Майер В.В. - Простые опыты с ультразвуком, страница 7

19. Обнаружение колебаний внбрнтора мвгннтостриннион- ного излучателя. ультразвук. Все этн ощущения немедленно исчезают. Очевидно, наблюдаемые явления объясняются просто тем, что конец вибратора совершает колебания с большой частотой и заметной амплитудой. Перемещайте пальцы к середине вибратора (рис. 19,б).Тогда ощущение «скользкости» вибратора уменьшится, а когда вы дойдете до его середины, оно вообще пропадег.

Это говорит о том, что амплитуда колебаний внбратора постепенно уменьшается к его середине. Из опыта следует, что в середине вибратора действительно находится узел, а по краям— пучности смещений, т. е. в вибраторе устанавливается стоячая волна.

На стол под вибратор излучателя налейте несколько капель воды так, чтобы нижний торец ви- за братора оказался в воде. Вновь повторите опыт сдребезжащнм лезвием или прыгающим шариком. Вы обнаружите, что дребезжания сильно ослабли, а шарик прн резонансе подпрыгивает на высоту не более 0,5— 1 см. Что произошло с излучателемй Куда девалась та энергия, которая заставляла подпрыгивать шарик до высоты в несколько десятков сантиметров? Да, она «ушла» буквально в стол! Коэффициент отражения звука па границе между твердым веществом и жидкостью значительно лшньше единицы. Значит, в опыте от нижнего торца вибратора отражается ультразвуковая волна, имеющая существенно меньшую амплитуду, чем в том случае, когда между вибратором и столом находилась воздушная прослойка. А так как в вибраторе интерферируют волны разных амплитуд, то в результате получается и стоячая, и бегущая волны, причем, поскольку бегущая волна уносит с собой часть энергии, амплитуда стоячей волны, естественно, уменьшается.

Этим и объясняется снижение амплитуды колебаний торца внбратора. Внимательно проанализируйте поставленные вами опыты. Постройте из экспериментальных результатов логическую цепочку, сопоставимую с выводами элементарной теории магнитострикцнонного излучатели. Иными словами, из эксперимента выведите заключения, подтверждающие правильность теории. Мы уже несколько раз говорили о коэффициенте отражения ультразвука, не определяя этого понятия. Настало время заменить интуитивное представление стро~им. Коэффициентом отражения ультразвука называется отношение интенсивности волны, отраженной от границы раздела двух сред, к интенсивности падающей волны ГотрРпэх.

(25) Отношение интенсивности волны, проходящей через границу раздела сред, к интенсивности падающей волны называется коэффициентом пропускания = ~~гР~~к (26) 89 (27) Ультразвуковая волна, распространяющаяся по вибратору, падает на его торец нормально.

Торец вибратора является границей раздела двух сред, например, феррита н воздуха. Смещении частиц, непосредственно примыкающих к границе раздела двух сред и принадлежащих разным средам, очевидно, должны быть одинаковы. Но в одной среде смещения частиц обусловлены падающей и отраженной волнами, а в другой — только проходящей волной. Поэтому для амплитуд этих трех волн на границе раздела сред можно записать А,.„,.

+ А„р — — А„р. (29) Это уравнение совместно с уравнением (27), в котором интенсивности заменяются их значениями из формулы (11), образует систему Л„, +Л„=А„, (Л'-„, — Л', )р,с,=Л', р,с,. Решая эту систему уравнений, получим Согласно закону сохранения энергии интенсивность проходящей волны равна разности между интенсивностями падающей и отраженной волн: Отсюда следует, что коэффициенты пропускання и отражения связаны между собой формулой 0 = 1 — Я. (28) Проанализируем формулу для амплитуды отраженной волны.

Если акустическое сопротивление среды, из которой падает ультразвук, болыпе акустического сопротивления среды, в которую переходит ультразвук, т. е. р~с, ~ р,сь то амплитуда отраженной волны имеет тот же знак, что и амплитуда падающей, Арф ~ О. Если же р~с1 рзсь то А~угр ( О. Отрицательная амплитуда ие имеет физического смысла. Знак минус перед амплитудой в уравнении волны означает, что фаза волны изменилась на ги — Аз)псо(à — х/с) = Аз(п(ы(1 — х/с)+ л). Таким образом, фаза ультразвуковой волны меняется на м (происходит «потеря полуволны»), если ультразвук отражается от среды с ббльшим акустическим сопротивлением. Отражение от среды с меньшим акустическим сопротивлением не приводит к изменению фазы отраженной волны.

