1. Infradźwięki i ich wpływ na organizmy żywe
Są to drgania ośrodka gazowego lub ciekłego o częstości poniżej
słyszalnej. Umowny zakres to 0,1-20 Hz.
Wpływ infradźwięków na organizm ludzki:
a)drgania rezonansowe klatki piersiowej, przepony brzusznej,
organów trawienia. b)zakłócenia równowagi, zmniejszają ostrość
widzenia c)zmniejszają szybkość reakcji nerwowych d)paraliż e)
pękanie naczyń krwionośnych
f)osłabienie, bóle głowy
Źródła infradźwięków naturalne
a)ruchy powietrza i wody b)wodospady
c)wiatr d)wyładowania atmosferyczne
Źródła infradźwięków sztuczne
a)wybuchy atomowe b)transport lotniczy
c)pociągi i ruch drogowy
d)statki ( drgania silników przenoszone przez statek )
2. Ultradźwięki (metoda echa i cienia)
Fale o częstościach 16kHz-1GHz. Wytwarzamy i odbieramy je jako
spójne wiązki fal sprężystych. Mają małą długość fali.
Dla f=16kHz a) w powietrzu: 2cm b) w cieczach 8cm
c) w ciałach stałych 30cm
Do wytwarzania i odbioru ultradźwięków stosuję się przetwornik
ultradźwiękowy. Przetwarza on energie określonego układu
nieakustycznego w energie akustyczna bądź odwrotnie – energie
akustyczna na innego rodzaju energie
Rodzaje generatorów ultradźwiękowych:
Mechaniczne, elektryczne, magnetyczne, cieplne, chemiczne.
Własności ultradźwięków:
a) Zakres 16kHz – 1GHz b) mała długość fali c) rozchodzą się po
liniach prostych d) podlegają prawom optyki ( odbiciu i załamaniu )
e) amplitudy prędkości i przyspieszenia ruchu drgającego w czasie
są dużo większe od fal słyszalnych, podobnie jest z amplituda
ciśnienia akustycznego
Zastosowania bierne: a) Hydrolokacja, lokacja b) wizualizacja
przedmiotów nieprzeźroczystych
Zastosowanie czynne: a) obróbka materiałów b) terapie
ultradźwiękowe c) uzyskiwanie aerozoli d) spawanie metali
różniących się właściwościami
Zastosowanie w medycynie:
Ultradźwięki przekazują informacje o materii martwej i żywej. W
przypadku żywej informują o jej ruchu oraz wizualizują wnętrze
niedostępne dla oka. Stosowane do zabiegów diagnostycznych
(brak skutków ubocznych)
Stosowane w: położnictwie, neurologii, kardiologii, okulistyce.
Zastosowanie w technice budowlanej: a) określanie odpowiedzi
impulsowej wywierconych szybów b)badanie pęknięć
zmęczeniowych c)obrazowanie naprężeń ściennych
Metoda echa: polega na nadawaniu krótkich impulsów
ultradźwiękowych i ich odbiorze po odbiciu. Mierzy się w niej cza
powrotu sygnału po odbiciu od przeszkody. Używa się w niej jednej
głowicy nadawczo-odbiorczej.
Metoda cienia: polega na pomiarze amplitudy fali ultradźwiękowej
za wadą po przejściu przez badany materiał. Używa się w niej
dwóch głowic nadawczej i odbiorczej. Z różnicy amplitudy impulsu
nadawczego i odbiorczego wnioskuje się wielkość wady. Można ja
stosować do pomiaru grubości. Metoda ta wymaga wzorcowania –
pomiar należy wykonać dwuetapowo. Najpierw pomiar wzorujący
w miejscu próbki, gdzie nie ma wad materiałowych, następnie
pomiar w miejscu zdiagnozowanych wad.
