой - 40 колебаниям , то конец четвёртого колебания первого звука совпадает с концом пятого колебания второго звука и, таким образом происходит усиление звука. От органных труб Савёр перешёл к экспериментальному исследованию колебаний струны, наблюдая узлы и пучности колебаний (эти названия, существующие и до сих пор в науке, введены им), а также заметил, что при возбуждении струны наряду с основной нотой звучат и другие ноты, длина волны которых составляет 1/2, 1/3, 1/4, ... от основной. Он назвал эти ноты высшими гармоническими тонами, и этому названию суждено было остаться в науке. Наконец, Савёр первый пытался определить границу восприятия колебаний как звуков: для низких звуков он указал границу в 25 колебаний в секунду, а для высоких - 12 800.

За тем, Ньютон, основываясь на этих экспериментальных работах Савёра, дал первый расчет длины волны звука и пришел к выводу, хорошо известному сейчас в физике, что для любой открытой трубы длина волны испускаемого звука равна удвоенной длине трубы. "И в этом состоят главнейшие звуковые явления".

После экспериментальных исследований Савёра к математическому рассмотрению задачи о колеблющейся струне в 1715 г. приступил английский математик Брук Тейлор, положив этим начало математической физике в собственном смысле слова. Ему удалось рассчитать зависимость числа колебаний струны от её длины, веса, натяжения и местного значения ускорения силы тяжести. Эта задача сразу же стала широко известна и привлекла внимание почти всех математиков XVIII века, вызвав долгую и плодотворную дискуссию. Ею занимались среди прочих Иоганн Бернулли и его сын Даниил Бернулли, Риккати и Даламбер.

Последний нашел уравнения в частных производных, определяющие малые колебания однородной струны, и проинтегрировал их методом, применяемым и поныне. Но наиболее существенный вклад внес Эйлер. Ему мы обязаны полной теорией колебаний струны, начало построению которой было положено в 1739 году в его труде "Опыт новой теории музыки" и продолжалось в многочисленных последующих докладах. В частности, из теории Эйлера вытекало, что скорость распространения волны по струне не зависит от длины волны возбуждаемого звука. Эйлер производил также теоретические исследования колебаний стержней, колец, колоколов, но полученные результаты не совпали с результатами экспериментальной проверки, предпринятой немецким физиком Эрнестом Флоресом Фридрихом Хладни, которого считают отцом экспериментальной акустики. Хладни первым точно исследовал колебания камертона и в 1796 году установил законы колебаний стержней.

Фактическое объяснение эха, явления довольно капризного, также принадлежит Хладни, по крайней мере в существенных частях. Ему мы обязаны и новым экспериментальным определением верхней границы слышимости звука, соответствующей 20 000 колебаний в секунду. Эти измерения, многократно повторяемые физиками до сих пор, весьма субъективны и зависят от интенсивности и характера звука. Но особенно известны опыты Хладни в 1787 году по исследованию колебаний пластин, при которых образуются красивые "акустические фигуры", носящие названия фигур Хладни и получающиеся, если посыпать колеблющуюся пластинку песком. Эти экспериментальные исследования поставили новую задачу математической физики - задачу о колебаниях мембраны.

Хладни начал исследования продольных волн в твердых телах и сопоставил продольные и поперечные колебания стержня при различных способах возбуждения (ударом, трением и др.). Исследование продольных волн были продолжены экспериментально Саваром, а теоретически - Лапласом и Пуассоном.

В XVIII веке было исследовано много других акустических явлений (скорость распространения звука в твердых телах и в газах, резонанс, комбинационные тона и др.). Все они объяснялись движением частей колеблющегося тела и частиц среды, в которой распространяется звук. Иными словами, все акустические явления объяснялись как механические процессы.

В 1787 году Хладни, основоположник экспериментальной акустики открыл продольные колебания струн, пластин, камертонов и колоколов. Он первый достаточно точно измерил скорость распространения звуковых волн в различных газах. Доказал, что в твёрдых телах звук распространяется не мгновенно, а с конечной скоростью, и в 1796 году определил скорость звуковых волн в твёрдых телах по отношению звука в воздухе. Он изобрёл ряд музыкальных инструментов. В 1802 году вышел труд Эрнеста Хладни "Акустика", где он дал систематическое изложение акустики.

После Хладни французский учёный Жан Батист Био в 1809 году измерял скорость звука в твёрдых телах.

В 1800 году английский учёный Томас Юнг открыл явление интерференции звука и установил принцип суперпозиции волн.

В 1816 году французский физик Пьер Симон Лаплас вывел формулу для скорости звука в газах.

В 1827 году Ж. Колладон и Я. Штурм провели опыт на Женевском озере по определению скорости звука в воде, получив значение 1435 м/с.

В 1842 году австрийский физик Христиан Доплер предположил влияние относительного движения на высоту тона (эффект Доплера). А в 1845 году Х. Бейс-Баллот экспериментально обнаружил эффект Допплера для акустических волн.

В 1877 году американский учёный Томас Алва Эдисон изобрёл устройство для записи и воспроизведения звука, который потом сам же в 1889 году усовершенствовал. Изобретённый им способ звукозаписи получил название механического.

В 1880 году французские учёные братья Пьер и Поль Кюри сделали открытие, которое оказалось очень важным для акустики. Они обнаружили, что, если кристалл кварца сжать с двух сторон, то на гранях кристалла появляются электрические заряды. Это свойство - пьезоэлектрический эффект - для обнаружения не слышимого человеком ультразвука. И наоборот, Если к граням кристалла приложить переменное электрическое напряжение, то он начнёт колебаться, сжимаясь и разжимаясь.

