Акустический резонанс

Для увеличения интенсивности звука, производимого источ­ником, используют объемные колебательные системы, настроен­ные в резонанс с источником. Например, камертон в руке зву­чит едва слышно (правда, зато и долго), но если его поставить на крышку настроенного на частоту камертона деревянного ящика с одним открытым концом, то звучание камертона значительно усиливается. При этом время звучания, естественно, сокращается. Струнные музыкальные инструменты содержат деревянные «ящики» — резонаторы. Сложная форма этих резо­наторов обусловлена необходимостью обеспечить достаточно широкую полосу собственных частот инструмента: «ящик» дол­жен резонировать более или менее одинаково на звуки всех ча­стот, производимых струнами.

Объемные колебательные системы могут резонировать с ис­точником не только на своей основной частоте, но и на часто­тах обертонов. Например, если над открытым концом цилиндри­ческой вертикальной трубки, частично погруженной в воду, дер­жать звучащий камертон, а трубку постепенно поднимать, то резонанс наступает при различной длине воздушного столба. Резонанс при большей длине воздушного столба и означает, что он произошел на обертоне, так как основная частота столба воздуха с увеличением его длины уменьшается (частота камертона остается неизменной).

Акустический резонанс нашел применение при анализе ча­стотного состава сложного звука.

Для этой цели Гельмгольц сконструировал набор объемных резонаторов. Входящие в состав сложного звука простые тона возбуждают те резонаторы, собственная частота которых сов­падает с частотой данного тона. В настоящее время этот спо­соб утратил свое значение в технике. Современные анализаторы спектра звука сначала преобразуют звуковые колебания в элек­трические, которые затем анализируются электрическими це­пями.

В природе, однако, акустические анализаторы не утратили своего значения. Основной частью слухового органа является мембрана, размещенная в полости, заполненной жидкостью и содержащей несколько тысяч волокон, имеющих разные соб­ственные частоты. В зависимости от частотного состава звука соответствующие волокна вследствие резонанса начинают ко­лебаться, при этом нервные элементы на волокнах раздра­жаются и передают сигнал в мозг.

Ультразвук

Ультразвук — механическая волна, частота которой превы­шает 20 000 Гц. На практике используются ультразвуки с ча­стотой до 10⁶ Гц и более. Чтобы получить такие частоты при помощи собственных колебаний стальной пластины, свободной на обоих концах, длина этой пластины при основном тоне долж­на быть порядка

Собственные колебания такой пластины весьма слабы и быстро затухают. Для того чтобы пластина могла стать непрерывным источником ультразвука, нужно колебания в ней поддерживать внешней силой, меняющейся с частотой, равной частоте соб­ственных колебаний. Тогда в результате резонанса амплитуда колебаний пластины может быть довольно значительной, а по­рождаемый ею в окружающей среде ультразвук — достаточно интенсивным. Но где взять такую силу?

Получение ультразвука. Для получения ультразвука исполь­зуются три явления: обратный пьезоэлектрический эффект, магнитострикция и электрострикция.

Обратный пьезоэлектрический эффект состоит в том, что пластинка, вырезанная определенным образом из кристалла кварца (или другого анизотропного кристалла), под действием электрического поля сжимается или удлиняется в зависимости от направления поля. Если поместить такую пластину между обкладками плоского конденсатора, на которые подается пере­менное напряжение, то пластина придет в вынужденные коле­бания. Эти колебания приобретают наибольшую амплитуду, когда частота изменений электрического напряжения совпадает с частотой собственных колебаний пластины. Колебания пла­стины передаются частицам окружающей среды (воздуха или жидкости), что и порождает ультразвуковую волну.

Явление магнитострикции состоит в том, что ферромагнит­ные стержни (сталь, железо, никель и их сплавы) изменяют свои линейные размеры под действием магнитного ноля, направленного по оси стержня. Поместив такой стержень и пере­менное магнитное поле (например, внутрь катушки, но которой течет переменный ток), мы вызовем в стержне вынужденные колебания, амплитуда которых будет особенно велика при резонансе. Колеблющийся торец стержня создает в окружающей среде ультразвуковые волны, интенсивность которых находится в прямой зависимости от амплитуды колебаний торца.

Некоторые материалы (например, керамики) обладают свой­ством изменять свои размеры в электрическом поле. Это явле­ние, получившее название электрострикции, отличается (внеш­не) от обратного пьезоэлектрического эффекта тем, что измене­ние размеров зависит только от напряженности приложенного поля, но не зависит от его знака. К числу подобных материалов относятся титанат бария и титанат-цирконат свинца.

Преобразователи, в которых используются описанные выше явления, называют соответственно пьезоэлектрическими, магнитострикционными и электрострикционными. Последние нашли наибольшее применение в практике.

Для получения ультразвука применяются также специаль­ные свистки, предназначенные для работы в воде (в море).

Регистрация ультразвука осуществляется приемным преоб­разователем, действие которого основано либо на прямом пьезо­электрическом эффекте, либо на явлении, обратном электрострикции. При сжатии кварцевой пластины (или пластины из керамики) на ее параллельных плоскостях появляются разно­именные заряды, т.е. создается разность потенциалов, которая зависит от сжимающегося давления. Действие кварцевого и электрострикционного керамического приемного преобразова­теля таково: звуковые волны оказывают переменное давление на поверхность пластины, что приводит к появлению на ее по­верхности переменной разности потенциалов, которая и фикси­руется электрической частью приемного устройства.

