Занимательная физика в вопросах и ответах.
Сайт  Елькина Виктора. 
  Заслуженный учитель РФ.   Учитель-методист. 
     Занимательная физика   А знаете ли Вы?    Физика в походе    Биофизика    Биографии   Астрономия 
 Физика  и  поэзия      Народная мудрость     Необычные явления     Физика  и  техника
Радиотехника для всех   Бочка Паскаля   Занимательные опыты  Оптика  Шаровая  молния
Ссылки   Старинные  задачи    Сообразилки
Нам пишут...    Расскажите об ультразвуке.

 

      Ультразвук.  Упругие волны с частотами прибл. от (1,5—2)104  (15 — 20 кГц) до 10 Гц (1 ГГц); область частот У. от 109  до 1012 1013  Гц принято наз. гиперзвуком. Область частот У. удобно подразделять на три диапазона: У. низких частот (1,5х104 105  Гц), У. средних частот (105 107 Гц) и область высоких частот У. 107 108 Гц). Каждый из этих диапазонов характеризуется своими специфич. особенностями генерации, приёма, распространения и применения.
    С в о й с т в а    ультразвука и    о с о б е н н о с т и его распространения. По физ. природе У. представляет собой упругие волны, и в этом он не отличается от звука, поэтому частотная граница между звуковыми и УЗ-выми волнами условна. Однако благодаря более высоким частотам и, следовательно, малым длинам волн (так, длины волн У. высоких частот в воздухе составляют 3,4х10-3—3,4х10-5  см, в воде 1,5х10-2  —1,5х10~4 см и в стали 5х10-2 - 10-4 см) имеет место ряд особенностей распространения У.Малая длила УЗ-вых волн позволяет в ряде случаев рассматривать их распространение методами геометрический акустики. Это даёт возможность рассматривать отражение, преломление, а также фокусировку с помощью лучевой картины. Ввиду малой длины волны У. характер его распространении определяется в первую очередь молекулярной структурой среды, поэтому, измеряя скорость с  и коэфф. затухания а, можно судить о молекулярных свойствах вещества (см. Молекулярная акустика). Характерная особенность распространения У. в многоатомных газах и во мн. жидкостях — существование областей дисперсии, звука, сопровождающейся сильным возрастанием его поглощения. Эти эффекты объясняются процессами релаксации (см. Релаксация акустическая). У. в газах, и в частности в воздухе, распространяется с большим затуханием (см. Поглощение звука). Жидкости и твёрдые тела (в особенности монокристаллы) представляют собой, как правило, хорошие проводники У., затухание в них значительно меньше. Поэтому области использования У. средних и высоких частот относятся почти исключительно к жидкостям и твёрдым телам, а в воздухе и газах применяют только У. низких частот. Др. особенность У.— возможность получения большой интенсивности даже при сравнительно небольших амплитудах колебаний, т. к. при данной амплитуде плотность потока энергии пропорциональна квадрату частоты. УЗ-выс волны большой интенсивности сопровождаются рядом нелинейных эффектов. Так, для интенсивных плоских УЗ-вых волн при малом поглощении среды (в особенности в жидкостях, твёрдых телах) синусоидальная у излучателя волна превращается по мере её распространения в слабую периодич. ударную волну (пилообразной формы); поглощение таких волн оказывается значительно больше (т. п. нелинейное поглощение), чем волн малой амплитуды. Распространению УЗ-вых волн в газах и в жидкостях сопутствует движение среды, т. п. акустическое течение, скорость к-рого зависит от вязкости среды, интенсивности У. и его частоты; вообще говоря, она мала и составляет долю % от скорости У. К числу важных нелинейных явлении, возникающих при распространении интенсивного У. в жидкостях, относится акустич. кавитация. Интенсивность, соответствующая порогу кавитации, зависит от рода жидкости и степени её чистоты, частоты звука, темп-ры и др. факторов. В водопроводной воде, содержащей пузырьки воздуха, на частоте 20 кГц она составляет доли Вт/см2. На частотах диапазона УСЧ в УЗ-вом поле с интенсивностью начиная с неск. Вт/см2 может возникнуть фонтанирование жидкости и распыление её с образованием весьма мелкодисперсного тумана. Акустич. кавитация широко применяется в технологич. процессах; при этом пользуются У. низких частот.
     Генерация ультразвука. Для излучения У. применяют разнообразные устройства, к-рые могут быть разбиты на 2 группы — механические и электромеханические. Механич. излучатели У.— воздушные и жидкостные свистки и сирены- отличаются простотой устройства и эксплуатации, не требуют дорогостоящей  электрич. энергии высокой частоты. Их недостаток — широкий спектр излучаемых частот и нестабильность частоты и амплитуды, что не позволяет использовать их для контрольно-измерит. целей; они применяются гл. обр. в пром. УЗ-вой технологии и частично — как средства сигнализации.
 