1.2 Общие сведенья о звуковых волнах

Волнам -- изменение состояния среды (возмущение), распространяющееся в этой среде и переносящее с собой энергию. Другими словами: «…волнами или волной называют изменяющееся со временем пространственное чередование максимумов и минимумов любой физической величины, например, плотности вещества, напряжённости электрического поля, температуры».

Рисунок 1 - Отличие колебания от волны

Перенос энергии -- принципиальное отличие волн от колебаний, в которых происходят лишь «местные» преобразования энергии. Волны же, как правило, способны удаляться на значительные расстояния от места своего возникновения (по этой причине волны иногда называют «колебанием, оторвавшимся от излучателя»).

В основном волны не переносят материю, но возможен вариант, где происходит волновой перенос именно материи, а не только энергии. Это возможность материального излучения, имеющего волновые изменения количества излучаемой материи. Такие волны способны распространяться сквозь абсолютную пустоту. Большинство волн по своей природе являются не новыми физическими явлениями, а лишь условным названием для определённого вида коллективного движения. Так, если в объёме газа возникла звуковая волна, то это не значит, что в этом объёме появились какие-то новые физические объекты. Звук -- это лишь название для особого скоординированного типа движения тех же самых молекул. То есть большинство волн -- это колебания некоторой среды. Вне этой среды волны данного типа не существуют (например, звук в вакууме).

В зависимости от физической среды

В зависимости от физической среды, в которой распространяются волны, их свойства различны и поэтому различают:

· волны на поверхности жидкости;

· упругие волны (звук, сейсмические волны);

· объёмные волны (распространяющиеся в толще среды);

· электромагнитные волны (радиоволны, свет, рентгеновские лучи);

· гравитационные волны;

· волны в плазме.

По отношению к направлению колебания

· продольные волны (волны сжатия, P-волны) -- частицы среды колеблются параллельно (по) направлению распространения волны (как, например, в случае распространения звука);

· поперечные волны (волны сдвига, S-волны) -- частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения волны (электромагнитные волны, волны на поверхностях разделения сред);

· волны смешанного типа.

По виду фронта

· плоская волна -- плоскости фаз перпендикулярны направлению распространения волны и параллельны друг другу;

· сферическая волна -- поверхностью фаз является сфера;

· цилиндрическая волна -- поверхность фаз напоминает цилиндр.

По демонстрируемым волнами физическим проявлениям

· линейные волны -- волны с небольшой амплитудой, свойства которых описываются простыми линейными зависимостями;

· нелинейные волны -- волны с большими амплитудами, что приводит к возникновению совершенно новых эффектов и существенно изменяет характер уже известных явлений;

· солитоны (уединённые волны);

· ударные волны или нормальные разрывы.

По постоянству во времени

· одиночная волна -- короткое одиночное возмущение (солитоны);

· волновой пакет -- это ряд возмущений, ограниченных во времени с перерывами между ними. Одно беспрерывное возмущение такого ряда называется цуг волн. В теории волновой пакет описывается как сумма всевозможных плоских волн, взятых с определёнными весами. В случае нелинейных волн, форма огибающей волнового пакета эволюционирует с течением времени;

Продольные волны:	Поперечные волны:
а) плоская;	а) плоская;
б) сферическая.	б) сферическая.

Рисунок 2- Поперечные и продольные волны

1.3 Скорость звука

К основным характеристикам звуковых волн относят скорость звука, его интенсивность - это объективные характеристики звуковых волн, высоту тона, громкость относят к субъективным характеристикам. Субъективные характеристики зависят в большой мере от восприятия звука конкретным человеком, а не от физических характеристик звука.

Скорость звука - это характеристика среды, в которой распространяется волна. Она определяется двумя факторами: упругостью и плотностью материала. Упругие свойства твердых тел зависят от типа деформации.

Измерение скорости звука в твердых телах, жидкостях и газах указывают на то, что скорость не зависит от частоты колебаний или длины звуковой волны, т.е. для звуковых волн не характерна дисперсия. В твердых телах могут распространяться продольные и поперечные волны, скорость распространения которых находят с помощью формул:

, (1)

где Е - модуль Юнга, G - модуль сдвига в твердых телах. В твердых телах скорость распространения продольных волн почти в два раза больше чем скорость распространения поперечных волн.

В жидкостях и газах могут распространяться лишь продольные волны. Скорость звука в воде находят за формулой:

(2)

В жидкостях при возрастании температуры скорость звука возрастает, что связано с уменьшением коэффициента объемного сжатия жидкости.

Для газов выведена формула, которая связывает их давление с плотностью:

 (3)

Впервые эту формулу для нахождения скорости звука в газах использовал Исаак Ньютон. Из формулы (5) видно, что скорость распространения звука в газах не зависит от температуры, она также не зависит от давления, поскольку при возрастании давления возрастает и плотность газа. Формуле (3) можно придать и более рациональный вид: на основе уравнения Менделеева - Клапейрона.[1]

(4)

тогда скорость звука будет равна:

(5)

Формула (5) носит название формулы Ньютона. Рассчитанная с ее помощью скорость звука в воздухе составляет при 273К ,280 м/с. Реальная же экспериментальная скорость составляет 330 м/с. Этот результат значительно отличается от теоретического и причину этого установил Лаплас. Он показал, что распространение звука в воздухе происходит адиабатно. Звуковые волны в газах распространяются так быстро, что, что созданные локальные изменения объема и давления в газовой среде происходят без теплообмена с окружающей средой. Лаплас вывел уравнение для нахождения скорости звука в газах:

(6)

Формула (6) получила название формулы Лапласа.

