Что это такое и как она работает

I = \frac{1}{2} \rho v a^2 \omega^2

где:

• ρ – плотность среды,
• v – скорость волны,
• a – амплитуда давления,
• ω – круговая частота.

Мощность ультразвука P, передаваемая через площадь S, равна:

P = IS

где S – площадь поперечного сечения пучка ультразвука.

Важно учитывать, что интенсивность ультразвука быстро падает с увеличением расстояния, из-за поглощения звука в среде и рассеивания энергии.

Применение ультразвука в медицине

Ультразвуковые методы имеют широкое применение в медицине. Например, ультразвук используется для:

• диагностики беременности и контроля за развитием плода;
• диагностики заболеваний внутренних органов;
• литотрипсии, то есть дроблении камней в почках или желчном пузыре;
• физиотерапии для лечения суставных заболеваний и мышечных повреждений;
• косметологических процедур, включая липосакцию и устранение морщин.

Ультразвуковые методы активно используются и в науке, промышленности и других сферах. Поэтому знание основ теории распространения ультразвуковых волн важно для понимания и применения данной технологии в различных областях.

Ссылки:

• Основы ультразвуковой диагностики
• Применение ультразвука в медицине
• Ультразвуковые методы в косметологии

Ультразвук: основные характеристики и виды волн

В сферической бегущей волне интенсивность ультразвука обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника. В стоячей волне I = 0, т. е. потока звуковой энергии в среднем нет.

Интенсивность ультразвука в гармонической плоской бегущей волне равна плотности энергии звуковой волны, умноженной на скорость звука. Поток звуковой энергии характеризуют так называемым вектором Умова — вектором плотности потока энергии звуковой волны.

Если звуковое поле представляет собой суперпозицию гармонических волн различной частоты, то для вектора средней плотности потока звуковой энергии имеет место аддитивность составляющих.

Интенсивность излучения и материалы

Для излучателей, создающих плоскую волну, говорят об интенсивности излучения, понимая под этим удельную мощность излучателя, т. е. излучаемую мощность звука, отнесённую к единице площади излучающей поверхности.

Интенсивность звука измеряется в системе единиц СИ в Вт/м2. В ультразвуковой технике интервал изменения интенсивности ультразвука очень велик — от пороговых значений ~ 10-12 Вт/м2 до сотен кВт/м2 в фокусе ультразвуковых концентраторов.

Затухание ультразвука

Одной из основных характеристик ультразвука является его затухание. Затухание ультразвука происходит из-за ряда причин, включая изменение амплитуды звуковой волны по мере ее распространения и рассеяние на неоднородностях в среде сравнимых размеров с длиной волны.

Рассеяние ультразвука происходит из-за резкого изменения свойств среды на границе неоднородностей. Например, в газах это могут быть жидкие капли, в водной среде — пузырьки воздуха, в твёрдых телах — различные инородные включения и т.д. Особый интерес представляет рассеяние на хаотически распределённых в пространстве неоднородностях.

Механизмы поглощения ультразвука

Поглощение ультразвука может быть обусловлено различными механизмами. Большую роль играет вязкость и теплопроводность среды, взаимодействие волны с различными молекулярными процессами вещества, с тепловыми колебаниями кристаллической решётки и другие факторы.

Коэффициент затухания

Коэффициент затухания выражают либо в децибелах на метр (дБ/м), либо в неперах на метр (Нп/м). Для измерения коэффициента также используется единица дБ/м. Таким образом, связь между единицами измерения (дБ/м) и (1/м) будет следующей:

1 Нп/м = 8,68 дБ/м

Затухание в 1 Нп/м означает, что на расстоянии 1м амплитуда волны уменьшается в e раз (e = 2,71 – основание натуральных логарифмов или число непера).

Отражение ультразвука

При падении звуковой волны на границу раздела сред, часть энергии будет отражаться в первую среду, а остальная энергия будет проходить во вторую среду. Соотношение между отраженной энергией и энергией, проходящей во вторую среду, определяется волновыми сопротивлениями первой и второй среды. При отсутствии дисперсии скорости звука волновое сопротивление не зависит от формы волны и выражается формулой.

