Простые опыты с ультразвуком - Майер В.В.
Скачать (прямая ссылка):
ультразвуковой волны на границе раздела между жидкостью и твердым телом.
В-третьих, из опыта можно сделать заключение, что скорость ультразвука в
оргстекле действительно больше, чем в воде.
В экспериментах по фокусировке ультразвуковой волны вместо
дистиллированной воды можно использовать прокипяченную воду. Применять
водопроводную воду нежелательно: в ней растворено значительное количество
воздуха, и интенсивность ультразвука в такой воде будет мала. Фонтан
получится еще выше, если применять керосин или спирт.
Из формулы (48) следует, что интенсивность ультразвука в фокусе линзы
возрастает с уменьшением длины ультразвуковой волны, или увеличением ее
частоты. Высота фонтана определяется величиной радиационного давления
ультразвука на поверхность жидкости, а последняя однозначно связана с
интенсивностью. Таким образом, высота фонтана может служить мерой
интенсивности ультразвука.
На рис. 74 представлены фотографии ультразвуковых фонтанов, полученных с
помощью магнитострикционного излучателя на частоту 3-5 МГц. Высоты
121
Рис. 73. Ультразвуковые фонтаны, полученные с помощью
магнитострикционного излучателя на частоту 1 МГц.
Любопытно, что фонтан всегда бьет в сторону от обмет геи возбуждения
несимметричного излучателя. На фотографии хорошо видно. т,то капли из
фонтана вылетают почти со строгой периодичностью.
их примерно в три раза больше, чем высоты фонтанов, изображенных на рис.
73.
Не следует преувеличивать доказательность опытов с получением фонтана на
разных частотах. Чтобы выводы из таких опытов были строгими, необходимо
обеспечить равенство интенсивностей ультразвука,
Рис. 74. Ультразвуковые фонтаны (частота ультразвука 3-5 МГц),
При хорошей наладке установки высота фонтана достигает 30-40 см. Фонтан
бьет вертикально вверх (симметричный излучатель). Фонтанирование
сопровождается интенсивным образованием тумана (аэрозоля).
даваемого магнитострикционными излучателями раз-ных частот. И все же
качественно эти опыты подтверждают зависимость интенсивности в фокусе
линзы от длины ультразвуковой волны.
Задание 40. В линзовый сосуд, помещенный на вибратор высокочастотного
магнитострикционного излучателя, налейте дистиллированную воду так, чтобы
ее поверхность была значительно выше фокальной плоскости линзы. В воде
размешайте небольшое количество крахмала. Включите ультразвук
123
и пронаблюдайте фокусировку ультразвуковой волны линзой (рис. 75).
Задание 41. Может случиться так, что вы не сможете воспользоваться
сверлильным станком для изго-1 товления ультразвуковой линзы.
Разработайте метод и, пользуясь им, изготовьте ультразвуковую линзу из
зубопротезной пластмассы "Протакрил" или из эпоксидной смолы.
УЛЬТРАЗВУКОВОЙ "ФОНТАН НАОБОРОТ"
И ДРУГИЕ ИНТЕРЕСНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
Оценим величину радиационного давления на границу раздела двух сред. Для
этого воспользуемся правдоподобным физико-математическим рассуждением.
Оно позволит вам уяснить суть дела и получить верный окончательный
результат. В справедливости найденного результата вы сможете убедиться,
поставив соответствующие опыты.
Пусть на границу раздела двух сред с акустическими сопротивлениями piCi и
р2с2 нормально падает ультразвуковой пучок (рис. 76). Во второй среде
распространяется проходящая ультразвуковая волна, в которой частицы среды
колеблются с максимальной скоростью Unр. По закону Бернулли давление
внутри пучка проходящей волны меньше, чем в окружающей пучок среде, на
величину '/гр^пр. В первой среде в одном и том же пучке, но в
противоположных направлениях распространяются одновременно падающая и
отраженная волны. Если максимальные значения колебательных скоростей этих
волн обозначить Uvад и t/0Tр, то можно записать, что давление в
рассматриваемом ультразвуковом пучке меньше давления в окружающей его
среде на величину V2pi^afl + '/гр^отр- Гидростатическое давление
Рис. 75. Фокусировка ультразвуковой волны линзой.
В отсутствие линзы ультразвук распространяется широким пучком (см. рис.
95).
124
в обеих средах, очевидно, можно считать одинаковым, поэтому радиационное
давление на границу раздела сред равно
5 = 7"р.с/2 _|_ I/ р т _ Ч0рМ2 .
пад 1 отр /-^2 пр
Вспоминая, что У2р?/2 = ? (см. формулу (10)), получаем, что радиационное
давление на границу раздела сред выражается через средние плотности
энергии формулой
5 = ?пад + ?отр - ?щ>- (49)
Эта формула включает в себя формулы (37) и (38) как частные случаи.
Действительно, если ультразвук падает на полностью поглощающее или
полностью отражающее препятствие, то внутрь препятствия волна не
проникает и Еср - 0. Для полностью поглощающего препятствия ?0пр = 0 и из
(49) мы получаем формулу (37).
Если препятствие полностью отражает ультразвук, то -Ёпад = -Ёотр И ИЗ
(49) ПОЛу-чается выражение (38).
ПОСКОЛЬКУ ?0тр = REmm,
где -коэффициент отражения, формулу (49) можно записать в виде
5 = (1+/?)?пад-?пр. (50)
Интенсивности падающей, отраженной и проходящей волн связаны соотношением
/Пад = ^пад + Лтр. Учитывая, что I = сЕ (см. (11)), имеем