Грубое измерение скорости звука в воздухе может произвести каждый.

Путешествуя в горах, катаясь на лодке по тихой реке, окаймленной крутыми или лесистыми берегами, находясь перед опушкой густого леса, легко воспроизвести знакомое всем явление эхо. Подобно тому как волны на воде, встречая на пути препятствие, отражаются от него, так и звук отражается от преграды. Если звуковые волны падают на преграду под прямым углом, отраженные волны распространяются точно в обратном направлении.

Явление эхо, или отражение звука от препятствия на пути распространения звуковых волн, позволяют сравнительно простым способом измерять скорость звука. Для такого измерения нужно иметь часы с секундной стрелкой или, лучше, секундомер. Замечая момент посылки звука (крик, хлопанье в ладоши, стук) и момент приема эха, можно определить скорость звука с, если известно расстояние L до отражающей поверхности (леса или берега). Скорость звука с определится из формулы

(7)

где t - измеренный промежуток времени. По этой формуле число 2 стоит потому, что звук дважды проходит расстояние L. При помощи этой формулы можно определить расстояние L до препятствия, зная скорость звука с и промежуток времени t. На этом принципе, как мы увидим дальше, основаны измерения глубины морей и рек при помощи так называемых эхолотов.

Можно также произнести измерение скорости звука воспользовавшись тем обстоятельством, что скорость распространения света неизмеримо больше скорости звука (примерно в миллион раз). Мы видим клубок белого пара и уже потом слышим свисток приближающегося паровоза; видим молнию и только через некоторое время слышим раскат грома. Скорость света равна 300 000 км/сек; в настоящее время в природе не обнаружено скорости переноса энергии большей, чем эта скорость.

Если на расстоянии L, от места наблюдения создать звук одновременно со вспышкой света (например, взрыв, выстрел) и измерить промежуток времени между световой вспышкой и приходом звукового сигнала в точку наблюдения, то скорость звука будет равна:

(8)

При таком измерении мы пренебрегаем временем распространения света от источника звука до места его приема. Но это время столь ничтожно, что пренебрежение им практически не вносит никакой ошибки в результат измерения.

Имеется много других более точных способов измерения скорости звука в воздухе; с некоторыми из них мы познакомимся в дальнейшем. Скорость звука при температуре 0°С оказывается равной 331,5 м/сек, или около 1200 км/час.

1.4 Распространение звуковых волн

В процессе распространения звуковых волн в среде происходит их затухание. Амплитуда колебаний частиц среды постепенно уменьшается при возрастании расстояния от источника звука. Одной из основных причин затухания волн есть действие сил внутреннего трения на частицы среды. На преодоление этих сил непрерывно используется механическая энергия колебательного движения, что переносится волной. Эта энергия превращается в энергию хаотического теплового движения молекул и атомов среды. Поскольку энергия волны пропорциональна квадрату амплитуды колебаний, то при распространении волн от источника звука вместе с уменьшением запаса энергии колебательного движения уменьшается и амплитуда колебаний.

На распространение звуков в атмосфере влияет много факторов: температура на разных высотам, потоки воздуха. Эхо - это отраженный от поверхности звука. Звуковые волны могут отражаться от твердых поверхностей, от слоев воздуха в которых температура отличается от температуры соседних слоев.

1.5 Интенсивность звука

Интенсивность звука (абсолютная) -- величина, равная отношению потока звуковой энергии dP через поверхность, перпендикулярную направлению распространения звука, к площади dS этой поверхности:

(9)

Единица измерения -- ватт на квадратный метр (Вт/м²).

Интенсивность звука может быть выражена через амплитуду звукового давления p₀ и колебательную скорость v:

, (10)

где Z_S -- удельное акустическое сопротивление среды.

Для сравнения интенсивности L звука или звукового давления используют уровень интенсивности. Уровнем интенсивности называют умноженный на 10 логарифм отношений двух интенсивностей звука. [3]

 (11)

Величина L измеряется в децибелах. Для указания абсолютного уровня интенсивности вводят стандартный порог слышимости І₀ человеческого уха на частоте 1000 Гц, по отношению к которому указывается интенсивность. [2]

Порог слышимости равен:

(12)

В таблице 1 Представлены интенсивности различных природных и техногенных звуков и их интенсивности.

Таблица 1 -Интенсивность различных и техногенных звуков

Звук	L, Дб	Звук	L, Дб
Порог слышимости	0	Уличный шум	70
Тиканье часов	10	Крик	80
Шепот	20	Пневматическое сверло	90
Тихая улица	30	Кузнечный цех	100
Приглушенный разговор	40	Клепальный молот	110
Разговор	50	Самолетный двигатель	120
Пишущая машинка	60	Болевой порог	130

1.6 Объективные характеристики звука

Любое тело, которое находится в упругой среде и колеблется со звуковой частотой, является источником звука. Источника звука можно поделить на две группы: источники, которые работают на собственной частоте, и источники, которые работают на вынужденных частотах. К первой группе принадлежат источники, звуки в которых создаются колебаниями струн, камертонов, воздушных столбов в трубах. Ко второй группе источников звука принадлежат телефоны. Способность тел излучать звук зависит от размера их поверхности. Чем большая площадь поверхности тела, тем лучше оно излучает звук. Так, натянутая между двумя точками струна или камертон создают звук довольно малой интенсивности. Для усиления интенсивности звука струн и камертонов их объединяют с резонаторными ящиками, которым присущий ряд резонансных частот. Звучание струнных и духовых музыкальных инструментов основано на образовании стоящих волн в струнах и воздушных столбах. [4]

Интенсивность звука, который создается источником, зависит не только от его характеристик, а и от помещения, в котором находится этот источник. После прекращения действия источника звука рассеянный звук не исчезает внезапно. Это объясняется отбиванием звуковых волн от стен помещения. Время, на протяжении которого после прекращения действия источника звук полностью исчезает, называют временами реверберации. Условно считают, что время реверберации равняется промежутку времени, на протяжении которого интенсивность звука уменьшится в миллион раз. [3]

Время реверберации - это важная характеристика акустических свойств концертных залов, кинозалов, аудиторий и др. При большом времени реверберации музыка звучат довольно громко, но невыразительно. При малом времени реверберации музыка звучат слабо и глухо. Поэтому в каждом конкретном случае добиваются наиболее оптимальных акустических характеристик помещений.

