امواج صوتی در جامدات (Sound Waves in Solids)، در فیزیک (Physics)
انواع امواج (Wave)، در فیزیک (Physics) را در آموزش زیر شرح دادیم :
امواج صوتی در جامدات (Sound Waves in Solids) :
امواج صوتی در جامدات نسبت به مایعات و گازها تنوع بیشتری دارند، زیرا جامدات علاوه بر مقاومت در برابر تغییر حجم (مدول حجمی)، در برابر تغییر شکل برشی نیز مقاومت می کنند (مدول برشی). بنابراین، در جامدات دو نوع اصلی موج صوتی می تواند منتشر شود: امواج طولی (فشاری) و امواج عرضی (برشی). در امواج طولی، ذرات در جهت انتشار نوسان می کنند. در امواج عرضی، ذرات عمود بر جهت انتشار نوسان می کنند. سرعت امواج طولی در جامدات بیشتر از امواج عرضی است.
سرعت امواج طولی در یک جامد نامحدود (محیط سه بعدی) از رابطه زیر به دست می آید:
\[ v_p = \sqrt{\frac{K + \frac{4}{3}G}{\rho}} \]که
\[ K \]مدول حجمی،
\[ G \]مدول برشی و
\[ \rho \]چگالی است. سرعت امواج عرضی نیز به صورت زیر است:
\[ v_s = \sqrt{\frac{G}{\rho}} \]نسبت
\[ v_p/v_s \]معمولا بین ۱.۵ تا ۲ است و به خواص کشسانی ماده بستگی دارد. برای مثال، در فولاد
\[ v_p \approx 5900 \]m/s و
\[ v_s \approx 3200 \]m/s است.
در میله ها و تیرهای نازک (زمانی که قطر میله از طول موج کمتر باشد)، سرعت امواج طولی کمی متفاوت است و از رابطه
\[ v = \sqrt{Y/\rho} \]به دست می آید که
\[ Y \]مدول یانگ است. در این حالت، امواج طولی با سرعت کمتری نسبت به محیط نامحدود منتشر می شوند، زیرا میله می تواند در جهت جانبی منبسط و منقبض شود. همچنین در جامدات، امواج سطحی (مانند امواج ریلی و لمب) و امواج صفحه ای نیز وجود دارند که پیچیده تر هستند.
تولید و تشخیص امواج صوتی در جامدات معمولا با استفاده از مبدل های پیزوالکتریک انجام می شود. این مبدل ها می توانند هم به عنوان فرستنده (تبدیل ولتاژ به ارتعاش) و هم به عنوان گیرنده (تبدیل ارتعاش به ولتاژ) عمل کنند. برای امواج عرضی، از مبدل های برشی استفاده می شود که امواج برشی تولید می کنند. همچنین می توان با استفاده از لیزر (روش های نوری) بدون تماس، امواج صوتی را در جامدات تولید و تشخیص داد.
کاربردها: مهم ترین کاربرد امواج صوتی در جامدات، آزمایش های غیرمخرب اولتراسونیک (NDT) است. با اندازه گیری زمان سیر امواج بازتابیده از عیوب داخلی (ترک ها، حفره ها، ناخالصی ها) می توان سلامت قطعات صنعتی را ارزیابی کرد. همچنین با اندازه گیری سرعت امواج، می توان خواص مکانیکی مواد (مدول های الاستیک) را تعیین کرد. در زمین شناسی، از امواج لرزه ای برای مطالعه ساختار داخلی زمین و اکتشاف منابع استفاده می شود. در علم مواد، از آن برای مطالعه خواص آکوستیکی و الاستیک مواد در شرایط مختلف (دما، فشار) استفاده می شود.
پدیده های جالب: در جامدات، امواج صوتی می توانند با الکترون ها و فونون ها (ارتعاشات شبکه) برهم کنش داشته باشند. این برهم کنش ها منجر به پدیده هایی مانند تضعیف آکوستیکی (کاهش انرژی موج در اثر برهم کنش با الکترون ها و نقص ها) و انتشار آکوستیکی (گسیل امواج صوتی در حین تغییر شکل پلاستیک یا رشد ترک) می شود. انتشار آکوستیکی خود یک روش آزمایش غیرمخرب برای پایش سلامت سازه ها در حین کار است.
