WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 |   ...   | 9 | 10 || 12 | 13 |   ...   | 29 |

х = =, где K- адиабатический модуль объемного сжатие - адиабатическая сжимаемость Обычно в жидкостях скорость звука уменьшается при повышении температуры. Увеличение температуры жидкости на 1оС приводит к уменьшению скорости звука на несколько м/с. Исключением из этого правила является вода. В воде скорость звука увеличивается с ростом температуры. При 74оС скорость звука достигает своего наибольшего значения. Последующее увеличение её температуры приводит к снижению скорости звука. Увеличение давления воды на 1 атм. приводит к увеличению скорости распространения звуковой волны примерно на 0,01%.

Скорость звука в некоторых жидкостях при 20оС : вода - 1490 м/с, этиловый спирт - 1180 м/с, глицерин - 1923 м/с.

В газах скорость продольной волны определяется по зависимости, = C - отношение теплоемкостей при =const и V=const.

p = Cv P - среднее давление в среде.

Известно, что µ, = R T где µ - молярная масса;

R - газовая постоянная;

T - температура газа.

Тогда, заменив его выражением через, µ, R, T, получим :

R T =, µ Таким образом, для данного газа скорость распространения звуковых волн прямо пропорциональна корню квадратному из абсолютной температуры Т и не зависит от давления газа P.

Иначе, скорость звука в газах равна средней скорости движения молекул в газе. Для разных газов, взятых при одинаковых условиях, скорости звука обратно пропорциональны квадратному корню из их молекулярных весов.

Значения скорости звука в некоторых газах при температуре 0оС следующие: воздух- 331 м/с, кислород- 315 м/с, углекислота- 258 м/с, водород- 1263 м/с.

Большое значение скорости звука в водороде объясняют его малым молекулярным весом.

Дальность распространения звука зависит также от рефракции- искривления звуковых лучей. Чем разнороднее среда, тем больше искривляется звуковой луч и соответственно тем меньше дальность распространения звука.

Так при распространении звуковых волн в атмосфере большую роль играют ее неоднородности. Скорость звука зависит от температуры воздуха и степени его влажности.

Причины явления загибания звуковых лучей являются наличие градиентов скорости ветра и температуры воздуха. Так, например, (Рисунок 3.3) в приземном слое атмосферы скорость ветра увеличивается с высотой. Это обстоятельство приводит к тому, что при распространении звука против ветра он изгибается вверх, а при распространении по ветру звуковые волны изгибаются вниз. Этим и объясняется лучшая слышимость с подветренной стороны. Неоднородностью атмосферы объясняется и образование, так называемых, зон молчания которые могут появиться при распространении на большие расстояния сильных звуков (например, взрывов): взрыв слышен на сравнительно близких и достаточно далеких (сотни километров) расстояниях, а посредине лежит зона, где звука не слышно.

Рис 3.3 - Распространение звука в приземном слое атмосферы при возрастании ветра с высотой Из изложенного видно, что скорость распространения звука зависит от характеристик среды. Установлено, что чем выше ее упругость, тем с большей скоростью в ней распространяется звук.

Так в каучуке звук распространяется со скоростью около 50 м/с, в воздухе -331 м/с, в воде - 1490 м/с и в стали - 5000 м/с.

3.2.2 Звуковое давление Понятия давление звука и звуковое давление необходимо отличать друг от друга.

Так, давление звука - это постоянное давление, испытываемое телом, находящемся в стационарном звуковом поле, а звуковое давление - это переменная часть давления, возникающая при прохождении звуковой волны в среде.

Мы знаем, что в каждой данной точке среды, в которой распространяется продольная звуковая волна, сжатия и растяжения сменяют друг друга.

При прохождении звуковой волны в жидких и газообразных средах, образуются периодические сгущения и разряжения, которые создают добавочные изменения давления по отношению к среднему значению давления в среде.

Этот избыток или недостаток давления называют звуковым. Ввиду того, что это добавочное давление в волне все время колеблется, то его среднее значение, кроме очень сильных волн - нелинейные колебания, равно нулю.

Таким образом звуковое давление - давление, которое дополнительно возникает при прохождении звуковой волны в среде и изменяется с частотой, равной частоте звуковой волны.

Звуковое давление является основной количественной характеристикой Н звука. Единица его измерения (Па).

м3.2.3 Энергия звука и перенос ее звуковыми волнами Для возбуждения звуковых колебаний необходимо произвести в среде некоторые возмущения ее частиц. Возмущение среды производится за счет какого-либо внешнего источника энергии например генератора колебаний, раскачивающего частицы, непосредственно прилегающего к нему слоя среды.

