Ocena brak

Ultra i infradźwięki

Autor /Jerry Dodano /04.10.2011

Periodyczne drgania cząsteczek materialnych otaczającego środowiska tworzą zespół zjawisk akustycznych. Fala akustyczna wiąże się z ruchem cząsteczek ośrodka. W określonej jednostce czasu dochodzić więc będzie do powtarzania tej samej fazy ruchu. Powtarzalność tą wyrażamy liczbą cykli drgań zachodzących w ciągu sekundy i stanowi ona najogólniej mówiąc częstotliwość (f, ν) drgań, której jednostką jest herc (Hz).

Zakres częstotliwości spotykanych zjawisk akustycznych jest zwykle szeroki, sięga bowiem od wartości ułamkowych do 10-----10 drgań na sekundę. Przyjmowany obecnie podział fal akustycznych obejmuje:

Infradźwięki Poniżej 16Hz

Dźwięki słyszalne Od 16 Hz do 16kHz

Ultradźwięki Od 16 kHz do 10 GHz

Hyperdźwięki Powyżej 10 GHz

Omawiane jednak będą tylko ultradźwięki i infradźwięki. Jednak drgania wszystkich wymienionych grup podlegają tym samym prawom akustyki. Dlatego należy wspomnieć o innych cechach charakterystycznych a mianowicie o prędkości i długości fali. Wspominając o pojawieniu się zagęszczeń i rozszerzeń ośrodka możemy stwierdzić nie tylko ich okresowość lecz również uwidocznić ich położenie.

Odległość dwóch najbliższych sobie drgających cząsteczek znajdujących się w tej samej fazie wychylenia odpowiada długości fali akustycznej.

Zaburzenie w określonym ośrodku materialnym spowodowane ruchem drgającym cząsteczek przenosi się po liniach prostych z jednostajną linią (v), zależną od takich właściwości danego ośrodka jak sprężystość i gęstość. Prędkość ta nie zależy natomiast od częstotliwości drgań. Toteż w różnych ośrodkach kształtuje się ona w następujący sposób:

Rodzaj ośrodka Prędkość (m/s)

Guma 40 – 200

Powietrze 331

Wosk 808

Woda 1485

Tkanki zwierzęce 1600

Beton 4000

Żelazo 5100

Szkło 5200

W tkankach miękkich człowieka jest ona zbliżona swą wielkości do prędkości w wodzie, w kościach zaś jest znacznie większa.

Ponieważ między częstotliwością drgań (f), prędkością rozchodzenia się fali (v) oraz długością (λ) istnieje powiązanie wyrażone wzorem:

v

λ= ----

f

to można ogólnie przyjąć, że długość fali jest odwrotnie proporcjonalna do częstotliwości drgania akustycznego. Skąd długość fali infradźwiękowej będzie sięgała dziesiątek i setek metrów, w zależności od rodzaju i stanu ośrodka. Natomiast fala ultradźwiękowa w tych warunkach ma długość wyrażoną w milimetrach. Częstotliwość drgań i odpowiadające im długości przedstawiono poniżej.

W innych ośrodkach niż powietrze długości fali będą się przedstawiały następująco: - Przy rozchodzeniu się infradźwięków o f=2Hz w wodzie długość fali wynosi 470m, zaś ultradźwięków f=20kHz – 74mm, a przy f=2MHz, tylko 0,74mm; - Przy rozchodzeniu się w szkle infradźwięków o częstotliwości o częstotliwości f=2Hz λ wynosi 2595m, przy f= 20kHz równa się 259cm, a przy f= 2MHz, długość fali osiąga wartość 2,59mm.

Natężenie.

Rozprzestrzenianiu się drgań akustycznych towarzyszy przenoszenie odpowiedniej dawki energii akustycznej wzdłuż rozchodzenia się fali , poczynając od źródła drgań. Cząstki ośrodka drgającego znajdują się w ruchu, przekazując sobie wzajemnie energie. I tak np.: płytka kwarcowa drgając w wodzie przekazuje swe drgania drobinom wody przylegającym do jej powierzchni. Te cząsteczki z kolei przekazują energię następnym warstwom itd. Dochodzi wówczas do przekazywania energii w kierunku rozprzestrzeniania się fali do czasu napotkania przeszkody o innym stanie skupienia. Wartości przekazywanej energii odpowiada w akustyce natężenie dźwięku. Określając bliżej chodzi o przekazanie dawki energii na powierzchnie ośrodka znajdującego się w prostopadłym położeniu do kierunku rozchodzenia się fali akustycznej. Jest to równoznaczne stosunkowi mocy do powierzchni, a wartość natężenia wyraża się w W/cm2.

Dla ucha ludzkiego rozpiętość natężeń odbieranych jako wrażenie dźwiękowe jest niezwykle duża, waha się bowiem od wartości progowej do wartości wywołującej uczucie bólu przy stosunku natężeń = 1013. Wartość progowa natężenia dźwięku o częstotliwości 1000Hz, która staje się słyszalna dla człowieka, wyraża się wielkością 10-16 W/cm2, zaś wartość odpowiadająca pojawieniu się uczucia bólu - 10-3 W/cm2. Operowanie jednak tymi wielkościami dla celów pomiarowych jest jednak dosyć kłopotliwe, z tego względu powszechnie została przyjęta logarytmiczna skala decybelowa (dB).

Według niej wartości progowej dla ucha ludzkiego odpowiada 10dB, wartości bólowej zaś 130dB. Wprawdzie najpowszechniej stykamy się z skalą decybelową do opisu poziomu natężenia wrażeń słuchowych wywołanych audioakustycznym zakresem drgań, to jednak w przypadku zakresu infra- lub ultradźwiękowego używa się tej skali też do wyrażania poziomu ich natężenia. Należy podkreślić, że w wielu przypadkach drgań pozasłuchowych istnieje wyraźne przekroczenie wartości 120dB. Dotyczy to jednak nie naturalnych źródeł lecz przede wszystkim urządzeń umyślnie wytwarzających te drgania.

Przy analizie ultradźwięków miarodajną wielkością określającą wywołany efekt jest natężenie , a nie całkowita moc akustyczna źródła. Wiemy, że wartością natężenia dźwięku wywołującego uczucie bólu jest natężenie równe 10-3 W/cm2, a więc w paśmie ultradźwięków o wysokiej częstotliwości mogą być wytworzone natężenia dochodzące nawet do 1000W/cm2. Wprawdzie w technice ultradźwiękowej najczęściej stosowane są natężenia osiągające wartość od ułamków do kilku W/cm2, to ostatnio uczonym rosyjskim udało się otrzymać w laboratorium, przy odpowiedniej koncentracji fali natężenie rzędu 50000 W/cm2. W wykorzystaniu ultradźwięków stosuje się wg. propozycji Romińskiego podział na trzy zakresy, a mianowicie:

- Drgania ultradźwiękowe o niskim natężeniu – do 1 W/cm2

- Drgania ultradźwiękowe o średnim natężeniu – do 10 W/cm2

- Drgania ultradźwiękowe o dużym natężeniu – od 10W/cm2.

Aby zobrazować występujące natężenia ultradźwięków można przytoczyć dla porównania, że natężenie akustyczne odbierane z odległości 10m od strzelającego działa artyleryjskiego wynosi zaledwie 3,2·10-3 W/cm2.

Podobne prace

Do góry