Практическое применение затухающих акустических волн.
Алтайский Государственный Университет
РЕФЕРАТ
По дисциплине: Физика
На тему: Затухающие амплитудные волны
Выполнила: студентка группы
№ 1324, Волокитина Анна
Проверил преподаватель:
Барнаул 2012
Содержание
Введение стр.3
1.Акустические волны стр.4
2. Задачи акустики стр.9
3.Характеристики звука стр.10
4. Шумы стр.16
5. Восприятие акустических волн стр.17
6.Затухание звука стр.22
7.Эффект Доплера стр.24
8.Практическое применение затухающих
акустических волн стр.26
9.Затухание звука при распространении его в
слоистых средах стр.36
Заключение стр.41
|
|
|
Используемая литература стр.47
Введение
С колебаниями и волнами человек встречается постоянно. Существует большое многообразие волновых процессов: волны, порождаемые землетрясениями, звуковые волны, распространяющиеся в воздухе, волны механических колебаний в натянутых струнах музыкальных инструментов или в кристаллах кварца, используемые для стабилизации частоты радиопередатчика, электромагнитные волны, излучаемые антенной, и многие-многие другие. Несмотря на большое разнообразие, в колебательных процессах наблюдаются одни и те же закономерности, которые описываются одинаковыми математическими и физическими моделями и исследуются общими методами.
Интенсивностью или силой звука называют количество энергии, проносимое звуковой волной в единицу времени через единичную площадку, расположенную перпендикулярно направлению распространения звуковой волны.
Для звукового восприятия в помещениях большое значение имеет реверберация звука, т. е. постепенное ослабление его интенсивности вследствие поглощения при многократных отражениях от стен, потолка, предметов и т. д. Каждый звук существует в помещении некоторое время, пока его интенсивность не уменьшится до порога слышимости. Слишком медленное затухание звука (в пустых помещениях) создает «гулкость» помещения. При очень быстром затухании звуки получаются приглушенными (в комнатах, обвешанных коврами).
|
|
|
Звуковые колебания, воспринимаемые человеческим ухом, имеют частоты, лежащие в пределах от 20 до 20 000 Гц. Частоты меньше 20 Гц, называются инфразвуковыми, а больше 20 000 Гц – ультразвуковыми.
Актуальность темы реферата довольно велика, в работе необходимо это показать, т.к. на зависимости скорости распространения и затухания акустических волн от свойств веществ и от процессов, в них происходящих,основаны главным образом ультразвуковые методы
1. Акустические волны[2]
Существование звуковых волн вытекает из законов Ньютона. Удар по торцу тонкого длинного стержня сжимает слой, прилегающий к торцу, и сообщает ему скорость. Возникшие силы упругости ускоряют следующий слой и деформируют его. Упругие силы, возникшие при деформации второго слоя, остановят первый слой, а второй слой приобретет скорость и т. д. Так движение и деформация будут передаваться от слоя к слою, − по стержню побежит упругая бегущая волна, которая будет переносить исходное возмущение вдоль по стержню практически без изменения.
|
|
|
Во всех других случаях распространения упругих волн в любых средах − твердых, жидких и газообразных − основные черты картины те же, что и для стержня: частицы среды в волне приобретают скорость, деформируются и в них возникают упругие напряжения, которые и передают волну дальше по телу.
Заметим, что из приведенной картины еще не следует существование упругих волн, пока концепция не подкреплена фактическим обращением к законам Ньютона.
Действительно, подобное описание можно было бы повторить и для «теплового удара» − кратковременного прикладывания нагретого тела к торцу стержня. Первоначально нагреется торцевой слой, затем он нагреет смежный слой, а сам при этом охладится, и т. д. Однако, как можно показать, тепловой волны, переносящей нагретое состояние вдоль стержня, не возникает: нагревание расплывается по начальному участку стержня. Передача тепла описывается совсем другими законами, чем передача механического возмущения.
При распространении звуковой волны, как уже отмечалось, следует различать два совершенно разных явления: движение частиц среды в волне и перемещение самой упругой волны по среде. Первое явление - это движение частиц как материальных точек; второе явление переход возмущенного состояния среды с одних частиц на другие. Так, величина смещения и скорость частицы в волне зависят от силы звука, например для слышимых звуков, − от их громкости. Эти величины в звуковой волне, как правило, очень малы, а после прохождения волны каждая частица практически остается в своем исходном положении. Волна же удаляется от места возникновения; скорость ее велика (сотни и тысячи метров в секунду) и не зависит от силы звука, а только от параметров среды, в частности, от модуля Юнга Е и плотности среды ρ
|
|
|
c=√ E /ρ
Скорость звука всегда конечна, отсюда следует, что во всех акустических вопросах нужно учитывать как упругость среды, так и ее инерционные свойства; от других же свойств среды ее акустическое поведение не зависит.
Если к телу приложить силу, то в нем всегда должна создаться упругая волна. Однако в обычных задачах теоретической механики упругие волны не учитывают. Изучая движение свободного тела, возникающее под действием прикладываемой к телу силы, считают, что ускорение получает сразу все тело, а не только участок приложения силы, затем соседний участок и т. д. Аналогично, рассматривая действие силы на закрепленное тело, считают, что тело, деформируясь, приходит в равновесие все сразу, во всех своих частях. Такой подход равносилен предположению, что скорость звука в теле бесконечна.
В первом примере это соответствует абсолютно жесткому телу (бесконечная упругость), а во втором - безмассовому телу. Механические задачи при таком подходе сильно упрощаются; в частности, оказывается возможным в каждой задаче учитывать либо только массу тела (первый пример), либо только его упругие свойства (второй пример).
Акустика принципиально отказывается рассматривать реальные тела как абсолютно жесткие или безмассовые, потому что при этом теряется изучаемое явление: распространение волны, т. е. передача возмущения по телу с конечной скоростью.
