Майер В.В. - Простые опыты с ультразвуком, страница 13

Установите, в фазе или противофазе колеблются вибраторы излучателей в ваших опытах. ОРИЕЯТИРУИЛЦЕЕ ДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА Пусть в ультразвуковом поле диск расположен так, что его плоскость составляет некоторый угол с направлением распространения волны. Колеблющиеся частицы среды обтекают диск, меняя направление своего движения дважды за период ультразвуковой волны. При этом, как нетрудно видеть из рис.

43, возникают силы, создающие вращающий момент, который стремится повернуть диск перпендикулярно к пап авлснию распространения волны. писанное явление было впервые подробно изучено выдающимся английским физиком Дж. В. Рэлеем. Теория показала, что если размеры диска малы по сравнению с длиной ультразвуковой волны, то сила, поворачивающая диск, пропорциональна интен» сивности ультразвука. Таким образом, диск Рэлея может быть использован для измерений интенсивности ультразвука.

В настоящее время существуют гораздо более удобные и точные методы измерения силы звука, и поэтому диск Рэлея с этой целью практически не применяется. Однако сам эффект ориентации в ультразвуковом поле нередко используется для обнаружения ультразвука и даже для «проявления» ультразвуковых изображений. Чтобы понять, как это делается, поставьте следующий опыт. В пробирке с ацетоном или керосином размешайте небольшое количество алюминиевой краски (ее часто называют «серебрянкой»). Магннтострикционный излучатель расположите вертикально на столе и на торец его вибратора нанесите каплю 76 воды или масла.

Поместите дно пробирки в каплю на вибраторе и включите ультразвук (см. рнс. 43, б). При этом вы увидите, как серая жидкость в пробирке просветлеет. Прежде чем объяснить явление, разберемся, для чего нужна капля воды на торце вибратора. Если дно пробирки поместить на сухой вибратор, то ультразвуковая волна от излучателя ппойдет в жидкость Рис 43. Опыт по ориентирующему действию ультразвука. а — аа диск Рзлея, помещенный в улщразауковое поле, действует вращаюпщй момент, стремящийся повернуть сто перпендикулярно н направлению распространенна волин. б — в пробирке накопится суспензия алюминиевой краски в апетоне.

Каждая взвешенная в ацетоне частичка атой краски предссавлиет собой маленький диск Рзлея. только в тех местах, где есть хорошее соприкосновение между ферритом вибратора и стеклом пробирки. Там, где вибратор и пробирка разделены хотя бы тончайшей воздушной прослойкой, ультразвук не пройдет, поскольку оп практически полностью отражается иа границе феррит — воздух. Коэффициент отражения на границе, разделяюшсй твердое вешество и жидкость, значительно меньше, поэтому наличие капли жидкости между ферритом и стеклом приводит к увеличению интенсивности ультразвука в пробирке. Экспериментаторы в таких случаях говорят, что жидкость между вибратором н пробиркой улучшает «акустический контакт».

Вы уже знакомы с Т7 этим явлением по опытам, проделанным с магиитострикционным излучателем, вибратор которого находится на мокром столе. Перейдем к объяснению результата опыта. Пробирка заполнена взвесью (суспеизией) мельчайших частиц алюминия в ацетоне. Эти частицы представляют собой чешуйки, диаметр которых раз в 10 — 20 превосходит их толщину. Алюминиевые чешуйки ориентированы в жидкости совершенно беспорядочно, так что они рассеивают падающий на пробирку свет равномерно во всех направлениях. При прохождении ультразвука чешуйки, аналогично диску Рэлея, ориентируются перпендикулярно к направлению распространения волны.

В результате все они отражают свет в одном направлении. Поэтому лсидкость в пробирке кажется светлее. Теперь уже нетрудно понять и то, как используется ориентирующее действие ультразвука для выявления (кпроявления» или, как говорят, визуализации) ультразвуковых изображений Сами изображения создаются с помогцью ультразвуковых линз или зеркал в специальной тонкой кювете.

Кювета заполнена суспеизией алюминиевых чешуек в подходящей жидкости (чаще всего, в ксилоле), Изображение, образованное ультразвуком в кювете, становится видимым непосредственно глазом благодаря тому, что ориентация чешуек выражена тем сильнее, чем интенсивнее ультразвук, а области с разной ориентацией чешуек по-разному рассеивают свет. Задание 22. Из тонкой латунной фольги вырежьте диск диаметром около 5 мм. Диск с помощью небольшой расплавленной капельки олова или парафина укрепите на медной проволоке диаметром 0,05 мм, растянутой между концами изогнутой в виде рогатки толстой проволоки. Диск должен быть укреплен так, чтобы в воздухе от легкого дуновения он мог совершать крутильные колебания.

Поместив изготовленный диск Рэлся в воду вблизи торца ферритового вибратора низкочастотного излучателя, еще раз докажите существование ориентирующего действия ультразвука. 78 силы, деиствунзщие ид тела В ультразвуковом пОле На концах двух тонких (диаметром около 0,05 мм) медных проволочек, пользуясь паяльником, сделайте из припоя два по возможности одинаковых шарика 1 диаметром 0,5 — 1 мм.

