Затухание звука при распространении его в слоистых средах



Во всяческих научных трактатах по акустике твердых сред и сейсморазведке на первом месте по популярности стоит скорость (кинематические характеристики поля упругих колебаний), а на втором - затухание. Способа определить уровень (величину) поля упругих колебаний не существует, а, следовательно, не существует и метрологически корректных способов измерения затухания, и поэтому разного рода формулировок, мнений, запретов и т.п. - больше, чем достаточно. Так, любые непонятности в результатах акустических измерений можно не задумываясь объяснять своеобразием затухания, а еще лучше - поглощением, и никто возражать не будет.
То, что поглощение существует - бесспорно. Ведь любой акустический сигнал рано или поздно исчезнет, перейдя в тепло. Но вот оценить скорость этого перехода является серьезной, и пока еще неразрешенной проблемой. Для обычных звукопроводящих сред при небольшой протяженности измерительной базы затуханием как следствием поглощения можно пренебречь. О том, что для сред типа стекла и оргстекла это именно так, свидетельствует то, что в пластинах из этих материалов можно наблюдать эффект монохроматора. Наличие ощутимого поглощения привело бы к тому, что отражение на частоте монохроматора не исчезало бы.
При рассмотрении поля упругих колебаний в слоистой среде представляет интерес его затухание при распространении как вдоль, так и поперек поверхностей напластования.
На рис.15 приведены результаты исследований затухания звука при распространении вдоль слоев. График а иллюстрирует зависимость величины акустического сигнала от расстояния между излучателем и приемником в случае, когда и излучатель и приемник находятся на одной и той же поверхности листа из оргстекла.


Рис. 15  - Результаты исследований затухания звука при распространении вдоль слоев.