Процесс действия силы на тело можно считать медленным, можно пренебрегать возникающей упругой волной и относить задачу к «обычной» механике, если
L/c<< Т,
где L − размер тела, с − скорость звука, Т − характерный промежуток времени. Тогда состояние тела в каждый момент (его ускорение и деформация) зависит только от сил, действующих на него в этот же момент. Если же это неравенство не выполнено, то процесс следует считать быстрым. Движение тела определяется при этом в основном возникшей упругой волной. В частности, ускорение и скорости разных точек свободного тела различны: тело двигается не как одно целое; если же тело закреплено, то его деформированное состояние определится не только величиной сил в данный момент, но и ранее созданными волнами.
В качестве примера укажем, что синусоидальную силу частотой 1000 Гц, действующую на стальной стержень длиной 10 см, следует считать медленным воздействием. Скорость звука в стали, превышает 5000 м/сек. Если эта сила действует вдоль стержня на один его конец, то различие в ускорениях между двумя концами меньше 1%; обычно такой малой разницей можно пренебречь. Если второй конец стержня жестко оперт, то таким же малым окажется и различие в сжатиях у опертого конца и конца, на который действует сила: стержень будет сжиматься и растягиваться «квазистатически», почти равномерно по всей длине. Но ту, же силу следует считать быстрым воздействием, если она приложена к длинному рельсу: она создаст в нем типичный волновой процесс (стоячую волну); части рельса будут сжаты в, то, же время, когда другие растянуты.
При землетрясениях, например, в земной коре возникают упругие волны с периодами, доходящими почти до часа.
В некоторых явлениях упругие волны могут оказаться существенными, даже если нас интересует только движение данного тела как целого. Например, в классической задаче о соударении идеально упругих шаров пренебрежение возникающими упругими волнами приводит к ошибке при подсчете скорости шаров после соударения. В самом деле, уравнение сохранения энергии обычно пишут как равенство кинетических энергий системы шаров до и после соударения. Правильное решение должно учитывать, однако, и энергию возникших при ударе упругих волн. Кинетическая энергия шаров, рассматриваемых как материальные точки, окажется, поэтому после соударения всегда меньше, чем перед соударением.
Изучать звуковые волны можно двумя принципиально разными способами. Можно рассматривать волну как движение материальных точек (частиц среды), упруго взаимодействующих между собой. В этом способе объект изучения − отдельные частицы среды и их движение. К частицам можно применить уравнения механики системы материальных точек, учесть силы взаимодействия между ними, их инерцию и найти таким способом движение каждой частицы. Так удается рассмотреть, однако, только простейшие виды волн, − бегущие одномерные волны. Для волн же любого вида этот способ весьма неудобен.
В самом деле, силы упругости, действующие на какую-либо частицу, вызваны деформациями соседних частиц, а эти деформации связаны с движением еще более удаленных частиц и т. д.; в итоге, чтобы найти движение одной частицы, требуется выяснить и движение всех остальных частиц среды. Но тогда, оказывается, проще с самого начала отказаться от громоздкого рассмотрения поведения каждой частицы в отдельности и вместо этого изучать волну в целом как самостоятельный объект. В этом и заключается второй способ.
Выбор в качестве основного объекта изучения не отдельных частиц среды, а всей волны в целом диктуется тем, что для волны удается найти простые законы поведения. Законы распространения, законы отражения и преломления на границах разных сред, законы рассеяния от препятствий, особенности поведения в ограниченных областях среды и т. д. Получить равноценные результаты, изучая движение системы отдельных взаимодействующих частиц, было бы практически невозможно. Конечно, вывод уравнения поведения акустических волн основан на тех же уравнениях механики частиц.
Схема построения акустики как механики упругих волн звукового диапазона имеет, таким образом, следующий вид. Общие законы поведения упругих волн мы получим как следствия ньютоновской механики для частиц среды. Но, получив эти законы, мы в каждой конкретной физической ситуации будем искать поведение волны в целом, уже не интересуясь движением отдельных частиц среды. В тех же случаях, когда это понадобится, можно снова перейти к частицам: изучив волну в целом, легко найти движение каждой частицы. Роль механики акустических волн как самостоятельного раздела физики подчеркивается следующим обстоятельством. В смежных науках - оптике и радиофизике, также изучающих волны, но там не идёт речь о частицах среды, да и о самой среде тоже, по крайней мере для основного явления - распространения электромагнитных волн в вакууме. Но, вместе с тем, электрические и магнитные явления нельзя связать с механическим поведением тел, законы электромагнитных волн оказались весьма близкими к законам механики упругих волн. Волновая картина универсальна.
В отличие от акустики, волновые представления в других науках, имеющих дело с волновыми явлениями, первичны, но свои исходные понятия и математический аппарат эти науки в значительной степени заимствовали из акустики как науки о волнах. Исторически акустика послужила прототипом всех волновых наук.
2. Задачи акустики[2].
Превышение давления Δр в волне над давлением в невозмущенной среде Р (например, в воздухе превышение над атмосферным давлением Р0) будем называть акустическим давлением или звуковым давлением. Подчеркнем, что эта величина нас интересует сама по себе, а не как приращение невозмущенного давления.
Основные величины, характеризующие акустическое состояние жидкости помимо давления, это скорость частиц жидкости v, а также плотность ρ и температура Т жидкости. При движении жидкости, в том числе и в любой звуковой волне, все эти величины изменяются от точки к точке и с течением времени. Изменения этих величин зависят друг от друга. Так, давление зависит от плотности и температуры, изменение скорости частиц с течением времени зависит от пространственного изменения давления и т. п.
Если все эти изменения зависят от времени и координат достаточно гладко, то связь между величинами, характеризующими волну, оказывается чрезвычайно сильной: в этом случае задание пространственно - временной, зависимости только одной из величин (например, давления) однозначно определяет пространственно-временные зависимости всех остальных величин.
Основные типы задач, встречающиеся в различных акустических ситуациях и приводящие к однозначному решению, следующие:
1. Задачи о свободных волнах. Анализ звуковых волн, которые могут распространяться в неограниченной среде в отсутствие внешних воздействий; нахождение типов волн, сохраняющих свою форму при распространении.
