12)Звуковые, продольные и поперечные волны упругости.

Продольные и поперечные волны. Звуковые волны. Процесс распространения колебаний в пространстве, называется волной. Распространение волны в твердой, жидкой или газообразной среде означает передачу колебаний от одной частицы среды к другой и т. д.

Механические волны могут распространяться в сплошной среде, где частицы связаны между собой силами упругости, возникающими вследствие деформации среды.

К механическим волнам относятся звуковые волны, волны, возникающие на поверхности воды, взрывные, сейсмические волны и т. д..

Волна характеризуется синусоидальной зависимостью смещения частиц относительно положения равновесия в зависимости от времени. Упругие волны бывают двух типов: поперечными и продольными. Представим упругую среду в виде регулярно расположенных друг к другу молекул. Между ними действуют силы упругости.

Если сила вызывающая возмущение перпендикулярна направлению распространения волны, такая волна называется поперечной. Если, сила вызывающая возмущение совпадает с направлением распространения волны, то такая волна называется продольной.

В волне мы имеем периодичность и во времени и в пространстве. Это означает, что после определенного, повторяющегося периода времени, который обозначается T, частицы окажутся в том же состоянии, которое будет повторяться. С другой стороны, частица будет принимать определенное положение в пространстве и это тоже будет повторяться периодически.

За время, равное одному периоду колебания волна пройдет расстояние лямбда равное произведению V на T или же отношению V к Ню, где Ню равное единице деленной на T - называется частотой волны.

Скоростью движения волны называется скорость перемещения гребня или впадины в поперечной волне или сгущения или разряжения в продольной волне. Скорость распространения механической волны зависит от упругих свойств среды, где волна распространяется.

13)Пьезоэлектрический эффект. Пезоэлектрисикционный эффект. Представление о пъезоэлектрических датчиках излучения и приема звука, их применение.

Пьезоэлектрический эффект.Пьезоэлектрический эффект (сокращенно пьезоэффект) наблюдается в анизотропных диэлектриках, преимущественно в кристаллах некоторых веществ, обладающих определенной, достаточно низкой симметрией. Пьезоэффектом могут обладать кристаллы, не имеющие центра симметрии, а имеющие так называемые полярные направления (оси). Пьезоэффектом могут обладать также некоторые поликристаллические диэлектрики с упорядоченной структурой (текстурой), например керамические материалы и полимеры. Диэлектрики, обладающие пьезоэффектом, называют пьезоэлектриками.

Внешние механические силы, воздействуя в определенных направлениях на пьезоэлектрический кристалл, вызывают в нем не только механические напряжения и деформации (как во всяком твердом теле), но и электрическую поляризацию и, следовательно, появление на его поверхностях связанных электрических зарядов разных знаков. При изменении направления механических сил на противоположное становятся противоположными направление поляризации и знаки зарядов. Это явление называют прямым пьезоэффектом. Пьезоэффект обратим. При воздействии на пьезоэлектрик, например кристалл, электрического поля соответствующего направления в нем возникают механические напряжения и деформации. При изменении направления электрического поля на противоположное соответственно изменяются на противоположное направления напряжений и деформаций. Это явление получило название обратного пьезоэффекта.

Схематичные изображения прямого (а, б) и обратного (в, г) пьезоэффектов. Стрелками Р и Е изображены внешние воздействия - механическая сила и напряженность электрического поля. Штриховыми линиями показаны контуры пьезоэлектрика до внешнего воздействия, сплошными линиями - контуры деформации пьезоэлектрика (для наглядности во много раз увеличены); Р - вектор поляризации.

В некоторых источниках для обратного пьезоэффекта неуместно используют термин электрострикция, относящийся к сходному, но другому физическому явлению, характерному для всех диэлектриков, деформации их под действием электрического поля. Электрострикция - четный эффект, означающий, что деформация не зависит от направления электрического поля, а ее величина пропорциональна квадрату напряженности электрического поля. Порядок деформаций при электрострикции намного меньше, чем при пьезоэффекте (примерно на два порядка). Электрострикция всегда возникает и при пьезоэффекте, но вследствие малости в расчет не принимается. Электрострикция - эффект необратимый.

Прямой и обратный пьезоэффект линейны и описываются линейными зависимостями, связывающими электрическую поляризацию Р с механическим напряжением t: P = dt

Данную зависимость называют уравнением прямого пьезоэффекта. Коэффициент пропорциональности d называется пьезоэлектрическим модулем (пьезомодулем), и он служит мерой пьезоэффекта. Обратный пьезоэффект описывается зависимостью: r = dE где r - деформация; Е - напряженность электрического поля. Пьезомодуль d для прямого и обратного эффектов имеет одно и то же значение.

Приведенные выражения даны в элементарной форме только для уяснения качественной стороны пьезоэлектрических явлений. В действительности пьезоэлектрические явления в кристаллах более сложны, что обусловлено анизотропией их упругих и электрических свойств. Пьезоэффект зависит не только от величины механического или электрического воздействия, но и их характера и направления сил относительно кристаллофических осей кристалла. Пьезоэффект может возникать в результате действия как нормальных, так и касательных напряжений. Существуют направления, для которых пьезоэффект равен нулю. Пьезоэффект описывается несколькими пьезомодулями, число которых зависит от симметрии кристалла. Направления поляризации может совпадать с направлением механического напряжения или составлять с ним некоторый угол. При совпадении направлений поляризации и механического напряжения пьезоэффект называют продольным, а при их взаимно перпендикулярном расположении - поперечным. За направление касательных напряжений принимают нормаль к плоскости, в которой действуют напряжения.

Схематичные изображения, поясняющие продольный (а) и поперечный (б) пьезоэффекты

Деформации пьезоэлектрика, возникающие вследствие пьезоэффекта, весьма незначительны по абсолютной величине. Например, кварцевая пластина толщиной 1 мм под действием напряжения 100 В изменяет свою толщину всего на 2,3 х 10^-7мм. Незначительность величин деформаций пьезоэлектриков объясняется их очень высокой жесткостью.

Применение: Это явление использовалось в проигрывателях, пьезоэлектрических микрофонах и сигаретных зажигалках.

14)Основы ультразвуковой дефектоскопии: измерение толщины изделий и покрытий, выявление дефектов.

Ультразвукова́я дефектоскопи́я — поиск дефектов в материале изделия ультразвуковым методом, то есть путём излучения и принятия ультразвуковых колебаний, и дальнейшего анализа их амплитуды, времени прихода, формы и пр. с помощью специального оборудования — ультразвукового дефектоскопа.