Механические (упругие) волны. Звук

МЕХАНИЧЕСКИЕ (УПРУГИЕ) ВОЛНЫ. ЗВУК [c.315]

ОТДЕЛ IV. гл. 3. МЕХАНИЧЕСКИЕ (УПРУГИЕ) ВОЛНЫ. ЗВУК [c.318]

Кристаллы кубической системы оптически изотропны, т. е. скорость света в них по всем направлениям одинакова. Будет ли это утверждение справедливо и для звука, т. е. для механических упругих волн [c.186]

Пособие состоит из двух частей, В первой исследована теория колебаний механических систем с сосредоточенными и распределенными параметрами колебания с одной и двумя степенями свободы методы электромеханических аналогий. Рассмотрены также упругие волны в газах и жидкостях, законы отражения и преломления плоских волн через границу раздела двух сред, а также законы прохождения и отражения звука от границ и плоских пластин. [c.2]

Как видно, здесь мы имеем существенное отличие характера поглощения упругих волн по сравнению с жидкостями и газами, где поглощение пропорционально квадрату частоты. Такой характер поглощения в твердых телах принято объяснять тем, что при прохождении упругой волны в твердом теле, упругость которого несовершенна, возникают потери на гистерезис. На рис. 277 схематически была представлена кривая, представляющая зависимость напряжения от деформации из этой кривой видно, что деформация точно не повторяется в течение цикла образуется петля, так называемая петля гистерезиса. Площадь этой петли характеризует ту механическую энергию, которая теряется в форме тепла ). На приведенном рисунке показан случай преувеличенной величины гистерезисной петли. В действительности, если бы для таких хорошо проводящих звук тел, как плавленый кварц, стекло и пр., мы какими-либо статическими методами, т. е. прикладывая какую-либо нагрузку к образцу и снимая ее, измеряя при этом величины деформации, попытались бы найти различие в поведении кривой деформации в зависимости от напряжения, то никакой гистерезисной петли мы не обнаружили бы. Этот эффект при малых деформациях, которые обычно имеют место при распространении упругих волн, чрезвычайно мал. Однако для упругих волн достаточно высокой частоты, при прохождении импульса давления, каждый слой материала поочередно совершает описанный выше цикл, число которых на ультразвуковых частотах составляет миллионы в секунду. Поэтому хотя сама гистерезисная петля может иметь ничтожную площадь, при большом числе циклов в секунду эффект накапливается и становится существенным. Из приведенных соображений ясно, что при гистерезисе потери должны быть пропорциональны числу циклов в секунду, т. е. поглощение упругих волн при этом должно быть пропорционально частоте, что стоит в согласии с приведенными выше экспериментальными данными. [c.478]

Общей, или классической, акустикой называют раздел физики, имеющий дело с упругими колебаниями и волнами в классической сплои ной среде в случае, когда длины волн значительно больше расстояний между атомами и молекулами. Другими словами, общая акустика — это часть механики сплошных сред (гидродинамики и теории упругости), изучающая колебательные и волновые процессы. Если же среда характеризуется не только механическими, но и другими физическими свойствами (например, наличием пьезоэлектричества, фотоупругости, магнитных свойств и т. д.), то процесс распространения звука в такой среде может существенно зависеть от этих свойств. Для описания акустических явлений в этом случае уже недостаточно традиционных представлений механики сплошных сред. Необходимо использовать более общие модели, основанные на рассмотрении соответствующих явлений на макро- и микроуровнях. Это относится к взаимодействиям звука с тепловыми упругими волнами в кристаллах — фононами, взаимодействиям со светом — фотонами (акустооптика), со свободными носителями заряда — электронами (акустоэлектроника), с возбуждениями в магнитоупорядоченных кристаллах — магнонами. Когда длина волны становится сравнимой с параметром решетки кристалла, возникают специфические явления, которые также не могут быть описаны в рамках классической механики сплошных сред. [c.6]