1.7 Субъективные характеристики звука

Человек ощущает звуки, которые лежат в диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц. Чувствительность органов слуха человека до разных частот неодинаковая. Для того, чтобы человек реагировал на звук, необходимо, чтобы его интенсивность была не меньше минимальной величины, которая носит название порога слышимости. Порог слышимости для разных частот неодинаковый. Людское ухо имеет наибольшую чувствительность к колебаниям частотой от 1 до 3 кГц. Порог слышимости для этих частот составляет около Дж/м². При значительном возрастании интенсивности звука ухо перестает воспринимать колебания как звук. Такие колебания вызывают ощущение боли. Наибольшую интенсивность звука, при которой человек воспринимает колебания как звук, называют порогом болевого ощущения. Порог болевых ощущений при указанных частотах отвечает интенсивности звука 1 Дж/м².

Звук как физическое явление характеризируют частотой, интенсивностью или звуковым давлением, набором частот. Это объективные характеристики звука. Органы слуха человека воспринимают звук за громкостью, высотой тона, тембром. Эти характеристики имеют субъективный характер.

Диаграмма на которой представлены области частот и интенсивности, воспринимаемые человеческим ухом, называют диаграммой слуха. Диаграмма представлена на рисунке 2, в виде шкалы Децибел.

Рисунок 3 - Диаграмма слуха

Физическому понятию интенсивности звука отвечает громкость звука.

Громкость звука -- субъективное восприятие силы звука (абсолютная величина слухового ощущения). Громкость главным образом зависит от звукового давления и частоты звуковых колебаний. Также на громкость звука влияют его тембр, длительность воздействия звуковых колебаний и другие факторы.

Громкостью называется ощущение, позволяющее слуховой системе располагать звуки по субъективной шкале от тихих до громких звуков. Громкость связана прежде всего со звуковым давлением. Обычно, чем больше звуковое давление, тем громче звучит акустическая система. Однако это не всегда так. Громкость также зависит от частоты, спектрального состава, длительности звука и его локализации в пространстве. Единицей абсолютной шкалы громкости является сон.

Громкость в 1 сон -- это громкость непрерывного чистого синусоидального тона частотой 1 кГц, создающего звуковое давление 2 мПа.

Уровень громкости звука -- относительная величина. Она выражается в фонах и численно равна уровню звукового давления (в децибелах -- дБ), создаваемого синусоидальным тоном частотой 1 кГц такой же громкости, как и измеряемый звук (равно громким данному звуку). На рисунке 4 изображена зависимость уровня громкости от звукового давления и частоты.

1.8 Высота звука

Высота звука определяется его частотой, чем больше частота, тем большим будет высота звука. Органы слуха человека довольно точно ощущают изменение частоты. В области частот 2 кГц может воспринимать два тона, частота которых отличается на 3 - 6 Гц.

Звуковое давление -- переменное избыточное давление, возникающее в упругой среде при прохождении через неё звуковой волны. Единица измерения -- паскаль (Па).

Мгновенное значение звукового давления в точке среды изменяется как со временем, так и при переходе к другим точкам среды, поэтому практический интерес представляет среднеквадратичное значение данной величины, связанное с интенсивностью звука.

Уровень звукового давления (англ. SPL, Sound Pressure Level) -- измеренное по относительной шкале значение звукового давления, отнесённое к опорному давлению, соответствующему порогу слышимости синусоидальной звуковой волны частотой 1 кГц:

Уровни звукового давления от различных источников

· 10 дБ SPL -- шёпот;

· 20 дБ SPL -- норма шума в жилых помещениях;

· 40 дБ SPL -- тихий разговор;

· 50 дБ SPL -- разговор средней громкости;

· 70 дБ SPL -- шум пишущей машинки;

· 80 дБ SPL -- шум работающего двигателя грузового автомобиля;

· 100 дБ SPL -- громкий автомобильный сигнал на расстоянии 5--7 м;

· 110 дБ SPL -- шум работающего трактора на расстоянии 1 м;

· 120 дБ SPL -- порог болевого ощущения;

· 150 дБ SPL -- взлёт самолёта;

· 200 дБ SPL -- взрыв атомной бомбы.

Тембр звука определяется его спектральных составом. Тембр - это оттенок сложного звука, которым отличаются два звука одинаковой силы и высоты.

1.9 Ультразвук и его характеристики

Упругие волны, частоты которых лежат в интервале от 2*10⁴ до 10⁹ Гц, называют ультразвуком. Весь диапазон частот ультра звуковых волн условно разделяют на три под диапазона: ультразвуковые волны низких (2 *10⁴-10⁵ Гц), средних (10⁵ - 10⁷ Гц) и высоких частот (10⁷ -10⁹ Гц).

