41. Механічні хвилі та їх характеристики. Природа звуку. Характеристики звуку. Ультразвук та його застосування.

Якщо в будь-якому пружному середовищі зовнішні сили збуджують коливання частинок в одному місці, то внаслідок взаємодій між частинками коливання передаватимуться до частинок в інших місцях. Процес передавання коливань у середовищі називається хвильовим процесом.

Хвилі можна утворити на поверхні води або на довгій мотузці. Поширення хвиль не супроводиться перенесенням частинок середовища, вони коливаються тільки біля свого положення рівноваги. З хвилею переноситься енергія коливального руху.

Напрям поширення хвилі називають променем. Залежно від напряму коливання точок відносно променя хвилі поділяють на поздовжні й поперечні. Поперечними називають хвилі, в яких частинки коливаються в напрямі, перпендикулярному до променя хвилі. Поздовжніми називають хвилі, в яких частинки коливаються в напрямі променя хвилі.

Розділ фізики, в якому вивчаються звукові хвилі (збудження, поширення, сприймання та взаємодія їх з речовиною середовища), називають акустикою. Викладені в попередніх питаннях загальні закономірності коливальних і хвильових видів механічного руху можна застосувати і до вивчення акустичних явищ. Ряд спеціальних питань, пов’язаних з особливостями сприймання звуку, його технічним застосуванням, зумовив виділення окремого розділу фізики - акустики.

Акустика поділяється на загальну і прикладну. У загальній акустиці розглядаються теоретичні та експериментальні аспекти утворення і поширення звукових, ультразвукових та інфразвукових хвиль і взаємодія їх з речовиною.

Вимірювання швидкості звуку в твердих тілах, рідинах і газах вказують на те, що швидкість не залежить від частоти коливань або довжини звукової хвилі, тобто для звукових хвиль нехарактерна дисперсія

Пружні хвилі, що поширюються у суцільних середовищах, називаються звуковими. До звукових хвиль належать хвилі, частоти яких лежать у межах сприймання органами слуху. Людина сприймає звуки тоді, коли на її органи слуху діють хвилі з частотами від 16 до 20000 Гц. Пружні хвилі, частота яких менша від 16 Гц, називають інфразвуковими, а хвилі, частота яких лежить в інтервалі від 2» 10⁴ до 1»10⁹ Гц, - ультразвуковими.

Швидкість поширення в просторі сталої фази (фронту хвилі) називають фазовою швидкістю хвилі.

Ми розглянули утворення хвилі тільки в одному напрямі. У суцільному середовищі коливання так само поширюються в усіх напрямах від центра коливань. Геометричне місце точок, до яких дійшли коливання в деякий момент часу t , називається фронтом хвилі.

За формою фронту розрізняють хвилі сферичні, плоскі та ін. Геометричне місце точок, що коливаються в однаковій фазі, називається хвильовою поверхнею. Хвильову поверхню можна провести через будь-яку точку простору, збудженого хвилею. Очевидно, фронт хвилі є також окремим випадком хвильової поверхні.

Швидкість передачі енергії, а отже, і швидкість переміщення максимуму амплітуди хвильового пучка називають груповою швидкістю хвилі.Стоячі хвилі Стояча хвиля в найпростішому випадку утворюється в результаті накладання двох хвиль, що розповсюджуються в двох взаємно протилежних напрямках. Амплітуда стоячої хвилі не залежить від часу і є періодичною функцією відстані х точок шнура від джерела хвиль.Точки, в яких амплітуда стоячої хвилі рівна 0 називаються вузлами стоячої хвилі.Точки, в яких амплітуда стоячої хвилі максимальна і рівна 2*А називаються пучностями стоячої хвилі.

42. Електромагнітні хвилі. Рівняння хвилі. Шкала електромагнітних хвиль.

Електромагнітна хвиля - збурення електромагнітного поля, яке поширюється в просторі з певною швидкістю і може існувати без джерела живлення.

Електромагнітна хвиля - збурення електромагнітного поля, яке поширюється в просторі з кінцевою швидкістю.Основні характеристики електромагнітної хвилі.До основних характеристик хвилі відносять:

1. Довжина хвилі. У монохроматичній хвилі електричний і магнітний вектори поля завжди коливаються в однакових фазах (рис. 1).

1 - віддаль між двома максимумами або мінімумами збурення електромагнітного поля.

2. Швидкість монохроматичної хвилі. По іншому - це швидкість поширення фронту хвилі, або як уже говорилося раніше фазової швидкості. Виникнув в місці де знаходиться осцилятор (провідник із змінним по величині зарядом) електромагнітне поле буде поширюватись в просторі, займаючи все більший і більший об’єм.

3. Інтенсивність. Поширення хвилі завжди зв’язано з переносом енергії W, яку можна якісно охарактеризувати вектором густини потоку енергії I . Напрям вектора I співпадає з напрямом переносу енергії, а його абсолютна величина рівна енергії, що переноситься хвилею за одиницю часу t через одиничну площадку S, розташовану перпендикулярно до нього.

Виразивши енергію через густину і провівши відповідні перетворення, отримаємо

У природі існують електромагнітні хвилі різних частот, а відповідно і довжин. Шкала електромагнітних хвиль являє собою безперервну зміну частот від нуля (нескінченно довгі хвилі постійних струмів) до 10²³ Гц (довжина хвилі ~ 10 ¹⁵ м)

Межі між різними видами електромагнітного випромінювання умовні, вони часто перекриваються. Назви різним діапазонам спектрів дані за способом їх збудження і за методами спостереження.

Зробимо конкретний аналіз кожного діапазону.

Низькочастотні коливання. Джерелом такого роду коливань є механічні вібратори (електродвигуни, генератори, різного роду розрядники, а також електромережа, частота, якої 50 Гц).

Низькочастотні коливання погано поширюються в просторі (надто швидко затухають). Вивчають для того, щоб уникнути їх впливів. Тому прилади екранують і заземлюють.

Радіодіапазон. Джерелом такого роду коливань є LC-генератори, тобто пристрої в основі, яких є коливальний контур. Радіодіапазон ділиться на наступні піддіапазони.ДХ - довгі хвилі

наддовгі від 10 до 100 км довгі від 1 до 10 км

Електромагнітні хвилі цього діапазону дуже добре поширюються в просторі, чудово огинають перешкоди (будинки, гори, тощо). Однак потребують великої потужності передавачів і високих антен. На такому діапазоні відбувається всесвітній зв’язок. Довгі хвилі використовуються для зв’язку з підводними човнами в підводному положенні.Оскільки вони потребують великої потужності, то радіостанційпрацюючих в цьому діапазоні не так уже і багато.СХ - середні хвилі від 100 до 1000 м

Непогано поширюються в просторі, хоча дальність залежить від густини повітря. (Тому добре поширюються в ночі, ввечері). Непогано огинають перешкоди. на хвилях цього діапазону також відбувається всесвітній зв’язок. в цьому діапазоні працюють всі радіомаяки (служба точного часу і стандартів частот). На довжині 600 м працює служба “SOS”. На цьому ж діапазоні працює метереологічна служба.КХ - короткі хвилі

від 10 до 100 мПоширюються на значно короткі відстані. Тому спочатку був цей діапазон повністю відданий радіолюбителям. Хвилі цього діапазону не потребують великих потужностей передавачів і великих антен. Однак пізніше було замічено, що хвилі цього діапазону відбиваються від іоносфери, а тому можуть поширюватись на значні віддалі.Хвилі короткого діапазону мають так звану “мертву зону”.

УКХ - ультракороткі хвилі метрові від 1 до 10 м дециметрові від10до 100 см сантиметрові від 1 до 10 см міліметрові від 1 до 10 мм субміліметрові від 0,1 до 1 мм

Якщо короткі радіохвилі стали “популярними” із-за їх можливості досягати досить віддалені райони, то ультракороткі радіохвилі мають інші можливості. Тільки на метровому проміжку (від 10 до 1 м) можуть одночасно працювати стільки радіостанцій, скільки одночасно працюють в діапазоні коротких, середніх і довгих хвиль разом взятих. Поширюються тільки на пряму видимість, тобто погано огинають перешкоди. Тому для використання передач на значні віддалі потребують ретранслятори.

Хвилі сантиметрові і субміліметрові уже поширюються в хвилеводах і потребують параболічних антен. Джерелом їх уже являється не LC та RC - генератри, а клістронні генератори.

Електромагнітні випромінювання в УКХ-діапазоні також використовується в телебачені, оскільки хвилі цього діапазону здатні нести значну кількість інформації. (Для чорнобілого телебачення потрібно нести три сигнали: звук, зображення, синхроімпульс). (Для кольорового телебачення 5 сигналів).

Дослідження розповсюдження такого роду хвиль привело до відкриття ефекту Штермера.