3. Czynniki wpływające na jakość akustyczną pomieszczeń i
wielkości opisujące pole akustyczne
Wielkości charakteryzujące pole akustyczne:
- Przesuniecie akustyczne – jest to wektor, którego początek
znajduje się w położeniu cząsteczki w warunkach równowagi, a
koniec w miejscu gdzie cząsteczka jest w danej chwili
w
p
a
a
*
414
=
ψ
Temp = 20 C, Ψ
A
rzędu 70*10
9
– 76*10
-4
( w akustyce )
-Prędkość akustyczne
t
a
a
U
∂
∂
=
ψ
)
(
ψ
a
a
w
U
=
2
U
U
a
ask
=
-ciśnienie akustyczne – różnica ciśnienia w danej chwili i w
warunkach równowagi.
p
p
a
∆
=
2
p
p
a
ask
=
( )
2
1
0
2
1
=
∫
dt
t
a
T
T
ask
p
p
-pole akustyczne
( )
∫
∫
+
=
T
a
T
a
dt
dt
t
Q
p
p
0
2
0
2
Wielkości wpływające na jakość akustyczną pomieszczeń:
a) rozkład energii – parametr charakteryzujący jakość akustyczna
pomieszczenia - wyrazistość
b) pogłos – przedłużanie czasu trwania dźwięku na skutek odbicia
fal dźwiękowych. ( korzystne w salach koncertowych, niekorzystne
– hałas na hali produkcyjnej )
c) czas pogłosu ( t ) – czas odpowiadający największej niedostępnej
dla ucha różnicy miedzy przejściem do słuchacza dźwięku
bezpośredniego i pierwszego dźwięku odbitego. Dla mocy 10 ms,
dla muzyki 100-150 ms.
d) czas pogłosu ( T ) – czas po którym licząc od chwili wyłączenia
dźwięku natężenie dźwięku zmaleje o 60db lub natężenie dzwieku
zmaleje do 1/1000 wartości natężenia w chwili wyłączenia źródła
dźwięku.
Czas pogłosu T zależy od: a) ilości powierzchni odbijających. b)
ilości odbić
4. Energia i Ciśnienie fali
-energia fali – całkowita energia fali jest równa sumie energi
potencjalnej i kinetycznej. Zgodnie z def. naprężeń na wydzielony
element działa siła
2
2
2
x
x
Spv
∂
∂
∆
=
ψ
δ
Energia odkształcenia:
2
2
2
1
∂
∂
=
x
Spv
dE
p
ψ
(
)
kx
t
A
k
xSpv
E
p
−
∆
=
ω
2
2
2
2
sin
2
1
(
)
kx
t
A
x
pS
E
k
−
∆
=
ω
ω
2
2
2
sin
2
1
Energia Ep i Ek są zgodne w fazie.
(
)
kx
t
A
xSp
E
c
−
∆
=
ω
ω
2
2
2
sin
Energia fali jest proporcjonalna do kwadratu amplitudy E-A
2
-ciśnienie fali – proces rozchodzenia się zaburzeń – można
aproksymować przemianie adiabatyczną:
pVx= const
(p+Δp)(V-ΔV)
x
=pV
x
Cp, Cv – molowe ciepło właściwe gazu Cp – przy stałym ciśnieniu
Cv przy stałej objętości.
Wzór dla fali podłużnej:
p
p
xp
V
x
RT
=
=
Nadwyżkę ciśnienia Δp nad ciśnieniem ośrodka niezaburzonego p
nazywamy cisnieniem akustycznym
p
a
= vpAsin( wt – kx )
Ciśnienie zmienia się tak jak prędkość drgań (amplituda ciśnienia)
p
0
= vpAw
p
a
= p
0
sin( wt – kx )
Przez napór falowy można rozumiemy wielkość:
P
a
= Z
f
Awsin ( wt – kx )
Tzn. ze ciśnienie akustyczne jest równe średniej gęstości energii
stad wynika, ze natężenie fali można wyrazić jako:
f
Z
P
pv
P
I
2
2
0
2
0
=
=
5. Własności fali elektromagnetycznej
Fale elektromagnetyczne SA to zaburzenia pola
elektromagnetycznego rozchodzące się w przestrzeni ze skończoną
prędkością. SA falami poprzecznymi tzn. w każdym punkcie
pola wektor natężenia pola elektrycznego E i wektor indykcji
magnetycznej B SA prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fal
i do siebie. Własności, warunki powstawania i rozprzestrzeniania
się fal opisuje w zupełności równanie falowe wynikające z
równania Maxwella. Istotny wpływ ma także własności fal
elektromagnetycznych jak prędkość rozchodzenia się, polaryzacja,
natężenie na ośrodek, w którym się fala rozchodzi. W realnych
ośrodkach występuje dyspersja fal elektromagnetycznych
tzn. zależność prędkości ich rozchodzenia się od częstości
fal. Charakterystyczna dla nich SA zjawiska interferencji,
dyfrakcji, załamania oraz całkowitego wewnętrznego odbicia.
