Zvukové vlny sú formou šírenia mechanického vibračného stavu alebo energie objektu. Ultrazvuk sa vzťahuje na vibračnú frekvenciu vyššiu ako 20 000 Hz alebo viac, pričom jeho vibračná frekvencia za sekundu je veľmi vysoká, čo presahuje všeobecnú hornú hranicu ľudského sluchu (20 000 Hz). Ľudia nazývajú túto nepočuteľnú zvukovú vlnu ultrazvukovou.
Ultrazvuk a počuteľný zvuk sú v podstate rovnaké. To, čo majú spoločné, je mechanický vibračný režim, ktorý sa zvyčajne šíri v elastickom médiu vo forme pozdĺžnych vĺn. Je to forma prenosu energie. Rozdiel je v tom, že ultrazvuková frekvencia je vysoká, vlnová dĺžka je krátka a má dobré žiarenie lúča a smernosť v určitej vzdialenosti pozdĺž priamky. 1 MHz = 10^6 Hz, to znamená 1 milión vibrácií za sekundu, a frekvencia počuteľného zvuku je medzi 20 a 20 000 Hz.
Zákony šírenia ultrazvukových vĺn v médiu, ako je odraz, refrakcia, difrakcia a rozptyl, sa zásadne nelíšia od zákonov zvukových vĺn. Ale vlnová dĺžka ultrazvuku je veľmi krátka, len niekoľko centimetrov, alebo dokonca niekoľko tisícin milimetra. V porovnaní s počuteľnými zvukovými vlnami majú ultrazvukové vlny mnoho zvláštnych charakteristík.
Charakteristiky ultrazvukových vĺn
Charakteristiky šírenia
Vlnová dĺžka ultrazvukových vĺn je veľmi krátka a veľkosť bežných prekážok je mnohonásobne väčšia ako vlnová dĺžka ultrazvukových vĺn, takže difrakčná schopnosť ultrazvukových vĺn je veľmi zlá. V homogénnom médiu sa môže šíriť v smere priamky. Čím kratšia je vlnová dĺžka ultrazvukovej vlny, tým pozoruhodnejšia je táto vlastnosť. Vlnová dĺžka ultrazvuku zvyčajne používaná na lekársku diagnostiku je 10 μm ~ 350 μm. Ultrazvukové vlny vo vzduchu označujú mechanické vlny s vlnovou dĺžkou menšou ako 2 cm. V praktických aplikáciách sa ultrazvukové vlny často zhodujú s rozsahom krátkovlnných počuteľných zvukových vĺn a mechanické vlny s vlnovou dĺžkou kratšou ako 3,4 cm (10 000 Hz) možno považovať za ultrazvukový výskum. Jeho vlnová dĺžka je oveľa kratšia ako bežné zvukové vlny, takže sa dá použiť na rezanie, zváranie, vŕtanie atď. Pre svoju krátku vlnovú dĺžku má mnoho charakteristík: po prvé, anizotropia šírenia spôsobená krátkou vlnovou dĺžkou a tiež kvôli jeho krátka vlnová dĺžka a slabá difrakčná schopnosť. Má síce dobrú anizotropiu, ale má veľké straty vo vzduchu a nedá sa preniesť. Ďaleko, slabá penetrácia, ľahko sa rozptýli.
