Ультразвук как упругие волны

Зотова. О. И. ,

Долматов В.П.

Москва, 2017г.

Содержание

Введение...………………………...……………………...……….……......3

1 Актуальность работы…………………..……………………..………....4

2 Цели и задачи проекта………………….…………………...……..........5

3 Физические основы проекта………………….………………………...5

3.1 Ультразвук как упругие волны…………………………………..5

3.2 Специфические особенности ультразвука…………………….....7

3.3 Источники и приемники ультразвука……………………….......9

3.4 Электроакустические преобразователи………………………..…9

4 Исследования по тематике проекта……..………………………….....10

5 Эксперимент……………………………………………………………12

6 Установка…...………………………………………………….……….13

6.2 Вторая попытка создания установки………………….………...15

6.3 Третья попытка создания установки……………….…...……….16

6.4 Четвёртая попытка создания установки………………………...17

7 Контрольный тест установки………………………………………….18

8 Проект буя…………………………………………................................19

9 Использование на практике в крупных масштабах …………………20

Результаты и выводы проекта..……………………....……………...…..22

Список использованной литературы……….………….……………......23

Введение

Двадцать первый век - век атома, покорения космоса, радиоэлектроники и ультразвука. Наука об ультразвуке сравнительно молодая. Первые лабораторные работы по исследованию ультразвука были проведены великим русским ученым-физиком П. Н. Лебедевым в конце XIX, а затем ультразвуком занимались многие видные ученые.

Ультразвук представляет собой волнообразно распространяющееся колебательное движение частиц среды. Ультразвук имеет некоторые особенности по сравнению со звуками слышимого диапазона. В ультразвуковом диапазоне сравнительно легко получить направленное излучение; он хорошо поддается фокусировке, в результате чего повышается интенсивность ультразвуковых колебаний. При распространении в газах, жидкостях и твердых телах ультразвук порождает интересные явления, многие из которых нашли практическое применение в различных областях науки и техники.

В последние годы ультразвук начинает играть все большую роль в научных исследованиях. Успешно проведены теоретические и экспериментальные исследования в области ультразвуковой кавитации и акустических течений, позволившие разработать новые технологические процессы, протекающие при воздействии ультразвука в жидкой фазе. В настоящее время формируется новое направление химии – ультразвуковая химия, позволяющая ускорить многие химико-технологические процессы. Научные исследования способствовали зарождению нового раздела акустики – молекулярной акустики, изучающей молекулярное взаимодействие звуковых волн с веществом. Возникли новые области применения ультразвука: интроскопия, голография, квантовая акустика, ультразвуковая фазомерия, акустоэлектроника.

Наряду с теоретическими и экспериментальными исследованиями в области ультразвука выполнено много практических работ. Разработаны универсальные и специальные ультразвуковые станки, установки, работающие под повышенным статическим давлением, ультразвуковые механизированные установки для очистки деталей, генераторы с повышенной частотой и новой системой охлаждения, преобразователи с равномерно распределенным полем. Созданы и внедрены в производство автоматические ультразвуковые установки, которые включаются в поточные линии, позволяющие значительно повысить производительность труда.

Актуальность работы.

Каждый год люди по всему миру стараются поехать заграницу на море или на океан, но никто не может гарантировать сто процентный безопасный отдых, ни в чем себе не отказывая. Морские хищники таят в себе большую грозу, находясь вблизи купальной зоны.

Данный проект может принести большую пользу обществу в будущем, так как многие люди бояться плавать в море или в океане, потому что там обитают хищники, которые могу навредить здоровью или вообще лишить жизни.

Сейчас эта проблема решается путем ограждения моря вблизи пляжей металлической сеткой. Но у данного решения есть недостатки:

· металл имеет свойство окисляться, что приводит к загрязнению окружающей среды и наносит вред морской фауне и флоре;

· большие экономические затраты на установку;

· сложная установка.

Многие владельцы пляжей хотят сэкономить свои средства и ставят буйки без сетки по периметру, что подвергает людей реальной опасности.
Это не безопасно, человек на отдыхе должен чувствовать себя уверенно.

Если мы откажемся от сетей по периметру:

· защитим морских обитателей, потому что не редки случаи, когда животные запутывались в сетях и не могли выбраться;

· избавим море от вредных продуктов разложения, как от сетки, так и от запутавшихся в них животных.

Мы же предлагаем абсолютно новый и необычный способ защиты купающихся людей, расставив ультразвуковые излучатели по периметру купальной зоны, предназначенные отпугивать хищных рыб.

