BÀI TẬP ÂM HỌC SỰ LAN TRUYỀN SÓNG ÂM TRONG CÁC CHẤT LƯU
BÀI TẬP ÂM HỌC SỰ LAN TRUYỀN SÓNG ÂM TRONG CÁC CHẤT LƯU NHÓM 7 : 1. TRẦN NGỌC HƯNG 40800886 2. VŨ QUANG HƯNG 40800893 3. KHA KIM QUỐC NGUYÊN 40801401 4. NGUYỄN VĂN THUẬN 20802164 Áp dụng 2 SÓNG CẦU Về mặt lý thuyết, các mặt phẳng sóng của một sóng phẳng mở ra vô hạn, nhưng quan niệm sóng phẳng chỉ có thể được xét một cách tiên nghiệm trong những miền mở rộng có giới hạn vì năng lượng của một sóng không thể là vô hạn. Các sóng cầu, có biên độ biến thiên trong quá trình lan truyền, cho phép mô tả các sóng phát ra bởi, chẳng hạn, một nguồn âm có kích thước nhỏ đặt tại một điểm O. 1) Hãy xác lập dạng tổng quát của các sóng cầu mà biên độ chỉ phụ thuộc t và khoảng cách r =OM tới điểm gốc O Là các nghiệm của phương trình lan truyền d’ALEMBERT. 2) Hãy giải thích 2 số hạng có mặt trong biểu thức đó. 3) Hãy nêu đặc trưng của các mặt sóng và bình luận sự có mặt của một hệ số giảm dần theo trong biên độ sóng. Cho biết: Laplacian trong tọa độ cầu của một hàm là: BÀI GIẢI : 1) Phương trình d’ALEMBERT 3 chiều: Đối với sóng cầu thì thu về phương trình lan truyền 1 chiều : Với , ta suy ra biểu thức : Vậy các sóng cầu là nghiệm của phương trình lan truyền có dạng: 2) Hai số hạng có thể được giải thích như là 2 sóng cầu lan truyền xuyên tâm với vận tốc . Sóng thứ nhất là 1 sóng cầu phân kỳ xuất phát từ điểm O. Sóng thứ hai là 1 sóng cầu hội tụ tại O.( Được suy ra tương tự so với trường hợp sóng phẳng ) 3) Các mặt sóng của sóng cầu là các mặt cầu đồng tâm tại O. Diện tích của chúng tăng tỉ lệ với bình phương khoảng cách r=OM (. Các đại lượng về năng lượng gắn với sóng thì gắn với biên độ của nó theo bậc 2.Để NL do sóng truyền tải trên những mặt tăng tỉ lệ với được bảo toàn thì biên độ sóng sẽ giảm tỉ lệ với . Áp dụng 3 CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG ĐỊA PHƯƠNG VỚI SÓNG PHẲNG Đối với một sóng phẳng truyền song song với trục Ox, hãy biểu thị các mật độ động năng, thế năng và năng lượng sóng cũng như vector mật độ lưu lượng năng lượng. Hãy kiểm tra lại sự cân bằng năng lượng địa phương trong trường hợp riêng này BÀI GIẢI : Đối với một sóng phẳng truyền song song với trục Ox, ta biết rằng vận tốc và áp suất dư có dạng: Do đó, Mật độ động năng khối: Mật độ thế năng khối: Mật độ khối của năng lượng sóng: Vector mật độ mặt của công suất: Kiểm tra sự cân bằng năng lượng: Ta có: Do đó, sự cân bằng năng lượng địa phương trong trường hợp riêng này được thỏa mãn. Áp dụng 4 SỰ PHẢN XẠ VÀ TRUYỀN QUA CỦA CÁC SÓNG ÂM Ở NGANG MỨC CHỖ NỐI CỦA 2 ỐNG DẪN Ta khảo sát sự phản xạ và sự truyền qua của các sóng âm phẳng ở ngang mức chỗ nối của 2 ống dẫn có tiết diện S 1 và S 2 1) Chứng tỏ rằng có sự liên tục áp suất tại x = x 0 : p 1 (x 0 ,t) = p 2 (x 0 ,t) 2) Chứng