Výkonové charakteristiky
Keď sa zvuk šíri vo vzduchu, tlačí častice vo vzduchu, aby vibrovali tam a späť, aby pracovali na časticiach. Výkon zvukových vĺn je fyzická kvantita, ktorá vyjadruje rýchlosť práce so zvukovými vlnami. Pri rovnakej intenzite, čím vyššia je frekvencia zvukovej vlny, tým viac energie má. Vzhľadom na vysokú frekvenciu ultrazvukových vĺn je výkon ultrazvukových vĺn veľmi veľký v porovnaní so všeobecnými zvukovými vlnami. Ultrazvukové vlny prenášajú oveľa viac energie ako počuteľné zvuky. Pretože ak zvukové vlny dosiahnu určitý materiál, v dôsledku vplyvu zvukovej vlny sú molekuly v materiáli tiež sledované vibráciami, frekvencia vibrácií a akustická frekvencia sú rovnaké, takže frekvencia molekulárnych vibrácií na určenie rýchlosti molekulárnych vibrácií , čím vyššia je frekvencia, tým väčšia je rýchlosť. Molekuly molekúl látok vibráciou a energiou, energia okrem toho súvisí s hmotnosťou molekúl a molekuly sú úmerné štvorcu rýchlosti vibrácií a rýchlosť vibrácií súvisí s molekulovou vibračnou frekvenciou, čím vyššia je frekvencia zvukové vlny, konkrétne materiál, získavajú vyššiu energiu molekúl. Ultrazvukové vlny sú oveľa častejšie ako zvukové vlny, takže poskytujú materiálovým molekulám viac energie. To ukazuje, že samotný ultrazvuk môže byť dodávať hmotu dostatok energie. Normálne ľudské ucho môže počuť zvukové vlny s nízkou frekvenciou a nízkou energiou. Napríklad, hlas je približne 50uW / cm2. Ultrazvukové vlny však majú oveľa viac energie než zvukové vlny. Frekvencia je napríklad Ultrazvukové vibrácie Hz majú rovnakú energiu ako amplitúda a frekvencia Hz vlny vibrujú miliónkrát viac energie, pretože energia zvukových vĺn je úmerná štvorcu frekvencie. Možno vidieť, že je to predovšetkým obrovská mechanická energia ultrazvukových vĺn Hmotný bod hmoty vytvára veľké zrýchlenie.
Absorpčné charakteristiky
Keď sa ultrazvukové vlny pohybujú v rôznych médiách, s nárastom rozširujúcej sa vzdialenosti sa intenzita ultrazvuku postupne oslabuje a energia sa postupne spotrebúva. Tento druh energie absorbuje médium, ktoré sa nazýva zvuková absorpcia. Zistilo sa, že ak zvukové vlny kvapalinou v dôsledku relatívneho pohybu kvapalných častíc a vnútorného trenia (to znamená viskózna efekt) vedú k absorpcii zvuku, čo je odvodené z dôvodu vnútorného trenia média alebo viskóznej kvapaliny v absorpcii zvuku vzorec. Aj keď zvukové vlny prechádzajú kvapalnými médiami, teplota kompresnej zóny bude vyššia ako priemerná teplota. Naopak, teplota je nižšia ako priemerná teplota riedkeho priestoru, a preto kvôli prenosu tepla medzi kompresiou a riedkou časťou zvukových vĺn na výmenu tepla, teda zníženie akustickej energie. Je zrejmé, že absorpčný koeficient a je úmerný štvorcu frekvencie zvukovej vlny a keď sa frekvencia zvýši o 10-násobok, koeficient absorpcie sa zvýši o 100-krát. To znamená, že čím je frekvencia vyššia, tým väčšia je absorpcia, takže vzdialenosť šírenia zvukových vĺn je menšia. V plyne navrhol Einstein v roku 1920 akustická frekvenčná disperzia na určenie rýchlosti reakcie súvisiaceho plynu, a tým podporil vychytávanie mechanizmu molekulárnej tepelnej relaxácie plynu, ktorý sa rozšíril na kvapalinu, pretože molekuly v médiu sa získavajú kolíziami medzi molekulami absorbujú tepelné relaxácie. Tak nízke frekvencie zvukových vĺn môžu cestovať vo veľkej vzdialenosti vo vzduchu a vysokofrekvenčné zvukové vlny sa rýchlo rozpadajú vo vzduchu. Pri tuhých látkach závisí zvuková absorpcia vo veľkej