Цели проекта

Цели проектной работы:

· исследование возможности воздействия ультразвуковыми волнами на хищных рыб с целью их отпугивания;

· создание инженерной установки для проведения исследований;

· разработка проекта буя.

Физические основы проекта

Эксперимент

Для начала проектной работы мы решили удостовериться в нашем предположении. Действительно ли ультразвук в диапазоне от 10 до 30 кГц воздействует на рыб.

Мы проведём этот опыт имея: небольшую банку с рыбой (вид - озерная палисия) внутри, купольную ВЧ головку, диаметром 53 мм, сопротивлением 4 Ом, 2500 - 30000 Гц, 80 Ватт, 89 дБ, FS 1170 Гц и школьным излучателем, на котором можно регулировать частоту и форму выходного сигнала.

Основываясь на информации, собранной при просмотре видеозаписи эксперимента можно выяснить при каких частотах рыба проявляет наибольшую активность. Мы просмотрели части видеозаписи по 30 секунд в промежутки времени, когда излучатель был выключен и когда излучатель был включен и настроен на определенную частоту.

За первые 30 секунд видеозаписи, когда рыба не подвергалась излучению она проявляла маленькую активность и часто останавливалась в одном положении. В следующие 20 -30 секунд, под воздействием излучения частотой 18-20 кГц, рыба стала вести себя активнее. Она начала упираться в стенки сосудов, стремительно двигая плавниками, часто менять глубину и направление движения. Можно судить о том, что она хотела уплыть от источника звука. Этот факт и доказывает верность наших предположений. Мы выяснили, что наибольшую активность озерная палисия проявляет при излучении частотой в 18-20 кГц.

Установка

Контрольный тест установки

Собрав последнюю схему, мы сделали контрольный тест установки. Мы подключили пьезоэлемент к выходному каскаду, 7.2 вольтовый аккумулятор, но результат оказался отрицательным. Озёрная палисия никак не реагировала на ультразвук. Столкнувшись с такой проблемой, мы решили повторить первый наш эксперимент, но результат так же, как и в предыдущий раз, был отрицательным.

Был ли результат нашего первого эксперимента иллюзией или в тот день были особенные условия, но рыбка не реагировала на ультразвук с частотой от 10 до 90 кГц.

Ссылаясь на 4-ую главу, можно предположить, что озёрная палисия одна из тех видов рыб, которые не реагируют на ультразвук. Так же можно сказать, что нам не хватает мощности излучения, что можно исправить, увеличив мощность выходного каскада и пьезоизлучателя.

Проект буя

Несмотря на результаты контрольного теста, я решил создать проект буя под наиболее подходящую макетку, на которой можно будет доработать схему. Измерив необходимые размеры и расстояния. Я создал предполагаемый первоначальный буёк под данную макетку в программе solidworks.

В составные части буйка вошли: оболочка под макетку и под аккумуляторы, крышка и крепежи для крузика, оболочка под пьезоизлучатель и фиксаторы, а так же крепежи для оболочки пьезоизлучателя.

Чтобы сигналы от нескольких буйков создавали некоторую ультразвуковую сеть или преграду, я расположил пьезоизлучаетль не перпендикулярно дну, а под наклонов в 45 градусов.

Всё это мне распечатал Заборов Дмитрий Вячеславович на школьном 3D принтере

Результаты и выводы проекта

К данному моменту сдачи проектной работы мы выполнили 2-а из 3-х пунктов цели работы, а именно: создание инженерной установки для проведения исследований, разработка проекта буя. В продолжение данного проекта нам предстоит исследовать возможность воздействия ультразвуковыми волнами на хищных рыб с целью их отпугивания. Данные исследования мы будем проводить в зоомагазинах, в специальных заповедниках с помощью нашей установки, увеличив мощность выходного каскада и пьезоизлучателя.

Список литературы

1. Москаленко Л. В., Стреляев Д. В., Чичков Б. А., Тимонин А. Л. Основы теории и конструкции авиационных двигателей: учебное пособие. – М.: МГТУ ГА, 2015. – 66 с.

2. Резник C.B., Сапронов Д.В. Проектирование рабочего колеса газовой турбины с использованием керамических лопаток. / Резник C.B., Сапронов Д.В. // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. Академика С.П. Королёва. – 2014. - № S5-1. – С. 199-206. Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета.

3. Михальцев В.Е. Расчет параметров цикла при проектировании газотурбинных двигателей и комбинированных установок: учеб. Пособие / В. Е. Михальцев, В. Д. Моляков ; под ред. И. Г. Суровцева. —М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014. — 58 с.