tỏ rằng có sự liên tục lưu lượng khối ở ngang mức chỗ nối D V1 (x 0 ,t) = S 1 v 1 (x 0 ,t) = D V2 (x 0 ,t) = S 2 v 2 (x 0 ,t) Cho biết : trở kháng âm của một ống dẫn có tiết diện S được xác định bởi tỉ số 3) Thiết lập biểu thức các hệ số phản xạ và truyền qua về biên độ (đối với lưu lương khối và áp suất dư) tùy theo trở kháng âm của cac1ong61 dẫn nối với nhau 4) Từ đó rút ra các hệ số phản xạ và truyền qua về năng lượng 5) Giản ước các biểu thức thu được khi các ống dẫn chứa cùng 1 chất lưu, và chỉ khác nhau do tiết diện của chúng. Bình luận các trường hợp giới hạn S 2 = ∞ và S 2 = 0 bằng cách chỉ ra các tương tự điện của chúng. BÀI GIẢI : 1) Áp dung nguyên lí cơ bản của động lực học cho 1 piston khối lượng bằng 0, áp suất ở 2 bên piston là bằng nhau: p 1 (x 0 ,t) = p 2 (x 0 ,t) Vậy ta có sự liên tuc áp suất ở 2 bên piston. 2) Độ dài L của nhiễu loạn là nhỏ hơn so với bước sóng λ, như vậy có thể bỏ qua những biến đổi khối lượng của lớp chất lưu chuyển động dựa vào nhiễu loạn đó. Ta có sự liên tục của lưu lượng khối ở ngang mức chỗ ghép nối : D V1 (x 0 ,t) = S 1 v 1 (x 0 ,t) = D V2 (x 0 ,t) = S 2 v 2 (x 0 ,t) 3) Điều kiện biên p 1 (x 0 ,t) = p 2 (x 0 ,t) X ’ X X 0 L<< λ S 1 S 2 D V1 (x 0 ,t) = D V2 (x 0 ,t) ta rút ra hệ số phản xạ về biên độ hệ số truyền qua về biên độ 4) Thông lượng gắn với sóng âm đi qua ống dẫn là P = SΠ = pSv = pD V Vậy ta có hệ số phản xạ về năng lượng hệ số truyền qua về năng lượng 5) Trong trường hợp ta được : và - Nếu S 2 = ∞ : r 12(DV) = +1 = -r 12(p) Đầu ống 1 ứng với 1 nút áp suất dư. Trở kháng Z 2 = 0, tượng tự như trường hợp một đường dây điện bị đóng trên 1 đoạn mạch - Nếu S 2 = 0 : r 12(DV) = +1 = -r 12(p) Đầu ống 1 ứng với 1 nút lưu lượng. Trở kháng Z 2 là vô cùng, tương tự trường hợp một đường dây điện hở ở đầu. Bài tập giải sẵn PHÉP ĐO LƯU LƯỢNG MÁU NHỜ HIỆU ỨNG DOPPLER. Âm hưởng kí là một phương pháp có thể cho hình ảnh các cơ quan bên trong cơ thể người. Một miếng gốm giữ vai trò bộ biến đổi, nó biến đổi một kích thích điện thành một song siêu âm ( các siêu âm được phát ra một kích thích các đoàn song nối tiếp nhau, có thời gian ngắn). Bộ biến đổi cũng dung làm máy dò các tín hiệu dội (các song phản xạ trên các cơ quan khác). Phương pháp này cũng cho phép đo lưu lượng máu nhờ hiệu ứng Doppler. Bộ biến đổi cố định phát ra một sóng siêu âm đơn sắc có tần số , nó phản xạ trên một vật di động mà vận tốc là . Trong một chu kỳ của sóng, khoảng cách mà vật đi được là rất nhỏ hơn khoảng cách d giữa nguồn và vật, và , vận tốc âm trong môi trường. 1) Trong hệ quy chiếu gắn với vật, khoảng thời gian giựa các lần thu được hai cực đại liên tiếp nhau của sóng, phụ thuộc thế nào vào và góc α giữa chùm do nguồn phát ra và vận tốc ? 