Absorbția ultrasunetelor în lichide

INTRODUCERE

În natură, în tehnică, pretutindeni dealtfel, permanent, urechile omului sunt expuse la cele mai diferite sunete, zgomote şi pocnete. Astfel există un univers sonor în care omul este asaltat de cele mai diverse vibraţii provenite de la diferite surse sonore. Orice corp în stare de vibraţie, într-un mediu dat, produce mişcări ondulatorii care se propagă din aproape în aproape sub formă de unde asemănătoare undelor ce iau naştere pe suprafaţa unei ape în care a căzut o piatră. Acordurile unui pian, şuieratul vântului sau freamătul frunzelor ajung la urechea noastră sub formă de vibraţii sonore ce provoacă aşa-numita senzaţie auditivă. Această senzaţie este produsă de vibraţiile acustice a căror frecvenţă este corespunzătoare domeniului auditiv (16 Hz,  18Khz). În afară de acest domeniu există domeniul frecvenţelor subauditive numit al infrasunetelor şi domeniul frecvenţelor mai înalte decât domeniul auditiv numit domeniul ultraacusticii.

În lucrarea de faţă sunt prezentate succint căteva aspecte legate de proprietăţile ultrasunetelor şi de absorbţia lor în lichide.

Primul capitol începe cu noţiuni legate de vibraţiile libere, producerea undelor acustice şi propagarea lor printr-un mediu elastic. Vibraţiile libere sunt determinate de vibraţia unui corp şi de vibraţia particulelor mediului prin care trece unda. Aceste vibraţii pot fi efectuate în diferite moduri.

Au fost evidenţiate tipurile de unde, fiecare caracterizându-se printr-o viteză de propagare, funcţie de elasticitatea de volum a mediului şi de densitatea acestuia. O altă problemă atinsă este legată de mărimile acustice.

Undele ultrasonice suferă o atenuare mai mare în gaze decât în lichide şi mai mare în lichide decât în corpuri solide.

Capitolul al doilea este dedicat propagării ultrasunetelor în lichide. Fenomenul numit cavitaţie acustică constă din ruperea unui lichid şi refacerea imediată a acestuia, sub acţiunea unor tensiuni destul de mari sau a unor variaţii rapide şi puternice de presiune. Acest fenomen poate lua naştere la mişcarea relativă a lichidului în raport cu un obstacol. Legat de dispersia ultrasonică, când un fascicul ultrasonic suficient de intens străbate un lichid dirijat spre suprafaţa de separare a acestuia de un alt lichid sau de un gaz, particulele din lichidul iradiat cu ultrasunete sunt aruncate de la suprafaţă, adică sunt dispersate în mediul înconjurător. Dacă al doilea mediu este un gaz, se poate produce o ceaţă foarte fină şi deasă deasupra suprafeţei de separare.

În capitolul al treilea s-a arătat că într-un gaz pot exista numai unde longitudinale, însă într-un lichid pot exista atât unde longitudinale cât şi unde de suprafaţă, iar într-un mediu solid se pot propaga unde longitudinale, unde transversale şi unde de suprafaţă. Unda longitudinală este cel mai uzual tip de undă pe baza căruia s-au făcut metode de măsurare a constantelor care intervin în propagarea unor astfel de unde. Sunt prezentate metodele de determinare de vitezei de propagare a undelor transversale precum şi proprietăţile elastice şi de structură ale materialelor

Capitolul al patrulea cuprinde determinarea experimentală a absorbţiei ultrasunetelor în ulei prin metoda de impuls prin reflexie.

CAPITOLUL 1

VIBRAŢIA SISTEMELOR ELASTICE. REZONANŢA

1.1. Vibraţii

1.1.1. Vibraţii libere

Producerea undelor acustice şi propagarea lor printr-un mediu elastic sunt determinate, pe de o parte, de vibraţia unui corp, devenit sursă acustică şi, pe de altă parte, de vibraţia particulelor mediului prin care trece unda. Vibraţiile pot fi efectuate în diferite moduri, însă în cazul cel mai simplu ele pot fi considerate analoage cu cele produse de un corp redus la un punct material, având masa M, suspendat de un resort de masă neglijabilă si rigiditate k. Se consideră că în timpul mişcării, punctul material întâmpină o rezistenţă dată de o forţă de frecare vâscoasă, proporţională cu viteza sa de deplasare, factorul de pro-porţionalitate fiind Rm — rezistenţa mecanică a sistemului, în această situaţie, punctul material efectuează vibraţii libere de o parte şi de alta a poziţiei sale de repaus, amplitudinile deplasărilor fiind presupuse mici. Ecuaţia unei astfel de mişcări poate fi exprimată printr-o ecuaţie diferenţială liniară de ordinul al doilea

(1.1)

Notând

(1.2)

care este factorul de amortizare şi

(1.3)

care e pulsaţia proprie a sistemului ce vibrează, soluţia ecuaţiei (1.1) are forma

(1.4)

Admiţând că (cazul unei forţe de frecare reduse), punctul material are o mişcare vibratorie amortizată, a cărei amplitudine

(1.5)

descreşte proporţional cu timpul. Mişcarea este reprezentată în fig. 1.1, înfăşurătoarele fiind exponenţialele corespunzătoare funcţiei (1.5), afectate cu semnul ±.

Fig. 1.1. Diagrama mişcării oscilatorie amortizată.

Amortizarea mişcării poate fi caracterizată prin decrementul logaritmic (), definit ca logaritmul natural al raportului a două amplitudini considerate la două momente separate printr-o perioadă, adică

(1.6)

Ţinând seama de relaţia (1.2), rezultă că, cu cât rezistenţa mecanică este mai mică şi masa punctului material mai mare, cu atât decrementul logaritmic este mai mic, cu alte cuvinte amortizarea vibraţiilor se produce într-un interval de timp mai mare. Pe de altă parte, decrementul logaritmic fiind în funcţie de perioada vibraţiei, rezultă că, pentru aceeaşi rezistenţă mecanică, două sisteme de mase egale se amortizează în mod diferit şi anume sistemul care are o frecvenţă proprie mai ridicată este caracterizat printr-un decrement logaritmic mai mic, deci se amortizează mai încet decât un sistem la care frecvenţa proprie de vibraţie este mai coborâtă.