Акустические свойства сред
Акустические свойства – это физические свойства сред, которые определяют особенности генерации и распространения в данной среде упругих колебаний. Основными свойствами сред являются скорости продольных и поперечных волн, характеристический импеданс и коэффициент затухания. Скорость звука как физическая константа упругой среды достаточно подробно рассмотривалась в п. 1.5. Напомним некоторые особенности этого свойства. Скорость звука зависит, вообще говоря, от самых разных факторов. Для газов проявляется явная зависимость от температуры, т. к. давление в газах имеет тепловую природу. Кроме того, для газов при достаточно больших градиентах давления (и/или плотности) скорость звука уже будет зависеть локально и от других параметров среды. Это имеет место при перепадах давления порядка 1 атм. Однако в случае малых (акустических) колебаний и постоянной температуры скорость звука в газах также постоянна. В твердых телах скорость звука является константой среды в широком температурном диапазоне. Это же относится и к механически нагруженным объектам – скорость звука постоянна в широком диапазоне нагрузок. Упругие свойства изотропных твердых тел характеризуются двумя независимыми константами - модулем Юнга E и модулем сдвига G. Значениями этих модулей однозначно определяют скорости продольных cl и поперечных ct волн в безграничной среде. Отношения скоростей продольных и поперечных, а также других типов волн зависит от величины коэффициента Пуассона для данной среды (рис 1.2). Таким образом, зная упругие модули и коэффициент Пуассона, на основе значений скоростей продольных и поперечных волн, можно вычислить скорости распространения всех других типов волн. Для всех металлов при комнатной температуре значение коэффициента Пуассона близко к 0.3. В этом случае отношение скоростей (см. также рис. 1.2):
В результате получается упрощенная формула, которую удобно применять в практике акустического контроля для металлов: (1.45) Импеданс.Важным параметром среды распространения упругих колебаний является акустический импеданс или удельное волновое сопротивление. Акустическим импедансом называют комплексное отношение звукового давления к колебательной скорости для любой волны: . (1.46) В отсутствие потерь акустический импеданс – действительная величина. Комплексный характер импеданса учитывают только в случае сред с большими потерями, когда колебательная скорость частиц в бегущей волне имеет мнимую составляющую. Для безграничной среды удельный акустический импеданс является действительной величиной и называется характеристическим импедансом: , (1.47) где – плотность среды; – скорость звука. Акустический импеданс имеет размерность акустических омов: . Акустический импеданс – величина комплексная. Действительная часть – активное акустическое сопротивление – связана с диссипацией энергии в системе и потерями на излучение. Мнимая часть обусловлена реакцией сил инерции и упругости в среде. Значения импеданса различны для продольной и поперечной волн. Для твердых, жидких и газообразных сред значения характеристического импеданса различаются на несколько порядков: . Эта особенность приводит к тому, что полые дефекты в твердом теле при помощи ультразвука выявляются с гораздо большей эффективностью, чем заполненные (например, поры, заполненные шлаком). Затухание.При распространении волн в реальных средах происходит уменьшение амплитуды колебаний частиц в волне, что может быть вызвано расхождением лучей (дифракционным ослаблением), характерным для сферических и цилиндрических волн, а также затуханием волн в среде. Подчеркнем, что при затухании уменьшаются амплитуда и интенсивность всех типов волн, включая плоские волны. Основная причина затухания – наличие внутреннего трения в среде. Таким образом, затухание – акустическое свойство среды, в отличие от дифракционного ослабления, которое является свойством волны. Затухание можно учесть введением дополнительного экспоненциального множителя в выражение для конкретного вида волн: , (1.48) где – амплитуда в точке измерения; – амплитуда волны в начальный момент времени; – коэффициент затухания; – расстояние, проходимое волной. Коэффициент затухания имеет размерность обратной длины (1/м), либо выражается в неперах на метр (Нп/м) и децибелах на метр (дБ/м). При этом необходимо помнить, что 1 Нп/м = 8,686 дБ/м. Коэффициент определяется как величина, обратная расстоянию, на котором амплитуда волны уменьшается в раз. Аналогичное выражение можно записать и для интенсивности волны: , (1.49) где – интенсивность волны в произвольной точке среды. Коэффициент затухания представляет собой сумму коэффициентов поглощения и рассеяния: , (1.50) где – коэффициент поглощения; – коэффициент рассеяния. При рассеянии энергия не трансформируется, однако уходит из направленно распространяющейся волны в результате трансформации и многократных отражений. При поглощении звуковая энергия переходит в тепловую. Затухание в жидкостях и газах.В гомогенных газах и жидкостях рассеяние отсутствует, и затухание определяется только поглощением. При поглощении звуковая энергия переходит в тепловую, что, в свою очередь, обусловлено двумя причинами – внутренним трением (вязкостный эффект) и эффектами теплопроводности среды. Коэффициент поглощения в газах может быть представлен в виде суммы вязкостного и теплового членов: . (1.51) Коэффициент поглощения для жидкостей определяется следующим соотношением: , (1.52) где – частота; – коэффициент вязкости; – коэффициент теплопроводности. В жидкостях поглощение происходит в основном за счет внутреннего трения, поэтому . В газах поглощение за счет трения и за счет эффектов теплопроводности в среде приблизительно совпадают, поэтому . При постоянной температуре определяется только частотой . Для гомогенных газов и жидкостей коэффициент поглощения пропорционален квадрату частоты. В этих случаях вводят коэффициент , характеризующий поглощение в среде: . (1.53) Учитывая, что поглощение обусловлено вязкостью среды и эффектами теплопроводности, можно представить коэффициент суммой двух составляющих: . (1.54) Значения этих коэффициентов для воды и воздуха приведены в табл. 2. Таблица 2
Популярное: Как построить свою речь (словесное оформление):
При подготовке публичного выступления перед оратором возникает вопрос, как лучше словесно оформить свою... ©2015-2020 megaobuchalka.ru Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. (1007)
|
Почему 1285321 студент выбрали МегаОбучалку... Система поиска информации Мобильная версия сайта Удобная навигация Нет шокирующей рекламы |