2) Các hồng cầu trong động mạch có vận tốc khoảng . Người ta dung một sóng có tần số . Các phép gần đúng có là chính đáng không? 3) Sóng được phát lại không thay đổi tần số trong hệ quy chiếu của vật di động. Khoảng thời gian giữa hai lần bộ biến đổi thu được hai cực đại lien tiếp nhau của sóng là bao nhiêu? Tìm hệ thức giữa và , tần số của sóng phản xạ mà bộ biến đổi thu được. 4) Để phát hiện một số bất bình thường, người ta mong muốn đo được lưu lượng máu chảy qua một động mạch. Sự quan sát bằng âm hưởng kí với một chùm hội tụ, tạo thành góc α với động mạch, phát ra dưới dạng xung cho ta một tín hiệu là hàm của thời gian, vẽ trên sơ đồ dưới đây. a) Giải thích thế nào một mặt hai tín hiệu với biên độ lớn, và mặt khác tín hiệu trung gian? b) Những thông báo này có đủ để xác định lưu lượng máu không? 5) Trong trường hợp động mạch, và người ta chọn . Vận tốc trung bình của sự truyền âm trong các mô sinh học là . Người ta có thể chờ đợi một sự biến đổi về tần số như thế nào? BÀI GIẢI : 1) Sóng mà nguồn âm S phát ra lúc được động tử thu lúc Chu kỳ của sóng phát bởi nguồn âm S: Sóng nguồn âm phát ra lúc được động tử thu lúc Do đề bài ta đã giả sử khoảng cách mà vật đi được là rất nhỏ so với khoảng cách d giữa nguồn và động tử, hay cụ thể hơn là rất nhỏ so với , ta có và ta rút ra chu kỳ T của sóng trong hệ quy chiếu gắn với vật: 2) Với số liệu của đề bài, ta có: Rất nhỏ so với khoảng cách từ nguồn âm S đến các hồng cầu d chỉ vào bậc nhỏ nhất là vài mm. 3) Trong hệ quy chiếu gắn với vật, thì vật phản xạ một sóng có chu kỳ T về phía bộ biến đổi đang chuyển động với vectơ vận tốc . Một phép tính tương tự như ở câu 1 dẽ dẫn đến chu kỳ của sóng mà bộ biến đổi nhận được từ động tử: Từ đó ta có: do hay nên ta có gần đúng: và: 4) a) Khi nguồn âm S phát sóng đi đến động mạch, đầu tiên sóng âm sẽ gặp thành mạch thứ nhất, đến các hồng cầu rồi gặp thành mạch thứ hai. ( đường đi của sóng đến động mạch như trên hình vẽ ). Dựa vào đó, ta có thể giải thích được dạng tín hiệu của sóng thu được: + Mặt tín hiệu với biên độ lớn đầu tiên là do sóng âm đến gặp thành động mạch thứ nhất phản xạ lại nguồn. + Mặt tín hiệu trung gian có biên độ nhỏ hơn là do các hồng cầu phản xạ lại. + Mặt tín hiệu với biên độ lớn thứ 2 là do sóng âm đến gặp thành động mạch thứ 2 và phản xạ lại nguồn. b) Để đo được lưu lượng máu, ta sử dụng công thức: (*) Vậy ta cần phải xác định được 2 thông số là : vận tốc của hồng cầu và D : đường kính của động mạch dựa vào tín hiệu sóng thu được. Phép đo hiệu tỉ số đối các tần số : giữa tín hiệu phát ra và tín hiệu thu được có biên độ nhỏ cho phép tính vận tốc các hồng cầu. Phép đo hiệu thời gian giữa 2 gốc của 2 tín hiệu có biên độ lớn mà bộ biến đổi thu được cho phép xác định đường kính của động mạch: Từ đó thế vào công thức (*), ta tìm được lưu lượng máu. 