Занимательная физика в вопросах и ответах. Сайт Елькина Виктора. (Заслуженный учитель РФ. Учитель-методист.)  Занимательная  физика     Физика  в походе    Биофизика    Астрономия    Биографии  Физика  и  медицина     Физика и поэзия    Народная мудрость   Необычные  явления   Физика и техника  Занимательные опыты  Радиотехника для всех  Бочка  Паскаля  Оптика Старинные задачи    Ссылки   Шаровая  молния   Сообразилки

Ультразвуки и их использование.

    Для получения ультразвуков обычно используют механические, пьезоэлектрические или магнитострикционные излучатели. Простейший механический излучатель — всем известный свисток. В нем звук возбуждается за счет того, что струя воздуха разбивается о внутренний край полости свистка. Периодически возникающие при этом вихри и возбуждают колебания столбика воздуха, находящегося в полости свистка. Размеры полости определяют частоту собственных колебаний столбика воздуха, а следовательно, и частоту излучаемого звука.

    Чем меньше размеры полости, тем выше звук. Уменьшая размеры полости, можно добиться того, что свисток начнет издавать звуки очень большой частоты, т. е. ультразвуки. На ином принципе работают сирены, применяемые для получения звуков большой интенсивности и ультразвуков в воздухе. Двигатель приводит во вращение диск (ротор) с прорезями по краям в виде зубцов. В неподвижном диске (статоре) также имеются отверстия, несколько меньшие по диаметру, чем зубец ротора. Струя сжатого воздуха, подводимого к сирене, периодически прерывается вращающимся диском. В результате этого в выходных отверстиях неподвижного диска происходят периодические изменения давления воздуха, порождающие мощный ультразвук.

Для получения ультразвуковых волн в настоящее время широко применяются электромеханические, пьезоэлектрические и магнитострикционные излучатели.

В электромеханических излучателях ультразвук создается в результате преобразований колебаний переменного электрического тока соответствующей частоты в механические колебания излучателя. Устройство пьезоэлектрических излучателей основано на пьезоэлектрическом эффекте. Кристаллы целого ряда веществ (кварц, турмалин, титанат бария и т. д.) обладают замечательным свойством.

Если из них определенным образом вырезать пластинку, то при сжатии или растяжении такой пластинки на ее поверхности появятся электрические заряды — с одной стороны положительные, с другой — отрицательные. В этом и состоит пьезоэлектрический эффект. Этот эффект обратим. Если пластинку покрыть с двух сторон металлическими электродами (например, алюминиевой фольгой) и присоединить к ним источник переменного напряжения, то пластинка попеременно то сжимается, то растягивается. Эти колебания поверхности пластинки и возбуждают в среде ультразвуковые волны. Используя пьезоэлектрические излучатели, удается получать ультразвуки сравнительно небольшой интенсивности.

Некоторые ферромагнитные металлы (никель, железо, кобальт и др.) и их сплавы обладают свойством сжиматься или расширяться под действием магнитного поля. Это явление, называемое магнитострикцией, используется для получения ультразвуков большой интенсивности в магнитострикционных излучателях.

Простейший магнитострикционный излучатель — это, например, никелевый стержень, вставленный внутрь катушки, по обмотке которой пропускается переменный ток. В катушке возникает при этом переменное магнитное поле и стержень в такт с его колебаниями периодически то сжимается, то расширяется, т. е. совершает механические колебания.

Основные физические закономерности, свойственные звуку, полностью применимы и для ультразвуковых волн. Наряду с этим малая длина ультразвуковых волн обусловливает и некоторые особые явления, несвойственные волнам звукового диапазона. Направленность излучения звука зависит от соотношения между размерами излучателя и длиной волны . Чем меньше длина волны по сравнению с размерами излучателя, тем больше направленность излучения звука. С уменьшением длины волны, кроме того уменьшается также и роль дифракции в процессе распространения волн . Поэтому ультразвуковые волны, имеющие сравнительно малую длину волны, могут быть получены в виде узких направленных пучков. В воздухе ультразвуковые волны весьма сильно затухают. Вода по своим акустическим свойствам резко отличается от воздуха. Акустическое сопротивление воды почти в 3500 раз больше, чем воздуха. Следовательно, при одинаковом звуковом давлении скорость колебания частиц воздуха в 3500 раз больше, чем частиц воды. Кинематическая вязкость воды значительно меньше, чем воздуха. Поэтому ультразвуковые волны в воде поглощаются примерно в 1000 раз слабее, чем в воздухе. Этим и объясняется то, что направленные пучки ультразвуковых волн находят широкое применение в гидроакустике для целей сигнализации и гидролокации под водой. Отметим, что использовать для этой же цели электромагнитные волны невозможно, так как их поглощение в воде очень велико. Таким образом, ультразвуковые волны являются, по-существу, единственным видом волнового процесса, который может распространяться с относительно малым поглощением в водной среде.

Возможность получения в воде сравнительно узкого ультразвукового пучка, который можно послать в выбранном направлении, используется в эхолотах и гидролокаторах.

Эхолот — прибор, предназначенный для измерения глубин моря или реки. Излучатель эхолота устанавливается на днище корабля так, чтобы пучок ультразвуковых волн был направлен вертикально вниз. Он излучает ультразвуковые волны отдельными короткими по времени импульсами, в которых благодаря высокой частоте содержится большое количество волн. Достигнув дна, импульс отражается от него в виде эха и приходит к приемнику, расположенному рядом с излучателем. Регистрирующий прибор записывает на специальной ленте момент посылки импульса и момент его возвращения. Зная скорость распространения ультразвука в воде, по этим' отметкам определяют глубину моря под кораблем. Часто применяемые в гидроакустике электромеханические излучатели обратимы, т. е. могут одновременно служить и приемниками ультразвуковых волн.