За физической природой ультразвуковые волны такие, как и звуковые волны любой длинны. Тем не менее, вследствие более высоких частот ультразвук имеет ряд специфических особенностей при его распространении. В связи с тем, что длины ультразвуковых волн довольно малые, характер их распространения определяется в первую очередь молекулярными свойствами вещества. Характерная особенность распространения ультразвука в многоатомных газах и в жидкостях - это существование интервалов длин волн, в пределах которых проявляется зависимость фазовой скорости распространения волн от их частоты, т.е. имеет место дисперсия звука. В этих интервалах длинны волн также происходит значительное поглощение ультразвука. Поэтому при распространении его в воздухе происходит более значительное его затухание, чем звуковых волн. В жидкостях и твердых телах (особенно моно кристаллах) затухание ультразвука значительно меньше. Поэтому область применения ультразвука средних и высоких частот лежит в основном в жидких и твердых средах, а в воздухе и в газах применяют только ультразвук низких частот.

Одна из особенностей ультразвука - это возможность получения большой интенсивности даже при сравнительно небольших амплитудах колебаний, поскольку при определенной амплитуде плотность потока энергии пропорциональная квадрату частоты.

До важных явлений, которые возникают в жидкостях при прохождении ультразвука, принадлежит кавитация. Это получение кратковременных импульсов давления при схлопывании пузырьков воздуха.

Для получения ультра звуковых волн используют механические и электромеханические приборы. К механическим можно отнести воздушные и жидкостные сирены и свистки. Многие вещества могут генерировать ультразвук при помещении их в высокочастотное электрическое поле, к таким веществам относят кварц, сегнетовую соль, титанат бария.

Ультразвук используют во многих областях знаний, науке и технике. Его используют для изучения свойств и строения вещества. С его помощью получают информацию о строении морского дна, его глубине, находят косяки рыб в океане. Ультра звуковые волны могут проникать через металлические изделия толщиной около 10 метров. Это их свойство положено в основу принципа работы ультра звукового дефектоскопа, который помогает находить дефекты и трещины в твердых телах. В медицине это свойство ультразвука положено в основу работы приборов ультразвуковой диагностики, которые позволяют визуализировать внутренние органы, диагностировать болезни на ранних стадиях.

Действие ультразвуковых колебаний непосредственно на расплавы дает возможность получить более однородную структуру металлов. Ультразвуковая кавитация применяется для очищения от грязи поверхностей деталей (часовое производство, приборостроение, электронная техника и др.). На основе кавитации осуществляется металлизация тел и пайка, дегазация жидкостей. Кавитационные ударные волны могут дисперсировать твердые тела и жидкости, образовывая эмульсии и суспензии.

Ультразвук как упругие волны

УЗ-вые волны (неслышимый звук) по своей природе не отличаются от упругих волн слышимого диапазона. В газах и жидкостях распространяются только продольные волны, а в твердых телах - продольные и сдвиговые.

Распространение ультразвука подчиняется основным законам, общими для акустических волн любого диапазона частот.

К основным законам распространения относятся законы отражения звука и преломления звука на границах различных сред, дифракции звука и рассеяния звука при наличии препятствий и неоднородностей в среде и неровностей на границах, законы волноводного распространения в ограниченных участках среды.

Существенную роль при этом играет соотношение между длиной волны звука и геометрическим размером D - размером источника звука или препятствия на пути волны, размером неоднородностей среды. При D распространение звука вблизи препятствий происходит в основном по законам геометрической акустики (можно пользоваться законами отражения и преломления). Степень отклонения от геометрической картины распространения и необходимость учета дифракционных явлений определяются параметром

,

где r - расстояние от точки наблюдения до объекта, вызывающего дифракцию.

Скорость распространения УЗ-вых волн в неограниченной среде определяется характеристиками упругости и плотностью среды. В ограниченных средах на скорость распространения волн влияет наличие и характер границ, что приводит к частотной зависимости скорости (дисперсия скорости звука).

Уменьшение амплитуды и интенсивности УЗ-вой волны по мере ее распространения в заданном направлении, то есть затухание звука, вызывается, как и для волн любой частоты, расхождением фронта волны с удалением от источника, рассеянием и поглощением звука. На всех частотах как слышимого, так и неслышимых диапазонов имеет место так называемое «классическое» поглощение, вызванное сдвиговой вязкостью (внутренним трением) среды. Кроме того, существует дополнительное (релаксационное) поглощение, часто существенно превосходящее «классическое» поглощение.

При значительной интенсивности звуковых волн появляются нелинейные эффекты:

· нарушается принцип суперпозиции и возникает взаимодействие волн, приводящее к появлению тонов;

· изменяется форма волны, ее спектр обогащается высшими гармониками и соответственно растет поглощение;

· при достижении некоторого порогового значения интенсивности УЗ в жидкости возникает кавитация нарушение непрерывности в текущей жидкости. Критерием применимости законов линейной акустики и возможности пренебрежения нелинейными эффектами является: М 1, где М = v/c, v - колебательная скорость частиц в волне, с - скорость распространения волны. Параметр М называется «число Маха».

Специфические особенности ультразвука

Хотя физическая природа УЗ и определяющие его распространение основные законы те же, что и для звуковых волн любого диапазона частот, он обладает рядом специфических особенностей. Эти особенности обусловлены относительно высокими частотами УЗ.

Малость длины волны определяет лучевой характер распространения УЗ-вых волн. Вблизи излучателя волны распространяются в виде пучков, поперечный размер которых сохраняется близким к размеру излучателя. Попадая на крупные препятствия такой пучок (УЗ луч) испытывает отражение и преломление. При попадании луча на малые препятствия возникает рассеянная волна, что позволяет обнаруживать в среде малые неоднородности (порядка десятых и сотых долей мм.). Отражение и рассеяние УЗ на неоднородностях среды позволяют формировать в оптически непрозрачных средах звуковые изображения предметов, используя звуковые фокусирующие системы, подобно тому, как это делается с помощью световых лучей.

