Исследование частотного преобразования акустического сигнала
Дипломная работа - Компьютеры, программирование
Другие дипломы по предмету Компьютеры, программирование
ых колебаний объединяет один физический факт - всегда направление переноса ультразвуковой энергии совпадает с направлением, в котором колеблются материальные частицы среды или материала. Реально в окружающем нас пространстве, в контролируемых с помощью ультразвука изделиях, в анизотропных средах, на границах раздела сред и т.п. в силу неоднородности последних всегда имеем дело с совокупностью видов звуковых и ультразвуковых колебаний.
Кроме того, при некоторых условиях возможны резонансные явления, а также явления сложения и вычитания (компенсация) колебаний. По этой причине, по аналогии с электромагнитным полем, следует говорить об акустическом поле.
Анализировать и аналитически описать звуковое поле весьма сложно. Основополагающие законы ультразвука получены в результате исследования одной продольной волны, но они как исходные, применяются и для анализа сложных акустических полей.
Законы акустики слышимого диапазона действуют без изменения в области ультразвука. Однако наблюдаются некоторые особые явления, не имеющие места в слышимом диапазоне, и обусловленные очень малыми длинами волн ультразвукового диапазона.
В первую очередь, это возможность визуального наблюдения ультразвуковых волн оптическими методами, которая позволяет реализовать многочисленные способы измерения различных констант материалов.
Ультразвуковой диапазон позволил создать новый класс акустооптических приборов и новое научно-техническое направление - акустооптику. Далее, благодаря малым длинам ультразвуковой волны допускают отличную фокусировку и, следовательно, получение остронаправленного излучения. Здесь можно говорить об ультразвуковых лучах и строить на их основе звукооптические системы, обладающие повышенной локальностью при контроле и диагностике изделий.
Сравнительно простыми техническими средствами удается получить ультразвуковые колебания больших интенсивностей, которые трудно получить в акустике слышимого диапазона. Последнее позволяет строить мощные гидролокационные станции, и применять ультразвук в различных технологических процессах в качестве своеобразного и эффективного инструмента при обработке твердых материалов и изделий, а также при смешивании, или разделении материалов, находящихся в жидкой фазе.
Прежде чем говорить о физических методах получения информации с помощью ультразвука, необходимо рассматривать основные законы распространения ультразвука и выявить величины, характеризующие звуковое поле и обладающие признаками информативности.
Таким образом, теория ультразвуковых колебаний является основой построения и применения ультразвуковых технических средств контроля, измерений и диагностики, т.е. технических средств получения полезной информации с использованием ультразвуковых колебаний.
1.1.2 Отражение и преломление звука. Прохождение звука через границу раздела двух сред
При падении плоской звуковой волны на границу раздела двух сред, обладающих различными плоскостями и скоростями звука (т.е. с разными акустическими сопротивлениями), часть энергии отражается, а другая проходит во вторую среду.
Причем, угол отражения равен углу падения, а энергия, проходящая во вторую среду, подчиняется закону преломления Снеллиуса, который гласит, что отношение синусов углов падения и отражения равно отношению скоростей звука в обеих средах.
Здесь видна определенная внешняя аналогия с прохождением раздела двух сред электромагнитными волнами, хотя физическая природа акустического и электромагнитного полей принципиально различны.
Но общность в том, что отношение скоростей звука и относительных диэлектрических проницаемостей сред, называют показателем, или коэффициентом преломления первой среды по отношению ко второй.
Относительные интенсивности (по амплитуде, или по силе звука, или по мощности) отраженной и преломленной звуковых волн определяются известными соотношениями Релея.
Эти соотношения справедливы только для сред без потерь, в которых отсутствует затухание, т.е. поглощение звука, а граница раздела сред плоская, достаточно протяженная, микронеровности которой много меньше длины звуковой волны. Такие условия, как правило, на практике выполняются только в частных случаях. Поэтому подробно рассматривать соотношения Релея в общем виде не будем, а остановимся на анализе частных случаев, которые характерны для акустических средств измерений и дефектоскопии.
Таким частным, но важным случаем, в технике акустических измерений является случай нормального падения звуковой волны на границу раздела сред и материалов. Для этого варианта отражения от границы сред будут отсутствовать при равенстве акустических сопротивлений сред, т.е. тогда, когда
(1.1)
Выражение определяет требование полного согласования сред, которое всегда стремятся выполнить разработчики акустических средств измерений при проектировании их измерительных каналов: источник ультразвука - объект контроля - акустический приемный датчик-преобразователь, что гарантировало бы максимальную энергетическую эффективность зондирующего излучения.
Введем коэффициент, определяющий отношение акустических сопротивлений обеих сред (материалов),
(1.2)
тогда, исходя из соотношения Релея, можем найти коэффициент отражения Г от границы раздела сред при нормальном падении волны
(1.3)
Формула дает значение коэффициента отражени