Для школьников.
Ультразвуком (УЗ) называются упругие колебания и волны, частоты которых более 20 кГц.
Механические волны таких частот человеческое ухо не воспринимает, но в природе ультразвук также широко распространён как и слышимый звук.
Например, собаки воспринимают ультразвук с частотой до 40 кГц. В воде ультразвуком пользуются дельфины. Ультразвук создают и крохотные рачки планктона, потирая лапкой о лапку.
Ультразвуком пользуется и летучая мышь, ориентируясь на лету по его отражению от предметов и т. д.
Ультразвук очень широко применяется на практике (в технике, медицине) из-за особенностей его распространения и воздействия на вещество.
Так, во многих случаях можно не учитывать дифракцию ультразвуковых волн из-за их малой длины волны.
Мы знаем на примерах других волн, что дифракция (огибание волнами препятствий) наблюдается только в тех случаях, когда размер препятствия соизмерим с длиной волны. Поэтому ультразвуковые волны ведут себя как лучи, то есть способны отражаться и преломляться.
Отражение звука от препятствия позволяет оценить расстояние до препятствия.
Так в 1887-88 г.г. звук впервые был применён для определения глубины моря. Источником звука был колокол, звучащий под водой. Но звук, отражаясь от дна, давал очень слабое эхо. Позднее колокол заменили сиреной - вращающимся диском с отверстиями, через которые продувается струя воздуха.
В 1912 году для этих целей был сконструирован специальный прибор - эхолот. Его стали применять и для обнаружения препятствий на пути кораблей. Для этого эхолот повернули из вертикального положения в горизонтальное.
Усовершенствованный эхолот был назван гидролокатором.
Посылаемый излучателем ультразвуковой луч отражался от препятствия, возвращался обратно и улавливался звукоприёмником.
С помощью гидролокатора было найдено много затонувших кораблей.
Так же с помощью гидролокатора определяется очертание морского дна и препятствие перед кораблём.
По такому же принципу отражения звука работает прибор - ультразвуковой дефектоскоп.
Ультразвук хорошо распространяется в металлах и ультразвуковое эхо используется для определения качества металлических изделий. Если в изделии есть инородное вкрапление или раковина, ультразвуковой луч отражается от них как от препятствия.
Есть и другая особенность ультразвука.
Так как частота УЗ очень большая, а интенсивность волн пропорциональна квадрату круговой частоты, то можно получить волну значительной интенсивности даже при небольшой амплитуде колебаний. Ускорение частиц, находящихся в ультразвуковой волне может достигать больших значений, так как оно тоже пропорционально квадрату круговой частоты. Значит, существуют значительные силы, действующие на частицы среды при воздействии ультразвука.
Существуют ультразвуковые станки, позволяющие делать отверстия, резьбу в изделиях: металлических деталях, стекле, алмазе.
На ультразвуковом станке можно производить сложную обработку детали, используя, например, корундовый порошок, находящийся в поле ультразвуковой волны.
Беспрерывно колеблясь в поле ультразвука, частицы твёрдого порошка "вгрызаются" в обрабатываемую деталь, вырезая в ней, например, отверстие и т. д.
Ультразвук может резать не только металлы, но и живую ткань и используется в медицине при выполнении операций.
С помощью ультразвукового луча можно исследовать расположение внутренних опухолей. Ультразвук используется для разрушения клеток раковых опухолей, камней в печени и т. д.
Ультразвуком можно обеззараживать воду - обитающие в воде микробы при облучении ультразвуком погибают.
Излучатели ультразвука
Чтобы излучатель мог создавать ультразвуковые волны, частота его колебаний должна быть более 20 кГц.
Такие излучатели были открыты французскими учёными братьями Кюри в 1880 году при исследовании свойств кристаллов.
Они заметили, что, если кристалл кварца сжать с двух сторон, то на его гранях, перпендикулярных направлению сжатия, возникают электрические заряды : на одной грани положительные, на другой - -отрицательные.
Если пластинку растягивать, то возникающие на гранях заряды меняются местами.
На рисунке слева показано, как пластинка вырезалась из кварцевого кристалла - шестигранной призмы (векторами показаны её основные кристаллографические оси).
Возникновение электрических зарядов на гранях кристалла кварца при его сжатии и растяжении было названо пьезоэлектричеством (от греческого слова "пьезо" - давлю), а сам кристалл назвали пьезоэлектриком.
Позднее братья Кюри обнаружили, что, если на гранях кристалла создать разноимённые электрические заряды, то он либо сожмётся, либо растянется, в зависимости от того, к какой грани приложен положительный заряд, а к какой - отрицательный.
Впервые на практике пьезоэлектричество было применено в 1914 - 18 г.г., когда французский учёный Ланжевен предложил использовать это явление для обнаружения подводных лодок.
При своём движении винт лодки порождает упругие волны, распространяющиеся в воде со скоростью 1460 м/с.
Если пьезоэлектрический кристалл, опущенный в воду, окажется на пути ультразвуковой волны, то волна сожмёт его грани, и на них появятся электрические заряды.
Ланжевен изобрёл и излучатель ультразвуковых волн.
