Голямина И.П. - Ультразвук (маленькая энциклопедия) (1040516), страница 139
Текст из файла (страница 139)
Вызванное фазовой аберрацией смещение луча в направлении акустич. оси наз. продольной луче- в о й а б е р р а ц и е й з'= 04), а смещение в фокальной плоскости — п оперечной лучевой аберр а ц и е й у' = ОТ. б)ивовая аберрация приводит к снижению интенсивности в фокусе, фокальное пятно при атом размывается и концентрация энергии падает. Отношение интенсивностей при наличии аберрации Т и без иее Т,„ равно) Т)У„= т — Е„ ЗУЗ ФОНОН где Е, = <р — <р' — среднеквадратичная фазовая аберрация.
Все реальные волновые фронты обладают фааовой аберрацией, к-рая связана с неточностью изготовления фокусирующих систем и др. факторами, Решающую роль при Ф. з. играет неравномерность распределения амплитуды по сходяще»гуся волновому фронту, к-рая обусловлена: изменением площади первоначального волнового фронта после отразкения или преломления в фокусирующей системе и связанным с втим перераспределениеи энергии; зависимостью коэфф. прохождения волны через границу раадела сред от толщины среды; поглощением волн в материале фокусирующего устройства и окружающей его среде; многократными отражениями волн внутри фокусирующего устройства.
При использовании Ф. з. с целью концентрации энергии УЗ-вых волн интенсивность 11 в фокусе рассчитывается по-разному в зависимости от степени концентрации УЗ-вой энергии. Если интенсивность 1« у поверхности излучателя и коэфф. усиления фокусирующей системы невелики, то поглощение волн происходит по экспоненцнальному закону и интенсивность 1< = — з!и з<,„в * «. 2Х 11 = — ыпз ы, в в<г, 4Х« где И' — входная мощность звука, у — козфф.
поглощения звука. В жидких средах, где коэфф. поглощения пропорционален квадрату частоты, можно положить у =- ЬА з, где Ь— постоянная величина, определяемая свойствами среды. Существует оптимальнаи длина волны А =- йопт, пРи к-рой интенсивность в фокусе максимальна. Для цнлиндрич. фронта единичной длины йопт = УЗЬ1, »2« для сферич.
фронта я и' в хыы Суп<ествование оптиыальной длины волны и соответственной ей частоты определяется тем, что, с одной стороны, с увеличением частоты увеличивается концентрация энергии вследст- вие роста коэфф. усиления, а с другой — возрастает поглощение энергии в среде. При Ф.
з, большой интенсивности вОзниКает нвлиигйног поглощение звука в среде, к-рос может возрасти с Уволиче<шем интенсивности 1» столь сильно, что наступит равное<сне между подводииой и поглощаемой энергией, вследствие чего интенсивность в фокусе 11 останется постоянной, несмотря на увеличение интенсивности у поверхности излучателя. Прп использовании Ф. з. в устройствах интенсификации технологич. процессов под действием УЗ свойства фокусирующей системы характериауют производительностью Пр и индексом производительности И. Величина Пр характеризует степень пригодности фокусирующой системы для проведения ааданного технологич. процесса и определяется ф-лои: Пр =- 1кУ,7ЪЮ, где 1и — критич.
интенсивностгч при к-рой начинает протекать технологич. процесс, в объеме Рю И' — затРачиваемаЯ акУстич.мошность. Индекс производительности И = пл =- Прфои <Прта„где Прфок — производительность фокусирующего излупл чателя, а Прпы, — максимальная производительность плоского излучателя той же мощности. Величина И характериаует степень уменыпения эффективности УЗ-вого преобразователя вследствие фокусирования звуковых волн. Литл Розенберг Л. Д., Звуковые фоиусируюшие системы, м.— л., 1649; г г о ж е, е кил Источники момиаго ультразеума, м., 1667, ч. 3; тартакове и из Б.
д., «Аиует. жйз, 1658, т. 4,."З 4, в. 255 — 60; Каиеескйй И. Н., Фокусирование »луковых и ультразвуковых зала, М., 1677. Н. Н. Конев«лоб. ФОНОН вЂ” квант энергии звуковой волны, определяемый по аналогии со световыми квантами — <фотонами. Квантовые свойства звуковых волн в кристалле проявляются в тои, что существует наименьшая порция энергии колебаний кристалла с данной частотой. Зто и позволяет сопоставить звуковой волне в кристалле квазичастицы — Ф. Понятие «Ф.» вводится при рассмотрении физич. свойств кристалла (теплой»<кости, теплопроводности, электросопротивления и дрб как энергия одного из возможных ФОНОН нор пал«них колебаний в кристалле (см.
Колэбания кристалличэской решетки). Энергия Ф. равна: е =- Лю, а импульс р = Лй + Ь, где й = М,'2я, Ь вЂ” Блинка постоянная, ю = 2п1, ) — частота внука, с — скорость его распространения, й =- ээю(в — волновой вектор, и — единичный вектор в направлении распространения волны, Ь вЂ” вектор обратной кристаллич. решетки. Плотность полной колебательной анергии атомов кристалла опрсделяотея суммой энергий всех Фл р = ~ц (пэ„+ ~ ) йы, ()э) э;т где т = 1, 2, ..., Зг — индекс поляриаации Ф., характеризующий направление колебаний и позволяющий различить продольные и поперечные Ф., г — число атомов в элементарной ячейке кристалла, пя, — число Ф.