Дисперсионные кривые для всех типов волн, распространяющихся вдоль оси анизотропии ферромагнетика в магнитостатическом приближении изображены на рис. 14.4. Видно, что в данном случае имеется четыре дисперсионные ветви, что и следовало ожидать в соответствии с общими представлениями о связанных волнах. Ветвь I отвечает невзаимодействующей со спиновой системой продольной звуковой волне, а ветвь 3 — поперечной магнитоупругой волне с правой круговой поляризацией, слабо взаимодействующей со спиновой волной. Кривые 2 и 4 при к>кд отвечают взаимодействующим поперечной магнитоупругой волне с левой круговой поляризацией и спиновой волне. При как ситуация меняется на обратную — ветвь 2 соответствует спиновой волне, а ветвь 4 — звуковой. Волны 2 и часто называют связанными магнитоупругими волнами. Подчеркнем еще раз, что каждая из распространяющихся волн характеризуется при этом как упругими смещениями, так и магнитными моментами, причем, как следует из (3.2), доля магнитной части в упругой волне и доля механической части в спиновой особенно значительны (одного порядка) при со , (й)-- сО( (й), т. е. в области магнитоакустического резонанса. Таким образом, возбуждение звука с помощью магнитных колебаний и, наоборот, спиновых волн посредством механических колебаний наиболее эффективно при со (й) со, (й). Частот магнитоакустического резонанса, очевидно, две. Одна из них, низшая, практически совпадает с со(0) и для типичных параметров, используемых в эксперименте, составляет - 10 ГГц. Вторая частота лежит в области частот, близких к предельным частотам колебаний кристаллической решетки. Таким образом, явление магнитоакустического резонанса может быть использовано для генерации гиперзвука. [c.377]

Если к телу приложить силу, то в нем всегда должна создаться упругая волна. Однако в обычных задачах теоретической механики упругие волны не учитывают. Например, изучая движение свободного тела, возникающее под действием прикладываемой к телу силы, считают, что ускорение получает сразу все тело в целом, а не только участок приложения силы, затем соседний участок и т. д. Аналогично, рассматривая действие силы на закрепленное тело, считают, что тело, деформируясь, приходит в равновесие все сразу, во всех своих частях. Такой подход равносилен предположению, что скорость звука в теле бесконечна. В первом примере это соответствует абсолютно жесткому телу (бесконечная упругость), а во втором—безмассовому телу. Механические задачи при таком подходе сильно упрощаются. В частности, оказывается возможным в каждой задаче учитывать либо только массу тела (первый пример), либо только его упругие свойства (второй пример). [c.10]

Рассмотрим физический смысл задачи. Переменная сила давления звуковых волн p(t) на подвижную пластину конденсатора (диафрагму), упруго скрепленную со второй, неподвижной его пластиной, вызывает механические колебания диафрагмы. Электрическая цепь имеет источник постоянного напряжения Е, заряжающий конденсатор. Емкость конденсатора в первом приближении обратно пропорциональна расстоянию между его пластинами она меняется при колебаниях диафрагмы и влияет на силу тока в цепи, изменяя также выходное напряжение tio t), которое и обеспечивает в дальнейшем воспроизведение звука. На рис. 5 дана общая схема устройства. [c.119]

При трении твердых тел возникает спектр различных упругих и пластических волн, состоящих из сложного ряда различных гармоник, начиная от частот слышимых звуков и кончая ультразвуковыми и др. Этот процесс превращения механической энергии движущегося тела в энергию волновых и колебательных движений отдельных групп и частиц материи, составляющих данное тело, происходит динамически, со сложной взаимосвязью. [c.135]

Вряд ли имеется надобность анализировать построение Теории звука . Тщательно продуманная структура книги полностью ясна из подробного оглавления, составленного самим автором. Первый том посвящен общей теории линейных колебательных систем, в особенности механических, второй — распространению волн в упругой среде. [c.10]

Волна — это процесс распространения колебаний в пространстве. Волны могут иметь различную природу. Механические волны (см. ЕЗ.З, Е3.4) — процесс распространения колебаний частиц среды. К ним относятся упругие (в том числе звук) волны на поверхности жидкости. Электромагнитные волны — процесс распространения колебаний электрического и магнитного полей (см. Е5). [c.155]

