23.2. Поширення звукових хвиль

Звукові хвилі при своєму поширенні підпорядковуються тим же закономірностям, що й світлові. Зокрема, вони можуть огинати перешкоди, (явище дифракції), для них виконуються закони відбиття й заломлення. На границі поділу двох середовищ (наприклад, повітря-вода) напрямок поширення звукових хвиль змінюється. Згідно з законом заломлення

можна зробити висновок, що якщо v₂ < v₁, то  < , тобто кут заломлення

менше кута падіння (рис. 23.5, а).

Рис.23.5

Якщо в середовищі швидкість звуку плавно змінюється від точки до точки, то виникає явище рефракції — скривлення звукових променів у неоднорідному середовищі. При цьому звукові промені вигинаються завжди убік шару з меншою швидкістю звукової хвилі (рис. 23.5, б) і рефракція виражена тим сильніше, чим більший градієнт неоднорідності середовища й відповідно швидкості звуку.

В морській воді швидкість звуку залежить від її солоності, густини, температури й інших факторів. В результаті, швидкість звуку змінюється зі зміною глибини (рис. 23.6). Через рефракцію утворюються зони тіні (мертві зони) — рис. 23.6, а; а звук може повернутися до поверхні моря, не досягши дна (рис. 23.6, б); можливо також виникнення наддалеких звукових каналів (рис. 23.6, в). Канал -– це шар води, у якому звук поширюється з найменшою швидкістю. Промінь, що відхилився від каналу нагору або вниз, вертається в нього назад. У такому каналі звук може поширюватися на відстані в сотні й тисячі кілометрів.

Рис. 23.6

Звукова хвиля, поширюючись у середовищі, загасає відповідно до закону , де I — інтенсивність звуку, що пройшов шар середовища товщиною x; I₀— початкова інтенсивність звуку; — коефіцієнт поглинання.

Особливістю поширення звукових хвиль у воді – їхнє слабке загасання. Ніякі види електромагнітних хвиль, у тому числі світлові, не поширюються у воді на скільки-небудь значні відстані, тому звукові хвилі – це єдино можливий засіб одержання інформації й зв'язку під водою. Для цих цілей використають як звукові, так і ультразвукові частоти. Найбільш широко в гідроакустиці застосовуються ехолоти й гідролокатори, які використовують для навігаційних цілей (плавання поблизу скель, рифів); для рибопромислової розвідки, пошукових робіт; для рішення військових завдань (пошук підводних човнів противника, безперископна торпедна атака тощо Пасивним засобом підводного спостереження служать шумопеленгатори.

23.3. Ультразвук

Ультразвуком називають звукові хвилі із частотами від 210⁴ до 10¹³ Гц. Верхня межа частот ультразвуку в даному середовищі визначається міжмолекулярною відстанню (або довжиною вільного пробігу в газі): у кристалах і рідинах вона дорівнює 10¹²-10¹³ Гц, а в газах — 10⁹ Гц.

Через велику частоту (малу довжину хвилі) ультразвук характеризується особливими властивостями. Так, ультразвукові хвилі подібно світловим можуть утворювати строго спрямовані пучки. Відбиття й заломлення цих пучків на границі двох середовищ підпорядковуються законам геометричної оптики. За допомогою ввігнутих дзеркал ультразвукові хвилі можна направляти від джерела в строго певному напрямку.

Ультразвукові хвилі великої інтенсивності можна одержувати навіть при порівняно невеликих амплітудах коливань, тому що при даній амплітуді I  ² (формула (22.10)). Тому високим частотам ультразвуку відповідають більші інтенсивності (до 20  Вт/см²). Це приводить до нагрівання тіл, що піддаються впливу ультразвуку, до утворення в рідинах порожнеч у вигляді дрібних бульбашок з короткочасним зростанням тиску до сотень і тисяч атмосфер (явище кавітації).

Ультразвукові хвилі прискорюють протікання процесів дифузії, істотно впливають на розчинність речовин і в цілому на хід хімічних реакцій у рідкій фазі. Ультразвук застосовують у техніці для прискорення процесів тепло- і масообміну; одержання металів з дрібнокристалічною структурою; очищення (за допомогою кавітації) від забруднень різних деталей (годинникове виробництво, електронна техніка і т.ін.); пайки алюмінієвих деталей; зварювання пластмасових виробів тощо; ультразвукової дефектоскопії; звукобачення (перетворення за схемою: ультразвук  електричні коливання  світлові коливання).