Интенсивность и энергия плоских волн Упругие волны в газах и житкостях

План:

1. 
   Амплитуда
   
2. 
   Интенсивность и энергия плоских волн
   
3. 
   Упругие волны в газах и житкостях
   
4. 
   Использованная литература
   

Амплиту́да — максимальное значение смещения или изменения переменной величины от среднего значения при колебательном или волновом движении. Неотрицательная скалярная величина, размерность которой совпадает с размерностью определяемой физической величины.

Синусоидальное колебание. y — амплитуда волны, λ — длина волны.
Иначе: Амплитуда - модуль максимального отклонения тела от положения равновесия. Например:
• амплитуда для механического колебания тела (вибрация), для волн на струне или пружине — это расстояние и записывается в единицах длины;
• амплитуда звуковых волн и аудиосигналов обычно относится к амплитуде давления воздуха в волне, но иногда описывается как амплитуда смещения относительно равновесия (воздуха или диафрагмы говорящего). Её логарифм обычно измеряется в децибелах ;
• для электромагнитного излучения амплитуда соответствует величине напряженности электрического и магнитного поля.
Форма изменения амплитуды называется огибающей волной.
1. Формальное определение в радиотехнике
Амплитуда — наибольшее значение, которое принимает какая-либо величина, изменяющаяся по гармоническому закону.
Формальное определение предполагает применение термина "амплитуда" только для гармонической функции; "амплитуда" — модуль коэффициента перед гармонической функцией. В связи с этим термин "амплитуда" следует отличать от терминов, применимых к произвольным функциям:
• Максимальное значение сигнала — наибольшее мгновенное значение сигнала на протяжении заданного интервала времени
• Минимальное значение сигнала — наименьшее мгновенное значение сигнала на протяжении заданного интервала времени
• Размах сигнала — разность между максимальным и минимальным
значениями сигнала на протяжении заданного интервала времени
1. Упругие волны в газах, жидкостях и твёрдых телах

Упругие волны ? упругие возмущения, распространяющиеся в твёрдой, жидкой и газообразных средах, например волны, возникающие в земной коре при землетрясениях, звуковые и ультразвуковые волны в жидкостях, газах и твёрдых телах. При распространении упругих волн в среде возникают механические деформации сжатия и сдвига, которые переносятся волной из одной точки среды в другую. При этом имеет место перенос энергии упругой деформации в отсутствие потока вещества (исключая особые случаи, например, акустические течения). Всякая гармоническая упругая волна характеризуется амплитудой колебат. смещения частиц среды и его направлением, колебательной скоростью частиц, переменным механическим напряжением и деформацией (которые в общем случае являются тензорными величинами), частотой колебаний частиц среды, длиной волны, фазовой и групповой скоростями, а также законом распределения смещений и напряжений по фронту волны.

В жидкостях и газах, которые обладают упругостью объёма, но не обладают упругостью формы, могут распространяться лишь продольные волны разрежения-сжатия, где колебания частиц среды происходят в направлении распространения волны. Фазовая скорость их

где К ? модуль всестороннего сжатия, с ? плотность среды. Пример таких упругих волн ? звуковые волны.

В однородной изотропной бесконечно протяжённой твёрдой среде могут распространяться упругие волны только двух типов ? продольные и сдвиговые. В продольных упругих волнах движение частиц параллельно направлению распространения волны, а деформация представляет собой комбинацию всестороннего сжатия (растяжения) и чистого сдвига. В сдвиговых волнах движение частиц перпендикулярно направлению распространения волны, а деформация является чистым сдвигом. В безграничной среде распространяются продольные и сдвиговые волны трёх типов ? плоские, сферические и цилиндрические. Их особенность ? независимость фазовой и групповой скоростей от амплитуды и геометрии волны. Фазовая скорость продольных волн в неограниченной твёрдой среде

сдвиговых волн

здесь G ? модуль сдвига. Величины сl и сt, для разных сред колеблются в пределах от сотен до нескольких тысяч м/с.

На границе твёрдого полупространства с вакуумом, газом, жидкостью или с другими твёрдым полупространством могут распространяться упругие поверхностные волны, являющиеся комбинацией неоднородных продольных и сдвиговых волн, амплитуды которых экспоненциально убывают при удалении от границы.