miere od skutočnej štruktúry tuhých látok. Z vyššie uvedených dôvodov vyplývajú niektoré príčiny rôznych médií na absorpciu zvuku, ale hlavným dôvodom je, že stredná viskozita, vedenie tepla, skutočná štruktúra média a médium mikroskopickej dynamiky spôsobené relaxačným efektom atď. ., v procese zvukovej absorpcie média sa mení s frekvenciou zvuku. Ultrazvuková vlna je vysokofrekvenčná zvuková vlna, keď sa šíri v rovnakom médiu ako frekvencia zvyšuje, energia absorbovaná médiom sa zvyšuje. Rovnaká frekvencia prenosu ultrazvukom vďaka rôznym médiám. Napríklad pri rozmnožovaní v plyne, kvapaline a pevnom stave je jeho absorpcia najsilnejšia, slabšia a najmenšia. Takže ultrazvukové vlny cestujú najkratšou vzdialenosťou vo vzduchu. Keď sa ultrazvukové vlny šíria v rovnomernom prostredí, akustická intenzita oslabuje s nárastom vzdialenosti vďaka absorpcii média, čo je útlm zvukových vĺn. Keď je počiatočná intenzita ultrazvukovej vlny J0, po vzdialenosti x metrov jej intenzita je Jx Joe - 2 ax = "" Ak a je koeficient absorpcie (koeficient útlmu). Koeficient absorpcie zvukových vĺn v rôznych médiách je možné získať zhora. Z toho možno vidieť, že ultrazvuková pevnosť sa znižuje exponenciálne. Napríklad intenzita ultrazvukovej vlny s frekvenciou 106 Hz sa zníži o polovicu po opustení zdroja zvuku a prejde 0,5 m do vzduchu. Je to cestovanie vo vode, bude to 500 miliónov kilometrov pred tým, ako bude polovica tak silná. Je zrejmé, že vzdialenosť prejdená vo vode je 1000 násobok vzdialenosti prejdenej vo vzduchu. Čím je frekvencia vyššia, tým rýchlejšie klesá. Ak je ultrazvuk s frekvenciou 1011 Hz prenášaný vzduchom, zmizne bez stopy v okamihu, keď opustí zdroj zvuku. Vo viskóznych kvapalinách sa ultrazvuk absorbuje rýchlejšie. Napríklad pri 200 ° C sa intenzita ultrazvukovej frekvencie 300 kHz zníži na polovicu. Iba 0,4 m hrubý vzduch stačí Vo vode prechádza cez 440 metrov. V transformátorovom oleji sa rozšíri približne o 100 metrov. V parafínovom vosku sa rozšíri asi 3m. Preto sú materiály s veľkou veľkosťou (guma, bakelit, asfalt) dobré izolátory pre ultrazvukový zvuk.
Kavitácia
Keď sa ultrazvuková vlna šíri v médiu, dochádza k striedaniu kladnej a zápornej periódy. V pozitívnej fáze ultrazvuková vlna stláča molekuly média, aby zmenila pôvodnú hustotu média a zvýšila ju; vo fáze podtlaku Keď sú molekuly média riedke a ďalej rozptýlené, hustota média sa znižuje. Keď sa na kvapalné médium aplikuje dostatočne silná ultrazvuková vlna, priemerná vzdialenosť medzi molekulami média prekročí kritickú molekulárnu vzdialenosť, ktorá udržuje kvapalné médium konštantné. Vznikne zlomenina a tvoria sa mikrobubliny. Tieto malé dutiny sa rýchlo rozširujú a uzatvárajú, čo spôsobuje prudké kolízie medzi časticami kvapaliny, čo má za následok tlak tisícok až desaťtisíc atmosfér. Táto prudká interakcia medzi časticami má dobrý miešací účinok, takže dve nemiešateľné kvapaliny (ako je voda a olej) emulgujú a urýchľujú rozpúšťanie rozpustenej látky. Kavitácia je bežný fyzikálny jav v kvapalinách. V kvapaline spôsobené fyzikálnym účinkom, ako napríklad vírivý prúd a ultrazvukom pre niektoré časti kvapalnej formy miestnej zóny s negatívnym tlakom, spôsobujú zlomeninu kvapaliny alebo pevného rozhrania, vytvárajú drobnú dutinu alebo vzduchové bubliny. Kavitácia alebo bubliny v kvapaline v nestabilnom stave, sa rodí, proces vývoja, potom sa rýchlo uzavrie, keď rýchlo uzavrel prasknutie, vytvára šokovú vlnu, aby miestnej oblasti má veľký tlak.