Это обстоятельство может служить замечательной иллюстрацией интуитивной консервативности человеческого мышления. Более двух с половиной веков, от времен Ньютона до конца прошлого столетия, механика рассматривалась как прямая и единственная основа всей физики. Под словами понять или объяснить какое-либо физическое явление имели в виду построение его механической модели, причем выражение модель понималось буквально, в смысле какой-либо реальной конструкции из предметов, подчиняющихся законам классической механики. Так для объяснения распространения световых волн была придумана специальная заполняющая все пространство упругая среда — мировой эфир , — в котором световые колебания распространялись так же, как звук в твердых телах. Создатель современной электродинамики Максвелл потратил немало сил на попытки так оборудовать эту среду, чтобы она описывалась бы выведенными им уравнениями дело доходило до напоминающих часовой механизм моделей с колесами и зубчатыми передачами. Только к концу прошлого века физикам пришлось примириться с тем, что новые области физических явлений — тогда в первую очередь шла речь об электродинамике — принципиально несводимы к механике. В связи с этим место реальных механических моделей начали занимать в физике модели математические, от которых уже требовалось не конструкционное тождество с объектом, а только математически аналогичное описание — н что же, в качестве материала для построения таких моделей мы опять используем механические уравнения [c.11]

УПРОЧНЕНИЕ металлов, повышение сопротивляемости металлов и сплавов лластич. деформации или разрушению в результате затруднения движения дислокаций и их размножения. У. явл. лроцессом повышения предела текучести при пластич. деформации. УПРУГАЯ ДЕФОРМАЦИЯ, см. Деформация механическая. УПРУГИЕ ВОЛНЫ, упругие возмущения, распространяющиеся в твёрдой, жидкой и газообразной средах, напр, волны, возникающие в земной коре при землетрясениях, звук, и ультразвук, волны в жидкостях, газах и ТВ. телах. При распространении У. в. в среде возникают механич. деформации сжатия и сдвига, к-рые переносятся волной из одной точки среды в другую. При этом имеет место перенос энергии упругой деформацид в отсутствие потока в-ва (исключая особые случаи, напр, акустические течения). Всякая гармонич. У. в. характеризуется амплитудой колебательного смещения частиц среды и его направлением, колебательной скоростью частиц, переменным механич. напряжением и деформацией (к-рые в общем случае явл. тензорными величинами), частотой колебаний ч-ц среды, длиной волны, фазовой и групповой скоростями, а также законом распределения смещений и напряжений по фронту волны. [c.787]

Как известно, в пластинке кварца или турмалина можно возбудить механические колебания очень большой частоты (до 10 Гц). Такад колеблющаяся пластинка излучает упругие (ультра-акустические) волны, которые со скоростью звука распространяются в окружающей среде. Поместив колеблющийся кварц в какую-нибудь жидкость, например ксилол, мы получим ультраакустичес-кне волны в этой жидкости. Упругая волна в жидкости есть волна [c.232]

Переходное излучение возникает при равномерном и прямолинейном движении источника возмущений, не обладающего собственной частотой, в неоднородной среде или вблизи такой среды [6.16]. Впервые этот эффект был описан В.Л. Гинзбургом и И.М. Франком [6.17], ко-торые проанализировали излучение электромагнитных волн, возни кающее при пересечении заряженной частицей границы раздела вакуум-идеальный проводник. Уже из первых работ, посвященных переходному излучению, стало очевидно, что данный эффект является общефизическим , т.е. имеет место для волн различной физической природы. Вследствие этого, наряду с интенсивными исследо ваниями переходного излучения электромагнитных волн, начиная с 1962 г., начали появляться работы по переходному излучению звука 6.20]. К настоящему времени переходному излучению волн посвящено огромное количество статей, несколько обзоров [6.15, 6.28], в 1984 г. вышла монография [6.16], достаточно полно осветившая переходное излучение в классической электродинамике. Настоящая глава посвящена переходному излучению упругих волн, возбуждаемых движущимися по неоднородным упругим системам механическими объектами. Наглядным примером такой системы является железнодо рожный путь. Колеса поезда, прижатые силой тяжести к рельсам, возбуждают в пути упругие волны. Упругие волны возбуждает и движущийся пантограф (токосъемник) поезда, взаимодействующий с проводами системы токосъема. Здесь излучение обусловлено наличием в подвеске зажимов, фиксаторов, воздушных стрелок и т.п. [c.231]

