Майер В.В. - Простые опыты с ультразвуком, страница 12

Как раз напротив, существует обширный класс явлений, которые характерны только для ультразвука, и их с трудом можно (или вообще нельзя) обнаружить в области звуковых частот. Часть этих явлений принято объединять под общим названием эффектов второго порядка е). К ним относятся, например, радиационное давление, акустический ветер, ультразвуковой фонтан, притяжение между частицами в звуковом поле и т. д. Многие специфические явления ультраакустики не получили еще достаточно строгого теоретического объяснения.

Нетрудно понять, почему в области ультразвуковых частот должны наблюдаться явления, не имеющие места в звуковом диапазоне. Ультразвуковая волна, имея существенно ббльшую частоту, чем звуковая, обладает при той же амплитуде Л и большей интенсивностью (см. формулу 111) ).

Высокочастотные колебания частиц среды значительной интенсивности, естественно, оказывают более сильное влияние на физические процессы, сопровождающие распространение ультразвука, чем слабые звуковые колебания. Именно этим объясняются многие явления ультраакустики. Ниже описаны простые опыты с построенными вами ультразвуковыми генераторами и излучателями, позволяющие экспериментально изучить некоторые явления ультраакустики. Разумеется, здесь нельзя дать подробного описания всех интересных опытов. Однако, если вы поставите даже те, которые описаны ниже, то получите некое представление о том новом, что дало изучение ультразвука.

ВОЛНЫ НА БУМАГЕ В опытах с магнитострикцнонным излучателем ультразвука вы уже доказали, что торец ферритового *) Это название связано с порядком прибливсеиия, которое допускается при решения дифференциального уравнения, описывающего ультразвуковую волну. 6Я вибратора колеблется. Теперь было бы неплохо воочию убедиться, что вибратор является источником ультразвуковой волны и она обладает теми же свойствами, что и любая другая.

Сделать это можно следующим образом. На мягкую подкладку, состоящую из нескольких слоев тонкой бумаги, поместите плотный бумажный лист белого цвета. На лист через марлевое сито тонким слоем равномерно насыпьте мелкий песок (лучше такой, который используется в песочных часах). Расположив излучатель под углом примерно 45' к горизонту, прикоснитесь концом его вибратора к центру листа бумаги и настройте ультразвуковой генератор в резонанс с вибратором. При этом песок на листе бумаги быстро перераспределится так, что станут видны круговые «волныз с центром в точке прикосновения внбратора (рис.

39). Опыт не удается, если вибратор излучателя расположить вертикально. Для получения хорошея картины волн необходимо экспериментально подобрать подкладку и лист бумаги (его толщину и сорт). Теория наблюдаемого в описанном опыте явления сложна, и поэтому мы ее рассматривать не будем. Здесь важно то, что в опыте непосредственно видно, что ферритовый вибратор излучателя является источником ультразвуковой волны, распространяющейся по поверхности и внутри бумажного листа. Песок по поверхности бумаги перераспределяется так, что обозначает линии равных фаз ультразвуковой волны.

Попробуйте установить некоторые физические свойства ультразвуковой волны на бумаге. Передвигайте излучатель, не отрывая торца его внбратора от бумажного листа. Вы заметите, как вместе с источником перемещается по бумаге и система круговых волн, Пододвиньте вибратор ближе к краю листа. Прн этом песок на бумаге обозначит еще одну систему волн, отраженных от края. Прорежьте в листе бумаги небольшое отверстие и расположите вблизи него вибратор излучателя. Вы увидите, что ультразвуковая волна частично отражается от препятствия и огибает его.

Отсюда следует существование дифракции ультразвука. 70 Таким образом, описанвые опыты н рнд других, которые можно самим придумать и поставить, убеж дают в том, что магнитострикционный излучатель Рнс 39; Круговые волны на бумаге прн разных наклонах вн- братора. Исполеэопанпыв и опыте песок был сл~гка желто:атым, и поэтому фото графин полн не контрастны действительно возбуждает в упругой среде ультразвуковую волну и эта волна обладает свойствами, аналогичными свойствам звуковых волн.

Опыты с волнами на бумаге можно продолжить. На установленный горизонтально плоский слой 71 поролона толщиной не менее 1 см положите лист плотной белой бумаги. Для успеха опытов очень важно подобрать подходящую бумагу (например, можно ис--. пользовать лист толщиной 0,3 мм и размером 200 Х 290 ммх). Равномерно посыпьте лист мелко раздробленными кристалликами марганцовокислого калия. Расположив излучатель вертикально, прикоснитесь торцом его вибратора к поверхности листа.

Вы увидите, что кристаллики на поверхности листа будут интенсивно колебаться, однако никакой картины волн, подобной тем, которые вы наблюдали в предыдущих опытах, не образуется. Результат опыта нетрудно объяснить: вертикально колеблющийся вибратор возбуждает в горизонтально расположенном листе поперечную бегущую волну (ее называют изгибной). Эта волна просто приводит в колебательное движение расположенные на листе кристаллики марганцовокислого калия, не перемещая их. Теперь коснитесь вибратором листа вблизи его незакрепленного края, Вы сразу увидите появление характерной картины, обозначенной перераспределившимися кристалликами (рис.