Заряжая грани кварцевого кристалла электричеством от генератора переменного тока высокой частоты, он установил, что кристалл при этом совершал колебания в такт изменению напряжения тока, то есть излучал ультразвуковые волны.
Так как одна пластинка из кварца излучала звук очень малой мощности, Ланжевен составил мозаичный слой из многих кварцевых пластинок и разместил её между двумя стальными листами, которые одновременно являлись электродами.
Для увеличения амплитуды колебаний Ланжевен воспользовался явлением резонанса, когда частота собственных колебаний пластинок совпадала с частотой колебания напряжения на электродах.
Исследования Ланжевена дали возможность изготавливать кварцевые излучатели ультразвука различных частот.
Существуют излучатели ультразвука и другого типа: магнитострикционные излучатели, изображённые на рисунке ниже.
В основе работы этих излучателей ультразвука лежит явление магнитострикции, открытое Джоулем в 1847 году.
Изучая магнитные свойства металлов, Джоуль обнаружил, что железные и никелевые стержни изменяют свои размеры при их перемагничивании электрическим током.
Когда направление тока в обмотке изменяется, размер стержня то уменьшается, то увеличивается.
В окружающей среде при этом возникают упругие волны, частота которых определяется частотой колебаний стержня. Это явление было названо магнитострикцией (от латинского слова "стриктус" - сжатие).
Укажем ещё некоторые практические применения ультразвука, кроме перечисленных выше.
На практике УЗ применяется для получения различных эмульсий, для соединения несмешивающихся жидкостей.
Как получают эмульсии?
Ультразвуковая волна вызывает колебания частиц среды: чем больше интенсивность волны, тем больше амплитуда колебаний частиц.
Если мощную ультразвуковую волну направить на две несмешивающиеся жидкости, например масло и воду, то на границе соприкосновения они начинают интенсивно перемешиваться. Образуется эмульсия, состоящая из мельчайших капелек масла, растворённого в воде.
Так получают, например, различные лекарства, а в пищевой промышленности - различные соусы, майонез, маргарит и т. д.
В других случаях УЗ заставляет слипаться мельчайшие частицы, засоряющие жидкость или газ. Такое возможно в том случае, если слипшиеся частицы не разрушаются в том же звуковом поле.
Если воздух, в котором много пыли - твёрдых частиц, взвешенных в воздухе (сажа, цемент, зола и т. д.) подвергнуть мощному воздействию ультразвука, то мельчайшие частички слипаются друг с другом так прочно, что тот же УЗ не может преодолеть силы их молекулярного взаимодействия.
Образуются крупные частицы, которые улавливаются фильтром или оседают под действием силы тяжести.
Практическое применение УЗ значительно расширилось после открытия явления кавитации.
Кавитация
Слово кавитация происходит от латинского слова cavitas - пустота.
Под кавитацией понимается образование в жидкости полостей. заполненных газом, - образование так называемых кавитационных пузырьков. Легче всего эти пузырьки возникают там, где есть частицы воздуха или какие-то примеси.
Кавитационные пузырьки образуются в тех местах, где давление в жидкости становится ниже некоторого критического значения. В ультразвуковой волне давление минимально в областях разрежения и максимально в областях сжатия.
Оказавшись в области разрежения кавитационные пузырьки растут в объёме, а оказавшись в области сжатия резко уменьшаются в объёме и схлопываются.
Металлическая поверхность, находящаяся здесь, испытывает гидравлический удар. Удар одного кавитационного пузырька слаб, но на поверхность металла обрушиваются тысячи таких ударов, что приводит к разрушению поверхности металла.
Это явление было обнаружено и изучено при рассмотрении поверхности электродов, нанесённых на кварцевый пьезоэлектрик, при излучении им мощных ультразвуковых волн.
Подобные отрицательные явления кавитации наблюдались и раньше, но не была известна их причина. Так, давно было установлено, что гребные винты морских судов быстро изнашивались при увеличении числа оборотов. Их поверхность покрывалась мелкими щербинками. Так же разрушались и лопасти гидротурбин.
Для уменьшения вредных последствий кавитации принимается ряд мер, одной из них является покрытие металлической поверхности прочным материалом.
Но явление кавитации обернули и на пользу.
Кавитацию удаётся использовать при обработке твёрдых хрупких материалов - стекла, фарфора, драгоценных камней. сверхтвёрдых сплавов.
С её помощью можно чистить очень загрязнённые или заржавленные металлические детали. Для этого кавитацию создают искусственно, например пьезоэлектриками. Созданы специальные устройства, создающие кавитацию путём использования звуковых волн в жидкости. Образующиеся кавитационные пузыри, схлопываясь, порождают ударные волны, которые разрушают частицы загрязнений и отделяют их от поверхности.
К.В. Рулёва, к. ф.-м. н., доцент. Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Спасибо.
Предыдущая запись: Звуковые волны. Скорость звука. Ударная волна.
Следующая запись: Инфразвук. Эффект Доплера для звуковых волн.
Ссылки на занятия до электростатики даны в Занятии 1 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с электростатики, даны в конце Занятия 45 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с теплового действия тока, даны в конце Занятия 58.
Ссылки на занятия, начиная с переменного тока, даны в конце Занятия 70 .