5) Áp dụng số với , và , ta có thể chờ đợi một sự biến đổi tỉ đối về tần số vào khoảng: Bài tập 3 TRUYỀN SÓNG QUA VÁCH NGĂN Một ống hình trụ rất dài,có trục (x’Ox) và tiết diện không đổi S,chứa không khí trong điều kiện nhiệt độ và áp suất bình thường. Trong những điều kiện đó,vận tốc c của các sóng âm trong không khí và mật độ khối lượng ρ o của không khí lần lượt là c = 340 m.s -1 và ρ o = 1,29 kg.m -3 . Tại x = 0 có đặt một tấm rất mỏng (một cái màng, một tấm kính thủy tinh, một cái thành bêtông, …) có mật độ khối lượng mặt đồng đều σ , có khả năng rung lên dưới tác dụng của các sóng âm được tạo thành trong ống. Một SPC dạng sin, có tần số ω, lan truyền trong miền (1) theo chiều dương, về phía cái vạch. Khi tới vạch, nó tạo ra một sóng phản xạ trong miền (1) và sóng truyền qua trong miền (2). Dưới tác dụng của các sóng đó, cái vạch thu được một chuyển động tịnh tuyến cưỡng bức dạng sin theo phương (x’,x), mà ta đặt là ξ (0,t) = a o cos ωt. 1) Bằng cách viết các điều kiện truyền qua đối với sóng âm toàn thể tại x= 0 , hãy xác định các biên độ phức a t của sóng ξ t (0,t) truyền qua, a r của sóng ξ r (0,t) phản xạ tại x = 0, tùy theo biên độ phức a i của sóng tới ξ i (0,t) tại x= 0, theo ω và theo các hằng số khác đã đưa vào ở trên. 2) Cái màng giữ vai trò một bộ lọc tần số. Bản chất của bộ lọc đó là gì, và mạch số cắt ω 0 của nó ở -3dB là bao nhiêu ? Khảo sát các đặc điểm của các sóng có mặt khi ω nằm trong giải tần truyền qua, và ngược lại khi ω cách rất xa giải tần truyền qua. 3) Biểu đạt bước sóng cắt λ 0 , tùy theo ρ o , theo độ dày d và mật độ khối ρ d của vạch. Cái vạch bằng bêtông (ρ d = 2300 kg.m -3 ). Tính bề dày d để thu được một độ giảm 50dB ở 300Hz. Rút ra các giá trị của tần số cắt f 0 và của λ 0 . Các độ giảm ở 100Hz và 500Hz là bao nhiêu đêxiben ? Rút ra kết luận về độ giảm của âm giữa hai căn phòng liền kề, đối với một âm trầm hoặc một âm cao. Hãy chỉ rõ có thể sử dụng ở đây đến mức độ nào mô hình mật độ khối lượng mặt đối với cái vách. BÀI GIẢI : 1) Đối với sóng phẳng chạy dạng sin, áp suất dư p và vận tốc v (theo kí hiệu phức) có mối quan hệ : - p = ρ o cv đối với sóng tới theo chiều tăng của x - p = -ρ o cv đối với sóng phản xạ ngược chiều tăng của x (2) Sóng truyền quaSóng phản xạ (1) Sóng tới Xét điều kiện biên trên màng.Vì dưới tác dụng của các sóng tạo ra một chuyển động cưỡng bức dạng sin ξ (0,t) nên khảo sát sự liên tục thành phần vận tốc của sóng ở hai bên màng là bằng nhau : Và phương trình cân bằng động học với màng : (p 1 (0,t) , p 2 (0,t) lần lượt là áp suất 2 miền) Trong kí hiệu phức : Thay a 0 và a t ở biểu thức trên bằng a i + a r vào biểu thức dưới và rút gọn ta được biên độ sóng phản xạ và biên độ sóng truyền qua ở dạng phức : 2) Theo câu 1, ta có biên độ sóng truyền