Измерительные преобразования в акустических полях

Эти измерительные преобразования основаны на зависимости параметров распространяющихся в упругом теле механических возмущений (деформаций) — упругих волн — от параметров тела.

Упругие колебания и волны

Упругость — свойство твердых тел восстанавливать свои форму и объем, а жидкостей и газов — объем, после прекращения действия внешних сил. Среду, обладающую упругостью, называют упругом средой.

Упругие колебания — это колебания механических систем, упругой среды или ее части, возникающие под действием механического возмущения. Упругие, или акустические, волны — механические возмущения, распространяющиеся в упругой среде. Частный случай акустических волн — слышимый человеком звук. Отсюда происходит термин акустика (от греческого akustikos — слуховой) — область физики, исследующая упругие колебания и волны от самых низких до самых высоких частот, и в том числе слышимых человеком.

В зависимости от частоты акустические волны подразделяются на инфразвуковые, звуковые, ультразвуковые и гиперзвуковые (табл. 7.1). Границы между первыми тремя диапазонами определяются свойствами человеческого слуха. Граница четвертого диапазона определяется предельной частотой акустических волн, распространяющихся в воздухе.

Таблица 7.1.

Диапазоны частот акустических волн

Для решения задач измерительных преобразований наибольшее применение нашли звуковой и ультразвуковой диапазоны.

При распространении акустических волн в среде частицы среды не переносятся, а лишь совершают колебания относительно точек равновесия. Распространение волн происходит от частицы к частице. Расстояние между частицами, колеблющимися в одинаковой фазе, называется длиной волны X. Длина волны X, скорость распространения v и частота колебаний/связаны соотношением:

В зависимости от направления колебаний частиц по отношению к направлению распространения акустические волны различаются на продольные, поперечные (сдвиговые), поверхностные (Рэлея), нормальные (Лэмба).

В продольной волне направление колебаний частиц совпадает с направлением распространения волны (рис. 7.1, а). Такая волна может быть возбуждена в твердой, жидкой и газообразной среде. В поперечной волне направление колебаний частиц перпендикулярно направлению распространения (рис. 7.1, б). Такая волна может быть возбуждена только в твердом теле, которое способно упруго сопротивляться деформации сдвига.

Рис. 7.1. Виды акустических волн: продольные (а), поперечные (б), поверхностные (в), нормальные (г)

На свободной поверхности твердого тела можно возбудить поверхностные волны, частицы в которых движутся по эллипсам (рис. 7.1, в). Такая волна локализована в тонком поверхностном слое.

В плоских телах и телах постоянной толщины (листах, тонких пластинах, проволоке) можно возбудить нормальные волны (рис. 7.1, г). Нормальные волны связаны с волноводным механизмом распространения упругих колебаний в таких телах.