Charakterystyka przestrzenno-czasowa fal jest określona zarówno
przez własności ośrodka, w którym się rozchodzą, oraz przez
własności źródła promieniowania. Najprostszy przypadek
wzbudzania i rozprzestrzeniania się fal stanowi
Wzbudzenie w jednorodnym ośrodku izotropowym za pomocą
drgającego dipolu Hertza. Stanowi go odcinek przewodu o długości
l elektrycznie obojętny jako całość, opisany przez elektryczny ….
Dipolowy. Ze względu na różne sposoby wytwarzania, odbioru
oraz detekcji fal jaki również ze względu na różny charakter ich
oddziaływania z materią rozróżnia się fale elektromagnetyczne:
a)niskiej częstości b) radiowe c) świetlne d) promieniowanie
rentgenowskie e) promieniowanie gamma
6.Równania różniczkowe fali ich rozwiązanie
Na przykładzie fali podłużnej biegnącej wzdłuż pretu. Względny
przyrost długości zgodnie z prawem Hooke’a:
E
x
1
=
∂
∂
ψ
E- moduł Younga
Po rozpatrzeniu ruchu elementu masy dm=Spdx stosując drugą
zasadę Dynamiki Newtona siła działająca po zróżniczkowaniu,
gdzie stały współczynnik
V
p
E
=
−
jest prędkością fazową fali
2
2
2
2
2
x
V
t
∂
∂
=
∂
∂
ψ
ψ
Przy czym w przypadku ogólnym Ψ=f(x, y, z, t)
∂
∂
+
∂
∂
+
∂
∂
=
∂
∂
2
2
2
2
2
2
2
2
2
z
y
x
V
t
ψ
ψ
ψ
ψ
Wyprowadzając operator Laplace’a Δ
ψ
ψ
∆
=
∂
∂
2
2
2
V
t
7. Równania Mexwella w próżni na przypadku fali
elektromagnetycznej i liniowo spolaryzowanej
Próżnia jest ośrodkiem liniowym, izotropowym. Przenikalność
elektryczną w próżni oznacza się przez
0
ε
a przenikalność
magnetyczną próżni przez
0
µ
W próżni nie ma ładunku (p=0) i nie
płynie prąd. Wówczas równanie Maxwella upraszcza się do postaci:
0
=
→
E
div
0
=
→
B
div
t
rot
B
E
∂
∂
−
=
→
→
t
rot
E
B
∂
∂
=
→
→
0
0
ε
µ
Fala spolaryzowana liniowa jeżeli
π
ϕ
ϕ
m
=
−
1
2
To mamy odcinki
prostopadłe (zdegradowana elipsa)
Równanie Elipsy:
(
)
ϕ
ω
+
−
−
=
kx
t
E
E
E
y
sin
0
(
)
ϕ
ω
+
−
=
=
kx
t
H
H
H
z
sin
0
Fale nazywamy monochromatyczną jeżeli rzuty E i H na
osie prostokątnego układu współrzędnych wykonują drgania
harmoniczne o jednakowej częstości zwanej częstością fali. Do
płaskiej fali monochromatycznej rozchodzącej się wzdłuż osi OX
mamy:
(
)
1
1
sin
ϕ
ω
+
−
=
kx
t
A
E
y
(
)
2
2
sin
ϕ
ω
+
−
=
kx
t
A
E
z
Jeżeli fala rozchodzi się w ośrodku, którego własności optyczne
SA inne w kierunku y i inne w kierunku z, to wektory pola fali
nie będą miały tej samej amplitudy w kierunku osi y i osi z.
Zatem chwilowa wartość kwadratu wektora E będzie równa sumie
kwadratów rzutów wektora E na oś y i oś z.