4. Композиционные материалы https://ru.wikipedia.org/wiki/Композиционный_материал.

5. Свойства и применение керамических материалов http://uas.su/Свойства_и_применение_керамических_материалов.

6. https://uchil.net/?cm=63719

7. https://ru.wikipedia.org

8. Научная энциклопедия по физическим телам и свойствам

9. Учебники по физики

10. http://collectedpapers.com.ua/ru/bioacoustics-of-fishes/vpliv-zvuku-na-povedinku-rib

11. http://animalreader.ru/napadeniya-akul-na-lyudey.html

12. http://www.studfiles.ru/preview/6155809/page:3/

Зотова. О. И. ,

Долматов В.П.

Москва, 2017г.

Содержание

Введение...………………………...……………………...……….……......3

1 Актуальность работы…………………..……………………..………....4

2 Цели и задачи проекта………………….…………………...……..........5

3 Физические основы проекта………………….………………………...5

3.1 Ультразвук как упругие волны…………………………………..5

3.2 Специфические особенности ультразвука…………………….....7

3.3 Источники и приемники ультразвука……………………….......9

3.4 Электроакустические преобразователи………………………..…9

4 Исследования по тематике проекта……..………………………….....10

5 Эксперимент……………………………………………………………12

6 Установка…...………………………………………………….……….13

6.2 Вторая попытка создания установки………………….………...15

6.3 Третья попытка создания установки……………….…...……….16

6.4 Четвёртая попытка создания установки………………………...17

7 Контрольный тест установки………………………………………….18

8 Проект буя…………………………………………................................19

9 Использование на практике в крупных масштабах …………………20

Результаты и выводы проекта..……………………....……………...…..22

Список использованной литературы……….………….……………......23

Введение

Двадцать первый век - век атома, покорения космоса, радиоэлектроники и ультразвука. Наука об ультразвуке сравнительно молодая. Первые лабораторные работы по исследованию ультразвука были проведены великим русским ученым-физиком П. Н. Лебедевым в конце XIX, а затем ультразвуком занимались многие видные ученые.

Ультразвук представляет собой волнообразно распространяющееся колебательное движение частиц среды. Ультразвук имеет некоторые особенности по сравнению со звуками слышимого диапазона. В ультразвуковом диапазоне сравнительно легко получить направленное излучение; он хорошо поддается фокусировке, в результате чего повышается интенсивность ультразвуковых колебаний. При распространении в газах, жидкостях и твердых телах ультразвук порождает интересные явления, многие из которых нашли практическое применение в различных областях науки и техники.

В последние годы ультразвук начинает играть все большую роль в научных исследованиях. Успешно проведены теоретические и экспериментальные исследования в области ультразвуковой кавитации и акустических течений, позволившие разработать новые технологические процессы, протекающие при воздействии ультразвука в жидкой фазе. В настоящее время формируется новое направление химии – ультразвуковая химия, позволяющая ускорить многие химико-технологические процессы. Научные исследования способствовали зарождению нового раздела акустики – молекулярной акустики, изучающей молекулярное взаимодействие звуковых волн с веществом. Возникли новые области применения ультразвука: интроскопия, голография, квантовая акустика, ультразвуковая фазомерия, акустоэлектроника.

Наряду с теоретическими и экспериментальными исследованиями в области ультразвука выполнено много практических работ. Разработаны универсальные и специальные ультразвуковые станки, установки, работающие под повышенным статическим давлением, ультразвуковые механизированные установки для очистки деталей, генераторы с повышенной частотой и новой системой охлаждения, преобразователи с равномерно распределенным полем. Созданы и внедрены в производство автоматические ультразвуковые установки, которые включаются в поточные линии, позволяющие значительно повысить производительность труда.

Актуальность работы.

Каждый год люди по всему миру стараются поехать заграницу на море или на океан, но никто не может гарантировать сто процентный безопасный отдых, ни в чем себе не отказывая. Морские хищники таят в себе большую грозу, находясь вблизи купальной зоны.

Данный проект может принести большую пользу обществу в будущем, так как многие люди бояться плавать в море или в океане, потому что там обитают хищники, которые могу навредить здоровью или вообще лишить жизни.

Сейчас эта проблема решается путем ограждения моря вблизи пляжей металлической сеткой. Но у данного решения есть недостатки:

· металл имеет свойство окисляться, что приводит к загрязнению окружающей среды и наносит вред морской фауне и флоре;

· большие экономические затраты на установку;

· сложная установка.

