Простые опыты с ультразвуком - Майер В.В.
Скачать (прямая ссылка):
максимумами. После ¦этого взболтайте в воде очень небольшое количество
крахмала. Вы увидите, как яркость дифракционной картины возрастет (если
крахмала будет чрезмерно много, она уменьшится из-за поглощения света
143
суспензией), а расстояние между дифракционными максимумами на экране
увеличится вдвое.
Объясняется этот результат тем, что крахмал коагулирует в пучностях
смещений стоячей волны, отстоящих друг от друга на половину длины волны
ультразвука в жидкости. Следовательно, добавление в воду крахмала
уменьшает период дифракционной решетки вдвое и согласно формуле (54)
вдвое должно возрасти расстояние между дифракционными максимумами.
Увеличение яркости дифракционной картины
Рис. 90. Дифракционная картина.
Экран, не. котором наблюдаются максимумы интенсивности, на самом деле
белый. Однако, чтобы фотография получилась достаточно контрастной, при
шчати ее левую часть пришлось "передержать" (дать большую экспозицию, чем
правой части).
обусловлено тем, что добавление крахмала превращает сравнительно "слабую"
фазовую (точнее, фазово-амплитудную) решетку в "сильную" амплитудную.
Задание 46. Дифракция света на ультразвуковой волне в научных
исследованиях часто используется для измерения скорости звука в жидких и
твердых прозрачных средах. Разработайте и изготовьте прибор для измерения
скорости звука в жидкостях таким методом.
Задание 47. Пользуясь в качестве вибратора магнитострикционного
излучателя слегка клиновидной ферритовой пластинкой, средняя толщина
которой лежит в пределах 0,2-0,4 мм, исследуйте зависимость расстояния
между максимумами дифракционной картины от частоты ультразвука.
ПОЯСНЕНИЯ К ЗАДАНИЯМ
1. В опыте можно использовать любой усилитель низкой частоты
чувствительностью не хуже 3,5 мВ. Вместо лампочки к выходу усилителя
можно подключить динамик. Тогда при ударе о ферритовый стержень из
динамика будет слышен щелчок.
2. Опыт не столь прост, как может показаться на первый взгляд: нужно
потренироваться, чтобы достичь требуемого эффекта.
Если держать трубку не за середину, то возбудить трением ее колебания
практически не удается. Объясняется это тем, что при трении в трубке
устанавливается стоячая волна, причем в середине трубки образуется узел,
а по краям - пучности смещений (трубка возбуждается на основной
собственной частоте). Закрепление середины трубки не приводит к
перераспределению в ней напряжений, и поэтому трубка колеблется так, как
если бы она была свободна. Если трубка закреплена не за середину, а в
любом другом месте, то возбудить ее колебания на основной частоте
невозможно, поскольку в месте закрепления должен быть расположен узел
смещений устанавливающейся в трубке стоячей волны. Казалось бы, при таком
креплении ничто не мешает колебаться трубке на соответствующей гармонике.
Однако амплитуды колебаний высших порядков меньше амплитуды основного
колебания, поэтому, как правило, и не происходит звучания трубки на более
высокой частоте, чем основная.
Обрезая трубку и трением возбуждая колебания получающихся отрезков, легко
убедиться, что более короткая трубка издает звук более высокой частоты.
Сравнительно нетрудно добиться звучания трубок длиной 25-30 см; частота
колебаний при этом
145
находится уже вблизи верхней границы звукового диапазона.
3. Сделать это можно, надев вблизи нижнего торца на вибратор резиновое
колечко и вставив вибратор с колечком в каркас обмотки возбуждения. При.г
настройке генератора в резонанс с излучателем вибратор будет по-прежнему
совершать колебания на основной частоте, но амплитуда их значительно
уменьшится.
Опыт можно поставить и иначе. Нанесите на верхний торец вибратора каплю
воды и включите генератор- при этом капля немедленно распылится. Вновь
повторите опыт, сильно сжав вибратор вблизи его верхнего конца. Теперь
уже при включении ультразвука капля с торца вибратора не распыляется.
4. Табличные значения скорости звука в никелевом стержне и модуля
упругости никеля соответственно равны с = 4785 м/с, ? = 20 540 кГ/мм2.
При тщательной постановке опыта можно получить значения этих величин,
близкие к указанным. Основная погрешность измерения обусловлена малой
точностью определения резонансной частоты вибратора: шкала генератора
типа ГЗШ-бЗ отградуирована довольно грубо.
5. Полученные экспериментально значения длин никелевых вибраторов,
возбуждаемых на их основной собственной частоте, для ряда фиксированных
частот приведены в табл. 2. Аналогичную таблицу можно составить и путем
соответствующего расчета.
Таблица 2
U кГц 15 20 25 30 40 45 50
1, мм 163 122 98 82 61 54 49
Вырежьте из листа никеля полоску шириной 10- 15 мм, длина которой имеет
наибольшее из приведенных в таблице значение, и, слегка изогнув ее вдоль
для придания необходимой жесткости, поместите внутрь каркаса обмотки
возбуждения излучателя так, чтобы она стояла на магнитах. Магниты при
этом
146
следует снять с выступающей части катушки возбуждения и поместить под
