Ім'я файлу: Методи збудження та прийому акустичних хвиль.doc
Розширення: doc
Розмір: 307кб.
Дата: 15.12.2023
скачати
Розширення: doc
Розмір: 307кб.
Дата: 15.12.2023
скачати
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД
«УЖГОРОДСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ»
ФІЗИЧНИЙ ФАКУЛЬТЕТ
КАФЕДРА ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ
РЕФЕРАТ
на тему: “Методи збудження та прийому акустичних хвиль”
Виконав:
Студент 2 групи
Попович Василь Васильович
Викладач:
доктор фіз.-мат. наук,
профессор;
Молнар Олександр Олександрович
Ужгород – 2021
ЗМІСТ
ЗМІСТ 2
ВСТУП 3
Визначення акустичних хвиль 4
Значення акустики в різних сферах життя 5
Збудження звукових хвиль 7
П'єзоелектричні перетворювачі 9
Динамічні джерела акустичних хвиль 12
Генератори ультразвуку 13
Типи приймачів акустичних хвиль та принципи їх дії 14
Застосування методів збудження та прийому акустичних хвиль у сучасному світі 16
ВИСНОВКИ 18
ВИКОРИСТАНА ЛІТЕРАТУРА 19
ВСТУП
Акустика – це важлива галузь науки, яка вивчає поширення звуку у середовищі. Одним із центральних аспектів цієї науки є методи збудження та прийому акустичних хвиль. Звук, як хвильовий процес, має надзвичайно важливе значення в різних сферах життя, починаючи від медицини та закінчуючи технологіями.
Поняття акустичних хвиль виникає в результаті коливань часток середовища, що поширюються у вигляді механічних хвиль. Ці хвилі переносять енергію та інформацію, що робить їх важливим об'єктом для наукових досліджень та практичного використання.
Методи збудження акустичних хвиль охоплюють різноманітні техніки та пристрої, які створюють звукові коливання у середовищі. Водночас, методи прийому акустичних хвиль спрямовані на реєстрацію, аналіз та інтерпретацію цих хвиль з метою отримання корисної інформації.
Цей реферат присвячений розгляду основних методів створення акустичних хвиль, їх застосуванню в різних сферах життя та впливу на сучасне суспільство. Зазначені методи мають значущий потенціал у багатьох галузях, включаючи медицину, технології звукозапису, сонографію, виробництво тощо.
Дослідження методів збудження та прийому акустичних хвиль допоможе краще розуміти сутність звуку як фізичного явища, а також розкрити потенційні можливості в їх використанні для покращення якості життя та прогресу в науці та технологіях.
Ця робота розгляне різні методи створення та реєстрації акустичних хвиль, від традиційних до новітніх, їх принципи дії, сфери застосування та важливість у сучасному світі.
Визначення акустичних хвиль
Акустичні хвилі є механічними коливаннями, що поширюються у середовищі у вигляді хвиль та викликають виникнення звуку. Вони є результатом руху та взаємодії частинок середовища, таких як повітря, вода чи тверді тіла, і передаються через компресії та редукції часток.
Ці хвилі мають деякі ключові параметри:
Частота: Це кількість коливань, що відбуваються за одиницю часу. Вимірюється в герцах і визначає висоту звуку.
Довжина хвилі: Фізична довжина хвилі, визначена як відстань між двома сусідніми точками у фазі коливань.
Амплітуда: Величина максимального відхилення частинки середовища від її спокійного стану. Відображає гучність або силу звуку.
Акустичні хвилі можуть поширюватися у будь-якому середовищі, що має масу та еластичні властивості. Вони рухаються через взаємодію між молекулами чи частками цього середовища та переносять енергію від джерела звуку до оточуючих областей.
Застосування акустичних хвиль розповсюджені в різних сферах, включаючи медицину (ультразвукова діагностика, терапія), технології (звукозапис, акустичні системи), науку (дослідження властивостей матеріалів). Вивчення акустичних хвиль допомагає краще розуміти природу звуку та використовувати їх у різних аспектах нашого життя.
Значення акустики в різних сферах життя
Акустика відіграє важливу роль у різних сферах життя через свої різноманітні застосування:
1. Медицина:
Ультразвукова діагностика: Використовує акустичні хвилі для отримання зображень внутрішніх органів та структур для діагностики захворювань.
Ультразвукова терапія: Застосовується для лікування захворювань, зокрема розбиття каменів у сечових шляхах.