2. Задачи с начальными условиями. В них задается распределение давления и скоростей частиц во всей среде для некоторого момента времени (начальный момент) и требуется найти волну в дальнейшие моменты времени.
3. Краевые задачи. В этих задачах изучают волны в ограниченном участке среды, свойства границ которого считают заданными. Например, это могут быть абсолютно жесткие, абсолютно мягкие и другие типы стенок. Оказывается, что в отсутствие внешних воздействий в таком объеме среды возможен только дискретный набор гармонических колебаний среды; задача сводится к нахождению этого набора.
4. Задачи о сторонних воздействиях − источниках звука. В этих задачах рассматривают звуковые волны, создаваемые посторонними телами, помещенными в неограниченную среду и совершающими колебания, или силами, приложенными к среде, и т. п. Звуковое поле в этом случае − волны, расходящиеся от колеблющихся тел и уходящие в бесконечность.
5. Задачи о рассеянии от препятствий. В этих задачах задано звуковое поле и требуется найти, как оно изменится, если поместить в среду те или иные препятствия. Это − задачи об отражении и прохождении звука, а также дифракционные задачи.
Большинство других задач акустики сводится к тем или иным комбинациям перечисленных типов.
Характеристики звука.
Как отмечалось ранее, звук может быть охарактеризован двумя системами физических величин: характеристиками, не зависящими от особенностей восприятия звука человеком (их можно назвать объективными), и такими, которые, наоборот, основываются на восприятии звука (их можно назвать субъективными). Конечно, между двумя системами характеристик существует определенная связь, хотя и не совсем простая.
К объективным характеристикам звука относятся физические величины, которые описывают любой волновой процесс:
Частота звука ν (f), измеряемая числом колебаний в секунду частиц среды, участвующих в волновом процессе (Гц);
Плотность потока энергии (интенсивность звука), измеряемая количеством энергии, переносимой звуковой волной за 1 с через площадку в 1 м2, поставленную перпендикулярно направлению распространения волны (Дж/м2⋅с, или Вт/м2)
Интенсивность звука j пропорциональна квадрату частоты и квадрату амплитуды колебаний частиц среды и вычисляется по формуле,
J=Ф/s*( ϖ)*v=1/2pA2 ω2 v,
которую можно переписать, используя понятие амплитуды акустического давления
j= ½ *p2m /pc. (8.19)
Таким образом, интенсивность звука прямо пропорциональна квадрату амплитуды избыточного давления и обратно пропорциональна акустическому сопротивлению.
Спектральный состав звука указывает, из колебаний каких частот составлен данный звук и как распределены амплитуды между отдельными составляющими. Например, музыкальный аккорд имеет линейчатый спектр, т.е. он образован суперпозицией конечного числа колебаний. Шум характеризуется сплошным спектром, состоящим из бесконечного числа составляющих.
К субъективным характеристикам звука относится Высота тона это субъективная оценка частоты звука. Чем больше частота, тем выше тон воспринимаемого звука. Однако способность уха различать звуки по их частоте зависит от частоты.
На рисунке 1 представлена полученная из опыта кривая зависимости относительного изменения частоты звука ννΔ,при котором человек отмечает изменение высоты тона от частоты. При малых и больших частотах изменение частоты звука должно быть значительным, чтобы ухо могло заметить изменение тона. Для частот от 1000 до 600 Гц (область наибольшей остроты уха) это относительное изменение частоты наименьшее (ν/νΔ=0,3).
Рис.1. Относительное изменение частоты звука [6]
Громкость является субъективной оценкой интенсивности звука. Восприятие интенсивности зависит от частоты звука, потому что наш акустический тракт имеет вполне определённую частотную характеристику, и она отнюдь не является линейной. Может оказаться, что звук большей интенсивности одной частоты, воспринимается нами как менее громкий, чем звук малой интенсивности другой частоты.
Опыт показывает, что для каждой частоты в области слышимых звуков (20 - 20⋅103 Гц) имеется так называемый порог слышимости. Это минимальная интенсивность, меньше которой ухо не реагирует на звук. Кроме того, опытом установлено, что для каждой частоты имеется так называемый порог болевых ощущений, т. е. то значение интенсивности звука, которое вызывает боль в ушах (Рис.2).
Повышение интенсивности звука выше порога болевых ощущений опасно для уха.
Рис.2. Субъективное восприятие уровня интенсивности [28]
Интенсивность волн акустического диапазона, встречающихся в природе, занимает несколько порядков, даже применительно к динамическому диапазону человеческого слуха. Операции с абсолютными величинами, в этой связи, представляются не очень удобными. Числа получаются либо очень большие, либо очень маленькие. Интенсивность акустических волн удобно оценивать относительными единицами, уровнем интенсивности, измеряемым обычно в децибелах
Рис.3. Интенсивность некоторых источников звука [28]
Это интенсивность порога слышимости на частоте 1000 Гц. Громкость звука, соответствующая этой интенсивности, равна нулю (звук не воспринимается). Единица уровня громкости L называется белом. Обычно громкость звука выражают в децибелах (Дб); эту дольную единицу еще называют фоном (фон): 1 Бел = 10 Дб (фон). Всему диапазону интенсивностей звука, воспринимаемых ухом от порога слышимости до порога болевых ощущений, соответствуют значения громкости от нуля до 130 дб.
Совокупность точек, отвечающих порогу слышимости, и точек, соответствующих порогу болевых ощущений, образуют на диаграмме уровень интенсивности - частота две кривые (Рис. 3). Область, ограниченная этими кривыми, называется областью слышимости. Приведенные кривые иллюстрируют ту наименьшую величину интенсивности звука, которую воспринимает определённый процент обследованных на специальной аудио акустической аппаратуре людей. Кривая соответствующая 1% получена при обследовании слуха профессиональных «слухачей», определяющих на слух качество звуковоспроизводящей аппаратуры. Такие же показатели слуха имеют гидроакустики на боевых надводных и подводных кораблях.