Коэффициенты отражения и прохождения будут определяться следующим образом:

Коэффициент пропускания энергии τ из одной среды в другую определяется отношением интенсивности волны, проходящей во вторую среду, к интенсивности падающей волны.

Интерференция и дифракция ультразвуковых волн

Интерференция звука — неравномерность пространственного распределения амплитуды результирующей звуковой волны в зависимости от соотношения между фазами волн. Для двух интерферирующих волн картина на плоскости имеет вид чередующихся полос усиления и ослабления амплитуды.

Для двух плоских волн полосы прямолинейны с амплитудой, меняющейся поперёк полос соответственно изменению разности фаз. Важный частный случай интерференции — сложение плоской волны с её отражением от плоской границы; при этом образуется стоячая волна с плоскостями узлов и пучностей, расположенными параллельно границе.

Дифракция звука

Дифракция звука — отклонение поведения звука от законов геометрической акустики, обусловленное волновой природой звука. Результат дифракции звука — расхождение ультразвуковых пучков при удалении от излучателя или после прохождения через отверстие в экране, загибание звуковых волн в область тени позади препятствий, больших по сравнению с длиной волны, отсутствие тени позади препятствий, малых по сравнению с длиной волны, и т. п.

Звуковые поля, создаваемые дифракцией исходной волны на препятствиях, помещённых в среду, на неоднородностях самой среды, а также на неровностях и неоднородностях границ среды, называются рассеянными полями. Для объектов, на которых происходит дифракция звука, больших по сравнению с длиной волны λ, степень отклонений от геометрической картины зависит от значения волнового параметра.

Излучатели ультразвука

Излучатели ультразвука – устройства, применяемые для возбуждения ультразвуковых колебаний и волн в газообразных, жидких и твердых средах. Излучатели ультразвука преобразуют в энергию звукового поля энергию какого-либо другого вида.

Типы излучателей ультразвука

Наибольшее распространение в качестве излучателей ультразвука получили следующие типы электроакустических преобразователей:

• Пьезоэлектрические преобразователи
• Магнитострикционные преобразователи
• Электродинамические излучатели
• Электромагнитные излучатели
• Электростатические излучатели

Работа излучателей ультразвука

В излучателях ультразвука электрическая энергия преобразуется в энергию колебаний твердого тела, которое излучает акустические волны в окружающую среду. Преобразователи, как правило, линейны, и при больших амплитудах колебаний могут возникнуть нелинейные искажения.

Характеристики излучателя ультразвука

К основным характеристикам излучателей ультразвука относятся:

• Частотный спектр
• Излучаемая мощность звука
• Направленность излучения

Моночастотное излучение

Для моночастотного излучения важными являются:

• Рабочая частота излучателя ультразвука
• Частотная полоса, определяемая падением мощности

Резонансные излучатели

Для резонансных электроакустических преобразователей собственная частота и добротность определяют ширину полосы излучения.

Излучатели ультразвука характеризуются чувствительностью, электроакустическим коэффициентом полезного действия и собственным электрическим импедансом.

Чувствительность излучателя ультразвука – отношение звукового давления в максимуме характеристики направленности на определённом расстоянии от излучателя (чаще всего на расстоянии 1 м) к электрическому напряжению на нём или к протекающему в нём току. Эта характеристика применяется к излучателям ультразвука, используемым в системах звуковой сигнализации, в гидролокации и в других подобных устройствах. Для излучателей технологического назначения, применяемых, например, при ультразвуковых очистке, коагуляции, воздействии на химические процессы, основной характеристикой является мощность. Наряду с общей излучаемой мощностью, оцениваемой в Вт, излучатели ультразвука характеризуют удельной мощностью, т. е. средней мощностью, приходящейся на единицу площади излучающей поверхности, или усреднённой интенсивностью излучения в ближнем поле, оцениваемой в Вт/м2.