Применение ультразвука. Отметим два направления практи­ческого применения ультразвука.

Одно из них связано с использованием ультразвука большой интенсивности, который за счет побочных явлений может ока­зывать на материал разрушающее действие. Другое состоит в использовании ультразвука малой интенсивности с целью полу­чения информации о среде, в которой распространяются уль­тразвуковые волны (звуковые локаторы, эхолоты и т. д.).

Применение ультразвука большой интенсивности. Во всех случаях, связанных с применением ультразвука большой интен­сивности, важную роль играет эффект кавитации. Как известно, кавитацией называют образование в жидкости пузырьков (по­лостей), заполненных газом или паром. Ультразвуковые волны, проходя сквозь жидкость, создают области сжатия и разреже­ния. В последних возникает «отрицательное давление», приво­дящее к разрыву жидкости. В образовавшейся полости находятся, как правило, воздух, проникший в нее в результате диф­фузии из окружающей жидкости, и пары жидкости. Если воз­дух в жидкости отсутствует, то полость заполняется только па­рами жидкости. Время жизни полости, или пузырька, очень мало, так как в волне вслед за разрежением быстро наступает сжатие, и давление на пузырек со стороны окружающей жидко­сти резко возрастает (оно может превышать в несколько тысяч раз атмосферное давление), что приводит к схлопыванию по­лости. Когда полость схлопывается, образуются сильные удар­ные волны. Действие последних и используется на практике, например, для очистки от грязи различных предметов (ультра­звуковая очистка). Деталь помещают в ванну, наполненную со­ответствующим растворителем, в который погружен излучатель ультразвука.

Способность ультразвука создавать кавитацию уменьшается с ростом частоты, так как за короткое время существования по­ниженного давления пузырьки не успевают образоваться (или их образуется мало). В настоящее время большинство ультра­звуковых очистителей работает на частотах около 20 кГц.

Интенсивный ультразвук нашел применение для приготовле­ния однородных смесей (гомогенизация) и, в частности, для получения эмульсий (краски, лаки, косметические средства, фармацевтические изделия, продукты детского питания, мази, приправы, соусы, плавленые сыры, маргарин, майонез, зубная паста и т. д.).

Интенсивный ультразвук нашел применение также при пайке алюминиевых деталей. Дело в том, что на воздухе алю­миний быстро покрывается тонкой пленкой окисла, которая препятствует пайке и которую практически невозможно удалить с помощью флюсов. Вот здесь и пригодилась ультразвуковая чистка. Проходящие через ванну ультразвуковые волны вызы­вают кавитацию, которая снимает пленку окисла алюминия и обеспечивает тем самым сцепление соединяемых деталей с по­мощью припоя.

Ультразвук применяется также для сварки двух различных металлов.

Ультразвуковая (точечная) сварка применяется для соеди­нения деталей полупроводниковых приборов (диодов и трио­дов). Ультразвук позволяет делать отверстия прямоугольной (и более сложной) формы в хрупких материалах (стекло, ке­рамика) и в очень твердых материалах (карбиды, бориды, алмазы).

В ультразвуковой дрели, в отличие от пневматической, сверло не прямо воздействует на материал, a через влажный абразивный порошок. Механизм сверления, по-видимому, сво­дится к тому, что участки абразивного порошка под действием ультразвука бомбардируют материал и тем производят нужную обработку. В медицине интенсивный ультразвук нашел применение, например, в лечении болезни Паркинсона (неконтролируемое по­дергивание головы и конечностей). Болезнь излечивается при ультразвуковом воздействии на некоторые глубинные участки мозга. Ультразвук, подобно пучку света, специальными линзами фокусируется на определенном участке мозга, поражая те клетки, которые являются причиной болезни, не оказывая при этом действия на соседние клетки.

Применение слабого ультразвука. Это ультразвуковая лока­ция, позволяющая заглянуть как в глубь металла, так и внутрь человека. Ультразвуковая локация применяется на морских су­дах для обнаружения препятствий в воде (сонары) и исследо­вания рельефа морского дна (эхолоты).

Пионером в области ультразвукового контроля (ультразву­ковой дефектоскопии) был советский ученый С. Я. Соколов. В 1928 г. он предложил использовать метод ультразвуковой локации для обнаружения дефектов в металлических изделиях. Посылая в изделие ультразвуковые импульсы и принимая от­раженные импульсы, можно не только обнаружить наличие дефекта, но установить его размер и месторасположение.

Ультразвуковые дефектоскопы применяются для обнаруже­ния малейших трещин в железнодорожных рельсах, трещин в литье, ковке и т. п. Неожиданно эти приборы получили при­менение для определения упитанности крупного рогатого скота и свиней (определяется толщина жирового слоя под кожей).

В медицине слабый ультразвук нашел интересное примене­ние в диагностике болезни мозга. Большой интерес представ­ляет для медицинской диагностики использование эффекта До­плера на ультразвуке. Когда волна отражается от движущегося объекта, частота отраженного сигнала изменяется (по отноше­нию к частоте излучателя). При наложении первичного и отра­женного сигналов возникают биения. Появление биений свиде­тельствует о том, что облучаемый объект движется. По частоте биений можно судить о скорости движения. В организме чело­века и животных имеется много движущихся объектов: текущая кровь, бьющееся сердце, движение кишечника, выделение желу­дочного сока и т. д. Эти движения и можно контролировать ультразвуковыми методами, основанными на использовании эффекта Доплера.