Fale dźwiękowe.
Ciśnienie akustyczne.
Przygotowała:
Magdalena Pyra
Fale dźwiękowe.
Ciśnienie akustyczne.
Przygotowała:
Magdalena Pyra
Fale dźwiękowe
Zaburzenie mechaniczne rozchodzące
się w ośrodku sprężystym obdarzonym
masą i przenoszące energie.
Ośrodki sprężyste
Powietrze ( i inne mieszaniny gazów )
Ciecze
Metale
Fale akustyczne
Dźwięki słyszalne ( 20Hz- 20 000
Hz )
Ultradźwięki ( większe niż 20
000Hz )
Infradźwięki ( mniejsze niż 20
Hz )
Fala akustyczna nie
przenosi masy !!!!
Średnie położenie cząsteczek
ośrodka nie ulega zmianie podczas
przemieszczania się fali dźwiękowej
Propagacja dźwięku
Dźwięki rozprzestrzeniają się w ośrodkach
sprężystych
1.
Chwilowe lokalne zagęszczenie.
Membrana głośnika poruszając się na
zewnątrz powoduje ściśniecie cząsteczek
powietrza znajdujących się w najbliższym
sąsiedztwie
( gęstość i p rosną )
1.
Chwilowe lokalne rozrzedzenie.
Ruch membrany do wewnątrz przyczynia
się do chwilowego zmniejszenia gęstości
ośrodka.
Fala dźwiękowa jest falą podłużna
Ciśnienie akustyczne (p)
Różnica miedzy aktualna wartością
ciśnienia P
(panującego danym miejscu
ośrodka, chwilowego), a
ciśnieniem P
0
panującym wówczas gdy ośrodek był w
równowadze.
p= P - P
0
P
0
= ciśnienie atmosferyczne
Ciśnienie akustyczne obserwowane w
jednym punkcie jest zależne jedynie od
czasu.
Okres T –
najkrótszy czas w którym,
startując od zera, ciśnienie przechodzi
przez wszystkie swoje wartości.
Częstotliwość f-
odwrotność okresu
Prędkość fali akustycznej
w różnych ośrodkach.
Opór akustyczny.
Opracowała Agnieszka
Wasik
Prędkość rozchodzenia
się dźwięków w
ośrodkach zależy od
własności tego ośrodka
takich jak:
- jego sprężystość
objętościowa
- gęstość
Zależność
prędkości od
tych
parametrów:
B to moduł
sprężystości
objętościowej
p to
gęstość
Prędkość rozchodzenia się
dźwięków w ośrodkach:
Powietrze 330 m/s
Lód 3300 m/s
Woda 1450 m/s
Żelazo 5130 m/s
Granit 6000 m/s
Ośrodek absorbuje część energii
rozchodzącej się fali, co prowadzi do
jej osłabienia. Natężenie fali
dźwiękowej maleje ekspotencjalnie
wraz ze wzrostem grubości
przenikanej warstwy X, zgodnie z
prawem absorbcji:
to początkowa wartość natężenia
fali
to współczynnik pochłaniania
Wielkości, które
charakteryzują
zdolność ośrodka
do pochłaniania
fal dźwiękowych
to:
- współczynnik
pochłaniania
- grubość warstwy
połowiącej
Jest to taka
grubość warstwy
ośrodka, która
spowoduje
zmniejszenie
natężenia fali o
połowę.
Na granicy ośrodków, które różnią
się własnościami, fala ulega :
ODBICIU
i
ZAŁAMANIU
Kąt padania = kąt odbicia
Stosunek sin kąta padania i
załamania = = stosunkowi
prędkości rozchodzenia się fal w obu
ośrodkach
Fala padająca, odbita i załamana
rozchodzi się w jednej płaszczyźnie
Odbicie i złamanie fali na
granicy ośrodków:
Zachodzi
jednocześnie
Proporcja
oraz proporcja
Zależą od własności
ośrodków
Opór akustyczny
Iloczyn prędkości
rozchodzenia się
fali i gęstości
ośrodka
Z = V p
Opór akustyczny
jest formalnym
odpowiednikiem
oporności
elektrycznej
Stosunki oraz
zależą od oporów
akustycznych oraz
graniczących ze sobą
ośrodków
Im mniejsza jest różnica
czyli im bliższe są sobie wartości
oporów akustycznych, tym lepiej
fala będzie przechodziła z jednego
ośrodka do drugiego.
