Звуковые волны

Курсовая: Звуковые волны (Скачать)

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1.     Звуковые волны

2.     Звуковые волны

3.     Приборы для приема и излучения звуковых волн

4.     Физические принципы акустической голографии

5.     Применение акустической голографии.

     Введение.

Акустическая голография – интерференционный способ получения изображения с

помощью акустических волн.

По сравнению с другими известных способами получения звуковых изображений

акустическая голография не требует применения специальных устройств для

фокусировки звуко-акустических линз, зонных пластинок и т.д., дает

принципиальную возможность получать объемные изображения предметов.

Основной принцип получения акустических голографических изображений

аналогичен оптической голографии: сначала регистрируется картина, полученная

в результате интерференции двух звуковых волн – рассеянной предметом и

опорной, а затем по полученной записи – акустической голограмме –

восстанавливается либо исходное изображение, либо структура рассеянного этим

предметом поля на некотором расстоянии от него.

В акустической голографии особенной использующей ультразвуковой диапазон

частот, восстановление исходного поля по акустической голограмме обычно

производится с помощью когерентного света подобно тому, как восстанавливается

оптическая голограмма.

Для того, чтобы оптически восстановить голограмму, ее надо сделать видной.

Оптического изображение акустической голограммы может быть зафиксирована на

фотопленки и затем восстановлена в когерентном свете.

Голографический метод, обладая целым рядом особых преимуществ, таких как

трехмерность восстановленного изображения, высокая помехоустройчивость,

возможность апостериорной обработки информации и ее коррекции и так далее,

находи все новые и новые применения в различных областях физики и техники,

являясь не только важным инструментом физических исследований, но и хорошей

основой для создания новой аппаратуры различного назначения.

Покажем, как осуществляется голографирование объекта в виде одной светящейся

точки А, рис.1

Кратчайший путь от этой точки до плоскости голограммы определяется

перпендикуляром АО. Примем в токе О угловое значение фазу нулевым. По мере

удаления от точки О, например, от точки О до точки М, путь световой волны будет

удлиняться на величину

. Если удаление ОМ значительно меньше расстояния до голограммы АО, то

. Это означает, что приращение расстояния до соответствующей точки голограммы от

излучателя, а значит и изменение фазы сигнала на голограмме становится более

резким по мере удаления от точки О.

Габор предложил помимо основного луча пучка световых лучей, падающих на

голограмму от предмета (этот световой пучок в голографии называют предметным)

направлять на ту же поверхность голограммы другой пучок световых лучей,

называемый опорным. Опорный пучок лучей должен иметь постоянную фазу на всей

поверхности голограммы. В оптической голографии свет лазера разделяется на 2

пучка, из которых один направляется на освещение голографического объекта, а

после отражения от него на голограмму. Второй пучок направляется на

голограмму в качестве опорного, равномерно освещая поверхность голограммы.

Предметный пучок точечного **** имеет на поверхности голограммы примерно

постоянную интенсивность и плавно изменяющуюся фазу. Поскольку

светочувствительные материалы, как и светочувствительные приборы, реагируют

только на интенсивность света и не воспринимают изменение фазы, то восприятие

одного лишь предметного пучка не позволяет зафиксировать всю необходимую

информацию об объекте, содержащуюся в световой волне. Суммирование

предметного пучка с опорным позволяет получать изменение интенсивности света,

распределенного по голограмме.

Выберем на поверхности голограммы две точки: первой примем точку кратчайшего

расстояния до объекта О, в качестве второй точку М, удаленную от О на малое

расстояние, которое соответствует изменению расстоянии АМ в сравнении с

расстоянием АО на половину длины волны

.

Пусть в точке О фазы опорного и предметного пучков отличались на половину

периода. Это показано на рисунке 2,а, где 1 – опорная, а 2 – предметная

волны. При равенстве интенсивности эти волны, суммируясь, гасят друг друга –

линия 3. Это означает, что вблизи точки О голограмма не будет засвечена. В

действительности, интенсивность опорной волны в оптической голографии

выбирается большей, чем интенсивность предметной волны. Поэтому в реальных

голограммах в точках, где происходит суммирование опорной и предметной волн в

противофазе, результирующая интенсивности будет уменьшено не до нуля, а до

некоторого минимума, но эти детали несущественны.

