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超聲波聲速和聲壓原理
閱讀:3657 發(fā)布時(shí)間:2022-7-4超聲波聲速和聲壓
超聲波聲速:
超聲波聲速是介質(zhì)中微弱壓強(qiáng)擾動(dòng)的傳播速度,其大小因媒質(zhì)的性質(zhì)和狀態(tài)而異??諝庵械囊羲僭?個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和15℃的條件下約為340m/秒。
聲波在彈性媒質(zhì)中的傳播速度為聲速,其符號(hào)為c,單位為m/s:c=λf
式中,f 為振動(dòng)頻率,即每秒振動(dòng)的次數(shù),Hz:λ為波長(zhǎng),m。
由于在氣體中沒(méi)有剪切彈性,只有體積彈性,因而氣體的傳播形式只能是縱波。換句話說(shuō)就是,在聲波的擾動(dòng)下,氣體媒質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)在各自平衡位置附近振動(dòng),形成稠密和稀疏依次交替的傳遞過(guò)程。同時(shí)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向與波的傳播方向相同。一般氣體在任意的情況下的聲速表達(dá)式都相當(dāng)復(fù)雜,其表達(dá)式與氣體的相對(duì)分子質(zhì)量、比熱容和物性方程有關(guān),這里將不予以介紹。在一般問(wèn)題中,經(jīng)常會(huì)用到理想氣體的聲速公式。
可以證明在理想氣體中聲速為:c=(rp/p)0.5
式中,r 絕熱系數(shù),等于比定壓熱容與比定容熱容之比; p為氣體壓力,Pa; ρ為密度,kg/m3。
不同介質(zhì)中的傳播速度
真空 0m/s(也就是不能傳播);
空氣(15℃) 340m/s;
空氣(25℃) 346m/s;
軟木 500m/s ;
煤油(25℃) 1324m/s ;
蒸餾水(25℃) 1497m/s ;
海水(25℃) 1531m/s ;
銅(棒) 3750m/s ;
大理石 3810m/s ;
鋁(棒) 5000m/s ;
鐵(棒) 5200m/s ;
超聲波聲壓
聲壓的單位為帕(Pa),其大小反映了聲波的強(qiáng)弱,即表示傳播的波動(dòng)能量強(qiáng)度。聲壓越大,表示超聲波的強(qiáng)度越大,傳遞的能量越強(qiáng)。它是目前經(jīng)常用來(lái)描述聲波性質(zhì)的重要物理量之一,通過(guò)聲壓的測(cè)量可以間接地求得質(zhì)點(diǎn)速度等其他的物理量。
縱波在彈性媒質(zhì)內(nèi)傳播過(guò)程中,媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的壓強(qiáng)是隨時(shí)間變化的,媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的密度時(shí)密時(shí)疏。根據(jù)積分原理我們可以把一個(gè)連續(xù)的介質(zhì)看作是由許多緊密相連的微小體積元 dV 所組成,這樣的體積元 dV 內(nèi)的介質(zhì)還可以進(jìn)一步看作是集中于一點(diǎn)、質(zhì)量為 ρdV 的質(zhì)點(diǎn)。ρ 為介質(zhì)的密度,在聲波的作用下它是隨時(shí)間和位置的不同而變化的量。設(shè)體積元 dV 受到聲波的擾動(dòng)之后,壓強(qiáng)由 p0 變到p1,則由聲波擾動(dòng)所產(chǎn)生的逾量壓強(qiáng) p 稱為聲壓:p=p1- p0
由于超聲波的波長(zhǎng)較短、頻率很高,它所具有的能量很大,可使介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生顯著的聲壓作用。