Голямина И.П. - Ультразвук (маленькая энциклопедия), страница 3

Так, для высоких УЗ-вых частот длины волн в воздухе составляют 3,4 10 ' — 3,4-10 ' см, в воде 1,5 10 ' — 1,5 10 л см и в стали 5 10 ' — 5 !О ч см; для саввой низкочастотной области УЗ длины волн не превышалот в большинстве случаев нескольиих см и лишь вблнзн нижней границы диапазона достигают в твердых телах нескольких десятков см. Малость длины волны обусловливает лучевой характер распространения УЗ-вых волн. Даже при относительно небольпюй величине характерного размера В параметр Р для среднего и высокочастотного диапазонов УЗ невелик, иа чего слодует, что вблизи излучателя УЗ-вые волны распространялотся в виде пучков, поперечный размер к-рых сохраняется близким к равмеру излучателя.

Попадая на крупные препятствия нли неоднородности в среде, такой пучок (УЗ-вой луч) испытывает регулярное отралкение и преломление. При попадании УЗ-ваго луча иа малые препятствия или дефекты возникает рассеянная волна, что позволяет обнаруживать в среде весьма малые неошшродности, порядка десятых и сотых долей мм. Отражение и рассеяние УЗ на неоднородностях среды позволяют формировать в оптически непрозрачных средах звуковые изображения предметов, используя звуковые фокусирующие системы (см.

Фзяусирзвиа звука) подобно тому, как это делается с помощью световых лучей. Саи процесс фо- УЛЬТРАЗВУК кусирования УЗ-вых волн посредством акустич. лина, рефлектороз н с помощью излучателей вогнутои формы возможен лишь благодаря малости данны волны в сравнения с размерами этих устройств. Фокусировка УЗ позволяет не только получать звуковые изображения, напр. в системах звуковидения и акустич, голограгрии, но и концентрировать звуковую энергию, получая в среде высокие з»«ачепия иптеысивности звука, к-рых на поверхности обычных излучателей ултпрагвука достичь невозможно. С помощьго УЗ-вых фокусиругощих систем можно формировать заданные характеристики направленности излучателей и управлять имп.

Периодич. изменение показателя преломления световых волн, связанное с изменением плотности в УЗ-вой волне, вызывает диу)рвани»о света ыа ул»тразвуке, набл«одаемую на частотах УЗ мегагерцевого — гнгагерцевого диапазона. УЗ-вую волну при этом можно рассматривать как дифракционную решетку, период к-рой определяется длиной звуковой волны. Поскольку УЗ-вые волны характеризукгтся »«алыми периодами колебаний (в диапазоне средних УЗ-вых частот период имеет порядок микросекунд), они могут иалучаться в виде коротких импульсов акустических, к-рые позволякп осуществлять достаточно тонкую временную селекцию распространяющихся в среде акустич. сигяалоз. УЗ-вые волны затухают значительно быстрее, чем волны более низкочастотного диапааона, т.

к. коэфф. «классического» поглощения звука (на единицу расстояния) пропорционален квадрату частоты. В низкочастотной области коэфф. релаксацнониого поглощения также растет пропорционально квадрату частоты, однако при повышении частоты этот рост замедляется и коэфф. поглощения стремится к постоянной величине. Область, где наблюдаетсы такое изменение хода коэфф. поглощения, наз.

релаксациоинон, а средняя ее частота — частотой релаксации. Величина, обратная частоте релаксации,— время релаксации — характеризует процесс перераспределения энергии внутри вещества. Помимо характерного хода козфф. поглощения УЗ, в релаксационной области наблюдается рост скорости звука с частотой — дисперсия, обусловленная фкзнч, процессамн в веществе и отличающаяся от дисперсии своростн звука, характерной для любых частот и свяааниой с геометрич. условияни распространения волны.

Дисперсия УЗ в релаксационных областях обычно не превышает нескольких процентов. В многоатомных газах ролаксация связана с обменои энергии между поступательными и внутренними степенями свобод»в, и характерные частоты лежат в среднем н даже ниакочастотном диапазонах. В жидкостях к основным релаксационным процессам относится, напр., внутрнмолекулярные превращения, структурмая и зимич. релаксации; соответствующие частоты лежат чаще всего в области частот 10' — 10» Гц, В твердых телах имеются релаксацнонные процессы различной природы, обусловленные, напр., взаимодеисгпвием ул»тризеуна с электрона ни проводимости, со спинозой с»гете»го)« (см.

Спи»с-у)о»сонное взаимодействие), с колебаниями кристаллической рвигеткн. Влннние этих процессов пронвляется в частотной зависил«ости поглоп)ения УЗ. Резонансные явления типа акустического парамагнитного резоыанси (область частот 10» — 11п Гц) и вкус»си»еского ядерного магнигпного резонанса (10' — 10« Гц) да»от соответствующие пики поглощения. Резонансный характер может иметь также и дислоназиоыное поглои«еггие в кристаллах. Все эти особенности поглощения УЗ в твердых телах обусловлены взаимодействием УЗ-вых и гиперзвуковых волн с внутренними возбуждениями в твердых телах. Вознш<новение же такого взаимодействия связано с тем, что средние и высокие УЗ-вые частоты становятся сравнимы с характерными частотами процессов в веществе на молекулярном и атомном уровне, а длины волн сравнимы с параметрами внутренней структуры вещества. Последнее обстоятельство объясняет также увеличение рассеяния упругих волн на УЗ-вых частотах, наблюдаемое в микронеоднородных средах, в полнкристаллич.

