超聲波聲速和聲壓原理

超聲波聲速和聲壓

超聲波聲速：

超聲波聲速是介質(zhì)中微弱壓強(qiáng)擾動(dòng)的傳播速度，其大小因媒質(zhì)的性質(zhì)和狀態(tài)而異。空氣中的音速在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和15℃的條件下約為340m/秒。

聲波在彈性媒質(zhì)中的傳播速度為聲速，其符號(hào)為c,單位為m/s：c=λf

式中，f 為振動(dòng)頻率，即每秒振動(dòng)的次數(shù)，Hz：λ為波長(zhǎng)，m。

由于在氣體中沒(méi)有剪切彈性，只有體積彈性，因而氣體的傳播形式只能是縱波。換句話說(shuō)就是，在聲波的擾動(dòng)下，氣體媒質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)在各自平衡位置附近振動(dòng)，形成稠密和稀疏依次交替的傳遞過(guò)程。同時(shí)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向與波的傳播方向相同。一般氣體在任意的情況下的聲速表達(dá)式都相當(dāng)復(fù)雜，其表達(dá)式與氣體的相對(duì)分子質(zhì)量、比熱容和物性方程有關(guān)，這里將不予以介紹。在一般問(wèn)題中，經(jīng)常會(huì)用到理想氣體的聲速公式。

可以證明在理想氣體中聲速為：c=(rp/p)0.5  

式中，r 絕熱系數(shù)，等于比定壓熱容與比定容熱容之比； p為氣體壓力，Pa； ρ為密度，kg/m3。

不同介質(zhì)中的傳播速度

1. 真空 0m/s（也就是不能傳播）；

2. 空氣（15℃） 340m/s；

3. 空氣（25℃） 346m/s；

4. 軟木 500m/s ；

5. 煤油（25℃） 1324m/s ；

6. 蒸餾水（25℃） 1497m/s ；

7. 海水（25℃） 1531m/s ；

8. 銅（棒） 3750m/s ；

9. 大理石 3810m/s ；

10. 鋁（棒） 5000m/s ；

11. 鐵（棒) 5200m/s ；

超聲波聲壓

聲壓的單位為帕（Pa），其大小反映了聲波的強(qiáng)弱，即表示傳播的波動(dòng)能量強(qiáng)度。聲壓越大，表示超聲波的強(qiáng)度越大，傳遞的能量越強(qiáng)。它是目前經(jīng)常用來(lái)描述聲波性質(zhì)的重要物理量之一，通過(guò)聲壓的測(cè)量可以間接地求得質(zhì)點(diǎn)速度等其他的物理量。

縱波在彈性媒質(zhì)內(nèi)傳播過(guò)程中，媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的壓強(qiáng)是隨時(shí)間變化的，媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的密度時(shí)密時(shí)疏。根據(jù)積分原理我們可以把一個(gè)連續(xù)的介質(zhì)看作是由許多緊密相連的微小體積元 dV 所組成，這樣的體積元 dV 內(nèi)的介質(zhì)還可以進(jìn)一步看作是集中于一點(diǎn)、質(zhì)量為 ρdV 的質(zhì)點(diǎn)。ρ 為介質(zhì)的密度，在聲波的作用下它是隨時(shí)間和位置的不同而變化的量。設(shè)體積元 dV 受到聲波的擾動(dòng)之后，壓強(qiáng)由 p0 變到p1，則由聲波擾動(dòng)所產(chǎn)生的逾量壓強(qiáng) p 稱為聲壓：p=p1- p0

由于超聲波的波長(zhǎng)較短、頻率很高，它所具有的能量很大，可使介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生顯著的聲壓作用。