Студопедия — Продольные и поперечные волны.
Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Продольные и поперечные волны.






 

                                             
         
           
 
           
 
         
 
           
 
           
 
         
 
           
 
           
 
 
     
 
     

 


Продольные волны Поперечные волны.

 

Рис. Схема сдвига частиц при продольных и поперечных волнах.

 

Продольные волны - это колебания растяжения и сжатия. Смещение частиц определяется величиной модуля упругости Е, а запаздывание смещения - массой частиц, т.е. плотностью среды r. Скорость продольной волны:

Vпрод = Ö` (E / r).

Поперечные волны - это сдвиговые колебания. Смещение ряда атомов происходит перпендикулярно направлению распространения волны со скоростью:

Vпоп = Ö`(G / r),

где G- модуль сдвига. Поскольку E > G, то Vпрод >Vпоп. Для стали Vпрод = 5.1 103 м/с, а Vпоп = 3.2 103 м/с.

Деформация сдвига может сопровождаться в том числе изгибом, кручением смежных сечений (например, пьезоэлемента). Форма колебаний достигается определенным ориентированием кристаллофизических осей относительно точек присоединения электродов (как правило, больше одной пары), а также расположением узлов колебаний (в них отсутствует деформация). Эти принципы применяются в приводах прецизионных манипуляторов, способных выполнять сложные движения.

 

Объемные и поверхностные волны.

В упругой среде могут распространяться объемные (ОАВ) и поверхностны е акустические (ПАВ) волны. Для возбуждения объемных волн на пьезоэлектрике формируют пару широких электродов, а для поверхностных волн - несколько пар узких электродов встречно – гребневой топологии. Для обратного преобразования акустических колебаний в электрические вторая пара электродов для ОАВ располагается на противоположной стороне кристалла, а для ПАВ - на той же.

2 d

           
   
 
   

 


(а) (б)

Рис. Схема возбуждения объемных (а) и поверхностных волн (б).

 

Для объемных волн максимальная амплитуда наблюдается в подэлектродной области и экспоненциально затухает в перпендикулярном направлении. Это позволяет разместить рядом несколько устройств (с определенным коэффициентом связи – вблизи, а независимые устройства - на удалении). Затухание объемной волны велико, поскольку возбуждается большое число частиц. Дополнительное рассеивание мощности АВ происходит на дефектах, поэтому к материалу звукопровода предъявляются требования идеальной структуры. Скорость распространения АВ существенно меньше радиоволн и, следовательно, меньше длина волны l (l = V/ f). АВ эффективно использовать для линий задержки, где требуются тракты с многими l.

Поверхностные акустические волны (ПАВ) распространяются в приповерхностном слое. Вдоль поверхности амплитуда АВ затухает медленно (частицы беспрепятственно сдвигаются наружу), а вглубь - быстро. Толщина слоя распространения ПАВ:

d = (1...2) l. Чем меньше длина волны l, тем меньше требуется бездефектного материала.

 

Частота f, МГц   1.000
d, мкм   3.2

 

АВ от пьезопреобразователя расходится в двух направлениях. Для поглощения ненужной АВ на поверхность кристалла наносят резистивное или другое поглощающее покрытие. Встречно - гребенчатые электроды преобразования ПАВ имеют период

d = a + s,

где а - ширина проводника, s - зазор между разнополярными электродами. При равенстве l = 2 d происходит резонансное синхронное сложение упругих колебаний - акустический синхронизм. Резонансная частота f = Vпоп / 2d. Ограничения частотного диапазона:

fmax - в разрешающей способности для реализации минимальных размеров а и d,

fmin - большой площади кристаллической подложки с идеальной структурой. Использование нанотехнологии позволяет существенно повысить верхний частотный предел.

 

Материал Скорость ПАВ, 103,м/с Коэффициент электромеханической связи, (максимально достижимый), К2, %
Кварц 3.15 - 3.16 0.16 - 0.22
Ниобат лития 3.48 - 3.49 4.8 - 5.1
Танталат лития 3.28 - 3.33 0.68 - 1
Германат висмута 1.68 - 1.71 1.3 - 1.7
Йодит лития 2.2 5.6

МЭМС нашли применение в мобильных телефонах, оборудовании беспроводных сетей стандарта 802.11а/b/g, рассчитанные на диапазоны частот 5.3 и 2.4 ГГц, СВЧ системы многоточечного доступа (LMDS), для электронной торговли, в системах передачи данных на базе стандарта Bluetooth и устройствах позиционирования на местности, системах GPS.

