Простые опыты с ультразвуком - Майер В.В.
Скачать (прямая ссылка):
Обычно полагают, что дифракция "происходит", когда размеры препятствий
малы по сравнению с длиной волны. В действительности же, дифракция
существует всегда независимо от размеров препятствий. Соотношение (48)
показывает, что дифракцией волны пренебрегать нельзя, если произведение
длины волны на расстояние от препятствия до места наблюдения
118
дифракции (в нашем случае это фокусное расстояние линзы) сравнимо с
квадратом поперечного размера препятствия.
Из формулы (48) следует и практически важный для дальнейшего вывод: чтобы
интенсивность в фокусе линзы была как можно больше, нуж-но изготовить
линзу большего радиуса, меньшего фокусного расстояния, и использовать
ультразвук возможно более высокой частоты.
Наиболее подходящим материалом для самостоятельного изготовления
ультразвуковой линзы является оргстекло. Скорость звука в оргстекле
составляет около 2700 м/с, плотность оргстекла равна 1,18 г/см3.
Следовательно, показатель преломления оргстекла относительно воды (СМ.
формулу (42) ) П21 = 1/"12 =
- c2/Ci = 1500/2700 " 0,56, а коэффициент отражения согласно формуле (31)
составляет 13%. Оргстекло вполне доступно и легко поддается обработке,
поэтому мы подробно рассмотрим способ изготовления ультразвуковой линзы
из Рис 71 приспо-
этого материала. собление для из-
Стальной шарик диаметром готовления ультра-
20 мм от шарикоподшипника на- звуковой линзы из
грейте на пламени газовой горелки оргстекла, или в печи докрасна и затем
медленно остудите. В отожженном шарике просверлите отверстие и нарежьте в
нем резьбу. К шарику на резьбе прикрепите стальной стержень (рис. 71).
Стержень с шариком на его конце зажмите в патрон сверлильного станка.
Включив станок, подведите вращающийся шарик к пластинке оргстекла
толщиной 12-15 мм и прижмите его к поверхности пластинки. За счет трения
шарик нагревается, плавит оргстекло и под нажимом погружается в него.
Когда глубина погружения станет примерно равна радиусу шарика, выключите
станок, не уменьшая при этом давления шарика на оргстекло. Раскаленный
шарик охладите
119
водой и только после этого удалите из углубления.
Образовавшиеся на поверхности оргстекла со стороны углубления наплывы
сточите напильником. Наименьшая толщина линзы не должна превышать 0,5-¦ 1
мм. Поэтому плоскую поверхность линзы также сточите, уменьшая толщину
линзы до необходимого значения, а затем отшлифуйте мелкой шкуркой и
отполируйте полировательной пастой ГОИ, нанесенной на суконку. В
результате у вас получится плоско-вогнутая линза из оргстекла с радиусом
сферической поверхности 10 мм.
Полировка линзы не обязательна. Однако, отполировав плоскую поверхность
линзы, вы сделаете ее прозрачной и сможете убедиться, что собирающая
ультразвуковая линза является рассеивающей оптической.
Из оргстекла толщиной 3-4 мм сделайте прямоугольную кювету без дна
внутренним размером примерно 25 X X 25 X 40 мм3. Для склейки оргстекла
можно использовать дихлорэтан, уксусную кислоту или эпоксидную смолу.
Снизу к кювете приклейте ультразвуковую линзу так, чтобы она являлась ее
дном. Вы получите удобный для опытов линзовый сосуд, разрез которого
показан на рис.72.
Для постановки опытов подготовьте к работе один из магнитострикционных
излучателей, рассчитанных на получение ультразвука частотой от 1 до 3
МГц. На рабочую поверхность ферритового вибратора нанесите каплю
трансформаторного, вазелинового или подсолнечного масла. Поместите на
вибратор линзовый сосуд так, чтобы между его поверхностью и плоскостью
линзы образовался слой масла без воздушных пузырьков. Вы уже знаете,
зачем это необходимо: масло обеспечивает акустический контакт между
вибратором и линзой; если в слое масла будут воздушные пузырьки,
интенсивность ультразвука, падающего на линзу, за счет сильного отражения
от воздуха значительно уменьшится. Помещая линзовый сосуд на вибратор,
нужно следить за тем, чтобы масло не попадало на нижнюю поверхность
вибратора.
Рис. 72. Линзовый сосуд из оргстекла для опытов по фокусировке
ультразвука.
120
Налейте в линзовый сосуд немного дистиллированной воды, включите
генератор и настройте его в резонанс с вибратором. На поверхности воды вы
заметите довольно большую область вспучивания. Постепенно добавляя воду в
сосуд, вы увидите, как размеры области, в которой происходит вспучивание
поверхности, уменьшаются, появляется небольшой бугорок, он растет, из его
центра начинают вылетать брызги и, наконец, образуется мощный
ультразвуковой фонтан! Если и дальше добавлять воду, то высота фонтана
постелено уменьшится, затем он исчезнет и наблюдается вновь лишь область
вспучивания поверхности воды.
На рис. 73 представлены фотографии ультразвуковых фонтанов, полученных в
воде с помощью несимметричного ультразвукового излучателя на частоту 1
МГц.
Какие выводы следуют из этого опыта? Во-первых, линза из оргстекла
действительно фокусирует распространяющуюся в воде ультразвуковую волну.
Во-вторых, опыт показывает, что существует явление преломления
