2. Эффект Доплера в акустике.

Звуковые волны – механические колебания в определенном интервале частот, распространяющиеся в упругой среде (ν = 16 – 20000 Гц).

Если источник или приемник звука перемещаются относительно среды, то частота ν₀ ≠ ν. Это явление называется эффектом Доплера.

Эффектом Доплера называется изменение частоты колебаний, воспринимаемых приемником, при движении источника этих колебаний и приемника друг относительно друга.Предположим, что источник и приемник звука движутся вдоль соединяющей их прямой, причем скорости V_ист и V_пр положительны при сближении приемника и источника, и отрицательны при их взаимном удалении.

1)Сначала рассмотрим случай, когда приемник приближается к источнику звука, а источник покоится, т.е. V_пр>0, V_ист =0. Тогда скорость распространения волны относительно приемника станет равной V + V_пр. Так как длина волны λ при этом не меняется, то ν = (V + V_пр)/λ = (V + V_пр)/VT = (V + V_пр) ν₀/V т.е. частота колебаний, воспринимаемых приемником, в (V + V_пр)/V раз больше частоты колебаний источника.

2)Источник приближается к приемнику, а приемник покоится, т.е. V_ист >0, V_пр = 0. Поскольку скорость распространения колебаний зависит лишь от упругих свойств среды, поэтому за время, равное периоду колебаний источника, излученная им волна пройдет в направлении к приемнику расстояние VT (равное длине волны λ = VT) независимо от того, движется ли источник или покоится. За это же время источник пройдет в направлении распространения волны расстояние V_истТ (рис.6), т.е. длина волны в направлении движения сократится и станет равной

λ^' = λ - V_истТ = (V – V_ист)Т,

Тогда

ν = V/ λ^' = V/(V – V_ист)Т = V ν₀/(V – V_ист)

3)Источник и приемник движутся относительно друг друга. Объединив оба уравнения, получим общее выражение для частоты ν, воспринимаемой приемником звука: ν = (V ± V_пр) ν₀/(V –+ V_ист)

Доплеровский эффект позволяет измерять скорость движения источников излучения или рассеивающих волны объектов (используется в радио- и гидролокации для измерения скорости движущихся целей). В астрофизике эффект Д. используется для определения скорости движения звезд и скорости вращения небесных тел. В спектроскопии доплеровское уширение линий излучения атомов и ионов дает способ неконтактного измерения их температуры.

3. Ультразвук. Источники и приемники уз волн. Применение ультразвука.

Ультразвук- упругие волны с частотами от 20 кГц до 1 ГГц. Ультразвук (УЗ) подразделяют на три диапазона: УЗ низких частот (до 10⁵ Гц), УЗ средних частот (10⁵ – 10⁷ Гц), УЗ высоких частот (10⁷ – 10⁹ Гц). Каждый из этих диапазонов характеризуется своими специфическими особенностями генерации, приема, распространения и применения. Длина волны УЗ высокой частоты в воздухе составляет 3,4·10^-3 - 3,4·10^-5 см, что значительно меньше длины волны звуковых волн. Из-за малых длин волн УЗ, как и свет, может распространяться в виде строго направленных пучков большой интенсивности.

Устройства для генерации УЗ разделяют на две группы- механические и электромеханические.

Механические излучатели УЗ – воздушные и жидкостные свистки и сирены, они отличаются простотой устройства и эксплуатации, не требуют электрической энергии высокой частоты. Их недостаток – широкий спектр излучаемых частот и нестабильность частоты и амплитуды, что не позволяет использовать их для контрольно-измерительных целей; они применяются главным образом в промышленной УЗ-вой технологии и частично – как средство сигнализации.

Основными излучателями УЗ являются электромеханические, преобразующие электрические колебания в механические, которые используют в основном два явления: пьезоэлектрический эффект и магнитострикцию.

Обратный пьезоэлектрический эффект – это возникновение под действием электрического поля деформации в вырезанной определенным образом кварцевой пластине или пластине титаната бария. Если такую пластину поместить в высокочастотное переменное эл. поле, то можно вызвать ее вынужденные колебания. Для увеличения амплитуды колебаний и излучаемой в среду мощности, как правило, применяются резонансные колебания пьезоэлектрических элементов (пластин) на их собственной частоте .Магнитострикция – это возникновение деформации в ферромагнетиках под действием магнитного поля.

Приемники УЗ. Вследствие обратимости пьезоэффекта пьезоэлектрические преобразователи используются и для приема УЗ. Ультразвуковые колебания, воздействуя на кварц, вызывают в нем упругие колебания, в результате чего на противоположных поверхностях кварца возникают электрические заряды, которые измеряются электроизмерительными приборами.

Применение УЗ. УЗ широко используется в технике, например для направленной подводной сигнализации, обнаружении подводных предметов и определении глубин (гидролокатор, эхолот). Принцип локации: посылается импульс УЗ и регистрируется время t до его возвращения после отражения от предмета, расстояние L до которого измеряется. L = Vt/2.

По данным измерения поглощения УЗ можно осуществлять контроль за протеканием технологических процессов (контроль состава жидкостей, концентрации газов и т.д.). Используя отражение УЗ на границе различных сред с помощью УЗ-вых приборов измеряют размеры изделий (УЗ-вые толщиномеры), определяют уровни жидкостей в емкостях, недоступных для прямого измерения.