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0 序言
在“BBS.UT”部分,有个帖子:
质点振动速度U到底应该等于什么?
特压《超声检测》教材(2008版)第28--29页关于质点振动速度u有三个公式表示:
1)U=-ωAsinω(t-x/c)
2)U=ωA=2丌fA
3)U=P/Z
请问: 质点振动速度u到底应该等于什么?
我认为,帖子提出的问题,虽没有多少实用价值,但又是涉及到简谐波基础知识的重要问题,故而写这篇短文。帖子列出的三个公式,表示振动速度有三个不同称谓值,它们应该有各自的称谓----术语和符号,不应混为一谈。简谐波动中“振动速度”或“声压”中的任一参数,常有三个不同的表述公式或有三个不同称谓值,它们可以类比交流电(波)中“电流”或“电压”。现针对帖子问题,发表以下意见。如有不当,请指正。
1 质点振动速度的三个不同称谓值
1.1 质点振动速度的瞬时值Ui
波动是质点振动的传播,质点仅是在平衡位置附近振动,当然就产生了振动速度的概念(它类似交流电的电流)。因为声压是周期性变化的,所以振动速度也是周期性变化的。对应某一时刻的振动速度,叫质点振动速度瞬时值Ui(公式推导见特压《超声检测》教材2008版第28页)。
Ui=-ωAsinω(t-x/c) (1)
式中: ω---质点振动角速度,ω=2丌f,f为振动(波动)频率;
A---质点振动的幅度(最大值---振幅);
t---波动开始后的时间---传播时间;
x---质点与t=0的原点沿波传播方向上的距离;
c---波速。
质点振动速度瞬时值Ui,只起一个帮助我们理解质点振动速度在0和ωA(振动速度最大值)之间周期性变化的作用,并没有什么实际的运算价值。
1.2 质点振动速度的最大值(幅度)Um
由公式(1)可以推导出振动速度的最大值Um
Um=ωA=2丌fA (2)
1.3 质点振动速度的有效值(幅度)U
如同交流电流有有效值一样,振动速度也引进了个有效值:
U=0.707 Um (3)
2 声压的三个不同的称谓值
如同电流乘电阻,等于电压一样,质点振动速度乘声阻抗,等于声压。对应质点振动速度的三个不同的称谓值,分别乘以声阻抗z(z=ρ.c,其中,ρ---介质密度;c---声速),即为声压的三个对应值:
2.1 声压的瞬时值Pi
Pi=-ρ.c. ωAsinω(t-x/c) (4)
2.2 声压的幅值Pm
Pm=ρ.c. 2丌fA (5)
2.3 声压的有效值P
P=0.707Pm (6)
3 质点振动速度与声压的关系
下面仅用二者的有效值或幅值表示:
U=P/Z=0.707.Pm/Z (7)
式中:Z---声阻抗,Z=ρ.c。
4 附注
4.1 声强的计算式推导
和电压的有效值,乘电流的有效值,等于电功率相似,声压有效值P,乘质点振动速度有效值U,等于声强I:
I=P.U=0.707.Pm. 0.707.Pm/Z
=0.5(Pm2/Z) (8)
特压《超声检测》教材(2008版)第30页公式(2—28)符号P不对,应是Pm。
从公式(8),可以知道声压幅度Pm、介质阻抗Z,决定了声强,这往往是涉及声压和质点振动速度等一些公式,推导的最终目的。
4.2 脉冲波比简谐波要复杂得多
以上讨论,仅涉及连续的简谐波,是纯理论上的问题,讨论的目的,仅是让读者对振动速度、声压和声强之间的关系,有个大致了解;实际使用的脉冲波,它的质点振动速度、声压和声强,表述起来,要复杂多了。实际用理论阐述总是复杂的,但实际的显示,却又是简单的,因为示波屏脉冲高度,就代表脉冲声压的幅度;而实际测量出的脉冲声强,反而比理论计算可靠得多。