Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
§ 82. Ультразвуки
Мы видели выше (§ 80), что область слышимости охватывает колебания с частотой от 20 и примерно до 20000 гц; колебания с частотой, лежащей в этих пределах, воздействуя на барабанную перепонку уха, вызывают ощущение звука. Однако и вне указанных границ могут существовать колебательные процессы, физически ничем не отличающиеся от звуковых колебаний и волн. Такие процессы представляют собой неслышимые звуки.
За последнее время были обстоятельно исследованы звуковые колебания и волны, характеризующиеся очень большими частотами порядка десятков и сотен тысяч герц. Такие колебания и волны при нято называть ультразвуковыми.
Ультразвуки относительно небольшой частоты можно получить с помощью свистка Гальтона, представляющего собой миниатюрную трубу, возбуждаемую продуванием воздушной струи. Уменьшая с по мощью поршенька длину звучащего столба воздуха, можно добиться того, что звук свистка, постепенно повышаясь, наконец, перестанет быть слышен; излучаемая свистком волна переходит в область ультразвуковых частот. С помощью свистка Гальтона и других по добных ему устройств не удаётся, однако, получить сколько-нибудь интенсивных ультразвуков; помимо малой мощности таких излучате лей, очень существенную роль играет здесь ещё и то обстоятель ство, что в воздухе колебания высокой частоты очень быстро за тухают.
С открытием пьезоэлектрических явлений и с разработкой мощ ных генераторов электрических колебаний высокой частоты оказа лось возможным получить ультразвуковые колебания очень большой интенсивности. Для того чтобы уяснить себе способ возбуждения ультразвуков, необходимо вкратце разобраться в сущности пьезоэлек трических явлений (о которых подробнее будет сказано во втором томе курса).
Если из кристалла кварца (SiO2) в некотором определённом на правлении к граням кристалла вырезать пластинку, то, прилагая к широким сторонам пластинки через посредство металлических обкладок переменное электрическое напряжение, можно заставить пла стинку колебаться. Это происходит благодаря тому, что при сообще нии противолежащим сторонам пластинки кварца электрических зарядов противоположного знака пластинка испытывает сжатие или расширение (пьезоэлектрический эффект). Колебания кварцевой пластинки, зажатой между металлическими обкладками, становятся особенно интенсивными в том случае, когда частота приложенного переменного напряжения совпадает с собственной частотой колебаний пластинки (резонансные колебания). Подбирая надлежащим образом размеры пластинки и частоту подводимого напряжения, можно получить сильные колебания ультразвуковой частоты.
Практически для этой цели погружают кварцевую пластинку с металлическими обкладками в масло, затем, подводя к обкладкам переменное электрическое напряжение, пластинку заставляют коле баться. При этом в масле распространяются мощные ультразвуковые волны.
Акустическое сопротивление (pu) масла и воды примерно в 3000 раз больше акустического сопротивления воздуха; поэтому если ту же кварцевую пластинку заставить колебаться в воздухе с той же амплитудой смещения и частотой, то излучаемая энергия будет в 3000 раз меньше.
Посредством пьезокварцевых ультразвуковых генераторов по лучают колебания с частотами от нескольких десятков тысяч герц до нескольких десятков миллионов герц. Применяя вместо кварца пластинки турмалина (турмалин также обладает пьезоэлектрическими свойствами) и возбуждая колебания пластинки не на основной частоте её собственных колебаний, а на обертонах, можно получить ультра звуки с частотой порядка 300 млн. гц.
Энергия ультразвуковых волн, излучаемая мощными пьезокварцевыми генераторами, весьма велика; интенсивность потока энергии ультразвука в масле или в воде может достигать 10 вт/см2, что в 10000 раз больше силы звука в воздухе от большого оркестра при его максимальном звучании (10-3 вт/см2).
Следует отметить, что при указанной чрезвычайно большой интен сивности ультразвука порядка 10 вт/см2 амплитуды смещения частиц и амплитуды их скоростей относительно невелики, но чрезвычайно велика амплитуда ускорений. Амплитуда ускорений может в десятки тысяч и в сотни тысяч раз превосходить ускорение силы тяжести. Амплитуда давлений может иметь величину нескольких атмосфер.