Из диаграммы видно, что наше ухо может воспринимать звуки, различающиеся по интенсивности в 1013 раз! Ни один прибор, созданный руками человека, не имеет столь широкого диапазона изменения измеряемой величины. Опыт показывает, что субъективная оценка интенсивности звука громкость возрастает гораздо медленнее, чем сама интенсивность звука: при возрастании интенсивности звука в геометрической прогрессии громкость возрастает приблизительно в арифметической прогрессии, т. е. линейно. Это обстоятельство тоже делает удобным использование уровня громкости. На рис.4 приведены громкости некоторых типичных звуков, встречающихся в природе, технике и быту. Более сложные звуки являются смесью тонов, результатом суперпозиции чистых тонов с частотами ν, 2ν, 3ν, ... . Высота звука определяется основной частотой ν. Гармоники же (обертоны) с частотами 2ν, 3ν, ... создают тембр звука. Амплитуды А1,А2,А3 ... гармоник, вообще говоря, меньше амплитуды А1 основного тона, а фазы гармоник могут быть самыми произвольными:
На рисунке 4 приведены записи колебаний двух звуковых образов с идентичными спектрами, но разными фазами гармоник. Результирующие колебания объективно получаются разными, т.е. аппаратурные методы подтверждают влияние фазы гармоник на суперпозицию. А вот субъективное восприятие этих звуковых образов абсолютно одинаково, дело в том, что человеческое ухо не реагирует на фазу колебаний, нет у нас такой способности. Эту особенность человеческого слуха была открыта немецким физиком Георгом Симоном Омом (1789 – 1854).
Рис.4. Сравнительный анализ двух одночастотных источников
Аккорд - это одновременное звучание двух или нескольких чистых тонов. Он может вызывать приятное ощущение − консонанс или неприятное − диссонанс.
Шумы.
Шумом называется сложная апериодическая смесь звуков, спектр которого в некотором интервале частот является непрерывным. На рисунке 5 приведены спектры некоторых характерных шумов: а − спектр говора студенческой аудитории перед занятиями; б − спектр шума в залах, фойе; в − спектр шума водопада, леса, моря и т.п.
Рис. 5. Спектры шума некоторых источников [6]
В заключении хочется отметить, что акустическая энергия, по сравнению с другими видами энергии чрезвычайно мала. А. Вуд приводит такой показательный пример. Если 50000 английских футбольных фанатов будут орать, с присущи им темпераментом в течение всех полутора часов матча, то излучаемой ими акустической энергией можно подогреть всего одну порцию кофе и такой звук оказывается достаточно интенсивным, чтобы распространяться в воздухе.
5. Восприятие акустических волн[2].
Орган слуха, как и многое в нашем организме, к настоящему времени изучен, мягко говоря, не полно. Более понятен процесс восприятия акустических волн и совершенно не ясен механизм формирования звуковых образов. Дело в том, что оба наших информационных канала, оптический и акустический замкнуты на мозг, изучение которого, как физического объекта, находится в самой начальной стадии. Устройство органа слуха человека показано на рисунке 6. Наружное ухо состоит из ушной раковины и слухового прохода, соединяющего ее с барабанной перепонкой.
Рис.6. Устройство уха [2]
Основная функция наружного уха - определение направления на источник звука. До сих пор остается неясным, чем обусловлена именно такая форма ушной раковины человека. Для формирования диаграммы направленности в диапазоне частот 20Гц – 20кГц такие сложные геометрические образования, по теперешним представлениям, совершенно не нужны. Слуховой канал представляет собой слегка сужающуюся внутрь трубку длиной около 2 см. Канал предохраняет внутренние части уха и, предположительно, играет роль резонатора, хотя однозначного мнения специалистов на этот счёт нет.
Слуховой канал заканчивается барабанной перепонкой мембраной, которая колеблется под действием звуковых волн. Барабанная перепонка является достаточно чувствительным приёмником акустических волн, её состоянием определяются такие параметры слуха, как чувствительность и частотный диапазон. Непосредственно за барабанной перепонкой расположены три маленькие, соединенные между собой косточки: молоточек, наковальня и стремя с помощью которых колебания передаются внутреннему уху. Там, в слуховом нерве, «работа» которого представляется наиболее непонятной, они, по идее преобразуются в электрические сигналы. Малая полость, где находятся молоточек, наковальня и стремя, наполнена воздухом и соединена с полостью рта евстахиевой трубой, которая разгружает перепонку от внешнего давления. Обычно евстахиева труба закрыта. Она открывается лишь при внезапном изменении давления. Например, когда человек глотает или зевает и выравнивает его. Если у человека евстахиева труба блокирована, предположим, в результате простуды, то выравнивания давлений не происходит и в этом случае появляется дискомфорт или даже боль в ушах.
В процессе передачи колебания от барабанной перепонки к овальному окну, которое является началом внутреннего уха, энергия первоначального звука как бы «концентрируется» в среднем ухе. Это осуществляется двумя способами, в основе которых лежат хорошо известные принципы механики. Во-первых, уменьшается амплитуда, но одновременно увеличивается мощность колебаний. Здесь можно провести аналогию с рычагом, когда для поддержания равновесия к большему плечу прикладывается меньшая сила, а к меньшему большая. С какой тонкостью осуществляется такое превращение в человеческом ухе, видно из того, что амплитуда колебаний барабанной перепонки равна диаметру атома водорода (10 -10 м), а молоточек, наковальня и стремя уменьшают ее в три раза. Во-вторых, и это более существенно, концентрация звука обусловливается разностью диаметров барабанной перепонки и овального окна внутреннего уха. Сила, действующая на барабанную перепонку, равна произведению давления на площадь барабанной перепонки. Эта сила через молоточек, наковальню и стремя воздействует на овальное окно, с противоположной стороны которого находится жидкость. Площадь овального окна в 15 - 30 раз меньше площади барабанной перепонки, поэтому и давление на него в 15 - 30 раз больше. Кроме того, как было сказано выше, молоточек, наковальня и стремя увеличивают мощность колебаний в три раза; следовательно, благодаря среднему уху давление на овальное окно превышает почти в 90 раз первоначальное давление, действовавшее на барабанную перепонку. Это очень важно, поскольку дальше звуковые волны распространяются уже в жидкости. Не будь увеличения давления, звуковые волны вследствие эффекта отражения, никогда бы, не смогли проникнуть в жидкость.
