3. Ультразвуковые и ударные волны

Ультразвуком называются упругие волны с частотами от 2 10⁴ Гц до 10¹³ Гц.

Ультразвук по физической природе является упругой волной, и в этом он не отлича­ется от звуковой волны. Однако высокие частоты и соответственно малые длины ультразву­ковых волн обуславливают ряд характерных особенностей, присущих ультразвуковым вол­нам.

1. Ультразвуки, подобно световым вол­нам, могут излучаться в виде узких направленных пучков.

2. Отражение и преломление ультразвуковых волн на границе раздела двух сред происходит по законам геометриче­ской оптики и рассматривается геометрической акустикой.

3. Для ультразвуковых волн наблюдается явление дисперсии звука - зависимости фазовой скорости распространения волн от их длины.

4. Ультразвуковые волны обладают большой энергией, так как плотность потока энергии (5) пропорциональна квадрату частоты. Поэтому плотность энергии ультразвуковых волн во много раз больше, чем у звуковых волн при одинаковой амплитуде колебания частиц среды: W_y  W_зв.

5. Сильные источники ультразвука способны создать в среде колебания с амплитудой давления в десятки атмосфер. Таким образом, при распространении сильной ультразвуковой волны в мик­рообъемах вещества несколько тысяч раз в секунду давление достигает десятков атмо­сфер и падает до нуля. Такое сильное механическое воздействие приводит к ряду спе­цифических явлений, к которым относится явление кавитации - явление образования пузырьков в жидкой среде, заполненных газом, паром или их смесью, под воздействием ультразвука. В момент колебания, соответствующий предельному растяжению микро­объема жидкости в ультразвуковой волне, происходит микроскопический внутренний разрыв жидкости, куда устремляются растворенные газы и пар. В момент колебания, соответствующий сжатию, в этих областях разрывов возникают колоссальные давления порядка тысяч атмосфер. Поэтому ультразвуки обладают дробящим действием - они разрушают находящиеся в жидкости твердые тела, живые организмы, крупные молеку­лы и т.п. Дробящее действие ультразвука широко применяется в промышленности. Яв­ление кавитации используется также для преодоления сил межмолекулярного взаимо­действия. Эмульсии (например, жир в воде, бензол в воде) диспергируются под дейст­вием ультразвука. В частице, взвешенной в воде, происходит рано или поздно кавитационный разрыв.

Для генерирования ультразвуковых волн применяются механические сирены и электромеханические излучатели, они бывают двух видов: магнитострикционные и пьезо­электрические. Действие первых основано на явлении магнитострикции в переменном магнитном поле. Простейший излучатель такого типа пред­ставляет собой ферромагнитный стержень, являющийся сердечником соле­ноида, по которому течет высокочастотный переменный ток. Действие пьезоэлектрических излучателей основано на обратном пьезоэлектрическом эффекте: пластинка из пьезоэлектрика совершает вынужденные механиче­ские колебания в переменном электрическом поле.

Техническое использование ультразвуковых волн связано с их высо­кой направленностью и большой энергией. Ультразвуковые волны приме­няются в гидролокации и навигации, ультразвуковой дефектоскопии, ульт­развуковой томографии. Дробящее действие ультразвуков применяется в различных технологических процессах: для образования эмульсий и сус­пензий, снятия пленок окислов и обезжиривания поверхностей деталей, стерилизации жидкостей, для ультразвукового шлифования, полирования и сверления отверстий в стекле и керамиках. Ультразвуки ускоряют проте­кание процессов диффузии, растворения и химических реакций. Ультра­звуковые волны также широко используются в молекулярной акустике для исследования акустическими методами строения и свойств вещества.

Ударной волной называется распространение в газообразной, жидкой или твердой сре­де поверхности, на которой происходит скачкообразное повышение давления, сопровож­дающееся изменением плотности, температуры и скорости движения среды, повышением энтропии.

Эта поверхность называется поверхностью разрыва или скачком уплотнения. За фронтом ударной волны перемещается зона сжатия, то есть слой возду­ха, в котором давление превышает атмосферное давление Р₀. За зоной сжатия следует зона разряжения, где давление ниже атмосферного. График зависимости изменения давления с расстоянием в ударной волне

приведен на рис. 3.

Р ударная волна

Р₀ зона

разряжения

Х

Рис. 3

Ударные волны возникают при взрыве, детонации, движении тел в воздухе со сверх­звуковыми скоростями. Скорость распространения ударной волны относительно среды больше, чем скорость обычной упругой волны в этой среде. Например, при взрыве ядерного боеприпаса в 1 мегатонну ударная волна за 0,5 с проходит 1000 м, за 9 с - 5000 м, за 22 с -10000 м. По мере распространения ударной волны скачок давления все уменьшается и ста­новится, наконец, бесконечно малым. Скорость ударной волны при этом становится равной скорости обыкновенной упругой волны. При движении в воздухе ракеты или самолета со сверхзвуковой скоростью возникает косой скачок уплотнения - ударная волна, фронт кото­рой представляет собой коническую поверхность.