Майер В.В. - Простые опыты с ультразвуком (1040531), страница 20
Текст из файла (страница 20)
Помещая линзовый сосуд на вибратор, нужно следить за тем, чтобы масло не попадало на нижнюю поверхность вибратора. 120 Налейте в линзовый сосуд немного дистиллированной воды, включите генератор и настройте его в резонанс с вибратором. На поверхности воды вы заметите довольно большую область вспучивания. Г1остепенно добавляя воду в сосуд, вы увидите,как размеры области, в которой происходит вспучивание повсрхности, уменьшаются, появляется небольшой бугорок, он растет, из его центра начинают вылетать брызги и, наконец, образуется мощный ультразвуковой фонтан! Если и дальше добавлять воду,то высота фонтана постепено уменьшится, затем он исчезнет и наблюдается вновь лишь область вспучивания поверхности воды. На рис.
73 представлены фотографии ультразвуковых фонтанов, полученных в воде с помощью несимметричного ультразвукового излучателя на частоту 1 МГц Какие выводы следуют из этого опыта? Во-первых, линза из оргстекла действительно фокусирует распространяющуюся в воде ультразвуковую волну. Во-вторых, опыт показывает, что существует явление преломления ультразвуковой волны на границе раздела между жидкостью и твердым телом. В-третьих, из опыта можно сделать заключение, что скорость ультразвука в оргстекле действительно больше, чем в воде. В экспериментах по фокусировке ультразвуковой волны вместо дистиллированной воды можно использовать прокипяченную воду.
Применять водопроводную воду нежелательно: в ней растворено значительное количество воздуха, и интенсивность ультразвука в такой воде будет ма,ка. Фонтан получится еще выше, если применять керосин или спирт. Из формулы (48) следует, что интенсивность ультразвука в фокусе линзы возрастает с уменьшением длины ультразвуковой волны, или увеличением ее частоты. Высота фонтана определяется величиной радиационного давления ультразвука на поверхность жидкости, а последняя однозначно связана с интенсивностью. Таким образом, высота фонтана может служить мерой интенсивности ультразвука.
На рис. 74 представлены фотографии ультразвуковых фонтанов, полученных с помощью магнитострикционного излучателя на частоту 3 — 5 МГц. Высоты 121 Рис 73. Ультразвуковые фонтаны, полученные с помогпьго магнитострикциоиного излучателя на частоту 1 МГц. Любопытно, что фонтан исегаа бьет и егорг* и от обмопы аоабуидсина несимметричного получатели. Па фотографии хоро;оо сидне, -.о капаю иа фонтана вылетают почти со строгой периодичностью. их примерно в трн раза больше, чем высоты фонтанов, изображенных на рис.
73. Не следует преувеличивать доказательность опытов с получением фонтана на разных частотах. Чтобы выводы из таких опытов были строгими, необходимо обеспечить равенство интенсивностей ультразвука, Рне. 74. Ультрззвуковые фонтаны (частота ультразвука 3 — 5 МГц) при хоРошей наладке установнн высоте фоатана достнгаетзо-40 см.
Фонтан бьет вертннально вверх (симметричный иелуеательь Фонтвнироваане сонро- вождаетсв интенсивным обраеоввниеы тумана (вероналах даваемого магнитострикционными излучателями разных частот. И все же качественно зти опыты подтверждают зависимость интенсивности в фокусе линзы от длины ультразвуковой волны. Задание 40. В линзовый сосуд, помещенный на вибратор высокочастотного магнитострикцнонного излучателя, налейте дистиллированную воду так, чтобы ее поверхность была значительно выше фокальной плоскости линзы. В воде размешайте небольшое количество крахмала. Включите ультразвук 123 и пронаблюдайте фокусировку ультразвуковой волны линзой (рис.
75). Задание 41. Может случиться так, что вы не сможете воспользоваться сверлильным станком для нзго. товления ультразвуковой линзы. Разработайте метод и, пользуясь им, нзготовьте ультразвуковую линзу из зубопротезной пластмассы «Протакрил» или из эпоксидной смолы. УЛЬТРАЗВУКОВОЙ кФОНТАН НАОБОРОТ» н другма мнтграсныа явления Оценим величину радиационного давления на границу раздела двух сред. Для этого воспользуемся правдоподобным физико-математическим рассуждением. Оно позволит вам уяснить суть дела и получить верный окончательный результат.
В справедливости найденного результата вы сможете убедиться, поставив соответствующие опыты. Пусть на границу раздела двух сред с акустическими сопротивлениями рас1 и ргсг нормально падает ультразвуковой пучок (рис. 76). Во второй среде распространяется Рис. ТБ, Фокусировка пРохоДЯЩан ультРазвукОваи ультразвуковой волны волна, в которой частицы сре- линзой. ды колеблются с максимальв ° У * "'" У""Р" ной скоростью Ц . По закону звук распроссракпстсп шпро- р пр.
кпм пучком <см. рпс. РЗ). БЕРНУЛЛИ Давлсиис ВиуТРИ ПУЧ- ка проходящей волны меньше, чем в окружающей пучок среде, на величину '/грг(/::,р. В первой среде в одном и том же пучке, но в противоположных направлениях распространяются одновременно падающая н отраженная волны. Если максимальные значения колебательных скоростей этих волн обозначить (/пвн и (/оур то можно записать, что давление в рассматриваемом ультразвуковом пучке меньше давления в окружающей его среде на величину '/Тра(1п,п + '/Тра(т'„р.