Молоточек, наковальня и стремя снабжены крошечными мышцами, которые обеспечивают защиту внутреннего уха от повреждений при воздействии сильных шумов. В обычных условиях колебания передаются более или менее непосредственно через эти три косточки. Но при сильном шуме под действием определенных мышц ось вращения стремени смещается, уменьшая силу давления на овальное окно. При дальнейшем возрастании шума вступают в дело другие мышцы, одна из которых туго натягивает барабанную перепонку, а другая частично смещает стремя. Внезапные очень интенсивные звуки могут разрушить этот защитный механизм и вызвать серьезные повреждения внутреннего уха.
Настоящие таинства слуха начинаются с овального окна − порога внутреннего уха. Звуковые волны здесь уже распространяются в жидкости (перилимфе), которой наполнена улитка. Этот орган внутреннего уха, действительно напоминающий улитку, имеет длину около 3 см и почти по всей длине разделен перегородкой на две части. Звуковые волны, попавшие на овальное окно улитки, доходят до перегородки, огибают ее и далее распространяются по направлению почти к тому же самому месту, где они впервые коснулись перегородки, но уже с другой стороны. В конце концов, они рассеиваются круглым окном улитки.
Перегородка улитки по сути дела состоит из основной мембраны, очень тонкой и тугой вблизи овального окна, но становящейся толстой и вялой по мере продвижения к хвосту улитки. Структура мембраны была впервые изучена Георгом фон Бекеши, который работал в Будапеште в 30 − 40 годах нашего столетия. За это открытие в 1961 г. он был удостоен Нобелевской премии. Бекеши исследовал структуру и механизм действия среднего и внутреннего уха. Он показал, что звуковые колебания создают на поверхности основной мембраны волнообразную рябь, причем гребни для каждой данной частоты лежат в совершенно определенных участках мембраны. Высокочастотные звуки создают максимум на том участке основной мембраны, где она наиболее натянута, то есть вблизи овального окна, низкочастотные же звуки - на «хвосте» улитки, где основная мембрана толстая и вялая. Такой механизм, открытый Бекеши, позволяет объяснить, как человек выделяет тоны различной частоты.
Преобразование механических колебаний в электрические сигналы происходит в органе (в медицине он называется органом Корти), размещенном над верхней частью основной мембраны и представляющем собой набор из 23 500 «мясистых» ячеек, расположенных вдоль его длины четырьмя рядами. Над органом Корти находится похожая на заслонку текториальная мембрана.
Оба эти органа погружены в жидкость, называемую эндолимфой, и отделены от остальной части улитки мембраной Рейсснера. Волоски, растущие из ячеек органа Корти, почти пронизывают поверхность текториальной мембраны. Основная мембрана, на которой покоится орган Корти вместе со своими волосистыми ячейками, как бы шарнирно подвешена на текториальной мембране. При деформации основной мембраны между ними возникают касательные напряжения, которые изгибают волоски, соединяющие две мембраны. Благодаря такому изгибу и происходит окончательное преобразование звука теперь он уже закодирован в виде электрических сигналов. Изгибы волосков, по-видимому, играют в некотором роде роль пусковых механизмов для электрохимических реакций в ячейках. Они и являются источниками электрических сигналов.
Что происходит здесь со звуком и какую форму он приобретает, пока еще остается почти полной тайной. Мы знаем только, что теперь он представляет собой электрические импульсы, так как каждая волосистая ячейка «выстреливает» электрический импульс. Но природа этого кода неизвестна. Расшифровка его усложняется тем, что волосистые ячейки излучают электрические импульсы даже тогда, когда никакого звука нет. Расшифровкой слухового кода занимаются многие лаборатории мира, работающие в области связи. Только разгадав этот код, появится возможность понять истинную природу субъективного звука.
6. Затухание звука.
Воздух и другие реальные среды обладают вязкостью. Поэтому кинетическая энергия колеблющихся частиц среды постепенно рассеивается благодаря вязкому трению. Этим объясняется уменьшение переносимой волной энергии (интенсивности) по мере ее распространения; акустическая волна затухает. Опыт показывает, что убывание интенсивности звука с расстоянием х происходит по экспоненциальному закону:
где j0 - интенсивности звука соответственно при х = 0 и данном значении х; - коэффициент поглощения. Опыт показывает, что коэффициент α возрастает с увеличением кинематической вязкости среды.
По этой причине затухание звука в воздухе значительно больше, чем в воде. Опыт и теория показывают также, что α в большой степени зависит от частоты звука, возрастая с увеличением частоты. Это значит, что звуки, представляющие собой сумму волн различной частоты (например, гром), резкие вблизи источника своего возникновения, становятся по мере удаления от него более глухими и низкими, так как волны высоких частот быстро затухают. По этой причине, например, мы плохо разбираем речь на больших расстояниях от говорящего, хотя и слышим ее довольно явственно (в результате поглощения высоких частот изменяются спектры формантов, и определяемые ими гласные звуки).
Отметим еще, что коэффициент затухания α акустических волн зависит также от теплопроводности среды (чем она больше, тем больше затухание).
Акустические характеристики помещений определяются условиями отражения от ограничивающих поверхностей и затуханием волн. В залах и студиях нормируется время послезвучания, время реверберации. На рисунке 7 показан пример уровнеграммы, полученной при выключении источника волн в акустически необработанном помещении. Запись получена в логарифмическом масштабе по оси уровней.