Распространяющиеся в воздухе упругие волны, достигнув человеческого уха, вызывают специфическое ощущение звука, если частота этих волн лежит в пределах от 20 до 20 000 Гц. Поэтому такие волны называют звуковыми. В узком смысле слова акустикой называют учение о звуке. Однако в настоящее время акустика занимается и теми механическими волнами, которые не воспринимаются ухом человека и могут распространяться не только в воздухе, но и в любой другой среде. Улругие волны с частотой, меньшей 20 Гц, называют инфразвуком волны с ча-стотой, превышающей 20 ООО Гц, называют ультразвуком. Звуковые волны в жидкостях и газах могут быть только продольными. [c.390]

Расчленение процесса удара. Герц ), первым высказал важное для рассмотрения всех ударов предположение, что продолжительность удара гораздо больше того времени, которое требуется упругой волне для пробега через ударяющие тела. При большой скорости звука твердых тел (у стекла и железа около 5000 м сек , у дерева 3000 до 4000 м сек ) это легко можно было ожидать у небольших тел. Правильность предположения Герца была подтверждена опытами, произведенными Гамбургером 2) и Бергером З). Каждое возвращение волны удара связано с вздрагиванием поверхности удара и является, следовательно, нарушением действительного процесса удара. Вследствие колебаний, испытываемых телами от ударов, происходит потеря механической энергии, потому что энергия колебаний не может быть обратно использована, а в конце-концов переходит в тепловую энергию. Явления колебания поэтому представляют собою нарушения действительного процесса удара. При центральном ударе двух шаров или других тел, имеющих во все стороны приблизительно одинаковые размеры, колебания при ударе в общем не играют большой роли. На расчленение удара на действительный процесс удара и на колебательный удар, который следует рассматривать как нарушение, указал, главным образом, и Рамзауэр ). [c.326]

В анизотропных средах наблюдаются весьма интересные явления, обусловленные взаимодействием упругих волн с физическими полями другой природы и не проявляющиеся в изотропной среде. Наибольшее практическое значение из них имеет пьезоэффект, используемый для преобразования электромагнитной энергии в акустическую и обратно, на чем основаны излучение и прием звука. Пьезоэффек т заключается в том, что в кристаллах определенных типов симметрии механические напряжения, возникающие при помещении тела в электрическое поле, пропорциональны его напряженности. Такие вещества назьшают пье зоэлектриками. Имеет место и обратный эффект при деформации пьезоэтектрика в нем появляется поле, пропорциональное величине деформаций. Математически это выражается равенствами [170, 17] [c.153]

Упругие колебания и волны. Упругость — это свойство твердых тел восстанавливать свои форму и объем (а жидкостей и газов — только объем) после прекращения действия внешних сил. Среду, обладающую упругостью, называют упругой средой. Упругие колебания — это колебания механических систем, упругой среды или ее части, возникающие под действием механического возмущения. Упругие или акустические волны — механические возмущения, распространяющиеся в упругой среде. Частный случай акустических волн — слышимый человеком звук, отсюда происходит термин акустика (от греч. акизйкоз — слуховой) в широком смысле слова—-учение об упругих волнах, в узком — учение о звуке. В зависимости от частоты упругие колебания и волны называют по-разному (табл. В.1). [c.5]

Резонансные частоты колебаний пластинок по толщине, на которых их механический импеданс минимален, определяются условием кратности толщины целому нечетному числу полуволн h = (2я - 1)Х/2, п= 1, 2,.... Отсюда для низшей резонансной частоты/, обычно используемой для наиболее эффективного возбуждения и регистрации акустических колебаний, h = l2f , т.е. hfh = с 2 = Kff, является константой материала, равной половине скорости упругой волны в направлении толщины. Обычно величину Kf выражают в килогерцах, умноженных на миллиметр, и для определения резонансной частоты пластинки с известной толщиной достаточно частотную постоянную разделить на значение толщины в миллиметрах. Для колебаний стержневых преобразователей значение частотной постоянной Kfi будет меньшим (стержневая скорость звука меньше, чем у тела с поперечными размерами, существенно превышающими длину волны). [c.93]

Звук распространен в виде переменного возмущения упругой среды, т. е. в виде звуковых волн. Звуковыми колебаниями называют колебательные движения частиц среды под действием этого возмущения. Пространство, в котором происходит распространение этих волн, называют звуковым полем. Если источник возмущения известен, то пространство, в котором могут быть обцару-жен1 звуковые колебания, создаваемые этим источником, называют звуковым полем данного источника звука. Звуковые колебания являются частным случаем механических колебаний. [c.6]

