振动在弹性介质内的传播称为波动,简称波。频率在20Hz~2x104Hz之间、能被人耳所闻的机械波,称为声波。低于20Hz的机械波,称为次声波,人耳听不到,但可与人体器官发生共振,7Hz~8Hz的次声波会引起人的恐惧感,引发动作不协调,甚至导致心脏停止跳动。高于 2x104 Hz的机械波,称为超声波。声波的频率分布范围如图 3-1所示。
超声波有许多不同于声波的特点,如其指向性很好,能集中,因此穿透本领大,能穿透几米厚的钢板,而能量损失不大。在遇到两种介质的分界面(例如钢板与空气的交界面)时由于声波在两种介质中传播速度不同,能产生明显的反射和折射现象,这一现象类似于光波。超声波的频率越高,其声场指向性就越好,与光波的反射、折射特性就越接近。
1.超声波的传播类型
超声波的传播类型主要可分为纵波、横波、表面波三种。
(1)纵波:质点振动方向与波的传播方向一致的波,它能在固体、液体和气体中传播人说话时产生的声波就属于纵波。
(2)横波:质点振动方向垂直于传播方向的波,它只能在固体中传播
(3)表面波:质点的振动介于横波与纵波之间,沿着表面传播的波。
为了测各种状态下的物理量,应多采用纵波。
2.声速、声压、声强
(1)声速。
声速c恒等于声波的波长入与频率/的乘积,即(3-1)c=Af在固体中,纵波、横波和表面波三者的声速有着一定的关系。通常横波的声速约为纵波声速的一半,表面波声速约为横波声速的 90%。
(2)声压。
当超声波在介质中传播时,质点所受交变压强与质点静压强之差称为声压P。声压与介质密度p、声速c、质点的振幅X及振动的角频率。成正比,即
(3-2)
P=pcXw
(3)声强。单位时间内,在垂直于声波传播方向上的单位面积A内所通过的声能称为声强1,声强与声压P的二次方成正比,即
15z
式中 2--声阻抗,其大小等于密度p与波速c的乘积,即Z=pc。
3.超声波的反射与折射
当超声波从一种介质传播到另一种介质,在两个介质的分界面上一部分超声波被反射,另一部分透射过界面,在另一种介质内部继续传播,这两种情况称为超声波的反射和折射。在两介质分界面处,超声波的传输与光的传输类似,符合反射定律和折射定律,如图 3-3 所示。
(1)反射定律。
(3-4)
(3-5
式中 P、1--距声源x处的声压和声强;x--声波与声源间的距离:
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