Источник ударного воздействия представляет собой устройство, с помощью которого маленький стальной шарик может падать на исследуемую пластину с одной и той же высоты, и в одну и ту же точку. Размеры исследуемой плоскопараллельной структуры должны быть такими, чтобы, работая примерно в середине ее, иметь расстояние от преобразователя до ближайшего края пластины существенно бóльшим, чем lmax. Это необходимо для того, чтобы отраженный от края пластины сигнал оказался разделенным с прямым сигналом, возникающим в результате ударного воздействия.
График а полностью соответствует существующим представлениям, и большая крутизна графика при l<h соответствует распространению сферических волн, а при l>h крутизна уменьшается, и скорость затухания ( A/ l) становится соответствующим закону затухания волн цилиндрических. Здесь l0 - то минимальное значение измерительной базы, меньше которого погрешность измерений становится недопустимой. Значение амплитуды сигнала при l=l0 принято равным единице. На расстоянии от источника, равном (2÷3)h, сигнал уменьшается настолько, что воспринимается где-то на уровне помех. Такой результат показывает, что такое исследование затухания звука в слоях правомерно.
Совсем иное дело, когда подобные же исследования осуществляются на листе из материала ряда стекла. Это проиллюстрировано на рис.15 графиком б. Первоначально, при малых значениях измерительной базы, сигнал точно так же уменьшается с увеличением l. А затем, при дальнейшем удалении от источника, сигнал, вместо того чтобы уменьшаться - увеличивается, и при l h график имеет положительный экстремум. При дальнейшем увеличении l сигнал несколько уменьшается, а затем остается по амплитуде примерно таким же, не уменьшаясь с удалением от источника. Здесь два момента, которые не укладываются в общепринятую картину.
Во-первых, наличие участка, на котором происходит увеличение сигнала с удалением от источника. На практике, этот момент известен. При сейсморазведочных работах, на малых базах этот экстремум наблюдается практически всегда. При сейсмоакустических измерениях в угольных шахтах, также на малых базах, мы неоднократно наблюдали зону, в которой звук при удалении от источника не уменьшается, а увеличивается. Кроме того, при испытательных подземных взрывах зачастую разрушаются дальние объекты при отсутствии разрушений в ближних.
Наличие острого экстремума на зависимости А(l) приводит к тому, что при небольших значениях измерительной базы наблюдаются крайне нестабильные и слабо повторяющиеся результаты измерения амплитуды сигнала. Ведь на самом деле, на практике, при сейсмоизмерениях действительное значение мощности породного слоя h во-первых, неизвестно, а во-вторых, оно и непостоянно. Ведь плоскопараллельность плоскостей напластования довольно относительна. И понятно, что при измерениях в зоне экстремума малейшее изменение места контакта сейсмоприемника приведет к значительному изменению амплитуды сигнала. Это тот эффект, который мы обнаружили при самом первом нашем шахтном измерении, но тогда еще мы его объяснить не сумели.
Чем больше добротность слоя-резонатора, тем острее экстремум, тем больше увеличение амплитуды сигнала при удалении от источника вблизи l h.
И второе. При значениях l>h в слоях-резонаторах звук в лабораторных условиях практически не затухает. А в природных условиях, затухает крайне медленно.
Отметим, что распространяющийся вдоль пластины-нерезонатора сигнал по очертаниям эквивалентен исходному, возникающему при падении шарика. То есть, вдоль слоя-нерезонатора распространяется сам зондирующий импульс. В отличие от этого, в слое-резонаторе сигнал имеет очень большую длительность, и по очертаниям не имеет ничего общего с сигналом, наблюдаемом при исследовании слоя-нерезонатора, поскольку распространяется вдоль слоя-резонатора не исходный (зондирующий) сигнал, а вызванный им собственный колебательный процесс слоя-резонатора.
Результаты по своему характеру не изменятся, если вместо падающего шарика использовать в качестве излучателя возбуждаемую коротким электрическим импульсом пьезокерамику.
Затухание поля при распространении вдоль слоя-резонатора при r>h столь незначительно, что становится понятной физика одного используемого испокон веков эффекта.
Речь о том, что, приложив ухо к земле, можно услышать топот лошадей значительно раньше, чем их увидеть. Но одно здесь необходимо отметить. Мы при этом слышим не сам топот, а возбуждаемые им собственные упругие колебания, распространяющиеся вдоль породных слоев-резонаторов. С учетом этого становится понятным, почему топот конницы слышен в виде звонкого низкочастотного гула: это соответствует распространению собственного звучания вдоль слоев-резонаторов большой мощности.
Наличие эффекта локального усиления (как он назван в предыдущих моих публикациях), как и чрезвычайно низкое затухание при больших измерительных базах, дополнительно свидетельствуют о том, что собственные колебания объектов-резонаторов следует рассматривать на мнимой оси. Реальная часть поля упругих колебаний не может увеличиваться при удалении от источника, так как это действительно противоречило бы закону сохранения энергии.
Теперь о затухании при распространении поля упругих колебаний поперек напластования. В рамках общепринятой теории, рассматриваются коэффициенты отражения и прохождения через границы между соседними слоями, и на основании величин этих коэффициентов судят о звукопрозрачности слоев. Однако если слоистая среда состоит из слоев-резонаторов, то картина совершенно иная.
Собственный упругий колебательный процесс, распространяющийся вдоль слоя-резонатора, не выходит за его пределы независимо от величин коэффициентов отражения и прохождения. Это свойство слоев-резонаторов оказалось очень ценным при разработке метода спектрально-сейсморазведочного профилирования (ССП).

 

Заключение

Скорость звука всегда конечна, отсюда следует, что во всех акустических вопросах нужно учитывать как упругость среды, так и ее инерционные свойства; от других же свойств среды ее акустическое поведение не зависит.

Акустика принципиально отказывается рассматривать реальные тела как абсолютно жесткие или безмассовые, потому что при этом теряется изучаемое явление: распространение волны, т. е. передача возмущения по телу с конечной скоростью.

Выбор в качестве основного объекта изучения не отдельных частиц среды, а всей волны в целом диктуется тем, что для волны удается найти простые законы поведения. Законы распространения, законы отражения и преломления на границах разных сред, законы рассеяния от препятствий, особенности поведения в ограниченных областях среды и т. д. Получить равноценные результаты, изучая движение системы отдельных взаимодействующих частиц, было бы практически невозможно. Конечно, вывод уравнения поведения акустических волн основан на тех же уравнениях механики частиц.

Схема построения акустики как механики упругих волн звукового диапазона имеет, таким образом, следующий вид. Общие законы поведения упругих волн мы получим как следствия ньютоновской механики для частиц среды. Но, получив эти законы, мы в каждой конкретной физической ситуации будем искать поведение волны в целом, уже не интересуясь движением отдельных частиц среды. В тех же случаях, когда это понадобится, можно снова перейти к частицам: изучив волну в целом, легко найти движение каждой частицы.