Затем этот слой среды передает колебания следующему слою и т.д.

Работа, совершаемая этим источником в основном превращается в энергию излучаемых волн. Как вам известно, энергия участка волны прямо пропорциональна плотности среды, квадрату амплитуды колебания и квадрату частоты.

Распространяющаяся в среде звуковая волна, представляющая собой последовательную передачу движения от одного участка среды к другому, передает и энергию - общую количественную меру движения -, полученную от источника.

Таким образом, распространение звуковой волны создает в среде поток энергии, переносимый волнами, расходящихся от источника.

Под потоком звуковой энергии понимают то количество энергии, которая проходит за единицу времени через единицу площади, расположенную перпендикулярно к линии распространению звука.

Кроме того, энергия звуковой волны характеризуется: плотностью, интенсивностью (силой) звука, уровнем интенсивности.

Вспомним определения этих понятий.

Плотность энергии - это количество энергии, приходящееся на единицу объема среды [Дж/м3].

Интенсивностью (силой звука) называют отношение падающей на поверхность звуковой мощности к площади этой поверхности I [Вт/м2].

Интенсивность звука валяется энергетической характеристикой звуковой волны.

Для сравнения интенсивности звука используют понятие уровень интенсивности.

Под уровнем интенсивности понимают десятичный логарифм отношения двух интенсивностей звука умноженный на I = 10lg, [дБ] II0 – уровень интенсивности звука на пороке слышимости 3.2.4 Отражение и преломление звуковых волн Отражение и преломление звуковых волн происходит в основном по тем же законам, что и в геометрической оптике. Свои знания по этому вопросу мы освежили, в некоторой мере, на лекции "световоды".

3.2.5 Затухание звука с расстоянием Затухание звука связано с тем, что звуковая волна по ходу своего движения ослабляется, уменьшая интенсивность, следовательно, и амплитуду.

Оно происходит по нескольким причинам.

Одной из них является так называемое расхождение волны, которое связано с тем, что поток звуковой энергии по мере удаления от источника распространяется на все увеличивающуюся волновую поверхность, что приводит к соответственному уменьшению интенсивности звука.

Так, например, в воздухе звуковая волна от источника распространяется во все стороны, равномерно распределяясь по всей поверхности волновой сферы, которая будет постепенно расширяться, увеличивая свою площадь. Чем больше расстояние от источника звука, тем больше поверхность сферы, площадь которой растет пропорционально квадрату радиуса.

Площади последовательно расположенных сфер с радиусами R1 и R(R1

При условии, что энергия (мощность) звука не теряется по пути от первой сферы ко второй, то I1•4R12=I2•4RИначе говоря, интенсивности I1 и I2 на расстояниях R1 и R2 от источника звука относятся друг к другу обратно пропорционально квадратам расстояний.

Т.к. интенсивность звука пропорциональна плотности энергии, то интенсивность, как и плотность энергии, пропорциональна квадрату амплитуды А.

I=K•A2, где K - коэффициент пропорциональности, зависящий от природы волны и свойств среды, в которой волна распространяется.

Тогда:

А1 R=, А2 R Следовательно, амплитуда звуковой волны уменьшается обратно пропорционально расстоянию в первой степени от источника.

В действительности звук затухает несколько быстрее из-за рассеяния и поглощения звука.

Рассеяние звука происходит на препятствиях и неоднородностях, размеры которых малы или сравнимы с длиной волны, распространяющейся в данной среде. В газах таковыми могут быть жидкие капли, в водной среде - пузырьки воздуха, а в твердых телах - различные инородные включения. Рассеяние звука так же происходит на неровных и неоднородных границах среды.

Поглощение звука связано с тем, что звуковая волна постепенно теряет некоторую часть своей энергии, затрачивая ее, например, на преодоление вязкого трения в среде, в которой она распространяется. Среда поглощает часть энергии. При этом происходит необратимый переход энергии волны в другие виды энергии, в основном в тепловую.

Ослабление звука происходит вследствие того, что звуковая волна постепенно теряет свою энергию из-за поглощения ее средой, по которой она распространяется. Степень поглощения определяется свойствами среды. Так в вязкой среде (вата, каучук и т.п.) поглощение наибольшее. Поглощение звука определяется и частотой звука: с увеличением частоты поглощение усиливается. Так, например, поглощение звука с частотой 10000 Гц около 100 раз выше чем с частотой 1000 Гц.

Для увеличения дальности передачи звука его необходимо концентрировать в заданном направлении.