На вибратор магнитострикционного излучатели 8 посередине наденьте резиновое колечко 5, а поверх него — небольшой отрезок резиновой трубки 4. В резиновую трубку вставьте стеклянную 2 внутренним диаметром 9 — 10 мм так, чтобы примерно половина вибратора находилась внутри Рнс. 45. Силы, действую» щне на шарики, находящяеся в ультразвуковом поле. Ряс. 44. К опыту, показывающему существованне снл прнтяэкення между шариками, помещеннымн в ультразвуковое поле. таксе крепление внарвгсре мегнкгесгрнкПнпннага нэлугегелн саспенс с целью умепьюеннп пагерь прн ввелепнн ультреэвуксвса волны в вшлкссгь, трубки (рис. 44).

Следите за тем, чтобы вибратор был закреплен только узким резиновым колечком и не касался стенок стеклянной трубки. Расположив излучатель вертикально на столе, вредите а каркас его обмотки возбуждения вибратор с закрепленной на нем стеклянной трубкой. В трубку до высоты 3 — 5 см от торца вибратора налейте воды. Опустите в воду заготовленные ранее шарики из 79 припоя и укрепите на спичке пластили~юм держащие нх проволочки так, чтобы шарики находились на расстоянии около 5 мм от торца вибратора и не касались стенок трубки. Включите ультразвуковой генератор и настройте его в резонанс с вибратором. При этом шарики немедленно сблизятся и коснутся друг друга. Если выключить ультразвук, шарики вновь займут исходное положение.

Из опыта со всей очевидностью следует, что между двумя шариками, помещенными на пути распространения ультразвуковой волны, действуют силы взаимного притяжения. Попробуем объяснить это интересное явление. Когда шарики расположены так, что отрезок, соединяющий их центры, перпендикулярен к направлению распространения ультразвука (рис. 45, а), частицы жидкости, совершающие колебательное движение, в области между шариками движутся с большей скоростью, чем в остальном объеме жидкости.

При этом по закону Бернулли давление в указанной области снижается. Поэтому на шарики действуют силы, стремящиеся их сблизить. Если шарики расположить вдоль направления распространения ультразвука (см. рнс. 45, б), то колебательная скорость частиц жидкости в области между шариками будет меньше, чем в окружающей их жидкости. Поэтому давление в промежутке между шариками возрастает, что приводит к возникновению сил отталкивания.

Таким образом, силы, действующие между двумя частицами, находящимися в области распространения ультразвуковой волны, зависят от взаимного расположения частиц относительно фронта волны Мы предоставляем вам самостоятельно продумать и поставить опыты, доказывающие это положение, а сейчас опишем еще один интересный эксперимент, иллюстрирующий возникновение сил в ультразвуковом поле. В пробирку (или стакан) налейте воду и поместите на ее дно небольшие кусочки какого-либо немагнитного материала, например оргстекла. Прикоснитесь к кусочкам оргстекла торцом внбратора н убедитесь, что неработающий вибратор их не прнтя- во гивает. Включите ультразвуковой генератор н на стройте его в резонанс с вибратором.

Расположите излучатель так, чтобы его вибратор находился на расстоянии 1 — 2 мм от кусочка оргстекла. При этом вы увидите, что оргстекла подскочит и как бы прилипнет к торцу вибратора. Поднимая вибратор„ вместе с ним можно поднять и оргстекло вплоть до поверхности воды (иногда удается вынуть вибратор с прилипшим к его торцу кусочком оргстекла даже в воздух). Опыт можно повторить с обрезками вини- пласта, алюминия и т. п. Это покажет вам, что — в первом приближении — эффект не зависит от материала кусочков.

Притяжение работающим вибратором объясняется тем, что среднее давление в ультразвуковом поле меньше, чем в невозмущенных частях жидкости. За кусочком любого материала ультразвуковая волна менее интенсивна, чем перед ннм, н поэтому на кусочек действует сила, направленная к источнику ультразвука. Задание 2З. Поставьте опыт„доказывающий существование сил отталкивания между сферическими частицами, расположенными вдоль направления распространения ультразвуковой волны. уиьтРФлйукОвОЙ ВетеР Прн распространении ультразвуковой волны частицы среды колеблются около своих положений равновесия (еслн не учитывать беспорядочного теплового движения) н не перемещаются вместе с волной. Эта свойство является одним нз признаков волнового дви. жения, прн котором происходит перенос энергии, а не вещества.

Однако при включении мощного излучателя ультразвука частицы среды наряду с колебательным совершают и поступательное движение: в среде возникает течение, направленное от излучателя н имеющее скорость, много меньшую скорости звука„Такое движение частиц среды получило название ультразвукового ветра. Теория этого ннтересногоявления непроста и еще далека от окончательного завершения. Поэтому 81 Рис. 46. К опыту, до кззыззюи1сму суще ствовзиис удътрззиу косого ветра в зоз духе.