Майер В.В. - Простые опыты с ультразвуком (1040531), страница 22
Текст из файла (страница 22)
133 Как правило, кавитационные пузырьки долго не живут: уже следующая за разрежением фаза сжатия приводит к захлопыванию большей их части. Поэтому кавитационные пузырьки исчезают практически сразу вслед за прекращением облучения жидкости ультразвуком. При захлопывании кавитационного пузырька возникает ударная волна, развивающая гройиадпые давления. Если ударная волна встречает на своем пути препятствие, то она слегка разрушает его поверхуюст~,, Поскольку кавитационных пузырьков много и захлопывание их происходит много тысяч раз в секунду, гуааууаалаагга пг лаге-:.ятг над Рис.
85. Схемы установок для визуального наблюдения ультразвуковой кавитапии перпендикулярно к световому пучку (о) и иод у~лом к нему (б) ! — проекнионный аппарат. 2 — обьектив, двюпсий параллельный пучок свете 3 — теыиый Фон (лист черной бумаги), 4 — вибратор ннекочастотного мвгнчтострнкнионного неву чатела, а — провречная кювета с дистиллированной водой. кавитация может произвести значительные разрушения. Собственно кавитация была впервые обнаружена при изучении быстрого движения твердых тел внутри жидкости. Огромную разрушающую силу этого явления почувствовали в первую очередь инженеры, испытывающие гребные винты судов. При большой скорости вращения лопастей винта происходит образование кавитационных пузырьков, аналогичное тому, которое 134 имеет место при распространении ультразвуковой волны.
Кавитация приводит к разрушению материала,' из которого изготовлены гребные винты. В этом смысле кавитация — вредное явление. 'Однако создание ультразвуковых генераторов сделало возможным управление кавитационным процессом, а значит, и полезное применение его на практике. Для непосредственного наблюдения ультразвуковой кавитации соберите установку по схеме, изобрах(енной на рис. 85.
Перед темным фоном расположите склеенную из оргстекла (или изготовленную иным способом) прямоугольную кювету размером 30 Х 60 Х Х 80 ммз и осветите ее сбоку параллельным пучком света, выходящим из объектива проекционного аппарата. В кювету налейте дистиллированную воду и погрузите в нее на глубину порядка 1 см вибратор магннтогтрнкционного излучателя, обеспечивающего получение ультразвука низкой частоты. Наблюдения проводите в направлении, перпендикулярном к направлению распространения светового пучка.
Включите генератор и настройте его в резонанс с вибратором. При этом возникает резкий шипящий звук — уже знакомый вам кавитационный шум — и вблизи торца вибратора появляется небольшое белесоватое облачко, состоящее из кавитационных пузырьков (рис. 88). Выключите генератор; кавитационное облачко и шум немедленно пропадают. Из опыта следует, что появление шума при работе вибратора в жидкости непосредственно связано с появлением кавитационного облачка.
Белесоватое облачко, которое вы наблюдали на опыте, состоит из мельчайших кавитациоиных пузырьков, видимых непосредственно глазом на темном фоне благодаря тому, что они сильно рассеивают свет. Характерный шум, появляющийся и исчезающий вместе с облачком„объясняется примерно тем же, что и шипение воды в чайнике перед ее закипанием: захлопываясь, кавитационные пузырьки порождают звуковые импульсы в большом диапазоне частот, т. е. шум. Мгновенное исчезновение кавитационного облачка при выключении ультразвука свидетельствует о том, что в опыте наблюдается истинная кавитация. Существует явление ультразвуковой дегазации 135 жидкости, прн котором под воздействием ультразвука также появляются пузырьки, но не исчезающие сразу по выключении ультразвука и, следовательно, не имеющие ничего общего с кавитационными.
Внимательно рассмотрите кавитационное облачко. Расположите вибратор излучателя в воде под углом около 45" к горизонту так, чтобы сбоку был виден его торец. Вы заметите, что кавитационное облачко неоднородно: вблизи центра торца оно имеет вид Рис.
