Волновое движение
Волна - это возмущение, распространяющееся с конечной скоростью в пространстве и несущее с собой энергию. Суть волнового движения состоит в переносе энергии без переноса вещества. Любое возмущение связано с каким-то направлением (вектор электрического поля в электромагнитной волне, направление колебаний частиц при звуковых волнах, градиент концентрации, градиент потенциала и т.д.). По взаимоположению вектора возмущения и вектора скорости волны, волны подразделяются на продольные (направление вектора возмущения совпадает с направлением вектора скорости) и поперечные (вектор возмущения перпендикулярен вектору скорости). В жидкостях и газах возможны только продольные волны, в твердых телах - и продольные и поперечные.
Волна несет с собой и потенциальную и кинетическую энергию. Скорость волны, т.е. скорость распространения возмущения, зависит как от вида волны, так и от характеристик среды, например, от прочности бетона при затвердевании. Измеряя скорость распространения ультразвука можно определить, какую прочность набрал бетон в процессе выпаривания.
В Японии предложено пропускать ультразвук через стальные изделия перпендикулярно тем поверхностям, расстояние между которыми нужно измерить. Стальные изделия помещались в ванну, которая просвечивалась ультразвуковыми импульсами. Измерив время, необходимое для прохождения импульса от каждого вибратора, определяли внешние размеры изделия /заявка Японии N 51-23193/.
При наличии дисперсии волн понятие скорости волны становится не однозначным: приходится различать фазовую скорость (скорость распространения определенной фазы волны) и групповую скорость, являющуюся скорость переноса энергии, что усложняет различные измерительные работы с помощью различного вида колебаний. В случае же когерентного колебания фазовая скорость может нести информацию о свойствах среды.
Эффект Доплера
Входы: скорость.
Выходы: частота.
Графическая иллюстрация:
Рис.2.23. Источник волн перемещается налево; тогда слева частота волн становится выше (больше), а справа — ниже (меньше)
Сущность:
Эффект Доплера — изменение частоты и длины волн, регистрируемых приёмником, вызванное движением их источника и движением приёмника. Для волн, распространяющихся в какой-либо среде (например, звука) нужно принимать во внимание движение как источника так и приёмника волн относительно этой среды. Для электромагнитных волн (например, света), для распространения которых не нужна никакая среда, имеет значение только относительное движение источника и приёмника. Также важен случай, когда в среде движется заряженная частица с релятивистской скоростью. В этом случае в лабораторной системе регистрируется черенковское излучение, имеющее непосредственное отношение к эффекту Доплера.
Если источник волн движется относительно среды, то расстояние между гребнями волн (длина волны) зависит от скорости и направления движения. Если источник движется по направлению к приёмнику, то есть догоняет испускаемые им волны, то длина волны уменьшается, если удаляется — длина волны увеличивается (рис.2.23).
Математическое описание:
При движении источника навстречу приемнику:
, где
v— скорость приёмника относительно среды;
c – скорость волн, испускаемых источником;
-
частота, с которой источник испускает
волны;
f– частота, регистрируемая неподвижным приемником.
Применение.
На основе этого эффекта созданы приборы для измерения скорости движения различных объектов.
Патент США 3 555 899: Установка для ультразвукового измерения расхода жидкостей в трубопроводе. Имеется устройство для создания двух траекторий распространения ультразвука между противоположными боковыми стенками трубопровода и устройство, которое направляет эти траектории таким образом, что они располагаются в плоскости, проходящей через параллельно продольные прямые, и наклонены к обеим прямым под взаимно дополняющими углами. Установка имеет устройство, которое посылает ультразвуковые колебания в двух противоположных направлениях по каждой из двух траекторий. Расход определяется путем измерения скорости распространения колебаний по направлению потока и навстречу потоку и вычисления среднего значения разности между указанными различными скоростями. Распространение звуковых колебаний по одной траектории может быть обеспечено путем отражения ультразвуковых колебаний, идущих по другой траектории.
Патент США 3 564 488: Прибор для измерения скорости движущихся объектов, например, для измерения скорости движения тела по рельсам: по одному из рельсов пускаются ультразвуковые волны. В приборе имеется пьезоэлектрический преобразователь, который служит для обнаружения доплеровской частоты в отраженном сигнале, исходящей от точки, расположенной вблизи места контакта движущегося тела с рельсом. Частота Доплера используется для измерения скорости движущегося по рельсам объекта.