2. Технології:
Звукозапис та музикальна індустрія: Акустика використовується для створення та запису музики, розробки аудіообладнання.
Акустичні системи та комунікації: Розроблення аудіосистем, телефонія, бездротовий зв'язок тощо.
3. Наука та дослідження:
Матеріалознавство: Дослідження властивостей матеріалів за допомогою акустичних методів.
Геофізика: Вивчення глибини Землі за допомогою сейсмічних хвиль.
4. Споживчі товари та промисловість:
Акустичні матеріали: Розробка матеріалів для зменшення шуму та його ізоляції.
Сонографія в промисловості: Вимірювання товщини матеріалів або контроль їх якості за допомогою акустичних методів.
5. Освіта та дослідження:
Навчання та дослідження: Акустика вивчається як окрема галузь фізики, і вона важлива для розвитку науки та технологій.
Збудження звукових хвиль
Якщо довгу сталеву лінійку затиснути в лещатах або щільно притиснути до краю столу, то, відхиливши кінець лінійки від положення рівноваги, ми порушимо її коливання (рис. 6.14, а). Але ці коливання не будуть сприйматися нашим вухом. Проте, якщо вкоротити виступаючий кінець лінійки (рис. 6.14, б), то ми виявимо, що лінійка почне звучати. Справа тут ось в чому.
Пластина в ході коливань вздовж нормалі до неї стискає прилеглий до однієї з її сторін шар повітря і одночасно створює розрідження з іншого боку. Ці стиснення і розрідження чергуються в часі та поширюються у обидві сторони у вигляді пружних поздовжніх хвиль. Одна з них досягає нашого вуха і викликає поблизу нього періодичні коливання тиску, які впливають на слуховий апарат. Вухо людини сприймає у вигляді звуку коливання, частота яких лежить в межах від 17 до 20 000 Гц. Такі коливання називаються акустичними. Акустика — це вчення про звук. Чим коротше виступаючий кінець лінійки, тим більше частота його коливань. Тому ми й починаємо чути звук, коли виступаючий кінець сталевої лінійки стає досить коротким.
Рис. 1. Звукові хвиль
Будь-яке тіло (тверде, рідке або газоподібне), нестійке зі звуковою частотою, створює в навколишньому середовищі звукову хвилю.
П'єзоелектричні перетворювачі
П'єзоелектричні перетворювачі — перетворювачі, призначені для збудження і прийому ультразвукових хвиль (коливань) частотою від 1 до 5 МГц.
Виходячи з фізичного принципу дії, всі п'єзоелектричні перетворювачі поділяють на три групи:
Перетворювачі, що використовують прямий п'єзоефект
Застосовуються в приладах для вимірювання параметрів механічних процесів, зокрема: сили, акустичного та швидкозмінного тиску, лінійних та кутових прискорень, а також вібрації, ударів.
Перетворювачі, що використовують зворотний п'єзоефект
Застосовуються як випромінювачі ультразвуку в гідроакустиці та дефектоскопії, перетворювачах напруги в переміщення (п'єзодвигуни та п'єзореле) для юстування дзеркал оптичних приладів і виконавчих елементів систем автоматики.
Перетворювачі параметричного типу
Використовують одночасно прямий та зворотний п'єзоефекти. Це п'єзоелектричні резонатори, що найефективніше випромінюють та приймають енергію на фіксованій резонансній частоті. П'єзорезонатори застосовують у смугових фільтрах, лініях затримки, перетворювачах переміщення або приєднаної маси в частоту для датчиків рівня, густини тощо, перетворювачах електричної енергії.
У технічній літературі і нормативно-технічній документації п'єзоелектричні перетворювачі можуть позначатися абревіатурою ПЕП. Нині використовують п'єзоелектричні перетворювачі трьох видів:
Суміщені — складаються з одного п'єзоелемента, який в один момент часу виконує роль джерела, а в наступний момент часу — роль приймача ультразвуку;
Окремо-суміщені — складаються з двох п'єзоелементів (один — джерело, а другий — приймач ультразвуковий), розташованих в одному корпусі і розділених захисним акустичним екраном;
Роздільні — п'єзоелемент в перетворювачі виконує роль тільки джерела або тільки приймача ультразвуку.