В точке М предметная волна вследствие удлинения проходимого ею пути на

половину длины волна изменит свою фазу на противоположную. Это изображено на

рис.2, б. ****** по-прежнему опорная и предметная волны. Ввиду сложения в

фазе амплитуда суммарной волны 3 будет максимальной.

Это приведет к максимальной засветке и соответственно к максимальному

почернению фотослоя голограммы. По мере удаления от точки М фаза предметного

пучка будет продолжать изменяться. Так при некотором расстоянии окажется, что

фазовый сдвиг между опорной и предметной волнами снова достигнет половины

периода. Это значит, что как и в точке О предметная и опорная волны опять

погасят друг друга.

При дальнейшем удалении наступит положение, когда волны снова окажутся в

фазе, и т.д. В результате после освещения и проявления голограммы изображение

на ней примет вид, показанный на рис.3,а. Это так называемая зонная решетка

Френеля.

После прохождения через голограмму опорный пучок фактически превращается в

предметный. Есть возможность преобразовать световой поле опорной волны

практически в точную копию световой волны, испускаемой голографируемым

объектом. Для этого нужно выполнить отбеливание голограммы, сущность которого

заключается в следующем.

На рисунке 3,б показано центральное сечение для голограммы точечного объекта.

Дело в том, что в обычных фотоматериалах увеличение почернения достигается

увеличением толщины поглощающего слоя.

Иными словами, чем меньше почернение в фотографиях, тем меньше величина

фотослоя после окончания фотохимических процессов.

Отбеливание представляет собой превращение почерневшего фотослоя в

прозрачный. В обычном белом свете отбеленная голограмма кажется прозрачной.

Однако при пропускании монохроматического света влияние прозрачного фотослоя

очень существенно. Дело в том, что скорость света в материале фотоэмульсии

несколько ниже, чем в воздухе. Поэтому световая волна запаздывает при

прохождении через фотослой. Если подобрать толщину прозрачного слоя так,

чтобы в точках голограммы, в которых фазовый сдвиг должен составлять половину

периода, запаздывание световой волны достигало именно такой величины и чтобы

при других значениях сохранялись пропорциональность, то после прохождения

опорного пучка постоянной фазы через голограмму на выходе ее будет

наблюдаться такое же соотношение фазовых сдвигов, которое было в плоскости ее

расположения у светового пучка, отраженного голографическим объектом. А это

фактически означает, что от голограммы исходит тот же световой сигнал, что и

от голографируемого объекта.

     Звуковые волны.

Наше зрение – это способность улавливать свет – очень высокочастотные

электромагнитные волны, отраженные объектом наблюдения.

Благодаря зрению мы получаем большую часть информации об окружающем мире.

Однако свет может проходить только через воздух, стекло и еще очень небольшое

количество прозрачных материалов.

Прозрачность – это способность физических тел пропускать световые волны.

Непрозрачность большинства материалов означает, что световые волны частично

поглощаются. Причем поглощение происходит очень **** части поверхностного

слоя. Поэтому увидеть внутреннее строение подавляющего большинства физических

тел мы не можем.

Из выше сказанного следует, что для «просвечивания» оптически непрозрачных

тел можно воспользоваться волнами другой физической природы, например,

звуковыми и, используя аналогию между световыми и выбранными волнами иного

происхождения осуществить процесс, подобный оптическому видению. Под

аналогией подразумевается способность воспринимать волны, отраженные от

объекта и упорядочить их в пространстве так, как это делает хрусталик нашего

глаза.

Рассмотрим, что такое звуковые волны и их основные характеристики.

Если в некотором объеме  среды вызвать механическое возмущение, то частицы

среды этого объема смещаются из положения покоя и приходят в движение.

