Ультразвуки и их применение

Ультразвуки имеют частоты колебаний свыше 20 000 Гц. Поэтому длина ультразвуковых волн в различных средах мала, а скорости и ускорения колеблющихся частиц среды и возникающие избыточные давления велики. Интенсивность ультразвукового излучения некоторых источников достигает миллионов ватт на квадратный метр.

Ультразвуки могут быть получены при помощи известных ис­точников слышимых частот, имеющих соответствующие размеры или параметры (миниатюрные камертоны, короткие струны, свистки, сирены с большим числом оборотов ротора и т. д.). Большое применение получили источники ультразвуков, основанные на использовании магнитострикции и электрострикции — изменении размеров тел, помещенных в магнитное и электрическое поля. Если в быстропеременное магнитное поле поместить, например, никелевый стержень, то длина его будет изменяться (на несколь­ко тысячных долей процента) в соответствии с частотой поля. При резонансе с собственными колебаниями стержня можно получить большие амплитуды колебаний и, следовательно, большие интен­сивности изучаемой волны. Таким же образом получают ультразвуковые волны от пластинки кварца (или другого диэлектри­ка), помещенного в высокочастотное электрическое поле.

Различные источники ультразвука характеризуются мощностью акустического излучения (от долей ватта до десятков киловатт) и коэффициентом полезного действия, т. е. отноше­нием этой мощности к потребляемой. В хороших образцах ультра­звуковых генераторов этот коэффициент достигает 60—70%. Мощ­ность излучения данного источника зависит от акустического сопротивления среды, в которой возбуждаются звуки. Например, кварцевая пластинка при одинаковой частоте и амплитуде коле­баний будет развивать в воде в 3500 раз большую мощность, чем в воздухе.

Высокие значения акустических скоростей, ускорений, из­быточных давлений и плотностей, а также хорошо разработан­ные методы излучения, приема, измерения интенсивности и ско­рости распространения ультразвуков позволили использовать их для решения многих технических задач. Перечислим важнейшие применения ультразвука:

1. использование ультразвука как средства связи и обнару­жения; определение местонахождения предметов и неоднородностей в акустических прозрачных средах; в морях — акустическая локация косяков рыб, подводных лодок, определение глубины; в массивных металлических поковках и отливках — обнаружение внутренних трещин и раковин;

2. изучение физических свойств различных твердых, жидких и газообразных веществ (скорость распространения, коэффициент поглощения и т. д.);

3)воздействие на различные физико-химические процессы: кристаллизацию, намагничивание, диффузию, различные электро­химические процессы и т. д.; образование эмульсий;

4) механическая обработка очень твердых или очень хрупких тел; очистка мелких предметов (деталей часовых механизмов а т. д.), помещенных в жидкость; обезгаживание;

5) воздействие на биологические объекты.

Некоторые животные и насекомые испускают и воспринимают ультразвуковые колебания различных частот; дельфины — до 50 кГц, пчелы — до 22 кГц, собаки и мыши слышат ультразвуки до 100 кГц и т. д. Летучие мыши испускают ультразвуки коротки­ми импульсами. Продолжительность каждого импульса составля­ет доли секунды, число таких импульсов в секунду от 5 до 60, часто­та колебаний от 30 до 120 кГц. Интересно, что ночные бабочки, являющиеся пищей для летучих мышей, воспринимают ультра­звуки с частотами от 10 до 200 кГц, и благодаря этому могут об­наружить грозящую им опасность.