Рис.7. Реверберация [6]
Скорость затухания звука является важной акустической характеристикой помещений (особенно концертных и театральных). Если затухание мало, то человек, находящийся в помещении, будет воспринимать как прямой звук (т. е. идущий непосредственно от источника), так и звук, многократно отразившийся от стен. Он воспринимает это как гул («гулкое» помещение). Если же затухание велико, то может оказаться, что не все находящиеся в помещении люди будут слышать звук (далеко стоящие слышат плохо). Акустические характеристики древних культовых сооружений, например софийского собора в Киеве, поражают своей оптимальностью. При реставрации стен собора в них обнаружены резонансные поглотители звука, которые были «открыты» Гельмгольцем (1821 – 1894) спустя несколько столетий. Как наши предки могли оформлять свои культовые строения, не обладая глубокими знаниями в области физической и физиологической акустики?
Эффект Доплера.
Если случалось путешествовать в поезде, то, при подаче сигнала встречными составами, меняется тон (частота) воспринимаемого звука. Пока составы сближаются, тон заметно выше, того который воспринимается при их удалении друг от друга. Это явление было открыто австрийским физиком, математиком и астрономом Иоганном Кристианом Доплером (1803 – 1853). Рассматриваемый далее эффект проявляется в настоящее время эффект Доплера обнаружен для всех известных волн. Правило Доплера широко используется в астрономии и радиолокации. Благодаря уравнениям Доплера астрономы установили, что Сириус удаляется от Земли за каждую секунду на 75 км. Эта звезда настолько огромна, что её удаление на несколько миллионов километров не изменяет видимой яркости. Рассмотрим плоскую бегущую монохроматическую волну, распространяющуюся вдоль направления х
Пусть вдоль этого направления с постоянной скоростью U движется наблюдатель (рис.8.). Какими будут казаться ему переносимые волной колебания? Для выяснения этого обстоятельства необходимо в уравнение подставить вместо х путь пройденный наблюдателем за время t
Где х0 – значение х при t=0. Таким образом:
Отличительной особенностью уравнения является то, что воспринимаемая волна гармоническая, но частота изменилась, а именно
Рис. 8. Иллюстрация эффекта Доплера
Таким образом, частота, воспринимаемая наблюдателем при его удалении, будет меньше частоты источника, а при приближении − наоборот, больше.
При U = с частота ω′ обращается в ноль, а при U > с она становится отрицательной. Это значит, что в случае приближения наблюдателя волна будет доходить к нему в обратном порядке, т.е. колебания, излученные в более поздние времена, дойдут раньше, чем колебания, сформированные в предыдущие промежутки времени. Заканчивая разговор об упругих волнах, необходимо отметить некоторые незатронутые в этом разделе их теоретические, технические и технологические приложения. В форме ультразвука упругие волны широко используются там, где необходимо разрушить, убрать заусенцы и окислы за счет, возникающей в волнах кавитации. В фазе разряжения давления в рабочей жидкости понижается ниже давления насыщенных паров, и она теряет сплошность. Образующиеся пузырьки аккумулируют энергию волны, в фазе коллапса на локальном уровне схлопывающиеся пузырьки существенно изменяют температуру. Кроме того, обнаружены кумулятивные микро струи скорость жидкости, в которых достигает скорости звука в воде. Впервые гидродинамическая кавитация была обнаружена на быстроходных судовых винтах. В Англии при первом ходовом испытании быстроходный корабль «Турбиния» был доставлен в док со «съёденными» под корень лопастями винтов. Упругие волны используются многими сухопутными и морскими животными для целей навигации и передачи сигналов. Самым ярким представителем являются, несомненно, дельфины и киты.
Практическое применение затухающих акустических волн.
На зависимости скорости распространения и затухания акустических волн от свойств веществ и от процессов, в них происходящих,основаны главным образом ультразвуковые методы
Многообразные применения ультразвука, при которых используются различные его особенности, можно условно разбить на три направления:
- первое связано с получением информации посредством ультразвуковых волн,
- второе — с активным воздействием на вещество,
- третье — с обработкой и передачей сигналов (направления перечислены в порядке их исторического становления).
При каждом конкретном применении используется ультразвук определённого частотного диапазона.
Получение информации с помощью ультразвуковых методов. Ультразвуковые методы широко используются в научных исследованиях для изучения свойств и строения веществ, для выяснения проходящих в них процессов на макро- и микроуровнях. Эти методы основаны главным образом на зависимости скорости распространения и затухания акустических волн от свойств веществ и от процессов, в них происходящих.
Воздействие ультразвука на вещество. Активное воздействие ультразвука на вещество, приводящее к необратимым изменениям в нём, или воздействие ультразвука на физические процессы, влияющее на их ход, обусловлено в большинстве случаев нелинейными эффектами в звуковом поле. Такое воздействие широко используется в промышленной технологии; при этом решаемые с помощью ультразвуковой технологии задачи, а также и сам механизм ультразвукового воздействия различны для разных сред.
Обработка и передача сигналов. Ультразвуковые устройства применяются для преобразования и аналоговой обработки электрических сигналов в различных отраслях радиоэлектроники, например в радиолокации, связи, вычислительной технике, и для управления световыми сигналами в оптике и оптоэлектронике. В устройствах для управления электрическими сигналами используются следующие особенности ультразвука: малая по сравнению с электромагнитными волнами скорость распространения; малое поглощение в кристаллах и соответственно высокая добротность резонаторов [2].
Применения ультразвука в медицине: Особый практический интерес применения ультразвука в медицине связан с эффектом Доплера.Эффект Доплера в медицине используется для определения скорости кровотока, скорости движения клапанов и стенок сердца и других органов.
Физические процессы, обусловленные воздействием ультразвука, вызывают в биологических объектах следующие основные эффекты: - микровибрации на клеточном и субклеточном уровне; - разрушение биомакромолекул; - перестройку и повреждение биологических мембран, изменение проницаемости мембран; - тепловое действие; - разрушение клеток и микроорганизмов. Медико-биологические приложения ультразвука можно в основном разделить на два направления: методы диагностики и исследования и методы воздействия.