К объективным характеристикам звука относятся физические величины, которые описывают любой волновой процесс:

Спектральный состав звука указывает, из колебаний каких частот составлен данный звук и как распределены амплитуды между отдельными составляющими. Например, музыкальный аккорд имеет линейчатый спектр, т.е. он образован суперпозицией конечного числа колебаний. Шум характеризуется сплошным спектром, состоящим из бесконечного числа составляющих.

К субъективным характеристикам звука относится Высота тона это субъективная оценка частоты звука. Чем больше частота, тем выше тон воспринимаемого звука. Однако способность уха различать звуки по их частоте зависит от частоты.

Орган слуха, как и многое в нашем организме, к настоящему времени изучен, мягко говоря, не полно. Более понятен процесс восприятия акустических волн и совершенно не ясен механизм формирования звуковых образов. Дело в том, что оба наших информационных канала, оптический и акустический замкнуты на мозг, изучение которого, как физического объекта, находится в самой начальной стадии. При оценке звукового восприятия следует учесть, что чувствительность человеческого уха различна для различных частот. Интенсивность (сила) звука данной частоты должна быть достаточно большой, чтобы вызвать звуковое ощущение, однако если эта интенсивность превышает некоторый предел, то звук не слышен и вызывает только болевое ощу­щение. Таким образом, для каждой часто­ты колебаний существует, наименьшая (порог слышимости) и наибольшая(по­рог болевого ощущения) интенсивность звука, которая способна вызвать звуковое восприятие

При распространении звуковой волны, как уже отмечалось, следует различать два совершенно разных явления: движение частиц среды в волне и перемещение самой упругой волны по среде. Первое явление - это движение частиц как материальных точек; второе явление переход возмущенного состояния среды с одних частиц на другие. Так, величина смещения и скорость частицы в волне зависят от силы звука, например для слышимых звуков, − от их громкости.

Воздух и другие реальные среды обладают вязкостью. Поэтому кинетическая энергия колеблющихся частиц среды постепенно рассеивается благодаря вязкому трению. Этим объясняется уменьшение переносимой волной энергии (интенсивности) по мере ее распространения; акустическая волна затухает.

Акустические характеристики помещений определяются условиями отражения от ограничивающих поверхностей и затуханием волн. В залах и студиях нормируется время послезвучания, время реверберации.

Скорость затухания звука является важной акустической характеристикой помещений (особенно концертных и театральных). Если затухание мало, то человек, находящийся в помещении, будет воспринимать как прямой звук (т. е. идущий непосредственно от источника), так и звук, многократно отразившийся от стен. Он воспринимает это как гул («гулкое» помещение). Если же затухание велико, то может оказаться, что не все находящиеся в помещении люди будут слышать звук (далеко стоящие слышат плохо). Акустические характеристики древних культовых сооружений, например софийского собора в Киеве, поражают своей оптимальностью. При реставрации стен собора в них обнаружены резонансные поглотители звука, которые были «открыты» Гельмгольцем (1821 – 1894) спустя несколько столетий.

Если случалось путешествовать в поезде, то, при подаче сигнала встречными составами, меняется тон (частота) воспринимаемого звука. Пока составы сближаются, тон заметно выше, того который воспринимается при их удалении друг от друга. Это явление было открыто австрийским физиком, математиком и астрономом Иоганном Кристианом Доплером (1803 – 1853). Таким образом, частота, воспринимаемая наблюдателем при его удалении, будет меньше частоты источника, а при приближении − наоборот, больше.

В форме ультразвука упругие волны широко используются там, где необходимо разрушить, убрать заусенцы и окислы за счет, возникающей в волнах кавитации. В фазе разряжения давления в рабочей жидкости понижается ниже давления насыщенных паров, и она теряет сплошность. Упругие волны используются многими сухопутными и морскими животными для целей навигации и передачи сигналов. Самым ярким представителем являются, несомненно, дельфины и киты.

На зависимости скорости распространения и затухания акустических волн от свойств веществ и от процессов, в них происходящих,основаны главным образом ультразвуковые методы

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,

- третье — с обработкой и передачей сигналов (направления перечислены в порядке их исторического становления).