Фокусировка УЗ позволяет не только получать звуковые изображения (системы звуковидения и акустической голографии), но и концентрировать звуковую энергию. С помощью УЗ-вых фокусирующих систем можно формировать заданные характеристики направленности излучателей и управлять ими.

Периодическое изменение показателя преломления световых волн, связанное с изменением плотности в УЗ-волне, вызывает дифракцию света на ультразвуке, наблюдаемую на частотах УЗ мегагерцевого-гигагерцевого диапазона. УЗ волну при этом можно рассматривать как дифракционную решетку.

Важнейшим нелинейным эффектом в УЗ-вом поле является кавитация - возникновение в жидкости массы пульсирующих пузырьков, заполненных паром, газом или их смесью. Сложное движение пузырьков, их схлопывание, слияние друг с другом и т.д. порождают в жидкости импульсы сжатия (микроударные волны) и микропотоки, вызывают локальное нагревание среды, ионизацию.

Эти эффекты оказывают влияние на вещество: происходит разрушение находящихся в жидкости твердых тел (кавитационная эрозия), возникает перемешивание жидкости, инициируются или ускоряются различные физические и химические процессы. Изменяя условия протекания кавитации, можно усиливать или ослаблять различные кавитационные эффекты, например с ростом частоты УЗ увеличивается роль микропотоков и уменьшается кавитационная эрозия, с увеличением давления в жидкости возрастает роль микроударных воздействий. Увеличение частоты приводит к повышению порогового значения интенсивности, соответствующей началу кавитации, которое зависит от рода жидкости, ее газосодержания, температуры и т.д.. Для воды при атмосферном давлении оно обычно составляет 0,31,0 Вт/см². Кавитация - сложный комплекс явлений. УЗ-вые волны, распространяющиеся в жидкости, образуют чередующиеся области высоких и низких давлений, создающих зоны высоких сжатий и зоны разрежений.

В разреженной зоне гидростатическое давление понижается до такой степени, что силы, действующие на молекулы жидкости, становятся больше сил межмолекулярного сцепления. В результате резкого изменения гидростатического равновесия жидкость «разрывается», образуя многочисленные мельчайшие пузырьки газов и паров. В следующий момент, когда в жидкости наступает период высокого давления, образовавшиеся ранее пузырьки схлопываются. Процесс схлопывания пузырьков сопровождается образованием ударных волн с очень большим местным мгновенным давлением, достигающим нескольких сотен атмосфер.

Источники ультразвука

Частота сверхвысокочастотных ультразвуковых волн, применяемых в промышленности и биологии, лежит в диапазоне порядка нескольких МГц. Фокусировка таких пучков обычно осуществляется с помощью специальных звуковых линз и зеркал. Ультразвуковой пучок с необходимыми параметрами можно получить с помощью соответствующего преобразователя. Наиболее распространены керамические преобразователи из титаната бария. В тех случаях, когда основное значение имеет мощность ультразвукового пучка, обычно используются механические источники ультразвука. Первоначально все ультразвуковые волны получали механическим путем (камертоны, свистки, сирены).

В природе УЗ встречается как в качестве компоненты многих естественных шумов (в шуме ветра, водопада, дождя, в шуме гальки, перекатываемой морским прибоем, в звуках, сопровождающих грозовые разряды, и т. д.), так и среди звуков животного мира. Некоторые животные пользуются ультразвуковыми волнами для обнаружения препятствий, ориентировки в пространстве.

Излучатели ультразвука можно подразделить на две большие группы. К первой относятся излучатели-генераторы; колебания в них возбуждаются из-за наличия препятствий на пути постоянного потока - струи газа или жидкости. Вторая группа излучателей - электроакустические преобразователи; они преобразуют уже заданные колебания электрического напряжения или тока в механическое колебание твердого тела, которое и излучает в окружающую среду акустические волны.

Свисток Гальтона

Первый ультразвуковой свисток сделал в 1883 году англичанин Гальтон. Ультразвук здесь создается подобно звуку высокого тона на острие ножа, когда на него попадает поток воздуха. Роль такого острия в свистке Гальтона играет «губа» в маленькой цилиндрической резонансной полости. Газ, пропускаемый под высоким давлением через полый цилиндр, ударяется об эту «губу»; возникают колебания, частота которых (она составляет около 170 кГц) определяется размерами сопла и губы. Мощность свистка Гальтона невелика. В основном его применяют для подачи команд при дрессировке собак.

Жидкостный ультразвуковой свисток

Большинство ультразвуковых свистков можно приспособить для работы в жидкой среде. По сравнению с электрическими источниками ультразвука жидкостные ультразвуковые свистки маломощны, но иногда, например, для ультразвуковой гомогенизации, они обладают существенным преимуществом. Так как ультразвуковые волны возникают непосредственно в жидкой среде, то не происходит потери энергии ультразвуковых волн при переходе из одной среды в другую. Пожалуй, наиболее удачной является конструкция жидкостного ультразвукового свистка, изготовленного английскими учеными Коттелем и Гудменом в начале 50-х годов 20 века. В нем поток жидкости под высоким давлением выходит из эллиптического сопла и направляется на стальную пластинку. Различные модификации этой конструкции получили довольно широкое распространение для получения однородных сред. Благодаря простоте и устойчивости своей конструкции (разрушается только колеблющаяся пластинка) такие системы долговечны и недороги.