Przy nieznacznej różnicy między
oporami akustycznymi sąsiadujących
ośrodków fala padająca przejdzie do
drugiego ośrodka w większości, a
jedynie mała jej część ulegnie odbiciu.
Na granicy ośrodków nieznacznie
różniących się oporem akustycznym,
część fali ulegnie odbiciu, a
natężenie fali przechodzącej głębiej
będzie ulegało zmniejszeniu.
Opór akustyczny
Znacznie różni się od
oporu ośrodka
poprzedzającego,
dlatego fala na granicy
ulega odbiciu.
Podobna sytuacja ma miejsce, gdy
weźmiemy pod uwagę akustyczne
własności wnętrza ludzkiego ciała.
Większość tkanek posiada niewiele
różniące się od siebie opory
akustyczne.
Odbicie fali dźwiękowej
będzie przeważało na granicy
takich ośrodków
jak
W pozostałych przypadkach
większość fali będzie
przechodziła z jednego ośrodka
do drugiego, ulegając na granicy
nieznacznemu odbiciu.
Fala odbita na granicy ośrodków
wraca po czasie do źródła
dając efekt ECHA.
Zakładając, że prędkość fali jest
stała między źródłem, a granicą
ośrodków oraz znając czas
powrotu echa można obliczyć
odległość między źródłem,
a odbijającą granicą.
Organizm człowieka jest
przykładem ośrodka, który
składa się z wielu warstw,
różniących się w małym stopniu
oporami akustycznym, ale nie
różniącymi się istotnie
prędkościami rozchodzenia się
fali.
Powstałe echa będą
powracały do źródła
z czasem,
zależącym
wyłącznie od
odległości między
granicą a źródłem
.
Odbicia mogą
powstawać na
każdej granicy
między warstwami
Gdy fala rozchodzi się w postaci
skoncentrowanej wiązki
efekt
echa
możemy zarejestrować w
miejscu wysłania fali
, pod
warunkiem,
że
powierzchnia odbijająca
leży prostopadle do kierunku
rozchodzenia się fali.
Wpływ powierzchni granicznej
między
ośrodkami na EFEKT ECHA
Natomiast, jeśli
skoncentrowana
wiązka
odbije się od
powierzchni
chropowatej
,
ale
nie
prostopadłej
do kierunku
rozchodzenia się fali, dojdzie do
rozproszenia
odbitej fali i
wówczas możliwe będzie
wykrycie
echa w miejscu wysłania fali.
Zjawisko Dopplera.
Opracowała Agnieszka
Falkowska
Efekt Dopplera
Zmiana częstotliwości oraz długości fali
zarejestrowana przez obserwatora, który
porusza się relatywnie względem źródła fali.
Fale, które rozprzestrzeniają się w ośrodku,
tak jak na przykład fale dźwiękowe,
prędkość obserwatora i źródła są rozważane
względem ośrodka, w którym te fale są
emitowane.
Źródło fal poruszające się w lewo. Obserwowana
częstotliwość jest wyższa po lewej, a niższa po prawej.
Ruch odbywa się po prostej
łączącej źródło dźwięku i
odbiornik
Gdy źródło jest nieruchome, a odbiornik
przybliża się do niego ze stałą prędkością,
rejestrowany będzie dźwięk o częstotliwości
v większej od vo, zaś gdy odbiornik będzie
się oddalał od źródła, rejestrowany będzie
dźwięk o częstotliwości mniejszej od v
o
.
Efekt ten spowodowany jest przez to, że przy
zbliżaniu się odbiornik porusza się w
kierunku przeciwnym do kierunku
rozchodzenia się fali i częściej napotyka
kolejne powierzchnie falowe, zaś przy
oddalaniu „ucieka” przed falą i rzadziej
napotyka kolejne powierzchnie falowe.