Благодаря упругим силам, действующим между частицами, возникающее движение

будет последовательно передаваться соседним частицам и возмущение с некоторой

скоростью будет распространяться в среде.

Такое движение называется волновым движением или волной.

Когда возмущение достаточно малы и вызываемые ими деформации линейно связаны

с упругими силами, волна в идеальной безграничной среде распространяется без

изменения формы и называется акустической волной.

Область, в пределах которой происходит распространение акустической волны,

называется акустическим полем.

Если возмущение имеет периодический характер, то создаваемое им поле называют

звуковым.

При распространении звуковой волны в какой-либо среде в одних местах

происходит сгущение частиц и повышение давления, в других – разряжение частиц

и понижение давления. Приращение начального давления, обусловленное звуковой

волной, называется акустическим давлением или звуковым давлением.

В идеальных (невязких) жидкостях возникают только нормальные напряжения,

вызывающие распространение волны в направлении смещения частиц, такая волна

называется продольной. При касательных напряжениях возбуждаются поперечные

волны – колебания частиц происходят перпендикулярно к направлению

распространения волны.

Рассмотрим основные соотношения, характеризующие упругую среду.

Пусть в некоторый начальный момент объем упругой среды увеличился и занял объем

V. Тогда относительное изменение V,

, называемое расширением, определится как:

          .         

При изменении объема меняется плотность среды

. Относительное изменение плотности S, называемое уплотнением,

определяется как:

Основываясь на очевидном равенстве

          ,         

получим:

          .         

При условии ; , что обычно достаточно хорошо  соблюдается в акустике, получим:

          .         

При малых изменениях объема относительное изменение плотности равно

относительному изменению объема с обратным знаком.

Относительное изменение объема в упругой среде сопровождается изменением

давления  .

- обозначается как и

носит название избыточного или звукового давления. Очевидно, что

пропорционально расширению

          ,         

где - коэффициент объемной упругости, - коэффициент сжимаемости.

Соотношение между давлением и линейной деформацией.

Выделим элементарный объем *****

, ограниченных одинаковыми участками плоскостей, перпендикулярных оси Х.

При малых смещениях

          ,         

где - линейная деформация, можно положить, что

          ,         

тогда

          ,         

т.е. звуковое давление пропорционально линейной деформации.

Если на грани а1b1 существует давление р,

то на грани а2b2 в этот же момент оно равно

;

Давление р есть функция координат х, следовательно

Составим уравнение движения выделенного объема. Масса объема равна

, ускорение ,

результирующая сила равна

, получим уравнение:

          ,         

с учетом получим:

и используя выражение , получим:

          ,         

где .

Уравнение называется волновым уравнением и является основным, описывающим

распространение звуковых волн.

Величина называется

удельным акустическим или волновым сопротивлением и является важной

акустической характеристикой среды.

Основные свойства распространения звуковых волн.

В среде с постоянным

-­фром звуковой волны от точки возбуждения до точки приема распространяется

по прямой лини, называемую лучом.

Если среда имеет плоскую границу отражения, то в точку приема отраженная

волна приходит так, если бы она была возбуждена в сплошной среде в точке,

расширенной зеркально к источнику.

При прохождении из среды со скоростью звука с1, в среду со

скоростью с2, изменение направления лучей подчиняется закону

импульсов:

Все закономерности удовлетворяющие одному общему принципу, показаны выше, это

принцип наименьшего времени Ферма.

Из выше сказанного можно сделать вывод, что акустические волны, отраженные от

объекта с , которое

отличается от

среды распространения, характеризуют этот объект и могут быть использованы для

получения изображения этого объекта.

     Приборы для приема и излучения звуковых волн.

Вся современная техническая акустика основывается на процессах преобразования

энергии электрических колебаний в энергию звуковых или механических колебаний

и обратно. Такие устройства называются электроакустическими и

электромеханическими преобразователями.

Электрические преобразователи механических колебаний можно разделить на два