Обратимся сначала к импедансу источника. Когда мы имеем дело с механизмом, установленным на пружинном амортизаторе, то при изменении упругости амортизатора сила, действующая на механизм, существенно не меняется. Другими словами, импеданс источника в этом случае велик. Точно так же глушитель не повлияет существенно на импульсы, излучаемые двигателем при выхлопе, если противодавление остается малым. Импеданс на входе расширительной камеры мал, так как ее поперечник велик импеданс на входе выхлопного патрубка велик, так как его поперечник мал наконец, импеданс наружной свободной атмосферы на выходе патрубка мал (напомним, что его малой величиной обусловлено возникновение стоячих волн в трубе, см. гл. 3). Все эти нарушения согласования между импедансами и приводят к ослаблению волны, проходящей через глушитель. Поэтому же, изменив импеданс источника или нагрузки на выходе, мы изменим и эффективность глушителя. В качестве примера источника звука, обладающего малым импедансом, можно привести громкоговоритель. Следовательно, если проводить испытания реактивного глушителя, пользуясь громкоговорителем как источником изолируемого шума, можно будет прийти к излишне пессимистическим заключениям. Аналогично, изменяя что-либо в выхлопном патрубке, например присоединяя его еше к одному глушителю, можно понизить эффективность первого глушителя, потому что изменится импеданс нагрузки. Подобные соображения показывают, почему в механических системах при закреплении пружин амортизатора на массивном основании получается лучшая виброизоляция, чем при закреплении на легком или податли вом основании. [c.255]

Второй период охватывает время от конца 17-го до 20-х годов нашего века. И. Ньютон создает основу механики. Р. Гук (Англия) на опыте устанавливает пропорциональность мевду напряжениями и деф01ялациями в твердых телах - основной закон теории упругости. Х.Гюйгенс (Голландия) формулирует важный принцип - так называемый принцип Гюйгенса в волновом движении. С этого времени начи-назтся расцвет классической физики. Механика, гидродинамика и теория упругости, математическая физика, теория колебаний и волн, акустика и оптика развиваются в тесной взаимосвязи. В этот период акустика развивается как раздел механики. Создается общая теория механических колебаний, теория излучения и распространения упругих (звуковых) волн в различных средах, разрабатываются методы измерения характеристик звука (скорости звука, звукового давления в среде, импульса, энергии и потока знергии звуковых волн). Диапазон частот звуковых волн рася иряется и охватывает как область инфразвука, так и ультразвука (свыше 20 кГц).Выяо- [c.5]

Дифракцп . , или рассеяние света на звуке феноменологически можно описать, если в уравнениях состояния среды учесть нелинейные перекрестные члены, отвечающие электромагнитному полю и упругим деформациям. Электромагнитная и акустическая волны должны при этом удовлетворять соответственно уравнениям Максвелла и механическому уравнению движения. Единственный перекрестный член, отвечающий за взаимодействие, появляется в уравнении состояния для индукции, которое будет теперь выглядеть следующим образом (см. также (11.2.3)) [c.340]

В настоящей главе мы кратко рассмотрим некоторые особенности распространения волн в магнитоупорядоченных кристаллах. Интерес к этой проблеме связан, во-первых, с тем, что изучение магнитных и упругих колебаний атомов в таких кристаллах представляет собой физическую основу многочисленных методов возбуждения звука магнитным полем. Во-вторых, некоторые свойства различных типов волн в магнитоупорядоченных кристаллах перспективны для использования в устройствах обработки сигналов. Хотя главное внимание ниже мы уделим квазиакустическим волнам, т. е. волнам, переносящим в основном механическую энергию, будут затронуты и основы теории спиновых волн. Ознакомление с особенностями этого специфического вида волнового движения в магнитоупорядоченных кристаллах необходимо для понимания свойств акустических колебаний. [c.368]

Стандарт ФРГ ДИН-1320 (1959 г.) определяет понятие звук как механические колебаинн н волны в упругой среде, преимущественно в слышимом человеком диапазоне частот (16—20000 Гп) н описываст тем самым физически измеряемые смещения зрительно воспринимаемых объектов. То, что человек слышит, т. е. его акустическое восприятие, в данном определении участвует лишь косвенно в виде дополнительного указания в слышимом человеком днапаэспе частот . [c.6]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...