Charakteristiky lúča
Zvukové vlny zo zdroja zvuku sa pohybujú v smere (slabý v iných smeroch) nazývaný lúč. Vďaka svojej krátkej vlnovej dĺžke vykazujú ultrazvukové vlny koncentrovaný lúč žiarenia, ktorý sa pohybuje v určitom smere, keď prechádzajú cez otvor, ktorý je väčší ako dĺžka vlny. Kvôli silnému smeru ultrazvuku je možné zbierať informácie. Keď je priemer prekážky väčší ako vlnová dĺžka v smere šírenia ultrazvukom, vznikne za prekážkou "zvukový tieň". Sú to ako svetlo prechádzajúce cez otvory a prekážky, takže ultrazvukové vlny majú charakteristiky lúčov podobné svetelným vlnám. Kvalita zväzku ultrazvukovej vlny sa zvyčajne meria veľkosťou uhla divergencie (zvyčajne) Toto je zobrazené ako semi-vysielajúci acetabul. Zoberieme napríklad rovinný piestový typ zvuku, jeho veľkosť určuje základné princípy ultrazvuku. Vhodný priemer (D) zdroja zvuku a vlnová dĺžka zvukovej vlny sú uvedené nižšie. Tak, aby zvuk telo vyžaruje smerový dobrý ultrazvuk, musí urobiť theta Uhol je malý, pokiaľ je to možné priamy kŕč, D žiarič (zdroj) musí byť veľký alebo frekvencia f musí byť tiež vysoká na to, aby sa vystrelil, inak bude mať zápal. Ako vlnová dĺžka ultrazvuku, kratšia ako vlnová dĺžka počuteľného zvuku, takže má lepšie vlastnosti ako zvukové vlnové vlny, čím vyššia je frekvencia ultrazvuku, tým je kratšia vlnová dĺžka charakteristiky šírenia signálu významné v určitom smere.
Aplikácie ultrazvuku
Vďaka svojej vysokej frekvencii má mnoho charakteristík: po prvé, energia je koncentrovaná a jej vlnová dĺžka je oveľa kratšia ako pri bežných zvukových vlnách, takže môže byť použitá na rezanie, zváranie, vŕtanie atď. Okrem toho, kvôli svojej vysokej frekvencii, krátkej vlnovej dĺžke, žiadnej vážnej difrakcii a dobrej smeralite, ultrazvuková detekcia sa bežne používa v priemysle a medicíne.
Ultrazvuk je súčasťou zvukových vĺn, nie je ľudské ucho počuť zvukové vlny, frekvencia je vyššia ako 20 KHZ. Majú spoločné vlastnosti, ktoré sú produkované materiálom a vibráciami a prenášajú sa iba v médiu. Súčasne v prírode existuje široká škála zvierat, ktoré dokážu prenášať a prijímať ultrazvukové zariadenia, z ktorých väčšina netopierov je výnimočná, využíva ultrazvukové ozveny slabého letu a zachytáva potraviny v tme. Ale ultrazvuk má aj špeciálne vlastnosti, ako sú vyššie frekvencie a kratšie vlnové dĺžky, takže je podobný svetelným vlnám s kratšími vlnovými dĺžkami.
Ultrazvuková vlna je elastická mechanická vibračná vlna, ktorá má určité vlastnosti v porovnaní so zvukovým zvukom. Zrýchlenie vibrácií v hmotnostnom bode prenosového média je veľmi veľké. Kavitácia sa vyskytuje v kvapalnom médiu, keď intenzita ultrazvuku dosiahne určitú hodnotu.
