Главная → Применение ультразвука в промышленности → Ультразвуковые колебания → Природа и свойства ультразвуковых колебаний

Природа и свойства ультразвуковых колебаний

Если в сплошной среде – газах, жидкостях или твердых телах частицы среды окажутся выведенными из положения равновесия, то упругие силы, действующие на них со стороны других частиц, будут возвращать их в положение равновесия. При этом частицы будет совершать колебательное движение. Распространение упругих колебаний в сплошной среде представляет собой волнообразный процесс.
Колебания с частотой от единиц Герц (Гц) до 20 Герц называются инфразвуковыми, при частоте от 20 Гц до 16…20 кГц колебания создают слышимые звуки. Ультразвуковые колебания соответствуют частотам от 16…20 кГц до 10⁸ Гц, а колебания с частотой более 10⁸ Гц получили название гиперзвуков [1]. На рисунке 1.1 показана логарифмическая шкала частот, выполненная на основе выражения lg₂f = 1, 2, 3 …, n, где 1, 2, 3 …, n – номера октав.

Рисунок 1.1 - Диапазоны упругих колебаний в материальных средах

Физическая природа упругих колебаний одинакова во всем диапазоне частот. Для понимания природы упругих колебаний рассмотрим их свойства.
Форма волны - это форма волнового фронта, т.е. совокупности точек, обладающих одинаковой фазой. Колебания плоскости создают плоскую звуковую волну, если излучателем служит цилиндр, периодически сжимающийся и расширяющийся по направлению своего радиуса, то возникает цилиндрическая волна. Точечный излучатель, или пульсирующий шарик, размеры которого малы по сравнению с длиной излучаемой волны, воздает сферическую волну.
Звуковые волны подразделяются по типу волн: они могут быть продольными, поперечными, изгибными, крутильными – в зависимости от условий возбуждения и распространения. В жидкостях и газах распространяются только продольные волны, в твердых телах могут возникать также поперечные и другие из перечисленных типов волн. В продольной волне направление колебаний частиц совпадает с направлением распространения волны (Рисунок 1.2, а), поперечная волна распространяется перпендикулярно направлению колебаний частиц (Рисунок 1.2, б) [2].

а)

б)

а) движение частиц среды при распространении продольной волны; б) движение частиц среды при распространении поперечной волны.
Рисунок 1.2 – Движение частиц при распространении волны

Любая волна, как колебание, распространяющееся во времени и в пространстве, может быть охарактеризована частотой, длиной волны и амплитудой (Рисунок 3) [3]. При этом длина волны λ связана с частотой f через скорость распространения волны в данном материале c: λ = c/f.

Рисунок 1.3 - Характеристики колебательного процесса

Частота – это количество колебаний, совершаемых системой в единицу времени; длина волны – это расстояние, которое проходит волна за время равное периоду колебаний T (T = 1/f ), т. е. за время, затраченное на одно колебание; амплитуда колебаний – это максимальное отклонение колебательной системы от положения равновесия.
По своей физической природе звуковые и ультразвуковые колебания ничем друг от друга не отличаются. Это упругие колебания в материальных средах. Рассмотрим, какими параметрами можно охарактеризовать волну:
Длина волны λ — это расстояние, которое проходит волна, пока частица среды совершает одно колебательное движение. Расстояние между соседними максимумами или минимумами возмущения считают длиной волны.
Амплитуда колебаний А - представляет собой максимальное смещение частицы из положения равновесия во время ее колебательного движения, вызванного возбуждением частиц среды.
Частота колебаний f — это число колебаний, совершаемых частицей среды за одну секунду. Единицей частоты является Герц (Гц). Для звуковых волн, генерируемых средой, характерен непрерывный ряд или диапазон частот. Самая низкая частота волны называется основной или собственной, а остальные являются гармониками или обертонами. Частота второй гармоники в два раза превышает собственную частоту системы. Аналогично частота третьей гармоники превышает ее в три раза и т.д.
Период колебаний Т - это время, необходимое частице для совершения одного колебательного движения. По определению время, за которое волна производит f колебаний, равно 1 секунде.
Колебание – это возвратно-поступательное движение из одного крайнего положения в другое и обратно через положение равновесия.
Фаза колебаний φ — это отношение смещения колеблющейся частицы в данный момент времени к его амплитудному значению. Если точки колебательного процесса находятся в одной фазе (их разность фаз составляет 2π), то расстояние между этими двумя точками равно одной длине волны λ.
Скорость распространения колебаний С — это расстояние, пройденное волной за одну секунду.

Рассмотрим особенности ультразвуковых колебаний:
Обычно границей начала ультразвукового диапазона частот принято считать 16...20 кГц. Следует отметить, что столь большой диапазон выбран по той причине, что для каждого человека граница ультразвука (неслышимости звука) своя. Для некоторых это 10 кГц, для других - 20 кГц, а встречаются уникумы способные воспринимать и 25 кГц.
Еще более сложная проблема с определением верхней границы ультразвукового диапазона. Возможности человеческого уха здесь не играют роли, и приходится отталкиваться от физической природы упругих колебаний, которые могут распространяться в материальной среде при условии, длина волны больше межатомных расстояний.
Длина их волны пропорциональна 1/f . λ= с /f . На основании исследований установлено существование УЗ колебаний с частотой большей, чем 100 мГц. УЗ более высокой частоты затухает настолько, что колебания поглощаются непосредственно у поверхности излучателя.
На практике используются УЗ колебания с частотой до 25 мГц [2,3]. Колебания таких высоких частот могут распространяться только в кристаллах.