     Основными излучателями У. являются электромеханические, преобразующие злектрич. колебания в механические. В диапазоне У. низких частот возможно применение злектродинамич. и  электростатич. излучателей. Широкое применение в этом диапазоне частот нашли магнитострикционпые преобразователи, использующие эффект магнитострикции. Для излучения У. средних и высоких частот применяются гл. обр. пьезоэлектрические преобразователи, использующие явление пьезоэлектричества, Для увеличения амплитуды колебаний и излучаемой в среду мощности, как правило, применяются резонансные колебания магнитострикц. и пьезоэлектрич. элементов на их собств. частоте.
     Предельная интенсивность излучения У. определяется прочностными и нелинейными свойствами материала излучателей, а также особенностями использования излучателей.
   Прием и  о б н а р у ж е ние   ультразвука. Вследствие обратимости пьезоэффекта пьезоэлектрич. преобразователи используются и для приёма У. Для изучения УЗ-вого поля можно пользоваться и оптич. методами; У., распространяясь в к.-л. среде, вызывает изменение её оптич. показателя преломления, что позволяет визуализировать звуковое поле, если среда прозрачна для света. Совокупность уплотнений и разрежений, сопровождающая распространение УЗ-вон волны, представляет собой своеобразную решётку, дифракцию световых волн на к-рой можно наблюдать в оптически прозрачных телах. Дифракция света на ультразвуке легла в основу смежной области акустики и оптики — акустиоптики, к-рая получила большое развитие после возникновения газовых лазеров непрерывного действия.
      Применения ультразвука.   Ультразвуковые методы применяются в физике твёрдого тела, в частности в физике полупроводников, в результате чего возникла новая область акустики — акустоэлектроника. На основе её достижений разрабатываются приборы для обработки сигнальной информации в микрорадиоэлектронике. У. играет большую роль в изучении структуры в-ва. Наряду с методами молекулярной акустики для жидкостей и газов в области изучения твёрдых тел измерение скорости с и коэфф. поглощения а используются для определения модулей упругости и диссипативных характеристик в-ва. Получила развитие квантовая акустика, изучающая взаимодействие  фононов С электронами проводимости, магнонами, и др. квазичастицами в твёрдых телах.
    У. широко применяется в технике. По данным измерений с и а во многих технич. задачах осуществляется контроль за протеканием того или иного  процесса (контроль концентрации смеси газов, состава разл. жидкостей и т. п.). Используя отражение У. на границе разл. сред, с помощью УЗ-вых приборов измеряют размеры изделий (напр., УЗ-вые толщиномеры), определяют уровни жидкостей в ёмкостях, недоступных для прямого измерения. У. сравнительно малой интенсивности (до ~(0,1 Вт/см2) используется в дефектоскопии для неразрушающего контроля изделий из твёрдых материалов (рельс, крупных отливок, качеств, проката и т. д.). При помощи У. осуществляется звуковидение: преобразуя УЗ-вые колебания в электрич., а последние в световые, оказывается возможным при помощи У. видеть те или иные предметы в непрозрачной для света среде. Для получения увеличенных изображений предмета с помощью У. высокой частоты создан акустич. микроскоп, аналогичный обычному микроскопу, преимущество к-рого перед оптическим — высокая контрастность, что при биол. исследованиях но требует предварит, окрашивания предмета, и возможность получать изображения оптически непрозрачных объектов. Развитие голографии привело к определённым успехам в области УЗ-вой голографии (см. Голография акустическая). Важную роль У. играет в гидроакустике, поскольку упругие волны являются единств, видом волн, хорошо распространяющихся в морской воде. На принципе отражения УЗ-вых импульсов от препятствий, возникающих на пути их распространения, строится работа эхолота, гидролокатора и др.
 
Источник. "Физический энциклопедический словарь". М. 1983, Стр.  780-781.

 

Ультразвук в природе  1  2  3  4

назад

 Занимательная  физика   А знаете ли Вы?    Физика в походе    Биофизика    Биографии   Астрономия 
 Физика  и  поэзия      Народная мудрость     Необычные явления     Физика  и  техника
Радиотехника для всех   Бочка Паскаля   Занимательные опыты   Оптика   Шаровая молния 
 Ссылки   Сообразилки

[AD]

Hosted by uCoz