Рис. Мобильный телефон с МЭМС устройствами.

 

В структуру устройств на ПАВ входят два преобразователя: В отличие от объемных АВ, с ПАВ можно использовать планарную технологию и легко связываться в любом месте поверхности. В датчиках массы (mass), вязкости (viscosity) на поверхность звукопровода между преобразователями наносится исследуемое вещество. Параметры вещества определяются по изменению фазы и амплитуды выходного сигнала по отношению к входному.

Рис. Схема датчика (вверху), (внизу) графики входного (input signal) и выходного (output signal)) электрических сигналов.

 

 

Рис. Датчик состава газа на ПАВ.

 

Речь.

 

Речь человека - это акустические колебания, возбуждаемые мышцами гортани и рта. От голосовых связок до губ – около 20 см. От того, где наблюдается наибольшая амплитуда колебаний, зависит артикуляция звуков. Тональные, гласные, звуки формируются голосовыми связками. Сонарные (м, н, л, р) и шумовые (п, б, т, к) звуки более сложного воспроизведения. Звуки имеют различную форму и частотный спектр. Форма, спектр и длительность звуковых сигналов, произнесенных разными людьми, существенно различается. Это затрудняет распознавание звуков и, тем более речи – слитного каскада звуков. Каждый звук или слог (фонема) имеет своеобразную амплитудно-временную форму сигнала и свой спектр частот, поэтому их можно различить.

Системы распознавания используют сравнение с эталонными образами фонем или слов. Между образами должна быть пауза не менее 0,1с. Темп речи при вводе команд составляет менее 70 слов в минуту. Распознанные образы появляются на экране дисплея и должны проверяться оператором.

Из-за сложности процесса распознавания словарь ограничивается отдельными терминами: "точить", "резьба", «фрезеровать по линии», - всего несколько десятков команд. Человек обладает индивидуальными особенностями речи, поэтому требуется создание эталонных образов для каждого оператора. Это существенно ограничивает круг "речевых" программистов.

 

Рис. Преобразование аналогового голосового сигнала в цифровой ряд.

 

 

Речевое программирование используется в автоматизированном производстве для ввода данных в ЭВМ, в том числе команд для оборудования с числовым программным управлением ЧПУ. Использование речевого ввода данных целесообразно для небольших программ, для оперативной корректировки или исправления ошибок. Это удобно при выявлении брака, перечислении комплектующих (управлении запасами). Разрабатываются программы управления навигационными системами автомобиля.

 

Физико-химическое действие УЗ.

 

При воздействии УЗ частицы среды совершают интенсивные колебания. Разность давлений на расстоянии 1/2 длины волны может достигать десятков атмосфер. В результате оказывается механическое, тепловое и химическое воздействие.

Механические воздействия включают акустические течения, давление звуковой волны, кавитацию.

Акустические течения являются результатом действия закона сохранения количества движения: переносимое звуковой волной количество движения, связанное с колебаниями частиц среды, при поглощении волны передается среде, вызывая ее регулярное движение. (Рэлей заметил, что звучащий перед резонатором камертон гасит свечу у другого конца резонатора.) Акустические течения у поверхности препятствий активизируют процессы массо- и теплопередачи через их поверхности. В процессе электролиза акустические течения УЗ в результате отражения от стенок ванны вызывают перемешивание электролита, способствующее выравниванию концентрации и удалению избытка газа из прикатодного пространства и пор катода (дегазации).

Давление звука определяется импульсом, передаваемым волной в единицу времени единице площади препятствия. Давление на границе двух жидких или газообразных сред приводит к вспучиванию поверхности раздела, которое при достаточной интенсивности приводит к фонтанированию. Это свойство используется для распыления жидкостей. АВ более энергетически эффективна, чем одноразовое воздействие.

 

В жидкости УЗ вызывает явление кавитации. Продольная УЗ волна образует чередующиеся зоны высокого и низкого давлений, т.е. области сжатий и растяжений.

В разряженной зоне гидростатическое давление понижается до такой степени, что силы, действующие на молекулы жидкости, становятся больше сил межмолекулярного сцепления. Жидкость локально разрывается, образуя множество газовых пузырьков. В период высокого давления пузырьки “схлопываются”, образуя ударные волны с большим мгновенным давлением.

Тепловое воздействие имеет место при поглощении УЗ колебаний. В зоне повышенного давления температура может достигать 5000 °С. Нагревание неравномерно, наибольшее - на границе сред с различным акустическим сопротивлением.

