Xreferat.com » Рефераты по коммуникации и связи » Ультразвук. Энергия упругих колебаний

Ультразвук. Энергия упругих колебаний

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ


Кафедра электронной техники и технологии


РЕФЕРАТ

на тему:

«Ультразвук. Энергия упругих колебаний»


Минск, 2008

1. Ультразвук. Общие сведения


Ультразвук (УЗ) представляет собой упругие колебания и волны в диапазоне от 104 до 109 Гц.

Распространение мощного УЗ в физической среде (газе, жидкости или твердом теле) вызывает ряд специфических эффектов, которые широко используют в различных областях науки и техники.

Уравнение, которое связывает изменения параметров колебательного движения во времени с его изменением в пространстве, называют волновым уравнением.

Ультразвук. Энергия упругих колебаний, (1)

где ξ– смещение упругих колебаний;

t – время;

x – продольная координата.

Решением уравнения является функция

Ультразвук. Энергия упругих колебаний (2)

где ξm – максимальное смещение частицы от положения равновесия (амплитуда колебаний);

ω=2πf – циклическая частота;

k=2π/λ – волновое число;

λ=C/f – длина волны.

Величина φ=kx – называется фазой волны (волнового процесса).

Геометрическое место точек равной фазы в бегущей волне называютфронтом волны.

Скорость распространения фронта волны называется фазовой скоростью.

Ультразвук. Энергия упругих колебаний (3)

В зависимости от формы фронта волны подразделяют на плоские, цилиндрические и сферические.

В плоской бегущей волне амплитуда не меняется при распространении.

В цилиндрической и сферической волне место изменения амплитуды по линии распространения.

В цилиндрической волне амплитуда уменьшается пропорционально ~ R1/2 и в сферической ~ R-1. Величина

Ультразвук. Энергия упругих колебаний (4)

называется колебательной скоростью. Величина

Ультразвук. Энергия упругих колебаний (5)

характеризует упругую деформацию среды в направлении x.

Тогда из теории упругости можно ввести понятия давления и напряжения

Ультразвук. Энергия упругих колебаний (6)

Для плоской бегущей волны (гармонической) давление и колебательная скорость синфазны, но опережают смещение на 90є.

Скорость распространения огибающей волны (с переменной амплитудой и фазой) называется групповой скоростью

Ультразвук. Энергия упругих колебаний, (7)

при k=const и λ=const U=C=CЗ.

Ультразвук. Энергия упругих колебаний


Рисунок 1-Изменение одиночного импульса при распространении в среде.


Отношение давления к колебательной скорости называют удельным (волновым) акустическим сопротивлением.

Ультразвук. Энергия упругих колебаний (8)

где ρ – плотность среды;

С – скорость звука в этой среде.

Волновое сопротивление представляет собой активное сопротивление, на котором рассеиваются удельная акустическая мощность, т.е. энергия, уносимая волной за 1 с, через 1 м. В безграничных газовых и жидких средах возможно существование только продольных волн.

В отличии от жидкостей и газов, которые обладают только упругостью объема, твердые тела имеют упругость объема и формы.

Напряженное состояние твердого тела описывается тензором напряжений, который содержит нормальные и касательные (сдвиговые) составляющие напряжений. Наличие сдвиговых напряжений, обуславливает распространение в твердых телах, кроме продольных, также сдвиговых волн.

Ультразвук. Энергия упругих колебаний


Рисунок 2 – Образование продольных (а) и сдвиговых (б) волн в твердых телах.


При нормальном падении бегущей волны на плоскую поверхность возникает интерференционная картина, так называется стоячая волна. Стоячая волна есть суперпозиция двух бегущих волн:

Ультразвук. Энергия упругих колебаний(9)

Стоячая волна характеризуется наличием плоскостей узлов и пучностей волны, фиксированных в пространстве параллельно отраженной границе.

При этом максимальная амплитуда соответствует амплитуде деформации и наоборот. Узлы (нулевые значения) деформации совпадают с пучностями (максимальными значениями) смещения.

Образования стоячих волн возможно на любой частоте f, при этом только смещаются пучности и узлы в пространстве.

Ультразвук. Энергия упругих колебаний

Рисунок 3 – Образование стоячих волн.


Величина, характеризующая долю отраженной волны по скорости называется коэффициентом стоячей волны.


Ультразвук. Энергия упругих колебаний (10)

где Fотр – сила отраженной волны;

Рпад – сила падающей волны;

Z1, Z2 – волновые сопротивления 1–ой и 2 – ой сред.