Сирена

Другая разновидность механических источников ультразвука -- сирена. Она обладает относительно большой мощностью и применяется в милицейских и пожарных машинах. Все ротационные сирены состоят из камеры, закрытой сверху диском (статором), в котором сделано большое количество отверстий. Столько же отверстий имеется и на вращающемся внутри камеры диске -- роторе. При вращении ротора положение отверстий в нём периодически совпадает с положением отверстий на статоре. В камеру непрерывно подаётся сжатый воздух, который вырывается из неё в те короткие мгновения, когда отверстия на роторе и статоре совпадают.

Основная задача при изготовлении сирен -- это, во-первых, сделать как можно больше отверстий в роторе и, во-вторых, достичь большой скорости его вращения. Однако практически выполнить оба эти требования очень трудно.

Ультразвук в природе

Летучие мыши, использующие при ночном ориентировании эхолокацию, испускают при этом ртом (кожановые -- Vesperti+ lianidae) или имеющим форму параболического зеркала носовым отверстием (подковоносые -- Rhinolophidae) сигналы чрезвычайно высокой интенсивности. На расстоянии 1 -- 5 см от головы животного давление ультразвука достигает 60 мбар, то есть соответствует в слышимой нами частотной области давлению звука, создаваемого отбойным молотком. Эхо своих сигналов летучие мыши способны воспринимать при давлении всего 0,001 мбар, то есть в 10000 раз меньше, чем у испускаемых сигналов. При этом летучие мыши могут обходить при полете препятствия даже в том случае, когда на эхолокационные сигналы накладываются ультразвуковые помехи с давлением 20 мбар. Механизм этой высокой помехоустойчивости еще неизвестен. При локализации летучими мышами предметов, например, вертикально натянутых нитей с диаметром всего 0,005 -- 0,008 мм на расстоянии 20см (половина размаха крыльев), решающую роль играют сдвиг во времени и разница в интенсивности между испускаемым и отраженным сигналами. Подковоносы могут ориентироваться и с помощью только одного уха (моноурально), что существенно облегчается крупными непрерывно движущимися ушными раковинами. Они способны компенсировать даже частотный сдвиг между испускаемыми и отражёнными сигналами, обусловленный эффектом Доплера (при приближении к предмету эхо является более высокочастотным, чем посылаемый сигнал). Понижая во время полёта эхолокационную частоту таким образом, чтобы частота отражённого ультразвука оставалась в области максимальной чувствительности их «слуховых» центров, они могут определить скорость собственного перемещения.

1.10 Инфразвук

Инфразвуки - это упругие колебания, аналогичные звуковым колебанием, но с частотами ниже 20 Гц. Инфразвуки на первый взгляд занимают небольшой диапазон частот от 20 до 0 Гц. На самом деле этот участок чрезвычайно большой, поскольку «к нулю» означает практически бесконечный диапазон колебаний. Этот диапазон менее изучен сравнительно со звуковым и ультразвуковым диапазонами.

Инфразвуковые волны возникают вследствие обдувания ветром зданий, деревьев, телеграфных столбов, металлических ферм; во время движения человека, животные, транспорта; при работе разных механизмов; при грозовых разрядах, взрывах бомб, выстрелах пушек. В земной коре наблюдаются колебание и вибрации инфразвуковых частот вследствие обвалов, движения разных видов транспорта, вулканических извержений и т.п. Другими словами, мы живем в мире инфразвуков, не подозревая об этом. Такие звуки человек скорее ощущает, чем чует. Зарегистрировать инфразвуки можно только особыми приборами. Характерной особенностью инфразвука есть незначительное его поглощения в разных средах. Вследствие этого инфразвуковые волны в воздухе, воде и земной коре могут распространяться на довольно большие расстояния (десятки тысяч километров). В связи с этим инфразвук образно называют «акустическим нейтрино». Так, инфразвуковые волны (частота колебаний 0,1 Гц), что образовались при извержении вулкана Кракатау (Индонезия) в 1883 г., несколько раз обошли вокруг земного шара. Они вызвали такие флюктуации давления, которые можно было зарегистрировать обычными барометрами.

Некоторые инфразвуки человек воспринимает, но не органами слуха, а организмом в целом. Дело в том, что некоторые внутренние органы человека имеют собственную резонансную частоту колебаний 6 - 8 Гц. При действии инфразвука этой частоты возможное возникновение резонанса колебаний этих органов, который вызывает неприятные ощущения.

Исследованиями ученых разные страны установлены, что инфразвук любых частот и интенсивности представляет собой реальную угрозу для здоровья человека. Полученные результаты дают возможность сделать вывод, что инфразвук приводит к потере чувствительности органов равновесия тела, которое в свою очередь приводит к появлению боли в ушах, позвоночнике и повреждений мозга. Еще более пагубно влияет инфразвук на психику человека.

Свойство ультразвуковых колебаний распространяться на большие расстояния в земной коре лежит в основе сейсмологии - науки, которая изучает землетрясения и исследует внутреннее строение Земли. Кроме океанологии и сейсмологии, инфразвук применяют в работе некоторых приборов и механизмов для разных практических целей. С помощью таких приборов стараются предусмотреть землетрясения, приближение цунами.

2. Исследование определенных характеристик звука

звук волна скорость установка

Для специальности ФТТ будет представлять интерес предлагаемая лабораторная установка для измерения скорости звука в воздушной среде.

Принцип ее работы основан на измерении времени запаздывания отраженного от экрана звукового импульса и дальнейшем расчете скорости звука.

Прототипом установки является радиодальномер импульсного типа.

2.1 Импульсный дальномер

Дальномеры по своим характеристикам и методам подразделяются на импульсный, частотный и фазный, но мы рассмотрим дальномер импульсного типа.

