Майер В.В. - Простые опыты с ультразвуком (1040531), страница 18
Текст из файла (страница 18)
Задание З4. Экспериментально докажите, что ультразвук может распространяться по изогнутому волноводу (рис. 64). !07 Задание 35. Вы поставили опыты по образованию стоячей волны в суспензии алюминиевой краски в ацетоне и в суспензии крахмала в воде, Первые опыты выше были объяснены ориентирующим действием ультразвука, а вторые — его коагулнрующим дейст. вием. Правильны ли такие объяснения? Обоснуйте их соображениями, вытекающими непосредственно из эксперимента. Задание дб. На поверхность вибратора магнитострнкционного излучателя, дающего ультразвук частотой порядка 1 МГц, нанесите каплю транс- Рве.
64. Ультразвуковые волковолы. форматорного илп вазелинового масла и помесстите на нее склеенную из оргстекла кювету (дно кюветы должно иметь толщину пе более 1 мм). В кювету налейте дистиллированную воду и взболтайте в ней небольшое количество крахмала (оптимальную «концентрацию» крахмала нетрудно подобрать опытным путем). Включите генератор и настройте его в резонанс с вибратором. Объясните наблюдаемое явление. Задание 57. Выполнив опыт по предыдущему заданию, погрузите в налитую в кювету жидкость стеклянную пластинку толщиной около 2 мм так, 108 чтобы она была расположена под углом 45' к поверхности вибратора. Пронаблюдайте н объясните соответствующее явление.
Задание ЗЯ. Повторите опыты по образованию стоячей волны в суспензии алюминиевой краски в ацетоне, используя магнитострикционные излучатели, дающие ультразвук средней и высокой частот. ялдиациомнов длвлянив зльтилзвзка Продольная звуковая волна представляет собой периодически чередующиеся области сжатий и разрежений, которые распространяются в среде с постоянной скоростью. Следовательно, в каждой точке звукового поля существует переменное звуковое давление. Вместе с тем звуковая волна оказывает и постоячное давление на встречающиеся на ее пути препятствия. Это давление звука называется радиацион- 11ЫМ. Радиационное давление свойственно всем волнам в.обще.
'независимо от их природы: и волны на поверхности жидкости, и звук, и свет «давят» на пре; пятствия. Экспериментальное доказательство сущест:, вования светового давления, полученное русским '. физиком П. Н. Лебедевым, явилось выдающимся : Вкладом в науку и принесло славу блестящего экспериментатора нашему соотечественнику. Его ученик Л.
Б. Альтберг, будучи еще студентом, построил первый звуковой раднометр и доказал существование радиационного давления звука. Чтобы почувствовать, насколько непросты были его опыты, проведенные в начале этого столетия, достаточно вдуматься в их условия. Молодой ученый экспериментировал со звуковыми волнами в воздухедлиной порядка Гбсм, излучателем которых служила стеклянная трубка, возбуждаемая трением.
Громкость звука, обеспечивающего снятие надежных показаний радиометра, была настолько велика, что исследователь мог проводить эксперимент, только закрыв слуховые проходы ушей стеклянными шариками. Вы будете ставить аналогичные опыты с ультразвуковыми волнами в воздухе. имеющими не меньшую интенсивность, но не будете 103 испытывать никаких неприятных ощущений, поскольку зги волны неслышнмы. Теория давлении звука, для развития которой особенно много сделали рзлей, Ланжевен и Бриллюзн, показывает, что ра,циационное давление в свободной среде на полностью поглощающее звук препятствие ши ЧИСЛЕННО Ранио СРЕДНЕЙ ПЛОтНОСтИ аКУСтИЧЕСКОй энергии Е вблизи препятствия: ~н (37) а давление на полностью отражающее препятствие Бо в два раза больуце: (38) 5,=2Е. Вспоминая выражение (11) для интенсивности ультразвука, получаем Еа=пс и 5,=27/с.
(39) Модель пРостейшего радиометра можно построить, положив в ее основу конструкцию крутильных весов. Изогните меднууо про- 7 волоку диаметром 0,8— 1 мм, как показано на рнс, 65, и, натянув между ее концами тонкую медную проволочку диаметром около 0,05 мм, припаяйте ее Рвс. 65.КовструкцняУлЬтРа- КОНЦЫ.
К середине этой про- звуковоГо РалиометР к. водочки припаяйте малень- у-иаогнута» толстая мелнатт ««рс волока, у — натянутая мсм се кий Латуннмй дИСк, а К нквми онкая м иная й««т" НеМу пластилинсм ипи раС- З вЂ коромыс. Š†груз им властилина или проволоки, з его». плавленным вОсксм при- кв.
Š— крылышко из ка.лаки. 7 — ферритовмн вибратор «зиз ' КрепИте КоромыСло ИЗ про волоки диаметром О,! 5— 0,2 мм. На одном конце коромысла пластилиухом закрепите крылышко из кальки нли тонкого листо'яка слюды (его можно изготовить, расщепив с помощью лезвия более толстый листок). Передвигая по другому плечу коромысла небольшой грузик из проволочки, уравновесьте крутильпые весы. Поставьте под крылышко магиитострикционный излучатель, вибратор которого имеет длину около 110 100 мм.
Торец вибратора должен отстоять от радио- метра на расстояние не более 3 — 5 мм. Как только вы включите ультразвук, коромысло с крылышком сразу отклонится от вибратора. Этим опытом вы доказали существование радиационного давления ультразвука. Однако, более внимательно анализируя условия опыта, вы заметите, что отклонение крылышка радиометра может обусловливаться и действием ультразвукового ветра. Чтобы исключить влияние последнего, введите между вибратором излучателя н радиометром тонкую мембрану, препятствующую прохождению потоков воздуха.