Особый практический интерес применения ультразвука в медицине связан с эффектом Доплера.Эффект Доплера в медицине используется для определения скорости кровотока, скорости движения клапанов и стенок сердца и других органов. Медико-биологические приложения ультразвука можно в основном разделить на два направления: методы диагностики и исследования и методы воздействия. К первому направлению относятся локационные методы диагностики с использованием главным образом импульсного излучения. Ко второму направлению относится ультразвуковая физиотерапия. Разработан и внедрен метод "сваривания" поврежденных или трансплантируемых костных тканей с помощью ультразвука (ультразвуковой остеосинтез). Губительное воздействие ультразвука на микроорганизмы используется для стерилизации. Перечисленные примеры не исчерпывают всех медико-биологических применений ультразвука, перспектива расширения этих приложений в медицине поистине огромна.

Другая разновидность механических источников ультразвука - сирена. Она обладает относительно большой мощностью и применяется в милицейских и пожарных машинах. Все ротационные сирены состоят из камеры, закрытой сверху диском (статором), в котором сделано большое количество отверстий.

Во всяческих научных трактатах по акустике твердых сред и сейсморазведке на первом месте по популярности стоит скорость (кинематические характеристики поля упругих колебаний), а на втором - затухание. То, что поглощение существует - бесспорно. Ведь любой акустический сигнал рано или поздно исчезнет, перейдя в тепло. Но вот оценить скорость этого перехода является серьезной, и пока еще неразрешенной проблемой.

При сейсмоакустических измерениях в угольных шахтах, также на малых базах, мы неоднократно наблюдали зону, в которой звук при удалении от источника не уменьшается, а увеличивается. Кроме того, при испытательных подземных взрывах зачастую разрушаются дальние объекты при отсутствии разрушений в ближних.

Затухание поля при распространении вдоль слоя-резонатора при r>h столь незначительно, что становится понятной физика одного используемого испокон веков эффекта.
Речь о том, что, приложив ухо к земле, можно услышать топот лошадей значительно раньше, чем их увидеть. Но одно здесь необходимо отметить.

Мы при этом слышим не сам топот, а возбуждаемые им собственные упругие колебания, распространяющиеся вдоль породных слоев-резонаторов. С учетом этого становится понятным, почему топот конницы слышен в виде звонкого низкочастотного гула: это соответствует распространению собственного звучания вдоль слоев-резонаторов большой мощности.
         В результате изучения этой темы напрашивается вывод: Человек все прелести жизни ощущает через взгляд (зрение) и слух. Поэтому изучение данной темы особенно актуально, учитывая, что еще не до конца изучены плюсы и минусы акустических волн вообще и в частности - их затухании.

 

 

Список используемой литературы:

 

1. А. Исаков Электронные издания: Концепции современного естествознания -2. Классический период естествознания_ 8.4.Акустические волны.

2. Т 33 Теория волновых процессов: Акустические волны: Учебное пособие/ И.П.Соловьянова, С.Н.Шабунин. Екатеринбург: ГОУВПО УГТУ –УПИ, 2004. 142с.

3. Красильников А.В. Введение в акустику. – М.: МГУ,2002.

4. Савельев И.В. Курс общей физики: Учебное пособие. В 3-х т. Т.2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. – М.: Наука, 2008.

5. Акустика в задачах./ Под ред. С.Н.Турбатова, О.В. Руденко.- М.: Физмат. 2006.

6. Кайно Г. Акустические волны. – М.: Мир, 2009.

7. Радиовещание и акустика: Учебник для ВУЗов./Под ред. М.В.Гитлица. – М.: Радио и связь, 2009.

8. Справочник по акустике./ Под ред. М.А. Сапожкова. М.: Связь, 2009.

9. Й. Крауткремер, Г. Крауткремер. Справочник. Ультрозвуковой контроль материалов. – Москва. 2001.

10. Б.А.Агранат, В.И.Башкиров, Ю.И. Китайгородский, Н.Н.Хавский. Ультрозвуковая технология. – Москва. 1974.

11. Балдеев Радж, В. Раджендран, П. Паланичами. Применения ультразвука – Москва.: Техносфера, 2006.

12.  Алешин Н. П., Лупачев В. Г. Ультразвуковая дефектоскопия: Справ, пособие.— Мн.: Выш. шк., 1987.— 271 с: ил.

13.  Каневский И.Н., Сальникова Е.Н. Неразрушающие методы контроля: Учебное пособие. - Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2007. - 243 с

 


Дата добавления: 2018-02-15; просмотров: 1064; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:






Мы поможем в написании ваших работ!