Вопрос 5. Ультразвук. Источники и приемники ультразвуковых волн. Применение ультразвука.

Ультразвук – упругие волны с частотами от 20 кГц до 1 ГГц. Ультразвук (УЗ) подразделяют на три диапазона: УЗ низких частот

(до 10⁵ Гц), УЗ средних частот (10⁵ – 10⁷) Гц, УЗ высоких частот (10⁷ – 10⁹) Гц. Каждый из этих диапазонов характеризуется своими специфическими особенностями генерации, приема, распространения и применения. Длина волны УЗ высокой частоты в воздухе составляет (3,4·10^-5 - 3,4·10^-7) м, что значительно меньше длины волны звуковых волн. Из-за малых длин волн УЗ, как и свет, может распространяться в виде строго направленных пучков большой интенсивности.

УЗ в газах, и в частности в воздухе, распространяется с большим затуханием. Жидкости и твердые тела (в особенности монокристаллы) представляют собой хорошие проводники УЗ, затухание в них значительно меньше. В воздухе и газах применяют только УЗ низких частот, для которых затухание меньше.

Устройства для генерации УЗ разделяют на две группы – механические и электромеханические.

Механические излучатели УЗ – воздушные и жидкостные свистки и сирены, они отличаются простотой устройства и эксплуатации, не требуют электрической энергии высокой частоты. Их недостаток – широкий спектр излучаемых частот и нестабильность частоты и амплитуды, что не позволяет использовать их для контрольно-измерительных целей; они применяются главным образом в промышленной ультрозвуковой технологии и частично – как средства сигнализации.

Основными излучателями УЗ являются электромеханические системы, преобразующие электрические колебания в механические, которые используют в основном два явления: пьезоэлектрический эффект и магнитострикцию.

Обратный пьезоэлектрический эффект – это возникновение деформации под действием электрического поля. Он может быть реализован в вырезанной определенным образом кварцевой пластине или пластине титаната бария. Если такую пластину поместить в высокочастотное переменное электрическое поле, то можно вызвать ее вынужденные колебания. Для увеличения амплитуды колебаний и излучаемой в среду мощности, как правило, применяются резонансные колебания пьезоэлектрических элементов (пластин) на их собственной частоте. Предельные интенсивности излучения УЗ определяются прочностными свойствами материала излучателей. Для получения очень больших интенсивностей ультразвука используют его фокусировку с помощью параболоида.

Магнитострикция – это возникновение деформации в ферромагнетиках под действием магнитного поля. В ферромагнитном стержне (никель, железо и др.), помещенном в быстропеременное магнитное поле возбуждаются механические колебания, амплитуда которых максимальна в случае резонанса.

Приемники УЗ. Вследствие обратимости пьезоэффекта пьезоэлектрические преобразователи используются и для приема УЗ. Ультразвуковые колебания, воздействуя на кварц, вызывают в нем упругие колебания, в результате чего на противоположных поверхностях кварцевой пластины возникают электрические заряды, которые измеряются электроизмерительными приборами.

Применение УЗ. УЗ широко используется в технике, например для направленной подводной сигнализации, обнаружения подводных предметов и определения глубин (гидролокатор, эхолот). Принцип локации: посылается импульс УЗ и регистрируется время t до его возвращения после отражения от предмета, тогда расстояние L до предмета определяется выражением:

L = Vt/2.

По данным измерения поглощения УЗ можно осуществлять контроль за протеканием технологических процессов (контроль состава жидкостей, концентрации газов и т.д.). Используя отражение УЗ на границе различных сред, с помощью ультразвуковых приборов измеряют размеры изделий (ультразвуковые толщиномеры), определяют уровни жидкостей в емкостях, недоступных для прямого измерения. УЗ используется в дефектоскопии для неразрушающего контроля изделий из твердых материалов (рельс, крупных отливок, качества проката и т.д.). Отдельно следует отметить, что при помощи УЗ осуществляется звуковое видение: преобразуя ультразвуковые колебания в электрические, а последние в световые, оказывается возможным увидеть те или иные предметы в непрозрачной для света среде (например, УЗИ брюшной полости, сердца, глаза и т.д.). УЗ применяют для воздействия на различные процессы (кристаллизацию, диффузию, тепло- и массообмен в металлургии и т.д.), для воздействия на биологические объекты, для изучения физических свойств веществ (поглощения, структуры вещества и т.д.). УЗ широко применяют в медицине: ультразвуковая хирургия, микромассаж тканей, диагностика.

Контрольные вопросы:

1. Как объяснить распространение колебаний в упругой среде? Что такое упругая волна?

2. Что называется поперечной волной? продольной? Когда они возникают?

3. Что такое волновой фронт? волновая поверхность?

4. Что называется длиной волны? Какова связь между длиной волны, скоростью и периодом?

5. Какая волна является бегущей, гармонической, плоской, Каковы их уравнения?

6. Что такое волновое число, фазовая и групповая скорости?

7. В чем заключается физический смысл вектора Умова?

8. Всегда ли сохраняется энергия при интерференции двух волн?

9. Две когерентные волны, распространяющиеся навстречу друг

другу, отличаются амплитудами. Образуют ли они стоячую волну?

10. Чем стоячая волна отличается от бегущей?

11. Какое расстояние между двумя соседними узлами стоячей волны? двумя соседними пучностями? соседними пучностью и узлом?

12. Что такое звуковые волны? Звуковые волны в воздухе – продольные или поперечные?

13. Может ли звук распространяться в вакууме?

14. Что такое эффект Доплера? Чему будет равна частота колебаний, воспринимаемых покоящимся приемником, если источник колебаний от него удаляется?

15. Как определить частоту звука, воспринимаемую приемником,

если источник звука и приемник движутся?

16. Что такое двойной эффект Доплера?