Ok, mam dostęp do komputera, chociaż do dyspozycji miałem jedynie paint'a (plus jakieś kompilatory -które w tym momencie były nieprzydatne) żeby jako tako narysować to o co mi chodzi (taki szkic teorii i konstrukcji).
Na początku taka prośba o wyrozumiałość, bo jak już wspomniałem nie jestem fizykiem, tylko fizykę bardzo lubię - to jednak duża różnica. Do tego mogłem coś pomylić, zapomnieć, lub jakieś słowo przeinaczyć, więc jak coś to proszę o wyrozumiałość i konstruktywną krytykę bez specjalnych "docinek"
- dzięki.
To jest tak: korzystamy ze zjawisk fizycznych falowych typowych dla fal mechanicznych.. Do tych zjawisk należą m.in.:
- dyfrakcja (ugięcie fali w szczelinach odpowiadających długości fali) - to wykorzystujemy
- interferencja (zachodzenie i oddziaływanie ze sobą fal o tych samych częstotliwościach - grzbiety fal zachodzących na siebie mają zwielokrotnioną amplitudę drgań, co wynika z zasady superpozycji fali - fizyka klasyczna)
- ugięcie fali na granicy dwóch środowisk (z tego nie korzystamy, ale chodzi o to, że fala powinna się ugiąć gdyby na przykład z powietrza trafiła do wody, bo woda i powietrze mają różną gęstość)
Druga sprawa - wychodzę z założenia, że fala mechaniczna (ultradźwiękowa) jest falą kulistą, więc nie sposób wszystkiego pokazać na płaszczyźnie - proszę o odrobinę wyobraźni przestrzennej.
Teraz moje szkice... (z góry sorry za jakość, ale spieszyłem się żeby po prostu to było coś do pokazania, funkcjonalność>jakość):
Pojedyńcze źródło fali ultradźwiękowej można pokazać tak:
source.jpg
Dwa źródła fali ultradźwiękowej o
tej samej częstotliwości można pokazać tak:
fala_interferecja_2x.jpg
Natomiast cztery źródła fali (co mogłoby być istotne dla tego projektu) możnaby pokazać tak:
fala_interferecja_4x.jpg
Z powyższych rysunków (zwłaszcza z ostatniego) widzimy, że w miejscach gdzie istnieją prążki interferencyjne pierwszego (P1) i drugiego (P2) rzędu fala ulega wzmocnieniu. Jeżeli doprowadzimy do sytuacji, że "naprowadzimy" na siebie cztery grzbiety fal, to -teoretycznie- amplituda fali powinna ulec czterokrotnemu zwielokrotnieniu, pod warunkiem że częstotliwość i faza pracy wszystkich czterech źródeł dźwięku (Z1, Z2, Z3, Z4) będzie taka sama. Na ostatnim rysunku to jest to pole żółte.
Teraz co i jak będziemy wykorzystywać praktycznie. Załóżmy, że uda nam się zbudować siatkę dyfrakcyjną z czterema otworami, a pośrodku umieścimy źródło dźwięku fali ultradźwiękowej (w płaszczyźnie siatki). Do tego układu dobudujemy układ analizy umieszczony poniżej z analizatorem dźwięku, który umieścimy w taki sposób, że będzie on umiejscowiony DOKŁADNIE w założonym miejscu występowania maksymalnej interferencji fal (pole żółte). Ponieważ fala dźwiękowa jest falą kulistą, znamy maksymalną możliwą długość tej fali i orientacyjnie potrafimy wyznaczyć miejsce maksymalnej interferencji to w oparciu o to (maksymalna długość fali) oszacujmy
odległość pomiędzy obiema płaszczyznami (tj. siatką dyfrakcyjną i płaszczyzną analizy dźwięku), która
powinna wynosić tyle ile maksymalna długość POŁOWĘ DŁUGOŚCI fali którą analizujemy.