К первому направлению относятся локационные методы диагностики с использованием главным образом импульсного излучения. Ко второму направлению относится ультразвуковая физиотерапия. Способность ультразвука дробить тела, помещенные в жидкость, и создавать эмульсии используется и в фармацевтической промышленности при изготовлении лекарств. Разработан и внедрен метод "сваривания" поврежденных или трансплантируемых костных тканей с помощью ультразвука (ультразвуковой остеосинтез). Губительное воздействие ультразвука на микроорганизмы используется для стерилизации. Интересно применение ультразвука для слепых. Благодаря ультразвуковой локации с помощью портативного ультразвукового прибора можно обнаружить предметы и определять их характер на расстоянии до 10 м. Перечисленные примеры не исчерпывают всех медико-биологических применений ультразвука, перспектива расширения этих приложений в медицине поистине огромна.
Ультразвук - это колебания с частотами, большими 20000 Гц. Распространение в жидкой, газообразной и твердой средах ультразвуковых колебаний конечной амплитуды порождает физические эффекты, использование которых в медицине создает реальные предпосылки интенсификации технологического процесса обработки биологических тканей, методов диагностики и воздействия лекарственных препаратов на организм при терапевтическом лечении.
Для создания ультразвуковых колебаний разработаны многообразные технические средства - аэродинамические и гидродинамические, магнитострикционные и пьезоэлектрические источники ультразвука - дают возможность практического применения ультразвуковой технологии во многих отраслях медицины.
Частота сверхвысокочастотных ультразвуковых волн, применяемых в хирургии и биологии, лежит в диапазоне порядка нескольких МГц. Фокусировка таких пучков обычно осуществляется с помощью линз и зеркал.
Для диагностических исследований внутренних органов используется частота 2,5 - 3,5 МГц, для исследования щитовидной железы используется частота 7,5 МГц. Генератором таких волн является пьезодатчик, который одновременно играет роль приемника отраженных эхосигналов. Генератор работает в импульсном режиме, посылая около 1000 импульсов в секунду. В промежутках между генерированием ультразвуковых волн пьезодатчик фиксирует отраженные сигналы. В качестве детектора сигнала применяется сложный датчик, состоящий из нескольких сотен мелких пьезокристаллов, работающих в одинаковом режиме. В датчик вмонтирована фокусирующая линза, что дает возможность создать фокус на определенной глубине.
В физиотерапевтической практике используют ультразвук в диапазоне частот 800-3000 кГц. Наиболее распространены керамические преобразователи из титаната бария.
В стоматологии впервые с середины пятидесятых годов прошлого века было предложено использовать ультразвук для лечения периодонтита и для удаления камней. Инструменты, применяемые для лечения зубов, обычно состоят из стержневого ультразвукового пьезокерамического, магнитострикционного или аэродинамического преобразователя и имеют на конце рабочий наконечник. В наконечнике возбуждаются продольные колебания в диапазоне частот 20 - 45 кГц и с амплитудой движения в области 6 -100 мкм. В аэродинамических стоматологических наконечниках частота работы преобразователя обычно на выходит за рамки слышимого звука.
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 нем периодически совпадает с положением отверстий на статоре. В камеру непрерывно подается сжатый воздух, который вырывается из нее в те короткие мгновения, когда отверстия на роторе и статоре совпадают.
Иной принцип генерации звука реализуется в роторно-пульсационных аппаратах, принципиальная конструкция которых аналогична конструкции динамических сирен. Здесь звуковое излучение образуется за счет периодического механического прерывания потока воздуха, проходящего через щелевой ротор и статор. Вращение ротора осуществляется механическим воздушным приводом. Скорость вращения и характерные размеры щелевых отверстий задают частот и интенсивность пульсации давления в потоке, а следовательно частоту и интенсивность звукового излучения. При этом интенсивные колебания среды локализованы внутри объема аппарата. Достоинством этих систем является возможность работы при низком избыточном давлении и больших расходах струи. Однако роторно-пульсационные аппараты сложны в изготовлении вследствие чего более распространенное изготовление получили пульсационные приводы. Именно такой тип генерации чаще применен в стоматологических воздушно-приводных инструментах. Типичными представителями агрегатов с аэродинамическим приводом в стоматологии являются ультразвуковые скалеры применяемые для снятия пигментированного налета и зубных отложений. Роторно-пульсационные озвучивающие механизмы используются в воздушно-приводных обрабатывающих эндодонтических инструментах и ирригаторах.
Гидродинамические генераторы-излучатели служат для превращения кинетической энергии струи в энергию упругих акустических колебаний. Генерация звука происходит в области вихревого движения струи. Для расчета генерируемого звукового поля обычно применяют теорию акустической аналогии Лайтхилла, согласно которой турбулентный (вихревой) поток рассматривают как заданный источник звука определенной структуры.
|
| Рис. 9. Схема конструкций гидродинамических излучателей в противоточном (а) и прямом (б) вариантах: 1 - сопло; 2 - отражатель. |
Самое большее распространение в медицине и в стоматологии в частности, нашли пьезоэлектрические и магнитострикционные ультразвуковые преобразователи.