с данным волновым вектором й и поляриаациен т в единице объема. Среднее чксло Ф. в единице объема определяется ф-лой Планка: ( и ) — 1((впы ь г — 1) (э — абсолютная темп-ра, йп— Болытмана постоянная), совпадаюэцей с распределением частиц гааа, подчиняющихся статистике Бозе — Эйнштейна, когда химич. потенциал равен нулю; оно ие сохраняется постоянным, а зависит от температуры, т. е. Ф. могут рождаться и уничтожаться.
Нижняя граница частотного споктра Ф. определяется размерами кристалла и скоростью звука, верхняя ют — периодом кристаллич. решетки. Число Ф. пт увеличивается с увеличением частоты Ф. вплоть до предельного аиачения ю . Ф., так же как и колебания кристаллич. решетки, разделяются на акустические и оптические. Акустич. Ф.— ато кванты обычного «вука в кристалле. Оцтич. Ф. лежат в диапазоне более высоких частот, сравнимых с оптическими, и существуют в кристаллах со сложной структурой элементарной ячейки. В области высоких частот акустич. Ф.
обладают дисперсией (рис. (), т. е. их фа«оная скорость зависит от частоты. Наряду с тепловыми Ф., всегда существующими в кристалле, в нем могут быть возбуждены искусственно т. н. когеронтиые Ф. — гиперзвуковые волны (см. Гипэрввук). Ф, вэаимодействуи1т как между собой, так и с другими частицаыи (электронами проводимости, магнояами и т.
и.). Сталкиваясь с другими Ф. илн с. 1. Днспэронные яарвнтестнни фонояноспектра: 1— устнческие н — онтнчэсннв «н иэ оп э„— ну«дельные частоты акустических фононон и ы ч» э другими частицами, Ф. частично или полностью передает им свою энергию: при этом могут во«пикать новые Ф., импульс и, следовательно, напра«ление распространения к-рых отличаются от направления первичных Ф., т. е. имеет место рассенкие Ф. (см.
Н.линвйнов вэаи.нпдвйствив). Спектром Ф. и их взаимодействием определяются тепловые свойства кристаллов: тЕПЛОЕНКОСтгп тЕПЛОНРОВОДНОСтЬ, тонловое расширение и др. Следствием взаимодействия с тепловыми Ф. является рассеяние когерентных Ф., от к-рого зависит поглоиевнив звука в кристалле„При этом вааимодействие Ф. определяетсн ангармониэмом кристаллич. решетки, т. е, нелинейностью упругих свойств кристалла.
Ряд эффектов имеет место при взаимодействии Ф. с алектронами проводимости (см. Бэаимодвйствие улэтраэвукп с электронами проводимости, Акустпэлектрический эффект). Особенно сильно взаимодействие акустич. Ф. с электронами в пьеаополупроводвиках, что используется для усиления когерентвых Ф. (см. Усиление ультраэвука в полупроводниках). Рассеяние электронов проводимости при взаимодействии с Ф. — основной механвам электросопротивления. Способность алектронов проводимости излучать и поглощать Ф, приводит к притяжению электронов друг к другу, что при низких темп-рах является причиной перехода ряда металлов в сверхпроводящее состояние.
В магнитоупорядоченных кристаллах (антифарра- и фврромагнвтиках, ферритах) Ф. могут вааимодейство- 972 Ф(П.'ОН вать с атомными магнитными моментами (спинами), колебания к-рых можно представить в виде т. н. епиновых волн или связанных с ними квазичастиц — магноиов. В результате взаимодействия Ф. с магнонами при определенных условиях магион может превратиться з Ф. и наоборот (см.
Магнитоупругие волн««). Изменение покааателя преломления электромагнитной волны под действием упругой волны, а также возникновение упругой волны под действием электромагнитной волны в результате эффекта злектроетрикции могут быть представлены как вэаииодействие Ф. с фотонами.
Примерами такого взаимодействия являются дифрокцил света ко ультразвуке, а также спонтанное и вынужденное Мандельштама — Бриллюзиа равсеяние. Ф. взаимодействуют также с различными дефектами кристалла: вакансиями, диелокацизми, инородными примесями, с границами кристаллитов и поверхностью всего образца. Дефекты увеличивают рассеяние и поглощение Ф. в кристалле. Наличие вакансий или примеси приводит при определенных условиях к появлению частот колебаний решетки, лежащих выше предельной шоо Исследования Ф. (фоноииого газа) можно производить прямыми или косвенными методами, Последние свнваны с намерениями тепловых свойств вещества, а также с исследованием рассеяния частиц (нейтронов, фотонов) на тепловых Ф. Прямые методы — это акустич. эксперименты (напр., намерения скорости и поглощения внука) на гиперэвуковых частотах.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