2
2
2
z
y
E
E
E
+
=
Koniec wektora E opisuje elipsę i taką fale nazywamy
spolaryzowaną.
8.WARSTWY PRZECIWODBICIOWE
Maksymalna czułość dla oka ludzkiego λ = 5,5 * 10
-7
cm
Współczynniki odbicia opisane są:
2
0
0
2
0
0
1
1
1
1
+
−
≈
+
−
=
n
n
n
n
n
n
R
p
p
I
2
0
0
1
1
+
−
=
n
n
n
n
R
sz
sz
II
n
sz
– współczynnik załamania szkła
n
o
– współczynnik załamania warstwy przeciwodbiciowej
Współczynniki odbicia powinny być jednakowe aby nastąpiło
maksymalne wygaszenie fal (nie uwzględniamy absorpcji światła)
R
I
= R
II
2
0
0
0
0
2
0
0
1
1
+
−
=
+
−
n
n
n
n
n
n
n
n
sz
sz
0
0
0
0
1
1
n
n
n
n
n
sz
sz
n
+
−
=
+
−
z tego wyrażenia otrzymujemy warunek jaki musi spełniać
współczynnik załamania
sz
n
n
=
0
Najmniejsza grubość warstwy przeciwodbiciowej która wynosi
0
4n
d
λ
=
9.PRĄŻKI JEDNAKOWEGO NACHYLENIA I GRUBOŚCI
a)Prążki jednakowego nachylenia – światło pada na cienką warstwę
o stałej grubości, kąty padania są zmienne, ale każda fala padająca
dzieli swą energię między falę odbitą od górnej powierzchni
warstwy i odbitej od dolnej powierzchni warstwy. Jeśli warstwa
jest cienka i różnica dróg optycznych tych dwóch promieni jest
mniejsza od drogi spójności, to zachodzą warunki do obserwacji
interferencji w zwykłym świetle słonecznym. Ponieważ promienie
te są do siebie równoległe, to obserwujemy obraz interferencyjny
na płaszczyźnie ogniskowej za pomocą soczewki skupiającej. Dla
układu z soczewką równoległą do warstwy będą to współśrodkowe
okręgi na ekranie odpowiadające stałemu kątowi padania światła na
warstwę. Przy innym ułożeniu soczewki i ekranu będą to krzywe
stożkowe.
b)Prążki jednakowej grubości – światło pada pod stałym kątem na
cienką warstwę w kształcie klina. Można pokazać, że promienie
fali odbitych od górnej i dolnej powierzchni klina przetną się w
pewnym punkcie nad klinem. Zaobserwujemy więc wstawiając
ekran w odpowiednie miejsce nad klinem prążki interferencyjne w
formie równoległych pasków. Sąsiednie ciemne prążki odpowiadają
warunkowi interferencji destruktywnej (wygaszeniu) dla dwóch
kolejnych minimum. Można pokazać, że im mniejszy jest kąt klina
tym większa odległość między prążkami. Prążki w miarę wzrostu
odległości od wierzchołka klina tracą na kontraście i w pewnej
odległości od niego przestają być widoczne. Podobne zjawisko
występuje gdy zwiększamy kąt klina.
10.RÓWNANIA MAXWELLA DLA OŚRODKA Z
ŁADUNKAMI – ICH SENS FIZYCZNY
a)Równanie Maxwella – prawo Gaussa dla pola elektrycznego
∫
=
pdr
ds
D
*
φ
źródłem pola elektrycznego są ładunki
b)Równanie Maxwella – prawo Gaussa dla pola magnetycznego
0
*
=
ds
B
φ
pole magnetyczne jest bezźródłowe, linie pola
magn. są zamknięte
c)Równanie Maxwella – prawo Faradaya
dt
B
d
dl
E
φ
φ
−
=
*
zmienne w czasie pole magnetyczne wytwarza
pole elektryczne
d)Równanie Maxwella – prawo Ampera rozszerzone przez
Maxwella
dt
D
d
dl
H
φ
φ
=
*
przepływający prąd oraz zmienne pole elektryczne
wytwarza wirowe pole magnetyczne