qua có dạng : với H= 1 và ω 0 = 2ρ o c/σ . Vậy màng giữ vai trò như một bộ lọc thông thấp bậc 1, có tần số cắt ở -3dB là ω 0 = 2ρ o c/σ . Khi ω << ω 0 , thì a t ≈ a i nên sóng tới truyền qua màng hầu như hoàn toàn, không bị giảm, không lệch pha. Sóng phản xạ có biên độ rất nhỏ và trễ một phần tư chu kì so với sóng tới : Khi ω >> ω 0 , thì a r ≈ -a i nên sóng tới hầu như phản xạ hoàn toàn. Sóng truyền qua có biên độ rất nhỏ, và trễ một phần tư chu kì so với sóng tới : 3) Với tần số cắt ω 0 = 2ρ o c/σ , ta có ω 0 = 2πf 0 = 2πc/λ 0 và σ = ρ d .d . Thay các giá trị vào ta có Gọi H = a t / a i là hàm truyền thì độ khuếch đại âm G = 20 log |H|, thay các giá trị ω = 2πf , ω 0 = 2πf 0 và σ = ρ d .d vào ta được Để thu được độ giảm 50dB ở f = 300Hz thì G= -50, tính ra ta được d= 6,4cm Tần số cắt f 0 và λ 0 : Đối với f = 100Hz thì G = -40dB và f = 500Hz thì G= -54dB. [...]... độ giảm âm giữa hai căn phòng gần kề là rất mạnh và hơi mạnh hơn đối với các âm cao Có thể sử dụng các kết quả đã tính ở trên vì bề dày d của cái vách là rất nhỏ so với bước sóng của sóng âm trong bêtông Bài tập 4 HẤP THỤ ÂM BẰNG SỰ DẪN NHIỆT Trong phạm vi phép gần đúng âm học, sự lan truyền các sóng âm (sóng có áp suất dư p ) trong lòng một chất lỏng bị chi phối bởi phương trình : Đối với một sự biến... e-αx = 0,93 lần Bài tập 5 SỬ DỤNG GLIXÊRIN CHO SIÊU ÂM TRUYỀN QUA Một sóng siêu âm phẳng lan truyền trong một mẫu nhôm dọc theo trục (Ox) Người ta muốn khảo sát sóng đó bằng một bộ đồ dò (miếng gốm áp điện nối với một tăng âm) đặt sát vào mẫu Mặc dù tiếp xúc là tốt, vẫn còn một lớp không khí 1) Giả thử các môi trường không hấp thụ, hãy xác định cường độ âm bộ dò thu được, tùy theo các âm trở suất rn... những thăng giáng độ dày của lớp không khí, các sóng truyền trong bộ dò có các pha ngẫu nhiên cái nọ đối với cái kia Suy ra các sóng âm có cường độ tương ứng I1, I2, I3, … là khác pha nhau tại mọi thời điểm và là những sóng không kết hợp, không giao thoa Cường độ tổng hợp khi đó bằng tổng các cường độ In của mỗi sóng truyền đi, tức là: I d = I1 + I 2 + + I n + Trong đó: I1 = I 0TT ' I 2 = I 0TR ' RT... γ 1) Sự trao đổi nhiệt được giả định là chuỗi tĩnh (giả thuyết cân bằng nhiệt động lực học địa phương, cho phép xác định các tham số trạng thái của chất lưu ), hãy thành lập hệ thức trong đó cv chỉ nhiệt dung đẳng tích 2) Ta giả định rằng sóng âm là một SPCĐS, và ta có thể viết theo cách kí hiệu phức : Hãy rút ra hệ thức : 3) Hãy thành lập hệ thức tán sắc k= k(ω) của các sóng ta đang xét Bằng cách... mẫu nhôm, của không I0 khí và của bộ dò, và theo cường độ tới Ta sẽ lưu ý các phản xạ nhiều lần, và sẽ giải thích sơ bộ tại sao khi đã lưu ý các thăng giáng độ dày dọc theo lớp không khí, mà trong các phép tính ta vẫn có thể chỉ cần thêm vào các cường