Многие владельцы пляжей хотят сэкономить свои средства и ставят буйки без сетки по периметру, что подвергает людей реальной опасности.
Это не безопасно, человек на отдыхе должен чувствовать себя уверенно.

Если мы откажемся от сетей по периметру:

· защитим морских обитателей, потому что не редки случаи, когда животные запутывались в сетях и не могли выбраться;

· избавим море от вредных продуктов разложения, как от сетки, так и от запутавшихся в них животных.

Мы же предлагаем абсолютно новый и необычный способ защиты купающихся людей, расставив ультразвуковые излучатели по периметру купальной зоны, предназначенные отпугивать хищных рыб.

Цели проекта

Цели проектной работы:

· исследование возможности воздействия ультразвуковыми волнами на хищных рыб с целью их отпугивания;

· создание инженерной установки для проведения исследований;

· разработка проекта буя.

Физические основы проекта

Ультразвук как упругие волны

Ультразвук (УЗ) – упругие колебания и волны, частота которых превышает 15 – 20 кГц. Нижняя граница области УЗ-вых частот, отделяющая ее от области слышимого звука, определяется субъективными свойствами человеческого слуха и является условной, так как верхняя граница слухового восприятия у каждого человека своя. Верхняя граница УЗ-вых частот обусловлена физической природой упругих волн, которые могут распространяться лишь в материальной среде, т.е. при условии, что длина волны значительно больше длины свободного пробега молекул в газе или межатомных расстояний в жидкостях и твердых телах. В газах при нормальном давлении верхняя граница частот УЗ составляет » 10⁹ Гц, в жидкостях и твердых телах граничная частота достигает 10¹² -10¹³ кГц. В зависимости от длины волны и частоты УЗ обладает различными специфическими особенностями излучения, приема, распространения и применения, поэтому область УЗ-вых частот подразделяют на три области:

· низкие УЗ-вые частоты (1,5×10⁴ – 10⁵ Гц);

· средние (10⁵ – 10⁷ Гц);

· высокие (10⁷ – 10⁹ Гц).

Упругие волны с частотами 109 – 1013 кГц принято называть гиперзвуком.

УЗ-вые волны (неслышимый звук) по своей природе не отличаются от упругих волн слышимого диапазона. В газах и жидкостях распространяются только продольныеволны, а в твердых телах – продольные и сдвиговые.

Распространение ультразвукаподчиняется основным законам, общими для акустических волн любого диапазона частот. К основным законам распространения относятся законы отражения звука и преломления звука на границах различных сред, дифракции звука и рассеяния звука при наличии препятствий и неоднородностей в среде и неровностей на границах, законы волноводного распространения в ограниченных участках среды. Существенную роль при этом играет соотношение между длиной волны звука l и геометрическим размером D – размером источника звука или препятствия на пути волны, размером неоднородностей среды. При D>>l распространение звука вблизи препятствий происходит в основном по законам геометрической акустики (можно пользоваться законами отражения и преломления). Степень отклонения от геометрической картины распространения и необходимость учета дифракционных явлений определяются параметром , где r – расстояние от точки наблюдения до объекта, вызывающего дифракцию.

Скорость распространения УЗ-вых волнв неограниченной среде определяется характеристиками упругости и плотностью среды. В ограниченных средах на скорость распространения волн влияет наличие и характер границ, что приводит к частотной зависимости скорости (дисперсия скорости звука). Уменьшение амплитуды и интенсивности УЗ-вой волны по мере ее распространения в заданном направлении, то есть затухание звука, вызывается, как и для волн любой частоты, расхождением фронта волны с удалением от источника, рассеянием и поглощением звука. На всех частотах как слышимого, так и неслышимых диапазонов имеет место так называемое «классическое» поглощение, вызванное сдвиговой вязкостью (внутренним трением) среды. Кроме того, существует дополнительное (релаксационное) поглощение, часто существенно превосходящее «классическое» поглощение.

При значительной интенсивности звуковых волн появляются нелинейные эффекты:

· нарушается принцип суперпозиции и возникает взаимодействие волн, приводящее к появлению тонов;

· изменяется форма волны, ее спектр обогащается высшими гармониками и соответственно растет поглощение;

· при достижении некоторого порогового значения интенсивности УЗ в жидкости возникает кавитация.

Критерием применимости законов линейной акустики и возможности пренебрежения нелинейными эффектами является: М << 1, где М = v/c, v – колебательная скорость частиц в волне, с – скорость распространения волны.

Параметр М называется «число Маха».