Магнитострикция представляет собой деформирование тел при изменении их магнитного состояния. Данное явление, открытое в 1842 г. Джоулем, свойственно ферромагнитным металлам и сплавам (ферромагнетикам) и ферритам. Ферромагнетики обладают положительным межэлектронным обменным взаимодействием, приводящим к параллельной ориентации моментов атомных носителей магнетизма. Наличие постоянных магнитных моментов электронных оболочек характерно для кристаллов, состоящих из атомов, обладающих внутренними электронными оболочками. Это имеет место для переходных элементов Fe, Co, Ni и редкоземельных металлов Gd, Tb, Dy, Но, Ег, а также для их сплавов и некоторых соединений с неферромагнетиками. Способность вещества к намагничению характеризуется магнитной восприимчивостью, которая представляет собой отношение намагниченности к напряженности внешнего магнитного поля. Напряженность магнитного поля характеризуется силой, заключенной в единичной магнитной массе и действующей на северный магнитный полюс. Другой характеристикой магнитного поля является индукция магнитного поля. Магнитная энергия кристаллической решетки является функцией расстояния между атомами или ионами; следовательно, изменение магнитного состояния тела ведет к его деформированию, т. е. возникает явление магнитострикции. Магнитострикционная деформация сложным образом зависит от индукции и напряженности магнитного поля. В простейших случаях деформация пропорциональна квадрату намагниченности. Взаимосвязь между параметрами и геометрическими размерами преобразователя выводится на основе рассмотрения его конкретной формы. На практике используют два типа магнитострикционных преобразователей: стержневые и кольцевые, изготовленные из магнитных сплавов или ферритов. Металлические сплавы используют для изготовления мощных магнитострикционных преобразователей, поскольку они имеют высокие прочностные характеристики. Однако большая электропроводность сплавов обусловливает кроме потерь на перемагничение значительные потери на макровихревые токи, или токи Фуко. Поэтому преобразователи выполняют в виде пакета пластин толщиной 0,1-0,2 мм. Значительные потери определяют сравнительно низкий к. п. д. таких преобразователей (40-50%) и необходимость их водяного охлаждения. Ферритовые преобразователи обладают более высоким к. п. д. (70%), так как при большом электросопротивлении не имеют потерь на токи Фуко, но их мощностные характеристики весьма ограничены из-за низкой механической прочности.
|
| Рис. 10. Общий вид стержневого (а) и кольцевого (б) магнитострикционного преобразователя. |
При воздействии на обмотку, в которую помещен сердечник-стриктор, переменным электрическим током в последнем вследствие электромагнитной индукции возникают колебательные процессы соответствующие частоте генератора электрического сигнала. Достоинством таких генераторов является относительно низкое рабочее напряжение, что позволяет значительно упростить при изготовлении инструментов конструктивные параметры изоляции электрической части рабочего инструмента от приводного механизма и сделать их разборными для быстрой смены привода стоматологического наконечника. Недостатком же магнитострикционного преобразователя является условие обязательного постоянного охлаждения водой работающего преобразователя.
Пьезоэлектрический эффект - образование электрической поляризации при механической деформации. Для получения ультразвуковых колебаний в ультразвуковых аппаратах используют обратный пьезоэлектрический эффект, т. е. физическое явление, которое может развиваться в некоторых кристаллах. При воздействии на такие кристаллы (пьезоэлементы) переменным током высокой частоты происходит их последовательное сжатие и расширение, что лежит в основе развития колебаний, соответствующих частоте подаваемого тока.
|
| Рис. 11. Схема пьезоэлектрического эффекта. |
В отличие от электристрикции пьезоэффект наблюдается только у кристаллов, не имеющих цента симметрии. Кристаллическая решетка таких материалов состоит из полярных молекул, обладающих дипольным моментом. Все кристаллы по свойствам симметрии разделены на 32 класса, из них 20 не имеют симметрии. В ультразвуковой технике наибольшее распространение получили преобразователи на основе пьезокерамики. Основными материалами для изготовления преобразователей в медицинской аппаратуре является пьезокерамика на основе: титаната бария (ТБ); титаната бария, кальция (ТБК); цирконат титанат свинца (ЦТС); ниобат свинца, бария (PZT).
Терапевтические излучатели обычно сделаны в виде дисков из высококачественной пьезокерамики цирконат-титаната свинца. Они помещаются в водонепроницаемую оболочку из алюминия или нержавеющей стали, прикрепленную к концу легкой ручки. Обратная сторона диска граничит с воздухом.
|
| Рис. 12. Схема крепления кристалла в терапевтическом излучателе, обеспечивающая воздушную нагрузку тыльной стороны кристалла: 1 - заземленный металлический корпус; 2 - пьезоэлектрический кристалл с серебряными электродами с обеих сторон; 3 - припой; 4 - пружина, прижимающая контакт. |
В ультразвуковой технологии на частотах 20-60 кГц пьезокерамический преобразователь делают стержневого типа с частотопонижаюшими металлических накладками - преобразователь Ланжевена. Изготовление сплошного пьезокерамического полуволнового преобразователя нецелесообразно из-за технологических трудностей, сильного разогрева керамики в рабочем режиме, поскольку он имеет низкую теплопроводность, и необходимости высоких рабочих напряжений при большой толщине керамики. Обычно преобразователь выполняют в виде двух пьезокерамических шайб, рабочей дюралевой и тыльной стальной накладок, стянутых центральным болтом.
|
| Рис. 13. Схема пьезокерамического преобразователя: 1 - тыльная накладка; 2 - пьезокерамические шайбы: 3 - токоподводящее кольцо; 4 - стягивающий болт; 5 - рабочая выкладка; 6 - отверстие для подсоединения инструмента. |
Электрическая энергия является наиболее универсальным видом энергии, что и определяет преимущественное использование в ультразвуковой технологии систем, в которых источником механических колебаний являются электрические колебания ультразвуковой частоты. Электрические колебания заданной частоты формируются в ультразвуковых генераторах. В настоящее время широко используют два типа генераторов - транзисторные и тиристорные, отвечающие технологическим требованиям по уровню надежности, коэффициенту полезного действия, мощности и т. д. Кроме транзисторных и тиристорных генераторов для питания электроакустических преобразователей иногда применяют ламповые генераторы ("Ультрастом"). Ламповые ультразвуковые генераторы практически сняты с производства и их используют только в мощных генераторах мегагерцового диапазона.
Энергия электрических колебаний трансформируется в энергию механических колебаний в рассмотренных выше электроакустических преобразователях. Типичными представителями ультразвуковых стоматологических обрабатывающих приборов с магнитострикционным и пьезокерамическим приводом являются аппараты: "Turbo 25-30" /Parkell (США)/; "Piezon Master 400" /EMS (Щвейцария)/.
| Рис. 14. "Piezon Master 400" - ультразвуковой стоматологический многофункциональный прибор. "Turbo 25-30" - ультразвуковой скейлер превосходящий по мощности любой аналогичный прибор. | 
|
Дата добавления: 2018-02-15; просмотров: 1034; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!