1) Импульсный.

Рисунок 5 - Функциональная схема импульсного дальномера

Функциональная схема импульсного радиолокационного дальномера приведена на рисунке 5, а временные диаграммы, поясняющие принцип его работы, ? на рисунке 6. Синхронизатор вырабатывает последовательность импульсов (1) для синхронизации передатчика и оконечного устройства. Передатчик формирует импульсные высокочастотные колебания. Эти высокочастотные колебания могут быть модулированы по частоте или манипулированы по фазе в пределах каждого импульса по некоторому закону. Будем полагать, что передатчик генерирует с поступлением на его вход управления синхроимпульсов высокочастотные радиоимпульсы без внутриимпульсной модуляции или манипуляции с прямоугольной огибающей ? (2). ВЧ импульсы через антенный переключатель (АП) поступают в антенну и излучаются в зону облучения РЛС. Если в зоне облучения имеется цель, то она переизлучает (отражает) зондирующие сигналы. Переизлученные сигналы принимаются антенной и через АП подаются на вход приемника. [7]

Рисунок 6 -Временная диаграмма поясняющая принцип работы

С выхода приемника сигналы от цели (видео импульсы ? 3) подаются в оконечное устройство, где производится измерение времени запаздывания принятых импульсов относительно излученных зондирующих импульсов. АП запирает вход приемника на время излучения зондирующих импульсов и блокирует выход передатчика во время приема отраженных сигналов. Возможно одновременное измерение дальности нескольких объектов, если принятые от них сигналы не перекрываются. Если R1 и R2 - дальности до двух точечных целей, то сигналы от этих целей не перекрываются при условии

 ( 24)

где фи.пр- длительность принятого сигнала.

Отсюда минимальная разность расстояний между двумя объектами, при которой отраженные от этих объектов сигналы регистрируются раздельно (разрешающая способность по дальности),

. (25)

Период следования зондирующих импульсов выбирается из условия обеспечения однозначного измерения дальности: максимальное время запаздывания фmax не должно превышать период следования ТП, т.е.

(26)

Рисунок 7 - Импульсный измеритель дальности преобразующий запаздывание в число

где Rmax - максимальная дальность действия дальномера. Если это условие не выполняется, то при возникает ошибка измерения, кратная .В качестве оконечного устройства импульсного дальномера (измерителя времени запаздывания) применяются визуальные индикаторы на ЭЛТ, либо автоматические измерители, которые одновременно преобразуют величину t в цифровой код. В частности, в РЛС кругового обзора для формирования изображения на индикаторе кругового обзора (ИКО) используется импульсный метод измерения дальности. Функциональная схема преобразователя временного интервала (времени запаздывания) ф в число приведена на рис. 6. Каждый импульс синхронизации, определяющий начало измеряемого временного интервала ф, переводит триггер Т в состояние, при котором схема И открыта. С этого момента на вход счетчика дальности начинают поступать счетные импульсы (4), вырабатываемые генератором счетных импульсов. Число счетных импульсов nR , поступивших на счетчик к моменту прихода отраженного целью сигнала, определяется равенством

, (27)

где R ? дальность до цели, а Fсч ? частота следования счетных импульсов.

Число nR отображающее в двоичном коде дальность R считывается со счетчика дальности с приходом сигнала от цели в момент принятия решающим устройством решения "сигнал есть" с помощью схемы съема. Возврат триггера управления в исходное состояние, при котором схема И заперта, производиться импульсом сброса (5), поступающим из синхронизатора. Схема позволяет одновременно измерять дальность многих целей. [9]

Недостатками импульсного метода измерения дальности являются невозможность измерения малых дальностей, так как во время излучения зондирующего сигнала приемник заперт, а также ограниченные возможности измерения радиальной составляющей скорости цели.

2.2 Структура лабораторной установки

Структура разработанной лабораторной установки приведена на рисунке

Лабораторная работа по изучению Определение отношения мольных теплоёмкостей C_p/C_v по скорости звука в газе

Приборы и принадлежности: звуковой генератор ГЗ-18, осциллограф, установка.

Теория метода

Наиболее точным и удобным методом определения С_P / C_V=g--является метод, основанный на измерении скорости звука в газе. Скорость распространения продольных механических волн, в частности звуковых волн в воздухе, равна

(13)

где Е - модуль Юнга для данной среды, плотность среды.

Известно, что

(14)

где V - общий объем газа.

Знак минус указывает, что одновременные изменения давления ДP и объема ДV данного количества газа противоположны по знаку.

Процесс распространения звуковой волны в газе совершается так быстро, что вызываемые им локальные периодические изменения объема и давления в элементарно малых объемах газа происходят без теплового обмена с соседними участками газа. Распространение звуковых колебаний можно считать адиабатическим процессом. Адиабатические процессы в идеальном газе описываются уравнением Пуассона

(15)

Дифференцируя это выражение, получим

Отсюда, при малых изменениях объема dV и давления dP найдем:

Тогда, выражение (12) примет вид

(16)

а скорость звуковой волны будет

(17)

Найдя из уравнения Менделеева - Клайперона плотность газа и подставив в (17), получим

(18)

Равенство (16) позволяет найти г, если известна скорость звука в газе.

(19)

Описание установки

Установка, используемая для измерения скорости звука, изображена на рис.4 Звуковые колебания в трубе Д возбуждаются телефоном Т, мембрана которого приводиться в движение переменным током звуковой частоты от генератора ГЗ-18. Колебания улавливаются микрофоном М. Возникающий в микрофоне сигнал, наблюдается на осциллографе О.

...