Ультразвуковые волны характеризуются очень интересными физи ческими и физиологическими явлениями. Так, например, смеси не смешивающихся жидкостей, подвергнутые в течение нескольких минут воздействию ультразвука высокой частоты, превращаются в эмульсии. Этот метод эмульгирования жидкостей был разработан С. Н. Ржевкиным (в 1935 г.) и др. Погружая в масло с распространяющимися в нём ультразвуковыми волнами пробирку с водой и ртутью, можно наблюдать, как вода постепенно темнеет благодаря раздроблению ртути на мельчайшие капельки, взвешенные в воде. К погружён ному в масло термометру нельзя прикоснуться рукой: благодаря ультразвуковым колебаниям стекла рука испытывает ожог, несмотря на то, что термометр показывает очень небольшую температуру. Живые существа (рыбы, лягушки), подвергнутые облучению ультразвуком, погибают в течение нескольких минут. Само масло, в котором возбуж даются ультразвуки, как бы вскипает, разбрызгиваясь над пластинкой кварца фонтаном.
Ультразвуки имеют в настоящее время многообразные применения. Укажем, например, на акустическую сигнализацию под водой и на акустическое измерение глубин (эхолот). Выгодность применения для этих целей ультразвуков связана с тем, что при очень малых длинах волн можно излучать энергию узким направленным пучком.
Установлено, что «прозрачность» газа для ультразвуков различных частот весьма неодинакова, поглощение данным газом ультразвуков определённой области частот иногда в сотни раз превышает погло щение тем же газом ультразвуков других частот. Здесь сказывается совпадение периода ультразвука со временем (весьма малым) осуще ствления некоторых межмолекулярных процессов, изучение которых привело к созданию особого отдела акустики — квантовой акустики.
Ультразвуки, применяемые для подводной сигнализации, погло щаются воздухом в 1000 раз сильнее, чем водой.
Обнаружено, что ультразвуки большой интенсивности оказывают заметное влияние на характер кристаллизации тел и вызывают уско рение некоторых химических реакций.
Среди биологических явлений, вызываемых ультразвуками, при влекает внимание увеличение урожайности некоторых растений, семена которых были подвергнуты облучению ультразвуком.
В интенсивном потоке ультразвуков многие одноклеточные орга низмы, стафилококки, красные кровяные шарики погибают, повидимому, от механических разрывов.
В настоящее время широко применяют на практике ультразвуко вое эмульгирование некоторых лекарственных веществ типа сульфи дина. Камфора, которая играет большую роль при лечении сердечных болезней, нерастворима в воде, и поэтому её нельзя было вводить непосредственно в кровеносные сосуды больного; это, однако, стало возможным благодаря разработанному советскими учёными способу ультразвукового тончайшего эмульгирования камфоры. В виде тон чайшей эмульсии камфору можно вводить не подкожно, а непосред ственно в кровь больного; в этом случае она быстрее достигает сердца, что в некоторых случаях может спасти жизнь больного.
В последнее десятилетие проф. С. Я. Соколовым достигнуты большие успехи в применении ультразвуков для обнаружения дефек тов в металлических изделиях (раковин и неоднородностей строения). Для этой цели покрывают металлическое изделие слоем масла и ста вят его на пути распространения ультразвуковых волн. Наличие повреждений и трещин в толще металла вызывает частичное отраже ние и рассеяние ультразвуковых волн, что может быть замечено по степени колебания слоя масла, покрывающего поверхность металла. Такие приспособления называют ультразвуковыми дефектоскопами.
При распространении достаточно мощного ультразвука в жидкости изменения плотности жидкости вдоль волны столь значи тельны, что сказываются на оптических свойствах жидкости, которая для пучка света, пронизывающего жидкость перпендикулярно к распро странению ультразвуковых волн, делается неоднородной. Это явление, открытое Дебаем и Сирсом в 30-х годах нашего столетия, Г. С. Ландсберг и Л. И. Мандельштам применили для устройства весьма инте ресных и полезных приборов: ультразвуковых модуляторов света— световых реле. Подробнее об этом будет рассказано в третьем томе.
В последние годы член-корр. Академии наук Союза ССР А. С. Предводителев с успехом применил ультразвук («метод ультра акустического интерферометра»), для изучения важнейших молекуляр ных свойств жидкостей, паров и газов.
Любопытно отметить, что ультразвуки используются летучими мышами для ориентации при полёте в темноте. Способность летучих мышей ориентироваться в темноте всегда вызывала изумление есте ствоиспытателей. Но только недавно (в 1945 г.) было обнаружено, что летучие мыши для ориентации в темноте применяют способ, который аналогичен радиолокации и который можно назвать ультра звуковой локацией, а именно: летучие мыши в полёте издают корот кие, в одну сотую секунды, импульсы ультразвука частотой 35—70 кгц. Уши летучей мыши воспринимают («слышат») ультразвуки частотой до 100 кгц. По времени, которое проходит от изданного летучей мышью ультразвукового «крика» до восприятия его отражения от препятствия, т. е. его эха, летучая мышь безошибочно определяет расстояние до препятствия.