Простые опыты с ультразвуком - Майер В.В.
Скачать (прямая ссылка):
II. НЕКОТОРЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
УЛЬТРАЗВУКА
Как уже отмечалось выше, ультразвук и звук - это волны одной природы.
Поэтому все основные явления акустики наблюдаются и в ультразвуковой
области частот.
Действительно, звук и ультразвук излучаются источниками, которые в
принципе одинаковы: это колеблющиеся тела, возбуждающие в окружающей
среде упругую волну.
Звуковые и ультразвуковые волны распространяются с определенной (обычно
постоянной) скоростью, зависящей от свойств окружающей источник среды.
При распространении ультразвуковые и звуковые волны переносят энергию,
причем часть энергии "теряется" в среде, что приводит к затуханию волн.
Для ультразвуковых волн, так же как и для звуковых, существует явление
Допплера-эффект изменения воспринимаемой приемником частоты волны при
движении приемника или источника относительно среды,,
Скорость звука в определенных условиях зависит от частоты. Это явление,
называемое дисперсией, имеет место и в ультразвуковом диапазоне.
Переход звуковых и ультразвуковых волн из одной среды в другую
сопровождается отражением и преломлением на границе раздела сред.
При наложении нескольких когерентных звуковых волн происходит явление
интерференции. То же явление наблюдается и для ультразвука.
Если звуковая или ультразвуковая волна встречает на своем пути
препятствие, она огибает его. Это явление называется дифракцией упругой
волны.
Наконец, ультразвуковые и звуковые волны могут быть как продольными (в
газах, жидкостях и твердых телах), так и поперечными (в твердых телах).
68
Перечень акустических явлений, протекающих одинаково в области звуковых и
ультразвуковых частот, можно было бы значительно расширить и
конкретизировать. Однако это вовсе не означает, что изучение ультразвука
не дает ничего нового. Как раз напротив, существует обширный класс
явлений, которые характерны только для ультразвука, и их с трудом можно
(или вообще нельзя) обнаружить в области звуковых частот. Часть этих
явлений принято объединять под общим названием эффектов второго порядка
*). К ним относятся, например, радиационное давление, акустический ветер,
ультразвуковой фонтан, притяжение между частицами в звуковом поле и т. д.
Многие специфические явления ультраакустики не получили еще достаточно
строгого теоретического объяснения.
Нетрудно понять, почему в области ультразвуковых частот должны
наблюдаться явления, не имеющие места в звуковом диапазоне.
Ультразвуковая волна, имея существенно большую частоту, чем звуковая,
обладает при той же амплитуде А и большей интенсивностью (см. формулу
(11)). Высокочастотные колебания частиц среды значительной интенсивности,
естественно, оказывают более сильное влияние на физические процессы,
сопровождающие распространение ультразвука, чем слабые звуковые
колебания. Именно этим объясняются многие явления ультраакустики.
Ниже описаны простые опыты с построенными вами ультразвуковыми
генераторами и излучателями, позволяющие экспериментально изучить
некоторые явления ультраакустики. Разумеется, здесь нельзя дать
подробного описания всех интересных опытов. Однако, если вы поставите
даже те, которые описаны ниже, то получите некое представление о том
новом, что дало изучение ультразвука.
ВОЛНЫ НА БУМАГЕ
В опытах с магнитострикциоиным излучателем ультразвука вы уже доказали,
что торец ферритового
*) Это название связано с порядком приближения, которое допускается при
решении дифференциального уравнения, описывающего ультразвуковую волну.
69
вибратора колеблется. Теперь было бы неплохо воочию убедиться, что
вибратор является источником ультразвуковой волны и она обладает теми же
свойствами, что и любая другая.
Сделать это можно следующим образом. На мягкую подкладку, состоящую из
нескольких слоев тонкой бумаги, поместите плотный бумажный лист белого
цвета. На лист через марлевое сито тонким слоем равномерно насыпьте
мелкий песок (лучше такой, который используется в песочных часах).
Расположив излучатель под углом примерно 45° к горизонту, прикоснитесь
концом его вибратора к центру листа бумаги и настройте ультразвуковой
генератор в резонанс с вибратором. При этом песок на листе бумаги быстро
перераспределится так, что станут видны круговые "волны" с центром в
точке прикосновения вибратора (рис. 39). Опыт не удается, если вибратор
излучателя расположить вертикально. Для получения хорошей картины волн
необходимо экспериментально подобрать подкладку и лист бумаги (его
толщину и сорт).
Теория наблюдаемого в описанном опыте явления сложна, и поэтому мы ее
рассматривать не будем. Здесь важно то, что в опыте непосредственно
видно, что ферритовый вибратор излучателя является источником
ультра!звуковой волны, распространяющейся по поверхности и внутри
бумажного листа. Песок по поверхности бумаги перераспределяется так, что
обозначает линии равных фаз ультразвуковой волны.
Попробуйте установить некоторые физические свойства ультразвуковой волны
на бумаге. Передвигайте излучатель, не отрывая торца его вибратора от