Ультразвуковые эхолоты применяются и в рыбной промышленности для обнаружения скопления рыб.

В отличие от эхолота гидролокатор может посылать ультразвуковой пучок не только вертикально вниз, но и в любом необходимом направлении. Гидролокатор, установленный на корабле, может предупреждать о приближении опасных айсбергов, обнаруживать подводные лодки и т. д. Дальность действия гидролокатора достигает нескольких километров.

Поскольку ультразвуковые пучки могут распространяться и в средах, которые для света непрозрачны, то это позволяет использовать их для исследования оптически непрозрачных тел, например металлов. Рентгеновское излучение может “просвечивать” металлы лишь на небольшой глубине, тогда как ультразвук позволяет исследовать более чем 10-метровую толщу металла. Ультразвуковая дефектоскопия металлов была впервые разработана советским физиком С. Я. Соколовым (1927).

Для ультразвуковой дефектоскопии применяют метод звуковой тени (теневая дефектоскопия), импульсный и резонансный методы.

В методе звуковой тени ультразвуковой излучатель прикладывается к одной из поверхностей исследуемого тела, а на противоположной поверхности напротив излучателя устанавливается приемник (рис. 1, а, б). Если в исследуемом теле нет дефектов, то ультразвуковые волны пройдут сквозь все тело и достигнут приемника (рис. 2). При наличии в теле дефекта, например раковины или трещины, приемник окажется как бы в области “тени”, отбрасываемой дефектом, и поэтому не регистрирует ультразвуковые волны или же регистрирует резкое ослабление их интенсивности (рис. 3).

В настоящее время широкое распространение получил импульсный метод дефектоскопии. Принцип работы импульсного дефектоскопа подобен принципу работы эхолота. В этом методе к одной и той же поверхности исследуемого тела плотно прижимаются излучатель 1 и приемник 2 ультразвуковых волн.

Рис. 2

Рис. 3

Излучатель посылает в исследуемое тело ультразвуковые волны отдельными короткими импульсами. При отсутствии дефекта импульс отразится от противоположной стороны исследуемого тела и в виде эха вернется обратно к приемнику. Если же на пути ультразвуковых волн встретится какая-нибудь неоднородность, например раковина или трещина, то приемник зарегистрирует в этом случае сначала эхо, отраженное от дефекта, а уже затем эхо, отраженное от противоположной стороны тела. На рис. 3 приведены кривые, возникающие на экране индикатора при отсутствии дефекта внутри исследуемого тела (рис. 3, а) и для случая, когда имеется дефект (рис. 3, б).

Импульсный метод позволяет обнаружить раковины и другие дефекты, имеющие размеры всего лишь несколько миллиметров на глубине нескольких метров в толще металла. Частота, на которой обычно работают такие дефектоскопы, Лежит в пределах от 0,5 до 5,0 МГц.

Методы ультразвуковой дефектоскопии успешно применяются и для исследования структуры частей живых организмов (сердца, глазного яблока и т. д.), а также для ранней диагностики заболеваний, например злокачественных опухолей.

Ультразвук применяют и для исследования свойств и структуры веществ. Большим преимуществом для этих целей ультразвуковых волн перед электромагнитными является значительно меньшая (на несколько порядков) скорость их распространения. Поэтому при равных частотах длина ультразвуковых волн существенно меньше.

При распространении волн плотность потока энергии, как известно", пропорциональна квадрату частоты . Поэтому в ультразвуковых пучках удается получить большую плотность энергии, даже при сравнительно небольших амплитудах колебаний. Уже при плотности потока энергии порядка десятков ватт на квадратный сантиметр ультразвуковые волны способны оказывать активное воздействие на среду, в которой они распространяются, вызывая в ней такие необратимые эффекты, как фонтанирование жидкости, ее распыление и т. д. Частицы жидкости могут при этом приобретать столь большие ускорения, что в момент фазы разрежения в жидкости образуются кавитационные пузырьки. измеряемые тысячами атмосфер, приводящие к образованию ударных волн.

Все эти эффекты используются в технике в самых разнообразных целях. Например, кавитационные ударные волны вызывают диспергирование твердых и жидких материалов и поэтому используются для получения эмульсий и суспензий.

Разрушая поверхность погруженного в жидкость твердого тела, кавитационные ударные волны удаляют прежде всего находящиеся на ней посторонние пленки и загрязнения. На этом основана широко применяемая в промышленности ультразвуковая очистка различных материалов и изделий. Ультразвуковое облучение расплавленных металлов позволяет, например, влиять на процесс роста кристаллов и получать отливки с мелкокристаллической  структурой.

В настоящее время ультразвуки, используются не только во многих областях техники, но и в биологии, медицине.

В заключение отметим, что ультразвуковые методы исследования вещества и вопросы, связанные с взаимодействием ультразвуковых волн с веществом, в котором они распространяются, изучаются молекулярной акустикой, являющейся сравнительно новым и интересным направлением в современной физике. За последние годы возникла и квантовая акустика, изучающая взаимодействие звуковых квантов — фононов с электронами и ядрами атомов.

Источник. "Физические основы механики и акустики". Шебалин О.Д.  М.: Высш. школа, 1981.