В ограниченных твёрдых телах (пластина, стержень), представляющих собой твёрдые акустические волноводы, могут распространяться только нормальные волны, каждая из которых является комбинацией нескольких продольных и сдвиговых волн, распространяющихся под острыми углами к оси волновода и удовлетворяющих граничным условиям: отсутствию механических напряжений на поверхности волновода. Число n нормальных волн в пластине или стержне определяется толщиной или диаметром d, частотой щ и модулями упругости среды. При увеличении щd число нормальных волн возрастает, и при щd > ?. Нормальные волны характеризуются дисперсией фазовой и групповой скоростей.

В бесконечной пластине существуют два типа нормальных волн ? волны Лэмба и сдвиговые волны. Плоская волна Лэмба характеризуется двумя составляющими смещений, одна из которых параллельна направлению распространения волны, другая ? перпендикулярна граням пластины. В плоской сдвиговой нормальной волне смещения параллельны граням пластины и одновременно перпендикулярны направлению распространения волны. В цилиндрических стержнях могут распространяться нормальные волны трёх типов ? продольные, изгибные, крутильные.

В любой упругой среде из-за внутреннего трения и теплопроводности распространение упругих волн сопровождается её поглощением. Если на пути упругих волн имеется какое-либо препятствие (отражающая стенка, вакуумная полость и т.д.), то происходит дифракция волн на этом препятствии; простейший случай дифракции ? отражение и прохождение упругих волн на плоской границе двух полупространств.

Область применения упругих волн чрезвычайно широка: низкочастотные упругие волны используются в сейсмологии (для регистрации землетрясений), в сейсморазведке. Упругие волны килогерцевого диапазона применяются в гидролокации и при исследованиях океана. Упругие волны ультра- и гиперзвукового диапазонов служат в физике для определения различных параметров твёрдых, жидких и газообразных сред, применяются в акустоэлектронике, в промышленности для технологических и контрольно-измерительных целей, в медицине и др. областях.

Сейсмические волны, порождающие колебания земной поверхности. Продольные (P_волны) и поперечные (S_волны) распространяются в твердом веществе Земли, они представляют собой объемные волны, при этом Р-волны в отличие от S_волн могут проходить и через жидкость. Вследствие сложных многократных отражений P- и S_волн в верхнем слое земной коры появляются поверхностные волны ? Лява и Рэлея.

Схема внутреннего строения Земли в соответствии с моделью, первоначально предложенной австралийским сейсмологом К.Е. Булленом, и пути распространения основных сейсмических волн ? продольных (Р), поперечных (S) и поверхностных (L) ? от очага до регистрирующей станции (1° = 110 км).

2. Ультразвук

Ультразвук это тип звуковых волн, который может возникать как искусственным путем, так и природным. Его применяют во многих отраслях производства и медицины для воздействия на поверхности. Но получение ультразвука может быть как специальным, так и случайным что нужно учитывать.

Источниками возникновения ультразвука являются различного рода станки в промышленности или специальные аппараты для создания ультразвуковых колебаний. Ультразвук применяется в промышленности и биологии, где применяют частоту колебаний в пределах нескольким МГц. Для создания и фокусировки таких пучков используют систему звуковых зеркал и линз. Изначально ультразвуковые волны получались благодаря механическому способу создания, но сейчас используют преобразователи, которые преобразуют энергию электрического импульса в механическое действие. Так получают ультразвуки в ходе производственных шумов, либо самых естественных шумов от ветра водопада или дождя. Некоторые из представителей животного мира, такие как касатки и дельфины способны генерировать ультразвуки для охоты в мутной воде.

Ультразвуковые излучатели можно условно разделить на две группы. Первая включает излучатели генераторы, которые генерируют колебания при наличии препятствия на пути постоянного потока - газа. Вторая группа называется электроакустической. Эти генераторы преобразуют заданную ультразвуковую частоту в механическое колебание, излучающее звуковую волну.

Примером механического создания ультразвуковых волн может служить Свисток Гальтона. Этот первый ультразвуковой свисток был сделан в 1883 года учёным по имени Гальтон. В этом свистке ультразвук создается, так же как и на острие ножа, когда на тот попадает поток воздуха. Через полый цилиндр воздух ударяется об острие в свитке, при котором возникает колебание высокой частоты в 170 кГц. Но эта цифра не фиксирована, она зависит от размера отверстия и отверстия, через которое проходит поток воздуха. Этот свисток применяется для подачи команд собакам.