Наконец, как показывают формулы (30), на границе раздела двух сред с одинаковыми акустическими сопротивлениями вообще не происходит отражения и ультразвук полностью переходит из одной среды в другую. Из формул (30) нетрудно получить выражения для коэффициентов отражения и пропускания при нормальном падении ультразвука на границу раздела сред ( Рм| — Р2с2 ')г, 1~ 4рм~р.с~ 31) ~ рии+ р сг / (р~с1+ррсгР Задание 7. По формулам (31) вычислите коэффициенты отражения и пропускания для границ раздела феррит — вода и феррит — воздух. Сравните получившиеся значения. Сопоставьте выводы теории с результатом эксперимента, в котором нижний торец вибратора находится в воде.

Не правда ли, наиболее поразительно в этом опыте то, что изменение условий колебания одного конца вибратора немедленновлияег ва величину амплитуды колебаний другого его конца! Вибратор в каркасе обмотки возбуждения излучателя расположите совершенно свободно и, включив генератор, добейтесь максимальной интенсивности ультразвука. Спустя небольшое время вибратор будет разорван ультразвуком пг части. Результат опыта свидетельствует о громадных напряжениях, возникающих в ферритовом стержне под действием ультразвуковых колебаний.

Интересно отметить, что чаще всего вибратор разрывается примерно посередине на две части, но иногда он сразу разламывается на четыре и большее число частей. Опыты по разрыву вибраторов лучше производить с описанным нвже магнитострикционным излучателем без подмагничивания. Из обломков ферритового стержня постройте излучатели на более высокие частоты: они вам пригодятся в дальнейших опытах. При изготовлении 41 взлучателей экспериментально подбернте оптимальное число витков обмотки возбуждения и величину Рнс 20. Установка плк провсдсннп опыта по задана~о !2.

Ниеото токо ыааы закрекжпь излучатель з жтатаае, Ири аыполаежж ыьпа *го ложно держать а руке. подмагничивающего вибратор поля.Эта работа позволит вам достаточно глубоко прочувствовать конструктивные особенности магнитострикционного излучателя. Задание 8. В продаже чаще, чем круглые, встречаются плоские ферритовые стержни размером 3 Х 20 Х!00 мма. Можно ли их использовать в качестве вибраторов магнитострикционных излучателей? Если можно, то продумайте кон'. 'у струкцию н изготовьте излучатель с плоским вибратором. Каковы недостатки такого излучателя? Задание 9.

Можно ли в одном излучателе использовать несколько плоских ферритовых вибраторов? Задание 1О. Докажите, что в магнитострикционном излучателе описанной конструкции никелеРпс. 21 Установка вый вибратор менее выгоден, чем к опыту, прсдлагас- ферритовый Задание 11. Изменяйте напря- женность поляризующего вибратор магнитного поля, для чего уменьшайте или увеличивайте число магнитов на каркасе обмотки возбужде- '42 ния излучателя. Как зависит интенсивность ультразвука от величины магнитного поля? Задание 12. Круглый ферритовый вибратор с помощью резинового колечка, расположенного по его середине.

закрепите в каркасе обмотки возбуждения излучателя. Торцом вибратора, наклоненного примерно на 4Г к горизонту, прикоснитесь к стальной линейке, лежащей на стеклянной пластинке или гладкой поверхности стола (рис. 20). Включите генератор и настройте его в резонанс с вибратором, Что вы при этом наблюдаете? Попробуйте объяснить явление. Задание 13. К стальной оси припаяйте легкий диск из жести или латуни. Ось с диском укрепите па подставке так, чтобы она могла вращаться с небольшим трением. Прикоснитесь боковой поверхностью торпа внбратора излучателя (рис. 21) к оси и включите ультразвук.

Объясните наблюдаемое явление. упьтэдзвуковой гвияэдтоэ нь пампах Ламповые генераторы высокой частоты обладают тем существенным преимуществом перед транзисторными,что они при более простой принципиальной схеме обеспечивают получение ультразвука, частота которого значительно превышает 50 кГц. В принципе и на транзисторах можно собрать ультразвуковые генераторы высокой частоты. Однако пригодные для этого транзисторы пока мало распространены и трудно доступны. Поэтому мы и рекомендуем наряду с транзисторным изготовить простой н достаточно мощный ламповый генератор. Ламповый генератор имеет только один недостаток — он требует высокого анодного напряжения. В этом смысле он гораздо опаснее транзисторного, Об этой опасности нужно помнить, но ее не следует преувеличивать: выполнение элементарных требований техники безопасности сведет возможность поражения электрическим током к минимуму.

Принципиальная схема прибора изображена на рис. 22. Это обычный двухтактныя генератор с емкостной обратной связью, выполненный на двух электронных лампах типа 6ПЗС, включенных триодами. Частота генератора определяется параметрами 43 колебательного контура, состоящего из первичной обмотки Е,1 высокочастотного трансформатора Тр1 н конденсатор СЗ. Настройка генератора на пуганую частоту осуществляется изменением индуктивности контурной катушки Е1 — перемещением внутри каркаса этой катушки настроечного ферритового сердечника.