Простые опыты с ультразвуком - Майер В.В.
Скачать (прямая ссылка):
безусловно, новый эффект, который нельзя объяснить одним лишь
радиационным давлением.
Чем же объясняется столь неожиданное действие ультразвуковой волны? По-
видимому, следует предположить, что здесь существенную роль играют
ультразвуковые колебания капилляра. Можно предста-
132
вить себе, что при радиальных колебаниях стенки трубки, периодически
сжимаясь и разжимаясь, действуют как своеобразный ультразвуковой насос.
Обратитесь к рис. 84, на котором изображен насос из резиновой трубки,
сжимаемой вращающимися валиками. Если предположить, что в стенках
капилляра устанавливается стоячая волна, то не будет ли она "работать"
подобно этому насосу?
Задание 43, Используя ультразвуковой капилляр-'ный эффект, постройте
"ультразвуковой водопровод" - устройство, в котором вода непрерывно
поднималась бы по трубке вверх в течение всего времени работы излучателя.
Задание 44. Пользуясь капилляром, сравните радиационные давления,
создаваемые в воде параллельным и сфокусированным с помощью линзы
ультразвуковыми пучками.
УЛЬТРАЗВУКОВАЯ КАВИТАЦИЯ
При распространении ультразвуковой волны даже сравнительно небольшой
интенсивности (всего несколько ватт на квадратный сантиметр) в жидкости
возникает переменное звуковое давление, амплитуда которого достигает
порядка нескольких атмосфер. Под действием этого давления жидкость
попеременно испытывает сжатие и растяжение. Вы прекрасно знаете, что
жидкость без существенного изменения ее свойств можно сильно сжать. Иначе
обстоит дело, если в жидкости создать разрежение: уже простое уменьшение
давления над водой приводит к закипанию - парообразованию внутрь воды.
Нечто аналогичное происходит и при распространении ультразвуковой волны в
жидкости: растягивающие усилия в области разрежения волны приводят к
образованию в жидкости разрывов, т. е. мельчайших пузырьков, заполненных
газом и паром. Эти пузырьки получили название кавитационных, а само
явление стали называть ультразвуковой кавитацией.
Кавитационные пузырьки в некоторой области жидкости возникают всякий раз,
когда до этой области доходит фаза разрежения ультразвуковой волны.
133
Как правило, кавитационные пузырьки долго не живут: уже следующая за
разрежением фаза сжатия приводит к захлопыванию большей их части. Поэтому
кавитационные пузырьки исчезают практически сразу вслед за прекращением
облучения жидкости ультразвуком.
При захлопывании кавитационного пузырька возникает ударная волна,
развивающая громадные давления. Если ударная волна встречает на своем
пути препятствие, то она слегка разрушает его поверхность). Поскольку
кавитационных пузырьков много и захлопывание их происходит много тысяч
раз в секунду,
Рис. 85. Схемы установок для визуального наблюдения ультразвуковой
кавитации перпендикулярно к световому пучку (а) и ¦; под углом к
нему (б).
1 - проекционный аппарат, 2-объектив, дающий параллельный пучок света" 3-
темный фон {лист черной бумаги), 4-вибратор низкочастотного магн-гго-
стрикционного излучателя, 5-прозрачная кювета с дистиллированной водой.
кавитация может произвести значительные разрушения.
Собственно кавитация была впервые обнаружена при изучении быстрого
движения твердых тел внутри жидкости. Огромную разрушающую силу этого
явления почувствовали в первую очередь инженеры, испытывающие гребные
винты судов. При большой скорости вращения лопастей винта происходит
образование кавитационных пузырьков, аналогичное тому, которое
3-
/
Направление а) наал/едения
Направление наблюВения ¦
б)
134
имеет место при распространении ультразвуковой волны. Кавитация приводит
к разрушению материала,' из которого изготовлены гребные винты. В этом
смысле кавитация - вредное явление.
Юднако создание ультразвуковых генераторов сделало возможным управление
кавитационным процессом, а значит, и полезное применение его на практике.
Для непосредственного наблюдения ультразвуковой кавитации соберите
установку по схеме, изображённой на рис. 85. Перед темным фоном
расположите склеенную из оргстекла (или изготовленную иным способом)
прямоугольную кювету размером 30 X 60 X X 80 мм3 и осветите ее сбоку
параллельным пучком света, выходящим из объектива проекционного аппарата.
В кювету налейте дистиллированную воду и погрузите в нее на глубину
порядка 1 см вибратор магнитострикционного излучателя, обеспечивающего
получение ультразвука низкой частоты. Наблюдения проводите в направлении,
перпендикулярном к направлению распространения светового пучка.
Включите генератор и настройте, его в резонанс с вибратором. При этом
возникает резкий шипящий звук--уже знакомый вам кавитационный шум - и
вблизи торца вибратора появляется небольшое белесоватое облачко,
состоящее из кавитационных пузырьков (рис. 86). Выключите генератор;
кавитационное облачко и шум немедленно пропадают. Из опыта следует, что
появление шума при работе вибратора в жидкости непосредственно связано с
появлением кавитационного облачка.
Белесоватое облачко, которое вы наблюдали на опыте, состоит из мельчайших
