Η ταχύτητα του υπερηχητικού κύματος χρησιμοποιώντας ακουστικό πλέγμα;
Κατανόηση της εγκατάστασης
* Ακουστικό πλέγμα: Ένα ακουστικό πλέγμα είναι μια συσκευή που δημιουργεί μια περιοδική διακύμανση στην πυκνότητα ή την αντίσταση ενός μέσου. Αυτή η παραλλαγή μπορεί να επιτευχθεί μέσω διαφόρων μεθόδων όπως πιεζοηλεκτρικοί μορφοτροπείς ή σχάρες που προκαλούνται από λέιζερ.
* Υπερήχα κύματα: Αυτά είναι κύματα ήχου υψηλής συχνότητας (πάνω από το φάσμα της ανθρώπινης ακοής) που χρησιμοποιούνται σε διάφορες εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένης της απεικόνισης, των δοκιμών υλικών και του καθαρισμού.
* διάθλαση: Όταν τα υπερηχητικά κύματα αλληλεπιδρούν με την περιοδική δομή ενός ακουστικού πλέγματος, βιώνουν περίθλαση, παρόμοια με τα ελαφρά κύματα που διέρχονται από ένα πλέγμα διάθλασης.
Η αρχή
1. Δημιουργία του πλέγματος: Το ακουστικό πλέγμα δημιουργείται με μια γνωστή απόσταση μεταξύ των γραμμών (περιοδικότητα, 'D').
2. αλληλεπίδραση υπερηχητικών κυμάτων: Τα υπερηχητικά κύματα κατευθύνονται στο ακουστικό πλέγμα.
3. Σχέδιο διάθλασης: Λόγω του πλέγματος, τα υπερηχητικά κύματα διαθλαστούν, δημιουργώντας ένα πρότυπο εποικοδομητικής και καταστροφικής παρεμβολής.
4. γωνία περίθλασης: Η γωνία περίθλασης για μια συγκεκριμένη σειρά του σχεδίου περίθλασης (π.χ. μέγιστο της πρώτης τάξης) μετράται.
5. ταχύτητα υπολογισμού: Χρησιμοποιώντας τη γνωστή απόσταση πλέγματος (D), τη γωνία περίθλασης (θ) και τη συχνότητα του υπερηχητικού κύματος (F), η ταχύτητα (V) του υπερηχητικού κύματος μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τον ακόλουθο τύπο:
`` `
v =f * λ
`` `
Οπου:
* λ είναι το μήκος κύματος του υπερηχητικού κύματος.
* λ μπορεί να προσδιοριστεί χρησιμοποιώντας την εξίσωση πλέγματος:
`` `
d * sin (θ) =n * λ λ λ.
`` `
* n είναι η σειρά του μέγιστου περίθλασης (π.χ. 1 για το μέγιστο της πρώτης τάξης).
Βήματα για τη μέτρηση της ταχύτητας
1. Ρύθμιση: Δημιουργήστε ένα ακουστικό πλέγμα με γνωστή περιοδικότητα (D).
2. Δημιουργήστε υπερηχητικά κύματα με γνωστή συχνότητα (F).
3. Περάθλημα: Κατευθύνετε τα υπερηχητικά κύματα στο πλέγμα και παρατηρήστε το πρότυπο περίθλασης.
4. Μέτρηση γωνίας: Μετρήστε τη γωνία περίθλασης (θ) για μια συγκεκριμένη σειρά του σχεδίου περίθλασης.
5. Υπολογισμός: Χρησιμοποιήστε τις παραπάνω εξισώσεις για να υπολογίσετε το μήκος κύματος (λ) και στη συνέχεια την ταχύτητα (V) του υπερηχητικού κύματος.
Σημαντικές εκτιμήσεις
* Ακρίβεια: Η ακρίβεια της μέτρησης της ταχύτητας εξαρτάται από την ακρίβεια της απόστασης σχάρας, τη συχνότητα του υπερηχητικού κύματος και τη μέτρηση της γωνίας.
* Επιλογή σχάρας: Ο τύπος του πλέγματος και το υλικό του θα πρέπει να επιλέγονται με βάση τη συχνότητα του υπερηχητικού κύματος και του μέσου μέσω του οποίου ταξιδεύει.
* Μέσο: Η ταχύτητα του υπερηχητικού κύματος θα εξαρτηθεί από το μέσο που ταξιδεύει μέσω (π.χ. αέρα, νερό, στερεά).
Παράδειγμα
Ας πούμε ότι έχετε ένα ακουστικό πλέγμα με περιοδικότητα 0,1 cm (d =0,001 m). Στέλνετε υπερηχητικά κύματα με συχνότητα 1 MHz (F =10^6 Hz) μέσω του πλέγματος. Μετράτε τη γωνία της μέγιστης περίθλασης πρώτης τάξης να είναι 30 μοίρες (θ =30 °).
1. Υπολογίστε το μήκος κύματος:
`` `
d * sin (θ) =n * λ λ λ.
0.001 m * sin (30 °) =1 * λ.
λ =0,0005 m
`` `
2. Υπολογίστε την ταχύτητα:
`` `
v =f * λ
v =10^6 Hz * 0,0005 m
v =500 m/s
`` `
Επομένως, η ταχύτητα του υπερηχητικού κύματος σε αυτή την περίπτωση είναι 500 m/s.
Επιτρέψτε μου να ξέρω αν θέλετε να εξερευνήσετε έναν συγκεκριμένο τύπο ακουστικού πλέγματος ή οποιαδήποτε άλλη πτυχή αυτής της μεθόδου μέτρησης με περισσότερες λεπτομέρειες!