Для виготовлення перетворювачів (вставок резонаторів) рейкових дефектоскопів найчастіше використовують п'єзоелементи у вигляді пластини, виготовлені з монокристалів цирконату — титанату свинцю марки ЦТС-19 або ЦТС-22. На плоскі поверхні п'єзоелементів наносять тонкі шари срібла, що служать електродами і проводять електричний струм.
Таким чином, виявляється можливим за допомогою п'єзоелемента перетворити електричні коливання в ультразвукові (зворотний п'єзоефект) і, навпаки, ультразвукові коливання в електричні (прямий п'єзоефект).
Найбільший ефект перетворення досягається тоді, коли власна резонансна частота п'єзоелемента відповідає частоті прикладеної електричної напруги або частоті УЗ коливань.
Для підсилювання сигналів п'єзоелектричних перетворювачів часто використовують підсилювачі заряду. Підсилювачі заряду не в змозі підсилювати постійну складову електричного сигналу з п'єзоелектричного перетворювача.
Загальне маркування п'єзоелектричних перетворювачів зазвичай складається з букви П і наступних трьох цифр, що вказуються без пробілів.
Буква П позначає — перетворювач п'єзоелектричний; Перша цифра після букви П позначає спосіб введення ультразвуку: 1-контактний; 2-іммерсійний; 3-контактно — імерсійний; 4-безконтактний.
Друга цифра вказує розташування п'єзопластини в перетворювачі: 1 — прямий; 2 — похилий; 3 — комбінований.
Третя цифра вказує принцип дії п'єзопластини: 1 — суміщений; 2 — окремо — суміщений; 3 — роздільний.
Приклад маркування: П121 — 2,5 — 50 — контактний похилий суміщений перетворювач з номінальною частотою ультразвуку 2,5 МГц і кутом нахилу п'єзоелемента 50°.
Динамічні джерела акустичних хвиль
Динамічні джерела акустичних хвиль - це системи або пристрої, які створюють акустичні хвилі через рух об'єктів, що здатні до коливань. Ці джерела можуть бути використані для різних цілей, включаючи передачу звуку, дослідження, технічні застосування тощо.
Деякі типи динамічних джерел акустичних хвиль:
1. Гучномовці:
Це електромеханічні пристрої, що перетворюють електричний сигнал у звукові коливання. Гучномовці використовуються у звукових системах, музичних пристроях, аудіотехніці тощо.
2. Ультразвукові трансдьюсери:
Ці пристрої генерують високочастотні звукові хвилі, які застосовуються ультразвуковій діагностиці в медицині, ультразвукових вимірюваннях у промисловості та сонарних системах.
3. Вібратори та резонатори:
Ці пристрої використовуються для створення конкретних частот або моделювання акустичних хвиль у виробництві, наукових дослідженнях або діагностичних системах.
4. Акустичні трансформатори:
Ці пристрої забезпечують передачу звуку через повітря, воду або інші середовища, використовуючи акустичні хвилі для комунікації, сенсорних систем, акустичних передач тощо.
Генератори ультразвуку
Генератор ультразвуку - це пристрій, що створює високочастотні звукові хвилі у частотному діапазоні, який перебуває за межами звукового спектру, зазвичай вище 20 кілогерц (кГц), тобто того, що сприймає людське вухо.
Принцип роботи генератора ультразвуку:
1. П'єзоелектричний ефект: Багато ультразвукових генераторів базуються на п'єзоелектричному ефекті. П'єзокерамічні матеріали, такі як кварц, п'єзокераміка або п'єзополімери, здатні генерувати ультразвукові хвилі через п'єзоелектричний ефект. Коли на п'єзоелектричний матеріал накладається електричне поле, він починає коливати механічно, створюючи звукові хвилі у вигляді ультразвуку.
2. Перетворення електричної енергії: Генератор ультразвуку використовує електричну енергію для створення механічних коливань в п'єзоелектричному матеріалі. При подачі високочастотного електричного струму чи напруги на п'єзоелектричний матеріал, він деформується, а потім повертається до свого початкового стану, що створює механічні коливання з високою частотою. Ці коливання перетворюються на акустичні хвилі, які потім поширюються у середовищі.
Типи приймачів акустичних хвиль та принципи їх дії
Існує кілька типів приймачів акустичних хвиль, які використовуються для реєстрації та перетворення звукових коливань на інші типи сигналів. Ось деякі з них та їх принципи дії:
1. Мікрофони:
Принцип роботи: Мікрофони перетворюють звукові хвилі на електричні сигнали. Вони використовують механічні або електромагнітні ефекти для перетворення звуку на електричний сигнал. Наприклад, конденсаторні мікрофони використовують коливання мембрани, що змінює ємність конденсатора, тоді як динамічні мікрофони використовують електромагнітні індукційні ефекти.