3.2.6 Передача звуковых волн по акустическим волноводам При передачи звука по акустическим волноводам степень затухания волн уменьшается, сохраняя значительную интенсивность на более длинном пути из-за уменьшения потока во внешнюю среду.

Акустический волновод – канал (сравните со световодами), по которому распространяется звуковая энергия. Эти каналы имеют стенки, свойства которых резко отличаются от свойств внутренней и наружной сред.

Стенки служат резкими границами между внутренними и наружными средами. Такими каналами могут быть, например, трубы с совершенно жесткими стенками, через которые звуковая энергия не проходит.

Звуковые каналы могут возникать также в сплошных неоднородных средах. В этом случае резких границ нет, а происходит плавный переход между свойствами среды внутри и вне канала. Такие каналы могут наблюдаться в атмосфере и океане в виде слоев, отличающихся внутри и снаружи по температуре.

Мы знаем, что для лучшей слышимости на расстоянии необходимо пользоваться рупором. Однако, вне рупора расхождение волны в стороны не ограничено. Причиной же усиления в этом случае звука является концентрация энергии звуковой волны в определенном телесном угле. Иначе говоря, рупор создает направленное излучение. Но внутри телесного угла интенсивность звука также снижается обратно пропорционально квадрату расстояния.

При распространении в цилиндрической трубе, звуковая волна не расходится в стороны и поэтому сохраняет значительную интенсивность на достаточно длинном пути. В этом случае энергия звука переносится через равные по величине площадки.

Поэтому интенсивность звуковой волны не должна была бы ослабевать с расстоянием. В действительности же происходит ее ослабление. Причиной служит поглощение энергии той средой, в которой звуковая волна распространяется: в каждой точке на пути волны какая-то доля переносимой ею энергии тратится на работу против вязкого трения в среде и переходит в основном, в тепло. Кроме того, в рассматриваемом случае потеря энергии распространяющейся звуковой волны происходит и из-за поглощения ее стенками самой трубы.

В качестве примера звукового канала, возникающего в сплошных неоднородных средах, рассмотрим следующие явления.

В морской воде дальность передачи звука зависит от ее температуры, солености и глубины(гидростатического давления). С этими параметрами морской воды связан ход звуковых лучей в ней и, в частности, существование подводного звукового канала.

Подводный звуковой канал, возникающий чаще всего в океанах, позволяет транспортировать звуковые волны на сверхдальние расстояния. Если дальность распространения звука в морской воде определяется десятками или сотнями км(зависит от мощности излучателя), то по подводному звуковому каналу он может пройти расстояние до нескольких тысяч км.

Сущность этого явления объясняется следующим образом.

В морской воде с увеличением ее глубины, скорость звука уменьшается. Но это снижение скорости звука происходит до тех пор, пока понижается температура. Дальнейшее повышение глубины естественно увеличивает и гидростатическое давление. При определенном уровне давления скорость звука начинает возрастать.

Оказалось, что верхняя и нижняя границы звукового канала имеют глубину с равными скоростями звука, а на глубине залегания оси этого канала скорость распространение звука наименьшая. Этот канал образно можно представить как звуковой естественный волновод, в котором происходит почти полное отражение звуковых лучей от границ канала с последующей концентрацией и распространением их вдоль его оси. Естественный акустический волновод может образоваться и в атмосфере из-за изменения ее температуры и плотности с высотой.

3.2.7 Акустический концентратор Акустический концентратор- устройство для увеличения интенсивности звука. Их разделяют на фокусирующие и волноводные.

Первые представляют собой зеркальные системы или ультразвуковые фокусирующие излучатели сферической либо цилиндрической формы и являются высокочастотными концентраторами. Они, например, применяются в промышленных технологических установках для ультразвукового контроля и ультразвуковой очистки, получения аэрозолей, а в биологии- для уничтожении микроорганизмов, в экспериментальной медицине в основном в нейрохирургии, приборах медицинской диагностики и т.п.

В фокусирующих акустических концентраторах в фокальном пятне собирается до 90 % излучаемой звуковой энергии. Для доброкачественного фокусирования необходимо, чтобы размеры концентратора значительно превышали длину собираемой волны. Такие акустические концентраторы в основном применяется в области частот 100000 Гц и выше, т.е. в области высоких ультразвуковых частот. При их помощи можно получить интенсивности звука равными от 1000 до 10000 Вт/см2.

Вторые (волноводные) (рисунок 3.4) Рис 3.4 - Волновые резонансные акустические концентраторы a - конические;

б - экспоненциальные;

в - ступенчатые;

Pages:     | 1 |   ...   | 9 | 10 || 12 | 13 |   ...   | 29 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.