Гндростатическое давление 124 в обеих средах, очевидно, можно считать одинаковым, поэтому радиационное давление на границу раздела сред равно З = '/ р,(Р„„+ 'й 1(7'.,„— М,(7,'„. Вспоминая, что '!трУт = Е (см. формулу (10)), получаем, что радиационное давление на границу раздела сред выражается через средние плотности энергии формулой Е = Едад + Еотр Епр.
(49) Эта формула включает в себя формулы (37) н (38) как частные случаи. Действительно, если ультразвук падает на полностью поглощающее или полностью отражающее препятствие, то внутрь препятствия волна не проникает и Е р —— О. Для полностью поглощающего пре- Р~ ст пятствия Е, „= 0 и из (49) мы получаем формулу (37), Если препятствие полностью отражает ультразвук, то Епад = Еотр и из (49) получается выражение (38).
Поскольку Еотр = аппп где !т' — коэффициент отРаже- Р„п,те. к выводУ фаР. ния, формулу (49) можно за- мулы радвацвовпото даписать в виде вдвввп на Градину рав- д=(1+!7)Е„„— Еп„. (80) Интенсивности падающей, отраженной и проходящей волн связаны соотношением 7пад = )т(пад+!пр. Учитывая, что У = сЕ (см. (11) ), имеем с1 (1 — К) Епяд = стЕпр* Подставляя найденное из последней формулы значение Епр в выражение (60), окончательно получаем, что радиационное давление на границу раздела сред равно о ~1 и, +Е(1+ п1 )~Е Полученная формула почти так же красива, как те физические явления, которые она описывает.
Особую прелесть ей придает знак минус перед !25 отношением с,(са: он показывает, что в некоторых условиях радиационное давление может быть отрицательным. Физически это означает (вернитесь к исходным посылкам приведенного вывода), что радиационное давление может быть направлено навстречу падающему па границу раздела двух сред ультразвуковому пучку! В табл. 1 приведены значения радиационного давления (при Еи,д = 1) для некоторых пар распростра неппых жидкостей. Значения 5 рассчитаны в вредно.
ложении, что ультразвуковая волна падает на границу раздела из жидкости с большей плотностью. Таблица 1 Этилоаыа Керосин траисйор. матерное масло Глитерин иода 05 Четырсххлорисгыа углерод 0,Зб 0,37 — О,!б ~ — О,!З ~ — 0,!! ~ — 0,!! Глицерин ! — 0,04 ~ — О,!О ~ — 0,15 Трансформатор- ~ нос масло — 008 ~ -015 ~ — 0,00 Керосин Индикатором радиационного давления может служить ультразвуковой фонтан: его величина и направление могут характеризовать величину н направление радиационного давления.
Поскольку интенсивность ультразвука, даваемого простыми генераторами и излучателями, обычно недостаточна для образования заметного фонтана, ультразвуковой пучок следует сфокусировать линзой. Удобные для постановки описанных ниже опытов жидкости либо растворяют оргстекла, либо сильно загрязняют его.
Поэтому линзовый сосуд лучше изготовить из стеклянной трубки подходящего диаметра с отогнутыми, как у пробирки, краями. Способ крепления линзы нз оргстекла 126 показан на рис. 77. Такой линзовый сосуд обладает тем преимуществом, что вышедшую нз строя в результате растворении какой-либо жидкостью линзу (а в ультразвуковом поле процесс растворения идет гораздо быстрее!) можно легко и быстро заменить новой. Техника проведения опытов по радиационному давлению достаточно проста: в линзовый сосуд слоями наливают жидкости, на границах раздела которых будет изучаться ультразвуковой фонтан, и, обеспечив акустический контакт, помещают сосуд его дном на вибратор излучателя, дающего ультразвук частотой 1 — 3 МГц. Для получения фонтанов наибольших размеров необходимо экспериментально подобрать оптимальную толщину слоев жидкостей.
Этот подбор следует произвести, ,учитывая то,что границы раздела жидкостей, получающиеся в виде менисков, сами фокусируют ультразвук. Поскольку вгр жидкости, перечисленные в табл. 1, достаточно Рнс. 77. Чертеж л"ивового сопроз ачны и бесцветны, суда. Р Р 1 — егеклнннан трубка е отогнутыми Ту, ИЗ КОТОрпй бЬЕТ уЛЬ- кринки, 2 — реаиноное кольцо тол- 1 раэяуКОВОй фпитап жс щннор 1. -2 <м, ' 2 — щерба а г нлательно окрасить. В линзовый сосуд поверх подкрашенного краснымн чернилами для авторучек и слегка разбавленного водой спирта наливают керосин (спирт следует разбавлять лишь до такой степени, чтобы он тонул в керосине; обычно бывает вполне достаточно подкрасить его). При прохождении ультразвуковой волны наблюдают фонтан, направленный из спирта в керосин (рис.
78). В линзовый сосуд последовательно налейте трансформаторное масло, подкрашенный спирт и керосин. Прн включении ультразвукового генератора можно одновременно увидеть три фонтана (рнс. 79): из спирта в масло (раднационное давление отрицательно), из спирта в керосин и из керосина в воздух (раднационные давления положительны). Еще две фотографии фонтанов на границах раздела указанных жидкостей 127 при частотах 1 ~а) и 3 Мгц (б) приведены иа рис. 80 (кстати, эти фотографии дают наглядное представле- Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