Химическое воздействие выражается в изменении свойств веществ в результате разрыва молекулярных связей под действием кавитации, акустических течений и локального нагревания. Кавитация активизирует электрохимические процессы. Улучшается структура покрытий: равномерность, мелкозернистость, толщина, твердость, адгезия к подложке. Кавитация способствует проникновению расплава в поры материала (звуко-капиллярный эффект), инициирует химическое взаимодействие.

 

Технологические процессы с применением УЗ.

 

Кристаллизация с УЗ дает мелкозернистую структуру, поскольку акустические течения и кавитация раскалывают зародыши. Тепловое воздействие стимулирует создание множественности центров кристаллизации. В результате получается пластичная мелкозернистая структура.

Сушка связана с ускорением тепло- и массообмена за счет акустического течения.

Очистка использует все виды механических воздействий. УЗ для дробления и удаления с очищаемой поверхности пленки окислов, жиров и других загрязнений. Тепловое и химическое воздействия интенсифицируют действие моющих жидкостей.

Размерная механическая обработка (сверление, фрезерование, шлифование, гравирование) твердых, хрупких материалов (но не пластичных: свинца, мягких сталей,..) производится сочетанием постоянного давления и УЗ, которое инициирует разрушение абразивом упругой поверхности детали. В пластичную поверхность абразив вдавливается, не разрушая ее.

 

Рис. Прибор для сверления.

 

Сварка металлов и полимерных материалов производится сочетанием постоянного давления и УЗ. Постоянное давление необходимо для образования физического контакта поверхностей, при этом сминаются микронеровности, увеличивая площадь соприкосновения. УЗ обеспечивает локальных нагрев вплоть до температуры плавления и образования на границе раздела металлов общих “зерен” кристаллической структуры. В неметаллах УЗ оказывает механическое воздействие для удаления загрязнений и поверхностных пленок, тепловое воздействие: нагрев до вязкотекучего состояния аморфных полимеров и плавлению кристаллических полимеров, а также химическое воздействие, ведущее к разрыву прежних связей и установлению новых химических связей с присоединяемым материалом.

Рис. Схема сварки металлов и пластмасс воздействием УЗ (4).

 

Металлизация и пайка металлов (Al, Cu, Ti,, Nb,..) и неметаллов (керамики, стекла, ферритов, полимеров) при нагревании с УЗ использует кавитацию, ударные волны при которой могут создавать давление до 105 атм и разрушать окисные пленки и загрязнения. Акустические течения уносят частицы и перемешивают расплав в области контакта. Кавитация способствует проникновению расплава в поры материала (звуко-капиллярный эффект), инициирует химическое взаимодействие.

 







Дата добавления: 2015-09-04; просмотров: 1282. Нарушение авторских прав; Мы поможем в написании вашей работы!



Шрифт зодчего Шрифт зодчего состоит из прописных (заглавных), строчных букв и цифр...

Картограммы и картодиаграммы Картограммы и картодиаграммы применяются для изображения географической характеристики изучаемых явлений...

Практические расчеты на срез и смятие При изучении темы обратите внимание на основные расчетные предпосылки и условности расчета...

Функция спроса населения на данный товар Функция спроса населения на данный товар: Qd=7-Р. Функция предложения: Qs= -5+2Р,где...

СИНТАКСИЧЕСКАЯ РАБОТА В СИСТЕМЕ РАЗВИТИЯ РЕЧИ УЧАЩИХСЯ В языке различаются уровни — уровень слова (лексический), уровень словосочетания и предложения (синтаксический) и уровень Словосочетание в этом смысле может рассматриваться как переходное звено от лексического уровня к синтаксическому...

Плейотропное действие генов. Примеры. Плейотропное действие генов - это зависимость нескольких признаков от одного гена, то есть множественное действие одного гена...

Методика обучения письму и письменной речи на иностранном языке в средней школе. Различают письмо и письменную речь. Письмо – объект овладения графической и орфографической системами иностранного языка для фиксации языкового и речевого материала...

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЦЕНТРА ТЯЖЕСТИ ПЛОСКОЙ ФИГУРЫ Сила, с которой тело притягивается к Земле, называется силой тяжести...

СПИД: морально-этические проблемы Среди тысяч заболеваний совершенно особое, даже исключительное, место занимает ВИЧ-инфекция...

Понятие массовых мероприятий, их виды Под массовыми мероприятиями следует понимать совокупность действий или явлений социальной жизни с участием большого количества граждан...

Studopedia.info - Студопедия - 2014-2024 год . (0.011 сек.) русская версия | украинская версия