Teraz policzmy... Nasze dane:
Dolna granica częstotliwościowa dla ultradźwięków = fmin = 20 [kHz] = 20000 [Hz = 1/s ]
Prędkość rozchodzenia się fali ultradźwiękowej w powietrzu = v = 331,3 [m/s]
Chcemy wyznaczyć maksymalną możliwą długość fali ultradźwiękowej ( λmax ) w celu określenia maksymalnej średnicy dla otworów w siatce dyfrakcyjnej, czyli korzystając ze wzoru:
λmax = v / fmin
mamy tak:
λmax = 331,3 / 20000 = 0,016565 [ m/s * s = m ]
λmax = 1,6565 [cm]
To znaczy że gdyby w siatce dyfrakcyjnej były otwory o średnicy 1,6565 [cm] to zjawisku dyfrakcji powinny ulegać ultradźwięki od 20 kHz i wyższe częstotliwości (choć im wyższa częstotliwość tym zjawisko dyfrakcji powinno być mniejsze). Najlepiej więc byłoby dopasować średnicę otworu do minimalnej faktycznie używanej częstotliwości (obliczając średnicę otworu ze wzoru).
Taki ogólny prototyp konstrukcji do analizy dźwięku przedstawiam poniżej:
prototyp.jpg
Płaszczyzna zielona to pole analizy dźwięku, w płaszczyżnie analizy dźwięku jest umiejscowiony mikrofon ultradźwiękowy w taki sposób, że jest korpus jest "pod płaszczyzną" analizy dźwięku (ciemny zielony). Płaszczyzna niebieska to siatka dyfrakcyjna z otworami o średnicy maksymalnej ustalonej długości badanych ultradźwięków. W płaszczyźnie tej jest umiejscowione źródło dźwięku - tj. głośniczek ultradźwiękowy, w taki sposób, że jest korpus jest "pod płaszczyzną" źródła dźwięku (ciemny niebieski). Kolorem czarnym oznaczono coś jakby kołki dystansowe
- o ile będą potrzebne, bo płaszczyzna analizy jest w zasadzie płaszczyzną wirtualną (ważne, żeby płaszczyzna głośniczka absorbowała maksymalną interferencję pochodzącą z siatki dyfrakcyjnej).
To wszystko, jeśli za bardzo zamieszałem to przepraszam, ale proszę napisać gdzie zamieszałem, lub coś pomyliłem to postaram się wyjaśnić, skorygować, ew. usunąć post jeśli to co napisałem to jakieś bzdury.
Edit 1: Odległość między płaszczyzną siatki dyfrakcyjnej a mikrofonem (analizatorem fali ultradźwiękowej) powinna być równa połowie długości fali, czyli dla powyższych 20 kHz byłoby to:
L (jako odległość między siatką (siatkami) dyfrakcyjną (ymi) a płaszczyzną analizy dźwięku) = λmax / 2
czyli dla:
λmax = 1,6565 [cm]
L = 1,6565 [cm] / 2 = 0,82825 [cm] = 8,2825 [mm]
Muszę też zaktualizować obliczenia, ponieważ.. powyżej Kolega Gaweł pisał, że głośniczek będzie emitował falę ok.40 kHz, czasami 50 kHz.
Dla 40 kHz:λmax = 331,3 / 40000 = 0.0082825 [ m/s * s = m ]
λmax = 8.2825 [mm]
Φmax = 8.2825 [mm]
L (odległość między siatką (siatkami) dyfrakcyjną (ymi) a płaszczyzną analizy dźwięku = λmax / 2 = 4.14125 [mm]
Dla 50 kHz:
λmax = 331,3 / 50000 = 0.006626 [ m/s * s = m ]
λmax = 6.626 [mm]
Φmax = 6.626 [mm]
L (odległość między siatką (siatkami) dyfrakcyjną (ymi) a płaszczyzną analizy dźwięku = λmax / 2 = 3.313 [mm]
4,14 [mm] (czy tam 3,313 [mm]) to trochę mała odległość biorąc pod uwagę rozmiary głośniczka (źródła) i mikrofonu (analizatora) dźwięku, więc można zrobić więcej niż jedną siatkę dyfrakcyjną, przy czym otworami kolejnej "wycelować" dokładnie w maksima interferencji fali powstających z tej poprzedniej siatki dyfrakcyjnej (tej bliższej źródła dźwięku). Konstrukcja podobna z tym że ileś tam więcej płaszczyzn tych "niebieskich", no i otwory w płaszczyznach mniejsze..
Pozdrawiam! j23 Jarek
P.S. Źródła z których korzystałem, to m.in. Wikipedia, oraz:
https://ilf.fizyka.pw.edu.pl/podrecznik/3/8/7
Nie masz wymaganych uprawnień, aby zobaczyć pliki załączone do tego posta.
Internet łączy ludzi, którzy dzielą się swoimi zainteresowaniami, pomysłami i potrzebami, bez względu na geograficzne (przeciwności).
BOB TAYLOR, PARC