độ của các sóng ló Ta nhắc lại rằng các hệ số phản xạ và truyền qua về năng lượng có âm trở suất r1 và r2 là: 2 r −r R= 1 2 ÷ r +r ÷ 1 2 T = 1−... : Chất lưu ở trạng thái cân bằng P0 = ρ0RT0 /M (5) Kết hợp (2),(3),(4),(5) rút ra được : 3) SPCĐS nghiệm đúng phương trình lan truyền : k và ω gắn với nhau bằng hệ thức tán sắc : k2 = ω2 / cs2 , ta rút ra được: Khi đặt k = k1 – jα : Khi đó sóng giảm dần trong quá trình truyền vì biên độ giảm dần đến 0 • Khi không có truyền nhiệt thì W = 0 Ta thấy một sự lan truyền không giảm dần : α = 0 và vận tốc truyền. .. Thay các giá trị tương ứng suy ra: Kết luận: ta nhận thấy rõ ràng I’d >> Id và glixêrin cho phép nâng cao rõ rệt sự truyền qua của các sóng âm trong bộ dò Cũng chính vì lí do đó mà khi làm một khảo sát bằng tín hiệu dội, người thầy thuốc phết lên lớp da bệnh nhân một lớp gel trước khi đặt bộ biến đổi áp điện Bài tập 6 CÁI CỘNG HƯỞNG HELMHOLTZ Cái cộng hưởng là một cái hốc, khi được kích thích bởi âm. .. entropy, vận tốc âm cs được cho bởi : Ở đây ta dự định đánh giá thừa số đứng trước những trao đổi năng lượng do truyền nhiệt Ta nhắc lại rằng nếu δQ là lượng nhiệt cung cấp cho một đơn vị thể tích của chất lưu trong thời gian dt và K là độ dẫn nhiệt, thì định luật Fourier đối với sự dẫn nhiệt dẫn đến : Phương trình trạng thái của chất lưu được coi như phương trình trạng thái của một chất khí lý tưởng... không khí, và gọi R’ và T’ là các hệ số ứng với giao diện không khí - bộ dò: r −r R= n k rn + r k 2 ÷ ÷ T= ; 4rn rk (rn + rk )2 2 rk − rd ÷ r +r ÷ k d R' = Ta có sơ đồ sau: T '= ; 4rk rd (rk + rd )2 (1) (2) Sóng âm truyền qua 3 môi trường đồng chất lần lượt là nhôm, không khí và bộ dò Do ba môi trường là khác nhau nên sóng âm truyền qua hay phản xạ giữa các lớp tiếp xúc là khác pha... phép tăng cường một trong những họa ba tạo thành âm đó Cái cộng hưởng HELMHOLTZ gồm một cái hốc hình cầu, thể tích V0, thông ra ngoài bằng một ống rất ngắn, độ dài d, tiết diện s, chứa không khí (có thể ρ0 coi như chất khí lí tưởng) có mật độ khối lượng , có áp suất khí quyển P0 Thể tích V0 được giả định là rất lớn so với thể tích của ống Một sóng âm lan truyền gần lỗ hở làm không khí trong hốc dao động, . của sóng âm trong bêtông. Bài tập 4 HẤP THỤ ÂM BẰNG SỰ DẪN NHIỆT Trong phạm vi phép gần đúng âm học, sự lan truyền các sóng âm (sóng có áp suất dư p ) trong lòng một chất lỏng bị chi phối bởi. BÀI TẬP ÂM HỌC SỰ LAN TRUYỀN SÓNG ÂM TRONG CÁC CHẤT LƯU NHÓM 7 : 1. TRẦN NGỌC HƯNG 40800886 2. VŨ QUANG HƯNG 40800893 3. KHA KIM QUỐC NGUYÊN 40801401 4. NGUYỄN VĂN THUẬN 20802164 Áp dụng 2 SÓNG. tần số siêu âm 40000Hz vì sao một quãng đường x = 10m, biên độ sóng sẽ giảm e -αx = 0,93 lần. Bài tập 5 SỬ DỤNG GLIXÊRIN CHO SIÊU ÂM TRUYỀN QUA Một sóng siêu âm phẳng lan truyền trong một mẫu