Zákony šírenia odrazu, lomu, difrakcie a rozptylu ultrazvukových vĺn v médiu sa v podstate nelíšia od zákonov infrazvuku a počuteľných zvukových vĺn. Ale vlnová dĺžka ultrazvuku je veľmi krátka, len niekoľko centimetrov, dokonca niekoľko tisícin milimetra. V porovnaní s inými vlnami majú ultrazvukové vlny mnoho charakteristík: charakteristiky šírenia - vlnová dĺžka ultrazvukových vĺn je veľmi krátka a veľkosť bežných prekážok je mnohonásobne väčšia ako vlnová dĺžka ultrazvukových vĺn. Preto majú ultrazvukové vlny zlú penetráciu, slabé difrakčné schopnosti a ľahký rozptyl. . Môže sa šíriť v priamom smere v homogénnom médiu, ale je ťažké ho difraktovať. Čím kratšia je vlnová dĺžka ultrazvukovej vlny, tým je charakteristika zreteľnejšia. Navyše podľa Rayleighovho zákona rozptylu je intenzita rozptýlenej vlny nepriamo úmerná štvrtej mocnine vlnovej dĺžky a vlnová dĺžka ultrazvukovej vlny je extrémne krátka. , Takže rozptyl je veľmi vážny a prenikavá sila nie je dobrá.
Ultrazvuk je druh mechanického vlnenia. Musí sa spoliehať na médium, aby sa šíril a nemôže existovať vo vákuu (ako je vesmír). Preto nemôžeme používať ultrazvuk vo vákuu, ale stále môžeme používať zariadenia súvisiace s elektromagnetickými vlnami (vrátane rádiových vĺn, mikrovĺn a infračervených lúčov). , Viditeľné svetlo, ultrafialové lúče, röntgenové lúče, gama lúče atď.), využívajúce technológiu elektromagnetických vĺn.
V praktických aplikáciách sa ultrazvukové vlny často zhodujú s rozsahom krátkovlnných počuteľných zvukových vĺn a mechanické vlny s vlnovou dĺžkou kratšou ako 3,4 cm (10 000 Hz) možno považovať za ultrazvukový výskum. Je to cestovanie vo vode, bude to 500 miliónov kilometrov pred tým, ako bude polovica tak silná. Je zrejmé, že vzdialenosť prejdená vo vode je 1000 násobok vzdialenosti prejdenej vo vzduchu. Čím je frekvencia vyššia, tým rýchlejšie klesá.
Vzhľadom na vysokú frekvenciu ultrazvukových vĺn je výkon ultrazvukových vĺn veľmi veľký v porovnaní so všeobecnými zvukovými vlnami. Vďaka svojej vysokej frekvencii má mnoho charakteristík: po prvé, energia je koncentrovaná a jej vlnová dĺžka je oveľa kratšia ako pri bežných zvukových vlnách, takže môže byť použitá na rezanie, zváranie, vŕtanie atď. Okrem toho, kvôli svojej vysokej frekvencii, krátkej vlnovej dĺžke, žiadnej vážnej difrakcii a dobrej smeralite, ultrazvuková detekcia sa bežne používa v priemysle a medicíne.
Ultrazvuk sa bežne používa v priemysle a medicíne na ultrazvukovú detekciu. Ultrazvuk, infrazvuk a počuteľný zvuk sú v podstate rovnaké. Spoločné majú mechanické vlnenie, ktoré sa zvyčajne šíri v elastických médiách vo forme pozdĺžnych vĺn. Je to forma šírenia energie. Rozdiel je v ultrazvukových vlnách. Dlhá a krátka, môže sa pohybovať po priamke v určitej vzdialenosti s malou difrakciou a má dobrú anizotropiu. V porovnaní s počuteľným zvukom a infrazvukom má však slabú prenikavosť a ľahko sa rozptýli.
tags: #ultrazvuk #rovne #dlzky