Ещё одним средством для создания ультразвука является жидкостный ультразвуковой свисток. Он создан для работы в жидкой среде, но обладает малой мощностью. При возникновении ультразвуковых волн в жидкой среде не происходит потери энергии после перехода волны из одной среды в другую. Принцип действия таких свистков основан на выходе жидкости под давлением из эллиптического сопла, которая направляется на стальные пластины, которые вибрируют с ультразвуковой частотой.

Ещё одним прибором для создания ультразвука являются Сирены. Она применяется в милицейских машинах и пожарных машинах. Она состоит из камеры, которая закрыта сверху диском и в нем сделано большое количество отверстий, количество которых такое же и на роторе, внутри камеры диски. При вращении положения отверстий в статоре и роторе совпадают, и образуется вхождение сжатого потока воздуха, и такая частота находится в пределе ультразвуковой.

Таким образом, существуют приспособления для получения ультразвука, которые основаны как на механическом воздействии, так и на электроакустическом. И оба из них применяются, по сей день.

Действие УЗВ на биологические объекты

Прежде чем говорить о влиянии ультразвука, нужно вспомнить, что ультразвуковые волны имеют большую частоту колебаний и малую длину за счёт чего не могут распространяться в воздушном пространстве. Коэффициент рассеивания энергии таких волн весьма велик и потому ультразвуковые колебания обладают локальным воздействием, то есть действуют на организм при непосредственном воздействии через соприкосновение со средой распространения.

Всё сказанное ранее справедливо для ультразвуков высокой частоты колебаний, что же касается низкочастотных ультразвуков, то они могут распространяться в воздушном пространстве. Такое длительное влияние ультразвука на человека имеет пагубное действие и может вызывать расстройство нервной системы. При длительном и систематическом воздействии, начинается изменение сердечнососудистой и эндокринной систем. Что касается ощущения пространства, оно тоже может пострадать в ходе длительного влияния ультразвуковых волн. Само же биологическое воздействие ультразвука определяется его интенсивностью. Так на начальных стадиях, при длительном и систематическом воздействии ультразвука, поражения, развиваются вегето-сосудистая дистония и астенический синдром. Степень выраженности изменений во многом зависит как от длительности, так и от интенсивности воздействия ультразвука, и может увеличиваться при наличии в спектре ультразвука различны шумов высокочастотных колебаний. Если таковой шум присутствует в спектре, то наблюдается ухудшение органов слуха. В случае продолжения контакта с ультразвуком, наблюдаемые расстройства приобретают более выраженный и стойкий характер. При локальном воздействии ультразвука может, а точнее возникнет, явление вегетативного полиневрита рук. Это заболевания нервов периферийной нервной системы. Такое воздействие может быть чревато поражением вирусной инфекцией центрального узла периферийной нервной системы. Это в итоге приведёт к развитию пареза кистей рук, а может даже и предплечий. Это значит, что влияние ультразвука на человека при длительном воздействии и определенных параметрах частоты и интенсивности могут привести к нарушению моторных функций связанных с поражением двигательных центров, которые приводят в движение мышцы. В частных случаях и в зависимости от индивидуальных особенностей такое пагубное воздействие приводит к ослаблению группы мышц и последующей утрате произвольных движений, иными словами это может привести к параличу. Ниже приведены картинки с порезом лица и парезом кистей, оба с
лучая могут возникнуть под влияние ультразвука на человека
упругий волна ультразвук газообразный



Использованная литература
1. Антошина, Л.Г. Общая физика: Сборник задач: Учебное пособие / Л.Г. Антошина, С.В. Павлов, Л.А. Скипетрова; Под ред. Б.А. Струкова. - М.: НИЦ ИНФРА-М, 2016. - 336 c.
2. Вихман, Э. Берклеевский курс физики. Квантовая физика / Э.Вихман.- М.: Наука, 2017.
3. Волькенштейн, В.С. Сборник задач по общему курсу физики / В.С. Волькенштейн. - М.: Наука, 2018.-265 с.
4. Гартман, З. Занимательная физика, или Физика во время прогулки / З. Гартман. - М.: ЛИБРОКОМ, 2017. - 120 c.
5. Курс общей физики, т.т. 1-2. Механика / под ред. Гершензон.- М.: Академия, 2018. - 123 с.