CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU VỀ SÓNG SIÊU ÂM
2.1 LÝ THUYẾT VỀ SÓNG SIÊU ÂM
2.1.6 Sự bức xạ - phản xạ - khúc xạ và hấp thụ sóng âm
a. Sự bức xạ sóng siêu âm
Sự bức xạ của sóng siêu âm phụ thuộc vào các yếu tố chính sau:
Kích thước của biến tử càng lớn sự bức xạ càng cao.
Sự bức xạ cũng phụ thuộc vào nguồn cung cấp năng lượng cho biến tử: nguồn càng lớn thì độ dao động càng cao nên độ bức xạ càng mạnh.
Sự bức xạ còn phụ thuộc vào môi trường: mỗi môi trường khác nhau thì năng lượng bức xạ cũng khác nhau.
Hình 2.5 Sự bức xạ sóng âm.
SVTH: Phan Thị Si 29
Tại vùng gần biến tử chùm tia siêu âm truyền đi theo phương song song được gọi là trường gần hay vùng Fresnel,chiều dài trường gần được xác định theo biểu thức:
2
4 r D
o r : là khoảng cách của vùng gần.
o D: là đường kính của biến tử.
o : là bước sóng.
Tại vùng xa biến tử dạng sóng biến thành sóng cầu với góc mở được xác định theo biểu thức:
D
1 , 22
sin
: góc tập trung năng lượng bức xạ.
Bảng 2.2 Bảng số liệu của độ dài vùng gần r theo đường kính biến tử D (cm).
Tần số Độ dài vùng gần r theo đường kính biến tử D (cm)
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
1.0 MHz 0.37 1.6 3.4 6.5 10.0
1.5 MHz 0.58 2.4 5.1 9.7 15.0
2.0 MHz 0.79 3.2 6.8 13.0 20.0
2.5 MHz 1.01 4.0 8.5 16.0 25.0
5.0 MHz 2.01 8.1 17.0 32.0 50.0
SVTH: Phan Thị Si 30
Nhận xét:
Với cùng một tần số, khi đường kính biến tử càng lớn thì độ dài vùng gần càng tăng.
Cùng một đường kính biến tử nhưng khi tần số sóng càng tăng cao thì độ dài của vùng gần cũng càng tăng nên sự bức xạ càng mạnh.
Biểu đồ phương truyền sóng và tính định hướng của biến tử: (D, , sin- biểu diễn trên mặt phẳng).
Hình 2.6: Phương truyền sóng và tính định hướng của biến tử.
Ta thấy rằng: đường kính của biến tử càng lớn thì góc mở càng hẹp nên tính định hướng càng cao, tuy nhiên D>> thì sẽ xuất hiện nhiều búp sóng. Khi tần số càng cao thì tính định hướng càng tăng, nhưng tần số càng cao thì tính tổn hao càng nhiều.
b. Sự phản xạ- khúc xạ sóng siêu âm
Mặt phẳng âm là mặt phẳng có bề mặt nhận sóng có độ nhấp nhô nhỏ hơn 10
.
Hình 2.7: Măt phẳng âm.
SVTH: Phan Thị Si 31
Khi truyền sóng vuông góc với mặt phân cách giữa hai môi trường thì sẽ có một phần truyền qua và một phần phản xạ trở lại môi trường thứ nhất. Tỷ lệ thành phần phản xạ phụ thuộc vào tổng trở âm của môi trường.
Hình 2.8: Sự phản xạ sóng âm.
Độ phản xạ (hệ số phản xạ):
% 100
2
1 2
1
2
I Z Z R I
i R
Hệ số hấp thụ:
Z R Z
Z Z I
T I
I
T
1
) (
4
2 2 1
2 1
Áp suất âm:
1 2
2 2
Z Z
PT Z
1 2
1 2
Z Z
Z PR Z
Nếu môi trường đồng chất (Z1 = Z2) thì sóng siêu âm hầu như truyền thẳng, tức thành phần phản xạ bằng 0.
SVTH: Phan Thị Si 32
Trường hợp khi sóng truyền xiên góc với mặt phẳng âm: theo định luật phản xạ thì góc tới bằng góc phản xạ (12). Lúc này sóng truyền trong môi trường không còn cùng hướng với sóng tới mà nó đột ngột đổi hướng. Hiện tượng này gọi là hiện tượng khúc xạ sóng .
Hình 2.9: Sự khúc xạ sóng âm.
o Các góc tới, góc phản xạ và góc khúc xạ được liên hệ với nhau theo những hệ thức:
'
1 1
2 1 2
1
Sin Sin
o Đồng thời các tia phản xạ, khúc xạ đều nằm trong mặt phẳng tới (mặt phẳng chứa tia tới và tia pháp tuyến).
- Nếu 1>2thì 1>2. - Nếu 1<2thì 1<2.
o Trong trường hợp này nếu tăng góc tới 1thì tia khúc xạ sẽ càng tiến sát về mặt phân cách và đến một giá trị giới hạn nào đó của 1thì tia khúc xạ hoàn toàn biến mất. Ta nói sóng siêu âm bị phản xạ toàn phần và góc 1 lúc đó gọi là góc giới hạn toàn phần.
SVTH: Phan Thị Si 33
e. Sự hấp thụ sóng siêu âm
Khi truyền một tia nào đó vào trong môi trường thì cường độ của chùm tia bị suy giảm. Đó là do sự hấp thụ của môi trường và sự tán xạ sóng, nó phụ thuộc vào tần số, hệ số ma sát, hệ số nhiệt, tính không đồng nhất của môi trường.
Hệ số hấp thụ được tính theo công thức:
2 2
3 0
4 4 1
3 P
k K
f
v C
f : là tần số dao động
: là vận tốc truyền âm trong môi trường.
0
: là tỷ trọng trung bình của môi trường.
: đặc trưng cho độ nhớt của môi trường.
k : tỉ số nhiệt riêng.
K : hệ số dẫn nhiệt của môi trường.
CP : là nhiệt riêng tại áp suất P cố định.
Ax A e0 x
: x
A : là biên độ tại x cách nguồn một khoảng cách là x.
1 0
ln
x
A x A
Thực tế cho ta thấy:
Chất rắn: =' f
Chất lỏng và chất khí: ='f2
SVTH: Phan Thị Si 34
Bảng 2.3 Hệ số hấp thụ của một số chất.
Năng lượng sóng hấp thu sẽ biến thành nhiệt trong môi trường truyền và sự hấp thu sóng tăng nhanh khi kích thước các phần tử trong môi trường bằng hoặc lớn hơn bước sóng siêu âm.