Коэффициент бегущей волны – характеризует соотношение между бегущей и стоячей (отраженной волной)

Ультразвук. Энергия упругих колебаний (11)

2. Энергия упругих колебаний


При распространении плоской продольной волны элемент массы среды Δm0 = ρ0ΔV совершает движение вдоль направления распространения волны. При этом его кинематическая энергия

Ультразвук. Энергия упругих колебаний

Рисунок 4 - К выводу энергии упругих колебаний.

Ультразвук. Энергия упругих колебаний, (12)

где ξ – смещение от положения равновесия.

На единичный объем приходится кинетическая энергия

Ультразвук. Энергия упругих колебаний (13)

Потенциальная энергия волнового процесса численно равна работе, совершаемой упругими силами, действующими на выделенный объем

Ультразвук. Энергия упругих колебаний (14)

Используя для случая твердого тела выражение для силы F и смещения ξ через деформацию ε, приведем уравнение к виду:

Ультразвук. Энергия упругих колебаний . (15)

Отсюда плотность потенциальной энергии

Ультразвук. Энергия упругих колебаний, (16)

а общая плотность энергии бегущей волны

Ультразвук. Энергия упругих колебаний (17)

Таким образом, плотность энергии в бегущей волне в каждый момент времени равна нулю в местах с наибольшим смещением и максимальна в места, наибольшей по модулю деформации.

По закону сохранения энергии изменения энергии в объеме во времени равно энергии, перешедшей через поверхность, которую можно выразить через работу сил.

В этом случае величина Ф = Sσv является потоком энергии, прошедшем через площадки S. Ее удельное значение I = -σv = ρv, называют плотностью потока энергии, или интенсивностью волны (вектор Умова). Для гармонической бегущей волны

Ультразвук. Энергия упругих колебаний (18)

Из последнего соотношения следует, что плотность потока энергии равна нулю при наибольшем смещении и максимальна при наибольших значениях скорости и деформации, причем достигаем максимума дважды за период. Направление потока энергии всегда совпадает с направлением распространения волны.

Таким образом, в линейном приближении для волнового процесса характерным является перенос энергии в отсутствии переноса массы. Энергия, передаваемая за большое число периодов, может быть определена из среднего значения

Ультразвук. Энергия упругих колебаний (19)

Последнее выражение приводится к виду

Ультразвук. Энергия упругих колебаний, (20)

В отличие от бегущей волны в стоячей волне переноса энергии нет. Это обусловлено тем, что в любой момент времени в узлах деформаций и скоростей поток энергии равен нулю.

Таким образом, каждый участок длиной в четверть длины волны λ/4, заключенным между двумя ближайшими узлами, не обменивается энергией с соседними участками. Его энергия постоянна. В каждом таком участие дважды за период происходит превращение кинетической энергии, сосредоточенный в основном в местах пучности скоростей в потенциальную, сосредоточенную в пучности деформаций.

Следовательно, при скорости равной нулю, энергия целиком потенциальная, а при деформации равной нулю, энергия целиком кинетическая. Энергия ξ на участке 0 ≤ х ≤ λ/4 равна потенциальной энергии в момент v = 0; и cosωt = l; значит

Ультразвук. Энергия упругих колебаний. (21)

ЛИТЕРАТУРА


Орлов П.И. Основы конструирования. Справочно-методическое пособие. В 2-х кн. Кн.1. /Под ред. П.Н.Учаева. — 3-е изд. испр. — М.: Машиностроение
Конструирование приборов: В 2-х кн. /Под ред. В.Краузе; Пер. с нем. В.Н.Пальянова; Под ред. О.Ф.Тищенко. —Кн.1. М.: Машиностроение
Конструирование приборов: В 2-х кн. /Под ред. В.Краузе; Пер. с нем. В.Н.Пальянова; Под ред. О.Ф.Тищенко. — Кн.2. М.: Машиностроение
Если Вам нужна помощь с академической работой (курсовая, контрольная, диплом, реферат и т.д.), обратитесь к нашим специалистам. Более 90000 специалистов готовы Вам помочь.
Бесплатные корректировки и доработки. Бесплатная оценка стоимости работы.

Поможем написать работу на аналогичную тему

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту
Нужна помощь в написании работы?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Пишем статьи РИНЦ, ВАК, Scopus. Помогаем в публикации. Правки вносим бесплатно.

Похожие рефераты: