Упру́гие во́лны (акустические волны) — волны, распространяющиеся в жидких, твёрдых и газообразных средах за счёт действия упругих сил. При распространении таких волн в среде перемещаются малые упругие колебания.
Источником упругой волны является удар, взрыв или вибрация.
Эти волны охватывают частотный диапазон от долей герца до 1013 герц, где выделяют четыре основные категории: инфразвук (до примерно 16 герц), звуковые волны (от 16 до 20,000 герц), ультразвук (от 20,000 герц до 109 герц) и гиперзвук (от 109 до 1013 герц). Эти волны переносят энергию в среде и характеризуются амплитудой колебаний, направлением движения частиц, частотой, длиной волны, фазовой и групповой скоростями, а также законом распределения смещений и напряжений вдоль волнового фронта. Все акустические волны испытывают затухание в процессе распространения. На их пути могут возникнуть препятствия, что вызывает дифракцию волн.
В жидкостях и газах, обладающих только объемной упругостью, могут распространяться исключительно продольные волны сжатия и разрежения. В неограниченных твердых средах могут существовать как продольные, так и поперечные (сдвиговые) волны. В однородных и изотропных средах продольные волны перемещают частицы в направлении распространения волны, тогда как в поперечных волнах движение частиц перпендикулярно направлению волны.
На границе твердого тела с другими средами возникают поверхностные акустические волны, являющиеся сочетанием неоднородных продольных и сдвиговых волн с экспоненциальным уменьшением амплитуды от границы. В ограниченных твердых телах, таких как пластины и стержни, волны распространяются как комбинации продольных и сдвиговых волн.
В анизотропных средах, например, в анизотропных кристаллах, свойства акустических волн зависят от типа кристалла и направления распространения. В таких средах всегда распространяются три волны: квазипродольная и две квазипоперечные, преимущественно с продольными и поперечными смещениями. Каждая волна имеет свою скорость. При распространении в кристаллах могут возникать такие эффекты, как различие между фазовой и групповой скоростями, вращение плоскости поляризации и усиление волн за счет акустоэлектронного взаимодействия.
Затухание акустических волн происходит из-за расхождения волн от источника, рассеивания на неоднородностях и необратимого превращения энергии в другие формы, например, в тепловую. Акустические волны находят широкое применение в (акустоэлектронике), дефектоскопии, (гидролокации), сейсмологии и других областях.
Общая классификация
В зависимости от частоты различают инфразвуковые, звуковые, ультразвуковые и гиперзвуковые упругие волны.
В жидких и газообразных средах может распространяться только один тип упругих волн — продольные волны. В волне этого типа движение частиц осуществляется в направлении распространения волны.
В твёрдых телах существуют (касательные механические напряжения), что приводит к существованию других типов волн, в которых движение частиц осуществляется по более сложным траекториям.
Упругие волны, распространяющиеся в земной коре, называют сейсмическими волнами.
Упругие волны в твёрдых телах
Наиболее распространёнными типами упругих волн в твёрдых телах являются:
- (продольные волны) — волны с колебанием частиц вдоль направления распространения волны;
- (поперечные волны) — волны с колебанием частиц перпендикулярно направлению распространения волны;
- поверхностные волны (например, (волны Рэлея)) — волны с колебанием частиц по эллипсам вдоль поверхности тела;
- (волны Лэмба) — волны в тонких пластинах;
- (изгибные волны) — распространение колебаний деформации изгиба в стержнях или пластинах, длина волны которых много больше толщины стержня или пластины.
Распространение упругих колебаний в кристаллических твёрдых материалах может трактоваться не только как упругая волна, но и как поток квазичастиц-(фононов) — квантов колебаний кристаллической решётки. В такой трактовке каждый квант несёт энергию (
— постоянная Планка,
— частота колебания) и движется со скоростью звука. Количество квантов подбирается так, чтобы (плотность потока энергии) в волновом и частичном представлениях совпала. Ситуация такая же, как с электромагнитным излучением, квантом которого является фотон (фотонная модель, в отличие от фононной, актуальна для всех сред).
Практическое применение
Упругие волны широко используются:
В медицине:
- (ультразвуковое исследование)
В геофизике:
В технике:
- (ультразвуковая дефектоскопия)
В музыке:
- (камертон)
- музыкальные инструменты
См. также
- Упругость
- (Бегущая волна)
- Сейсмическая волна
Примечания
- Л. Ландау, Е.Лифшиц. Механика сплошных сред.Гидродинамика и теория упругости. — Москва, Ленинград: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1944. — 623 с.
- Валерий Майер, Екатерина Вараксина. Физика упругих волн. — Litres, 2018-12-20. — 318 с. — . 26 ноября 2021 года.
- Викторов И. А. Акустические волны // Электроника: Энциклопедический словарь / Гл. ред. (В. Г. Колесников). — М.: Советская энциклопедия, 1991. — С. 23. — 688 с. — .
Википедия, чтение, книга, библиотека, поиск, нажмите, истории, книги, статьи, wikipedia, учить, информация, история, скачать, скачать бесплатно, mp3, видео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, картинка, музыка, песня, фильм, игра, игры, мобильный, телефон, Android, iOS, apple, мобильный телефон, Samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Сеть, компьютер