Эффективность электроакустических преобразователей, излучающих акустическую энергию в озвучиваемую среду, характеризуют величиной их электроакустического коэффициента полезного действия, представляющего собой отношение излучаемой акустической мощности к затрачиваемой электрической. В акустоэлектронике для оценки эффективности излучателей ультразвука используют так называемый коэффициент электрических потерь, равный отношению (в дБ) электрической мощности к акустической. Эффективность ультразвуковых инструментов, используемых при ультразвуковой сварке, механической обработке и тому подобное, характеризуют так называемым коэффициентом эффективности, представляющим собой отношение квадрата амплитуды колебательного смещения на рабочем конце концентратора к электрической мощности, потребляемой преобразователем. Иногда для характеристики преобразования энергии в излучателях ультразвука используют эффективный коэффициент электромеханической связи.

Звуковое поле излучателя

Рисунок 3 – Звуковое поле круглого излучателя

Положение последнего максимума N на акустической оси в свою очередь зависит от диаметра и длины волны и для дискового круглого излучателя выражается формулой

Однако поскольку D обычно значительно больше λ, уравнение можно упростить и привести к виду

Рисунок 4 – Ближняя и дальняя зоны звукового поля

Характеристики звукового поля определяются конструкцией ультразвукового преобразователя. Следовательно, от его формы зависит распространение звука в исследуемой области и чувствительность датчика.

Применение ультразвука

Многообразные применения ультразвука, при которых используются различные его особенности, можно условно разбить на три направления. Первое связано с получением информации посредством ультразвуковых волн, второе — с активным воздействием на вещество и третье — с обработкой и передачей сигналов (направления перечислены в порядке их исторического становления). При каждом конкретном применении используется ультразвук определённого частотного диапазона.

Получение информации с помощью ультразвуковых методов. Ультразвуковые методы широко используются в научных исследованиях для изучения свойств и строения веществ, для выяснения проходящих в них процессов на макро- и микроуровнях. Эти методы основаны главным образом на зависимости скорости распространения и затухания акустических волн от свойств веществ и от процессов, в них происходящих.

Воздействие ультразвука на вещество. Активное воздействие ультразвука на вещество, приводящее к необратимым изменениям в нём, или воздействие ультразвука на физические процессы, влияющее на их ход, обусловлено в большинстве случаев нелинейными эффектами в звуковом поле. Такое воздействие широко используется в промышленной технологии; при этом решаемые с помощью ультразвуковой технологии задачи, а также и сам механизм ультразвукового воздействия различны для разных сред.

Библиографический список

Корпускулярная теория света была предметом споров и восхищения на протяжении всей истории. От ранних исследований Исаака Ньютона до новейших достижений в области квантовой физики эта теория была ключом к пониманию природы света. В этой статье мы рассмотрим, что такое корпускулярная теория света и как она работает, углубившись в фундаментальные концепции, лежащие в ее основе. Приготовьтесь погрузиться в увлекательный мир света и раскрыть тайны его поведения.

Корпускулярная теория света: что это такое и как она работает?

Корпускулярная теория света — это древнее объяснение природы света, которое предполагает, что свет состоит из мельчайших частиц, называемых корпускулами. Эта теория была разработана Исааком Ньютоном в XNUMX веке и оказала большое влияние на понимание света, пока ей не бросила вызов волновая теория света Христиана Гюйгенса.

Согласно корпускулярной теории, свет распространяется прямолинейно в виде корпускул, представляющих собой чрезвычайно мелкие и безмассовые частицы. Эти частицы движутся с большой скоростью и могут отскакивать от поверхностей, что объясняет явление отражения света. Кроме того, корпускулярная теория также предполагает, что свет может поглощаться или излучаться объектами, что объясняет явление поглощения и излучения света.

Хотя корпускулярная теория света была широко принята в свое время, ей бросила вызов волновая теория света, которая предполагает, что свет распространяется в форме волн. Волновая теория была подкреплена экспериментами, продемонстрировавшими явления интерференции и дифракции света, которые не могли быть объяснены корпускулярной теорией.