Poruszać może się zarówno odbiornik
jak i źródło fali, wówczas korzystamy
ze wzoru.
v=vo(c+/-v)/(c+/-u)
Obserwator i źródło fali poruszają
się względem siebie. Podczas
jednego okresu fali T
0
, źródło
przebywa drogę:
s = v
zr
T
0
,
gdzie:
s - droga,
v
zr
– pr
ę
dko
ść ź
ród
ł
a wzgl
ę
dem
obserwatora,
T
0
- okres fali generowanej przez
źródło
Zmiana długości fali dla określonej prędkości źródła
ZASTOSOWANIE
Dźwięk jadącej sąsiednią ulicą
miasta (nie wprost na obserwatora)
karetki najpierw jest wysoki, kiedy
ta jest daleko, obniża się stopniowo
w miarę jazdy karetki. Efekt ten
powstaje
na
skutek
zmiany
składowej promieniowej prędkości
karetki. Gdy karetka nie jedzie
wprost na obserwatora, tylko po
prostej przebiegającej w pewnej
odległości
od
obserwatora,
to
prędkość
karetki
nie
jest
skierowana wprost na obserwatora.
Zgodnie z rysunkiem nie cały
wektor prędkości wnosi wkład do
efektu Dopplera. Znaczenie ma
tylko
składowa
promieniowa
(przybliżanie/oddalanie
się
od
karetki). Zmienia się ona, zależnie
od kąta między kierunkiem jazdy
łączącym karetkę z obserwatorem, a
kierunkiem
ruchu
karetki
od
obserwatora.
Efekt ten powoduje, że pomiar
radaru policyjnego dokonany pod
kątem
do
kierunku
jazdy
samochodu
jest
mniejszy
od
rzeczywistej prędkości samochodu.
W astronomii
Efekt Dopplera zachodzący
dla światła gwiazd i innych
obiektów astronomicznych
ma ogromne zastosowanie
w
spektroskopii
astronomicznej.
Światło
gwiazdy
charakteryzują
linie widmowe zależne od
znajdujących się w nich
atomów.
Jeżeli
gwiazda
oddala się (ucieka) od
obserwatora,
to
linie
widmowe będą przesunięte
w
kierunku
czerwieni
(większych długości).
Radar
Na efekcie Dopplera opiera się zasada działania radaru
dopplerowskiego. Jeżeli fale radiowe odbijają się od
ruchomego obiektu, to ich częstotliwość jest inna niż fali
padającej. Pomiar zmiany częstotliwości odbitej fali
pozwala na bardzo precyzyjny pomiar prędkości
przedmiotów odbijających promieniowanie mikrofalowe
lub podczerwone. Radary dopplerowskie stosowane są w
meteorologii do wykrywania ruchu chmur i powietrza.
Radary używane przez policję do pomiaru prędkości
opierają się na takiej zasadzie. Jeżeli radar jest
umieszczony w poruszającym się samochodzie policji, to
dodatkowo do pomiaru musi być dodana prędkość
pojazdu policji
.
Diagnostyka medyczna
W obrazowych badaniach diagnostycznych z wykorzystaniem
efektu Dopplera cenną informację daje nie tylko kształt
anatomicznych struktur, lecz także kierunek i prędkość
niektórych
poruszających
się
tkanek.
Zdecydowanie
najważniejsze znaczenie ma wizualizacja i kwantyfikacja ruchu
krwi przepływającej w sercu i naczyniach krwionośnych, a także
praca serca.
Udoskonaleniem
konwencjonalnych
aparatów
ultrasonograficznych
było
wprowadzenie
ultrasonografii
dopplerowskiej.
Jeżeli
głowica
ultradźwiękowa
potrafi
rejestrować nie tylko opóźnienie echa wysyłanego dźwięku, lecz
również jego wysokość, to na obrazie można kolorami pokazać
ruch ciała. Jeżeli chce się zaobserwować bicie serca płodu, aby
postawić diagnozę jeszcze w okresie prenatalnym, staje się to
bezcenną informacją.
Po umieszczeniu głowicy ultradźwiękowej w przełyku możliwe
jest dokładniejsze badanie struktur serca, nieprawidłowości
budowy i przepływ krwi. Ultrasonografia dopplerowska jest
szczególnie przydatna w diagnostyce wad serca.
Efekt Dopplera wykorzystywany jest także w metodzie laserowo-
dopplerowskiego pomiaru ukrwienia skóry która pozwala na nie
inwazyjny pomiar stopnia ukrwienia tkanek skóry właściwej
przy diagnozowaniu takich schorzeń jak cukrzyca czy zespół
Reunald.