телах: сечение рассеяния на неоднородностях возрастает, если их размеры становятся порндка длины волны. Связь характера распространения УЗ и, в частности, его высокочастотной области — гинерзвука — со структурой вещества и элементарными возбул«- дениями в нем является одной иа важнейших особенностей УЗ-вых волн.

Она позволяет судить о строении вещества на основании измерений скорости и погло- УЛЬТРАЗВУК шенин УЗ в нем в аависиьюсти от частоты, а также от нек-рых ниешних факторов — темп-ры, давления и др. Особенность<о УЗ в высокочастотном и гиперзвуковом диапазонах является возможность применения к нему представлений и методов квантовой механики, поскольку длины волн и частоты в этих диапазонах становятся одного порядка с параметрами и частотами, характериаующнми структуру вещества.

Упругой волне данной частоты при этом сопоставляется квааичастица — <зенон, или квант звуковой энергии. Ввавтоио-механич. представления удобны при рассмотрении различных взаимодействий в твердых телах. Напр., рассеяние и поглощение внука колебаниями кристаллич. решетки можно рассматривать как взаимодекствие когерентных и тепловых фононов, комбинационное рассояние света (ел<.

Манрелоююана — Бриллюэна рассеяние) — как вааиМОдЕйетзиЕ фотонов С фО- ионами, а взапмодейстние с электронами проводимости в металлах и полупроводниках и со спинами и спиновыии волнами и магнитоупорядоченных кристаллах (см. Д(агнио<оуаругие волна) — соответственно как электрон-фононное, спин-фононное и магион-фононное взаимодействия. Еп<е( одна весьма важная особенность У — возможность получения высоких значений интенсивности при относительно небольших амплитудах колебательного смещения, т. к. при данной амплитуде интенсивность прямо пропорциональна квадрату частоты. (Амплитуда колебательного смещения ч на практике лимитвруется прочностью акустич.

излучателей.) Существенно возрастает с частотой и роль нелинейных эффектов в звуковол< поле, поскольку при заданном значении с амплитуда колебательной скорости о и, следовательно, акусти <. число Маха М растут с частотой В для гармонич. волн о = йп)ч. В УЗ-вом поле болшпой пнтенсииности развиваются значительные акустич. течения, скорость к-рых, как правило, мала в сравнении с колебательной скоростьн> частиц. Течения могут быть обусловлены поглощением звука, могут возникать в стоячих волнах или в пограничном слое вблизи препятствии разнообразного вида. Радиационное давление также воарастает с увеличением частоты, т.

к. величина его пропорциональна интенсивности звука; в УЗ-вом диапааоие частот оио используется в практике акустич. измерений для определения интенсивности звука. Пондероноторнме еилм как акустич., так и гидродинамич. происхождения, действующие на находящиеся в звуковом иоле тела, приобретают в УЗ-вом диапазоне частот заметную неличину, поскольку они пропорциональны либо квадрату колебательной скорости, либо колебательной скорости в первой степени, как, напр., в случае горнового давления. Для того чтобы апре)<ег<яюп<ие разнообразные эффекты звукового поля параметры — интенсивность звука, звуковое давление, колебательная скорость, радиационное давление — достпглн заметной величины, с увеличением частоты требуется все меньшее значение амплитуды колебательного смещения (см.

табл. 1). Важнейшим нелинейным эффектом в УЗ-вом поле является кавптация— возникновение в жидкости массы пульсирующих пузырьков, заполненных паром, газом или их смесью. Сложное движение пузырьков, их аахлопывание, слияние друге другом и т. д. порождают в жидкости импульсы сжатия (микроудариые волны) и микровотоки, вывывают локальное нагревание среды, ионизацннь Эти эффекты оказывают влияние на вещество< происходит разрушеяие находящихся в жидкости твердых тел (навитационнал эрогин), возникает перемешивание жидкости, ииициируются или ускоряются рааличные физич.

и химич. процессы. Изл<еняя условия протекания кавитации, можно усиливать илп ослаблять различнме кавитациояные эффекты, напр. с ростан частоты УВ увеличивается роль микропотоков и уменьшается кавитационная эрозия, с увеличением гидростатич. давления в жидкости возрастает роль микроударных воздействий. Увеличение частоты обычно приводит к повьппению порогового значения интенсивности, отвечающего началу канитации, к-рое аависит от рода жидкости, ее газосодержания, темп-ры и пр. Для воды в низкочастотном УЗ-вог< диапазоне прц атмосферном давлении оно обычно составляет 0,3— 1 Вт/смг. Источники и приемники ультразвука.

В природе УВ истречается как в качестве компоненты многих естественных шумов (в шуме ветра, водопада, док<дя, в шуме гальки, перекатываемой морским прибоем, в звуках, сопровождающих УЛЬТРАЗВУК (З 7 оо а Э Р с о о х 3 о х з1 зэ о 1« Е х и Р « к о ооо 7 о о Ъ оа х х Й о о о й ч а ч о ао о о з аоа оо с х с з о о о« э х з х ч з » з й « Й й а х х « Ы з и о 3 аз х .з о х о х ,за а ч » 1 аос х с Ф'3 и и с о и и.