Как образуются ультразвуковые волны. Источники ультразвука
Частота ультразвуковых колебаний превосходит 20 кгц. Длина волны ультразвука в воздухе лежит в пределах от 1,6 до 0,3 *10-4 см, в жидкостях — от 6 до 1,2 * 10-4см, а в твердых телах— от 20 до 4 * 10-4 см. Таким образом, по длине волны наиболее короткие ультразвуковые волны сравнимы со световыми. (Желтая линия Na имеет длину волны 0,539 * 10-4см.).
Вследствие малости длин волн ультразвук может распространяться направленными пучками, получившими название ультразвуковых лучей.
Источником ультразвука может служить камертон, длина вилки которого составляет несколько миллиметров. Частота колебаний такого камертона примерно 90 кгц. Ультразвук с частотой до 35 кгц можно получить при возбуждении круглой стальной пластинки диаметром 35 мм и толщиной 10—12 мм, закрепленной в центре. Однако колебания, возбуждаемые этими источниками, быстро затухают.
Кроме перечисленных механических излучателей ультразвука, широко применяются электромеханические излучатели, в которых ультразвук образуется за счет возбуждения механических колебаний переменным электрическим или магнитным полем. Чаще применяют преобразователи, основанные на явлениях магнитострикции и пьезоэлектричества.
Явление магнитострикции заключается в том, что стержень (или трубка) из ферромагнитного материала, помещенный в переменное магнитное поле, например внутрь катушки, обтекаемой переменным током, изменяет свои размеры при изменении напряженности поля. В переменном магнитном поле такой стержень приходит в колебательное движение, являясь, таким образом, источником излучения ультразвука. Для увеличения амплитуды колебаний такого стержня используется явление резонанса. Частота получаемых таким образом колебаний составляет от 10 до 200 кгц.
Для получения ультразвуковых колебаний более высоких частот используют пьезоэлектрические излучатели, которые основаны на свойстве некоторых кристаллов, например кварца, сегнетовой соли, титаната бария и др., менять свои размеры в переменном электрическом поле.
Рассмотрим пьезоэлектрический излучатель с кварцевой пластинкой.
Вырезанная из куска кварца пластинка обладает собственной частотой, определяемой выражением:
где d — толщина пластинки в миллиметрах.
На две противоположные широкие грани пластинки наносят электроды в виде тонких слоев серебра, имеющих толщину порядка 8—15 мк. С этой целью пластинку промывают в спирте, высушивают и затем погружают в раствор, состоящий из 2—3-процентного аммиачного раствора окиси серебра (Ag20) и добавленного к нему немногим меньшего объема 35—40-процентного раствора формальдегида (СН2О). Раствор предварительно нагревают до 40—50°С, Спустя 1,5—2 ч пластинку вынимают из раствора, слой серебра, осевший на ее узкие грани, счищают ножом, а осевший на широкие грани оставляют и высушивают.
Укрепление кварцевой пластинки в излучателе осуществлено так.
В центре плиты А, изготовленной из плексигласа или из другого изоляционного материала, крепится медная пластинка В, нижнее основание которой вставлено в прорезанное в плите углубление (рис. 29).
Верхняя поверхность медной пластинки хорошо пришлифовывается к кварцевой пластинке С.
Пластинка В служит одновременно и электродом. Вторым электродом служит медная пластинка Д. В центре медной пластинки вырезано круглое отверстие О, диаметр которого на 2— 3 мм меньше диаметра кварцевой пластинки. Крепление пластинки Д, которая также должна быть хорошо пришлифована к поверхности кварцевой пластинки, производится тремя или четырьмя винтами с пружинами.
В отверстие пластинки Д наливают трансформаторное масло и ставят сосуд В с исследуемой жидкостью (водой, спиртом, керосином и др.). При установке сосуда надо следить за тем, чтобы между основанием сосуда, т. е. плексигласовой линзой, и кварцевой пластинкой не остались пузырьки воздуха, так как ультразвуковые колебания сильно поглощаются газами. Если пластинка Д недостаточно хорошо пришлифована и масло протекает, то следует закрепленную кварцевую пластинку полностью погрузить в другой сосуд, заполненный трансформаторным маслом.
Закрепленные электроды присоединяют к колебательному контуру лампового генератора (рис. 30). Последний собирается в основном из готовых деталей. Катушка АС наматывается на пертинаксовый каркас (или без каркаса) из медного провода диаметром не менее 3 мм. Диаметр витков должен быть 100 мм, шаг намотки 1,7 мм. Число витков на участках AB и ВС соответственно равно 25 и 16 (при частоте 1000—2000 кгц).
Чтобы сфокусировать ультразвуковые волны, можно применить линзу из стекла, плексигласа, алюминия или другого материала. Для простейших опытов нетрудно изготовить плосковогнутую линзу из плексигласа. Для этого в плоском плексигласовом диске диаметром 30 мм и толщиной 10 мм сверлят углубление диаметром 25 мм и глубиной 7—8 мм и последующей шлифовкой придают ему сферическую форму.
Если такую линзу поместить перед кварцевой пластинкой на некотором расстоянии, подобранном опытным путем, то можно сфокусировать излучаемые колебания в одну точку. В этой точке поверхность жидкости вспучивается на несколько миллиметров вверх, а отдельные частицы жидкости поднимаются на высоту 5—10 см, образуя фонтан.
При настройке лампового генератора добиваются наибольшей высоты фонтанчика, что является признаком совпадения частоты генератора с частотой упругих колебаний кварцевой пластинки.
Плавная и точная настройка обеспечивается применением верньерного устройства (можно рекомендовать передаточное число дисков 1:20).
Описанный выше ламповый генератор можно присоединить к источнику повышенного напряжения (до 500 в) и получить более интенсивные ультразвуковые волны.
Дата добавления: 2022-01-31; просмотров: 439;