2. Гідрофони:
Принцип роботи: Гідрофони - це приймачі звукових хвиль у воді. Вони використовуються у гідроакустичних дослідженнях, морській навігації, нафтовій промисловості тощо. Гідрофони перетворюють звукові коливання, які поширюються у воді, на електричні сигнали.
3. П'єзоелектричні датчики:
Принцип роботи: Ці датчики використовують п'єзоелектричні ефекти для перетворення механічних коливань у звуковому діапазоні на електричний сигнал. Вони широко використовуються ультразвукових діагностичних системах, в ехолокації у тварин, а також у вимірювальних приладах.
4. Акустичні сенсори:
Принцип роботи: Акустичні сенсори можуть використовуватися для виявлення та аналізу звукових сигналів. Вони можуть бути засновані на різних принципах, включаючи резонанс, п'єзоелектричні ефекти, п'єзорезистивні елементи та інші.
Ці приймачі використовуються в різних галузях, включаючи аудіо техніку, медицину, морську навігацію, нафтову промисловість, наукові дослідження та багато інших сфер, де важливо отримати, обробити або аналізувати звукові дані.
Застосування методів збудження та прийому акустичних хвиль у сучасному світі
Методи збудження та прийому акустичних хвиль мають широке застосування у сучасному світі через їхню універсальність та потужні можливості. Ось деякі сфери, де ці методи грають ключову роль:
1. Медицина:
Ультразвукова діагностика: Використання ультразвуку для вивчення внутрішніх органів, виявлення патологій, контролю за вагітністю та інших медичних процедур.
Ультразвукова терапія: Використання ультразвуку для лікування захворювань, розбиття каменів тощо.
2. Технології:
Комунікаційні системи: Використання акустичних хвиль у бездротовій та провідній комунікації, в телефонії та інших системах зв'язку.
Звукозапис та аудіотехніка: Засновані на методах збудження та прийому акустичних хвиль для створення, запису та відтворення звуку.
3. Промисловість:
Контроль якості: Використання ультразвукових методів для виявлення дефектів, вимірювання товщини матеріалів, інспекційних процедур.
Сонарні системи: Управління суднами, виявлення об'єктів під водою та інші морські застосування.
4. Наука та дослідження:
Експериментальна акустика: Дослідження властивостей матеріалів, характеристик середовища, вивчення звукових хвиль.
Акустична метрологія: Вимірювання, стандартизація та калібрування за допомогою акустичних методів.
Ці методи стають все більш важливими у світі технологій, медицини, науки та промисловості, дозволяючи здійснювати різноманітні завдання від діагностики захворювань до розваг та комунікацій.
ВИСНОВКИ
Методи збудження та прийому акустичних хвиль відіграють важливу роль у багатьох сферах нашого життя, від медицини та технологій до науки та промисловості. Ці методи стали ключовими складовими у багатьох аспектах нашого сучасного світу, оскільки вони дозволяють здійснювати широкий спектр функцій.
Даний реферат вказує на важливість та широкий спектр застосувань методів збудження та прийому акустичних хвиль у сучасному світі. Ці методи не лише сприяють розвитку технологій, а й дозволяють зробити значний внесок у медицину, науку, промисловість та інші галузі, підвищуючи якість життя та стимулюючи науковий прогрес.
ВИКОРИСТАНА ЛІТЕРАТУРА
Богуш М. В. Пьезоэлектрическое приборостроение: сборник в 3 томах. — Ростов-на-Дону : Издательство СКНЦ ВШ, 2006. — Т. 3.Пьезоэлектрические датчики для экстремальных условий эксплуатации. — 346 с.
Малов Б. В. Пьезорезонансные датчики. — М. : Энергоатомиздат, 1989. — 272 с.
Яффе Б., Кук У., Яффе Г. Пьезоэлектрическая керамика. — М. : Мир, 1974. — 289 с.
Левшина К. С., Новицкий И. В. Электрические измерения физических величин. — М. : Энергоатомиздат, 1973. — С. 107—130.
Най Дж. Физические свойства кристаллов. — М. : Иностранная литература, 1967. — 386 с.