Ultradźwięki- teoria i praktyka
Fala-zaburzenia stanu ośrodka (lub przestrzeni) rozchodzące się w nim ze skończoną prędkością.
Ośrodek sprężysty to taki który po przyłożeniu naprężenia odkształca się, wytwarzając przy tym siłę przeciwną do kierunku naprężenia. Ma zdolność do odtwarzania pierwotnej postaci po ustąpieniu naprężenia.
Wielkości charakteryzujące fale
Okres fali (T)- nazywamy czas, w którym fala przebywa jedno pełne drganie (wychylenie Z, i powrót do stanu początkowego).
Częstotliwość fali (f)- nazywamy ilość pełnych drgań w jednostce czasu (na sekundę).
F=1/T
Amplituda (A)- nazywamy odcinek obrazujący wychylenie ze stanu równowagi do wartości maksymalnej.
Długość fali (lambda) to odległość między dwoma najbliższymi punktami fali. Po przebyciu odległości lambda fala powtarza się w przestrzeni.
Klasyfikacja fal
Fala poprzeczna - drgania odbywają się w kierunku prostopadłym do kierunku rozchodzenia się fali ( fale elektromagnetyczne, fale na powierzchni wody).
Fala podłużna- drgania odbywające się w kierunku równoległym do kierunku rozchodzenia się fali- między obszarami zagęszczenia pojawiają się obszary rozrzedzania ośrodka ( fala akustyczna).
Fala płaska- jej źródło jest drgającym odcinkiem lub prostą. Powierzchnie fazowe są płaskie
Fala kulista- jej źródłem jest drgający punkt, powierzchnie falowe są kuliste.
Fale akustyczne
Fale mechaniczne- zaburzenie stanu ośrodka sprężystego, którego cząsteczki oscylują wokół położenia równowagi, przenosząc energię z jednego miejsca do drugiego bez transportu materii.Przykład kibice na meczu robiący fale.W procesie propagacji fali mechanicznej cząstki ośrodka drgają tam i z powrotem wokół ich średniego położenia, a energia jest przenoszona przez chwilowe wytrącenie cząstek z ich stanu równowagi bez przemieszczenia się środka.Większość fal akustycznych to fale pozostające w wyniku drgań jakiegoś obiektu materialnego. Drgający obiekt przekazuje drgania do otaczającego go ośrodka w postaci fal podłużnych.Fale akustyczne to proces rozchodzenia się środka zmian ciśnienia, w wyniku którym następuje nieprzemienne zmiany gęstości ( sprężenie i rozprężenie) ośrodka.
Ciśnienie akustyczne
Aby opisać fale akustyczną jako zmiany ciśnienia wprowadza się pojęcia:ciśnienia akustycznego (p)- zmiany w czasie odchylenie od średniej wartości ciśnienia statystycznego, panującego w ośrodku występujące podczas rozchodzenia się w nim fali akustycznej. Ciśnienie akustyczne opisuje natężenie dźwięku.p=I/V
Energia drgań
Pobudzając sprężynę do drgania dostarczamy jej pewną ilość energii. Podczas drgań energia ta zmienia się cyklicznie z energii potencjalnej w energie kinetyczną i odwrotnie.Energia drgań zależy od ich amplitudy i częstotliwości. Dla drgań mechanicznych:
Parametry dźwiękuNatężenie fali (I)- określa wielkość masy (P) fali przypadającej na jednostkową powierzchnie (S)Dla fali akustycznej:Jednostka natężenia fali jest wat/m2.
Próg słyszalności [I]=[W/m2]
Miarą wysokości dźwięku jest jego częstotliwość. Im większa częstotliwość tym wyższy dźwięk.Fale dźwiękowe dzielimy na trzy zakresy ( w odniesieniu do zakresu słyszalności ucha ludzkiego):
infradźwięki (f<20Hz)
dźwięki słyszalne ( 20Hz<f<20 000 Hz, czyli 20kHz)
ultradźwięki ( f>20kHz)
Rozchodzące się w ośrodkach gazowych , ciekłych i stałych. Ośrodki biologiczne, szczególnie tkanki miękkie, możemy generalnie traktować jak ciecze
Prędkość fali ultradźwiękowej w danym ośrodkuPrędkość rozchodzenia się fali ultradźwiękowej ( c ) w danym ośrodku zależy od własności mechanicznych ośrodka.Z powyższego wzoru wynika, że prędkość fali jest wprost proporcjonalna do modułu sprężystości ośrodka i odwrotnie proporcjonalna do jego gęstości.
Im większy moduł sprężystości tym fale ultradźwiękowe rozchodzą się szybciej.
Im większa gęstość ośrodka tym fale rozchodzące się wolniej.
Prędkość fali jest stała w ośrodku jednorodnym.
Opór akustyczny ( impedancja akustyczna)
Każdy ośrodek, w którym rozchodzi się fala akustyczna można opisać parametrami Z. Nazywamy oporem akustycznym
Impedancja akustycznaGdy fala pada na granicę ośrodków różniących się impedancją, ulega częściowemu odbiciu.Większość oporu akustycznego decyduje o proporcji pomiędzy natężeniem wiązki padającej, odbitej i załamanej.