Такой мембраной может послужить листок папиросной бумаги. Ясно, что поток воздуха — ультразвуковой ветер — через бумагу не пройдет, а на интенсивность доходяшей до радиометра ультразвуковой волны столь тонкое препятствие практически не повлияет.
Поэтому, если раднометр показывает налн. чие радиационного давления, а не ультразвукового ветра, его крылышко после введения бумажной мембраны должно опасть лишь незначительно, что и подтвердит ваш эксперимент. Все было бы очень хорошо, если бы акустический ветер образовывался только возле излучателя. Однако он возникает по всему объему среды, где существует ультразвуковая волна. Таким образом, поместив над вибратором тонкую мембрану, вы ослабили влияние ультразвукового ветра, но не исключили его совсем. Чтобы все же убедиться,что ваш прибор реагирует на радиационное давление, а не на что-либо иное, поступите следующим образом. Настроив генератор в резонанс с вибратором, добейтесь отклонения крылышка радиометра и выключите генератор.
После того как коромысло радиометра займет исходное положение, включите ультразвук. Крылышко немедленно отклонится. Следовательно, прибор реагирует на радиационное давление в ведь на образование акустического ветра необходимо заметное время, в течение которого придет в движение воздух. Радиационное давление можно обнаружить и в жидкости. В боковой стенке кюветы нз оргстекла проделайте отверстие и пластилином закрепите в 111 нем стеклянную трубку, надетую на вибратор излучателя. Сделать это нужно для того, чтобы уменьшить потери интенсивности прн введении ультраавука в воду (рис.
66). Далее изготовьте радиометр. Прежде всего сделайте диск, полностью отражающий ультразвук в жидкость. Для этого вырежьте из тонкой латуни два круга диаметром около 30 мм и спаяйте их по краю так, чтобы между ними осталась воздушная прослойка. Как вам уже хорошо известно, ультразвук практически полностью отражается на границе раздела жидкость — газ, и поэтому можно считать, что козфзрициент отражения в жидкости от диска;изготовленного описанным способом, равен единице. Пластилином или воском укрепите диск на стержне из медной Рис бб. Способ введении ультразвука в жидкость, ааполняюшую кюиету.
2 — феррятовыв вибратор, 2 †резинов колечко, расположенное.-кессрекнае Внбратора, а †отрез резиновой'трубки, 4 †стеклянн трубка, а †пласти- лин, б †кюве ия орсстекла с жидкостью. проволоки и припаяйте его к горизонтальной осн, вращающейся с небольшим трением в конусных подшипниках скобы из жести. Такие подшипники нетрудно получить, выдавив шилом углубления в жестяной полоске. К оси припаяйте горизонтальный рычаг, по которому могла бы перемещаться небольшая гирька из медной проволоки (рис. 67).
Опустив диск ралиометра в заполняуощую кювету воду так, чтобы он был расположен на расстоянии нескольких миллиметров перед вибратором излучателя,уравновесьте передвижением гирьки радиометр. Затем включите ультразвуковой генератор и пронаблюдайте за отклонением диска. Отметив перед началом опыта первоначальное положение диска, передвижением гирьки по.. горизонтальному рычагу радиометра вы можете цри включенном ультразвуке вернуть диск прибора в отмечен« !Р2 ное положение. Измерьте линейкой расстояние ! от гирьки до оси и Ь от осн до центра диска.
Взвешиванием определите вес Р вашей гирьки. Тогда, учитывая, что прибор находится в равновесии, можно записать уравнение РЬ= Р), где Р— сила, действующая на диск со стороны ультразвуковой волны. Поскольку плошадь диска Рис. 67.
К измерению радиационного давления ультразвука в жидкости. Коиструкияя рааиометра (о) и виешяий вид установки (б): у — полый латуаиый диск, .2 — стержень иэ иедиой проволоки, а — -гериэоятальиа» ось врэщсиия, а.— рычаг; 5 — груэико Клемма ва-передией стенке кюэетм предиаэиаееиа дая креплевия различима.приспсссблеиядг например. магаитосгрикциояяого излучатели иа .частоту З вЂ” !5 Мгц.
диаметром а) равна ЧепУ, отсюда для радиационного давления получаем 'формулу 5 = — = —. 4Р чР( о г лита ' (40) Таким образом, интенсивность ультразвука в жидкости (не забывайте, что мы считаем диск радиометра полностью отражающим) моагно рассчитать по формуле у Зос 2Р(с иг(2)) (41) Подставив в эту формулу экспериментальные данные, вы получите значение интенсивности ультразвука порядка нескольких десятых ватта на квадратный сантиметр. Ие нужно преувеличивать точность своих измерений, но по порядку величины вы получаете верные результаты. 1!3 Радиационное давление ультразвука ответственно еще за один акустический аффект второго порядка: ультразвуковой фонтан на границе раздела двух жидкостей или жидкости и газа.
Наблюдать «настоящий» фонтан на тех частотах и с теми интенсивностями ультразвука, с которыми вы имеете дело (без дополнительных средств, о которых речь пойдет ниже), довольно трудно, но обнаружить обусловленное радиационным давлением вспучивание поверхности жидкости вполне можно.
Налейте в баночку, укрепленную на вибраторе, как описано выше (см. рис. 56), немного воды так, чтобы торец вибратора находился на глубине 1 †2 под поверхностью жидкости. Подайте ультразвук максимальной интенсивности. Тогда вода над вибратором вспучится, образуя хорошо заметный ',У г бугорок. В опыте вместо воды лучРнс. Вз. ультра»арко»па ше использовать спирт.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