40). Попробуем объяснить результат опыта. Из предшествующего вы уже знаете, что ультразвуковая волна хорошо отражается на гранцце между твердым веществом и газом. В результате наложения пада1ощей от вибратора и отраженной краем листа волн (обе волны, очевидно, когерентны) образуется интерферснционпая картина, представляющая собой распределение максимумов и минимумов интенсивности ультразвукового поля. Эта картина неподвижна, и позтому легкий порошок сбрасывается с максимумов интенсивности, где лист колеблется со значительной амплитудой, и собирается в минимумах. В результате порошок обозначает распределение интенсивности в ультразвуковом поле (в опытах с наклонным излучателем получалось распределение линий равных фаз).

Внимательно рассмотрите получающуюся в опыте интерференционную картину. Вы видите, что кристаллики не собираются на самом краю листа. Это означает, что по краю листа лроходит максимум ин= У2 тенсивности. Разность хода между волнами, идущими от излучателя к краю листа и отраженными от края, равна нулю. В самом деле, ведь можно представить себе, что отраженная волна исяускается «мнимым» излучателем, являющимся зеркальным «изображением» действительного, отраженного от края как от Рис. 40.

Интерференции иагибнык волн при отражении от края бумажного листа. о — иелучатель расположен перпеилннулярно к плоскостн листа; б, и. а — интертеренциониые картины при раеличнык расстоявиял от торца вибра- тора [обааначевното черным кружком! ло края листа. зеркала (т. е. расположенным симметрично ему относительно края листа). Два таких излучателя дают иа краю листа максимум интенсивности, если они колеблются синфазно, Таким образом, опыт показывает, что при отражении ультразвука от акустически менее плотной среды (среды с меньшим акустическим сопротивлением) фаза волны не меняется. Раньше при объяснении работы магнитострнкционного излучателя мы использовали это положение без доказательства.

Впрочем; уже опыты по-резонансному возбуждению та магнитострикционного вибратора с достаточной убедительностью свидетельствуют в пользу этого положения. Выясним, соответствует ли получающаяся в опыте интерференционная картина теоретическим выводам. Согласно теории интерференции волн минимумы интенсивности располагаются в точках, в которые волны от источников приходят с разностью хода, равной нечетному числу длин полуволн Ь='/з(2й+ 1)Х, й — -О, ~ 1, ~-2, ... Геометрические места таких точек на плоскости представляют собой семейство гипербол, в фокусах которых расположены излучатели. А Получите ивтерферевционную картину при отражении изгибной ультразвуковой волны от края листа. Остро отточенным карандашом обозначьте на листе полученные линии минимумов интенсивности и положение торца излучателя.

Убрав марганцовокислый калий, наложите лист бумаги на другой и иглой «переколите» Рас 4! к изме еаа экспеРиментаЛьные точки, а разности хода межд~ карандашом отметьте положеаатерферирующима аз- пие края листа. Соединив точки плавными линиями, вы получите чертеж, подобный изображенному на рис. 4!. Нанесите на этот чертеж точку 5', симметричную относительно края листа точке 5, в которой вибратор касается бумаги, Если предположение, что полученные в эксперименте линии суть гиперболы с фокусом в точке 5, верно, то точка 5' — второй фокус семейства гипербол. По определению гипербола — геометрическое место точек, разность расстояний которых от двух фокусов есть величина постоянная.

На любой из линий чертежа выберите произвольную точку. Измерьте расстояния от нее до точек 5 и 5' и найдите разность этих расстояний. Теперь на 74 той же линии возьмите любую другую точку и для нее проделайте ту же операцию. Вы получите результат, в пределах ошибок опыта совпадающий с первым. Взяв еще несколько точек на выбранной линии, нетрудно убедиться, что эта линия действительно является гиперболой.

Подсчитайте разности расстояний от фокусов до точек, принадлежащих различным линиям чертежа. Вы заметите, что при переходе от первой линии ко второй эта разность увеличивается в три раза, от первой к третьей — в пить раз и т. д. Поэтому для разности расстояний можно записать экспериментальную формулу Ь = (2й + 1) а, й = О, 1, 2, ..., где а — некоторая постоянная, имеюгдая размерность расстояния.

Эта. экспериментальная формула совпадает с приведенной выше теоретической, если положить, что постоянная а равна поло- УУ у 7 вине длины изгибной волны, распространяю- у зу,г ":р у щейся в бумажном листе. Таким обрааом, результаты опыта полностью подтверждают теорию. Х Зпд, УО 1-1 Рис. 42. ЭкспеРимектвльивн Уста- иовкв длв изучение иятерфереи- меренным в опыте зиа- дии в бумажном листе изгибиык чепиям раЗнОСти хода вели, испускаемых двумя когереитдля определенного чи- ными источниками. Сна А (ПОрядна Иитср- у — аннвавовые магнатастрввнновные ва- лувателв. У-лвст глотной белаз бумаги, фЕрЕнцин) ОПрЕдеЛите 3 — слой поролона, 4 — регулнравоаные ванты Ллн горнвантельной установки. длину н скорость ив- у †Фанерн основание.

гнбной волны, распространяющейся в бумажном листе. Выясните, зависит ли длина волны от расстояния между излучателем и краем листа. Задание 20. Выполняя задание 2, вы научились возбуждать продольные звуковые колебания в стеклянных трубках. Покажите, что изгибная волна и 75 бумажном листе„частота которой лежит в звуковом диапазоне, обладает теми же свойствами, что и волна ультразвуковой частоты. Задание 21. Собрав установку, схематически изображенную на рис. 42, изучите интерференцию изгибных волн в листе бумаги, пользуясь двумя когерентными излучателями ультразвука.