Однако в XX веке и корпускулярная, и волновая теории оказались частично верными. Свет может вести себя либо как частица (корпускула), либо как волна, в зависимости от эксперимента и наблюдаемых условий. Этот корпускулярно-волновой дуализм света описывается квантовой теорией, которая сочетает в себе аспекты обеих теорий.

Чего не может объяснить корпускулярная теория

Корпускулярная теория света — это историческое объяснение природы света, предложенное такими учёными, как Исаак Ньютон, в XNUMX веке. Согласно этой теории, свет состоит из частиц, называемых «корпускулами», которые движутся с высокой скоростью. Эти частицы испускаются источниками света и движутся по прямой, пока не достигнут наших глаз или других объектов.

Корпускулярная теория света была разработана для объяснения таких явлений, как отражение и преломление света. Согласно этой теории, когда свет падает на поверхность, корпускулы сталкиваются с ней и отражаются в разные стороны. Это объясняет, почему мы видим наше изображение отраженным в зеркале или почему лучи света меняют направление при переходе из одной среды в другую, например, из воздуха в воду.

Однако корпускулярная теория света не могла адекватно объяснить такие явления, как интерференция и дифракция света, которые наблюдаются, когда свет проходит через небольшие отверстия или встречает препятствия. Эти явления невозможно удовлетворительно объяснить, используя только идею легких корпускул.

Впоследствии волновая теория света, предложенная такими учёными, как Кристиан Гюйгенс и Томас Янг, получила признание и более полно и точно объяснила явления интерференции и дифракции. Согласно этой теории, свет ведет себя как волна с гребнями и впадинами, распространяющимися во всех направлениях.

Хотя корпускулярная теория света устарела с точки зрения полного объяснения всех оптических явлений, ее историческое значение неоспоримо. Это был решающий шаг в понимании природы света и заложил основу для развития более продвинутых теорий.

Что такое эмиссионная или корпускулярная теория?

Корпускулярная теория света, также известная как эмиссионная теория или корпускулярная теория излучения, представляет собой теорию, объясняющую поведение света с точки зрения частиц, называемых корпускулами или фотонами. Эта теория была предложена Исааком Ньютоном в XNUMX веке и получила широкое признание до тех пор, пока волновая теория света, предложенная Гюйгенсом и Янгом, не приобрела популярность в XNUMX веке.

Согласно корпускулярной теории, свет состоит из крошечных дискретных частиц, называемых фотонами. Эти фотоны обладают определенной энергией и перемещаются в пространстве по прямой линии с постоянной скоростью, равной скорости света. Когда фотоны взаимодействуют с веществом, они могут поглощаться, отражаться или передаваться в зависимости от свойств вещества.

Одной из ключевых особенностей корпускулярной теории является то, что она объясняет такие явления, как отражение и преломление света. Согласно этой теории, когда свет падает на поверхность, фотоны сталкиваются с электронами атомов на поверхности. Если энергия фотонов совпадает с энергией электронов, фотоны поглощаются, а свет отражается. Если энергия фотонов меньше энергии электронов, фотоны проходят через поверхность.

Корпускулярная теория может также объяснить явление дисперсии света, то есть процесса разделения света на разные цвета при прохождении через призму. Согласно этой теории, фотоны белого света имеют разные энергии и скорости, что приводит к разным углам отклонения при прохождении через призму.

Важно отметить, что, хотя корпускулярная теория была широко принята в то время, она была заменена волновой теорией света из-за ее неспособности объяснить такие явления, как интерференция и дифракция света. Однако корпускулярная теория остается актуальной при изучении взаимодействия света с веществом на субатомном уровне.

Итак, вот оно! Корпускулярная теория света подобна вечеринке в вашем мозгу, где фотоны — это рок-звезды, а электроны танцуют в ритме энергии. Теперь вы можете произвести впечатление на своих друзей своими знаниями о том, как работает свет. И помните, всегда светите своим собственным светом! Дерзайте, электронные друзья!