66. Кавитациоииое облачко вблизи торца вибрлтора. Фотографач получена в опыте, псставлепном по схеме, паображенпой ~ а рнс аа. б Прххеняюпаяся в опыте кювета состшп пч двух стеклянных пластхнок, между которыми проложена проклалка пв реепповой трубки и которые сжаты по оернметру с помощью обоймы пе дюраля н четырех боттов с гайкннн. В опыте можно нспольаовать лросго стакан алн проверку (глвх гораздо лучше замечает яалснпя, чюм объектна фотоаппаратах небольшой плотной области; по плоскости торца кавитационные пузырьки распределяются в виде своеобразной, похожей на многоконечную звезду фигуры.
Удалите из каркаса обмотки возбуждения вибратор излучателя и мелкой шкуркой тщательно зачистите его торец. Погрузите вибратор зачищенным концом в воду и добейтесь появления ультразвуковой кавитацни, После пятиминутной работы излучателя прн макслмальной интенсивности ультразвука выньте из каркаса вибратор н рассмотрите его торец. По всей поверхности торца вы обнаружите более илн менее сильнййе разрушения: на торце оказывается как бы выгравированной та звездообразная фигура, которую вы наблюдали раньше в опыте с кавитацпонным об- 136 начком. Результат опыта свидетельствует об огромной разрушающен силе ультразвуковой кавитации. Получите кавнтационное облачко в кювете, заполненной глицерином.
Выключите в комнате свет н, подождав несколько минут, чтобы глаза привыкли к темноте (адаптировалнсь на темноту), посмотрите в направлении торца внбратара. Вы заметите небольшую светящуюся область синеватого оттенка, Из опыта следует, что некоторые жидкости люминесцируют под действием ультразвука. Обнаруженное вами явление так и называется: сонолюминссценция. Теория этого интересного явления разработана еше далеко не полностью. Согласно одной из гипотез сжатие кавитационных пузырьков при захлопывании приводит к сильному нагре- У С ванию и свечению содержащегося в них газа. По дру- -=.-л:- гой гипотезе свечение газа в кавитационных пузырьках обусловлено электрически- Рб' ЗУ Схеме Уетановггб ми разрядами.
Одно ясно: несценцчи. сОнолюминесценция НЕПО г — вибратор ннвиоваетотного из средетвЕннО Свяэаиа С улЬ- ауаателв, 2-кювета е гаг"церн. нои. 3 в лупа, паведеиваи нв то- траЗВУКОВОЙ КаВИтацнсй. рец вибратарв, 4 — глаз набвюЧтобы опыт по наблю- датеаи, дснню сонолюминесценции прошел без особых осложнений, дадим несколько советов.
Свечение глицерина под действием ультразвука незначите.чьно по яркости, поэтому вначале вам его будет трудно обнаружить. Дело осложняется еще н тем, что в полной темноте нет привычных ориентиров и трудно направить взгляд туда, куда нужно. Чтобы облегчить наблюдения, на свету*перед кюветой расположите лупу, через которую будет виден торец вибратора (рис. 87). Далее, получив в полной темноте Ультразвук максимальной интенсивности, приблизьте глаз к лупе. После того как вы увидите люминесценцию глицерина в виде синеватого свечения, лупу можно убрать.
Более того, когда вы будете точно знать, что нужно увидеть, вы сумеете обнаружить сонолюминесценцню и при сравнительно плохом затем. ненни, 1зу Вы уже убедились, что кавитацня является одной нз важнейших физических причин ряда явлений, которые происходят в жидкости при облучении ее ультразвуком. К одному из таких явлений относится ускорение химических реакций под действием ультразвука. Разотрите 0,5 г крахмала, слегка увлажненного водой, в тонкую пасту и введите ее при непрерывном помешивании в 200 мл кипягцей воды. Кипятите раствор несколько минут и затем охладите до комнатной температуры.
В стеклянный пузырек налейте равные порции приготовленного раствора крахмала, 207а-ного раствора йодистого калия и добавьте туда каплю четыреххлористого углерода. Пузырек закройте пробкой и, сильно встряхивая и взбалтывая его содержимое, добейтесь равномерного распределения в растворе четыреххлористого углерода. Полученным составом заполните до высоты 1 — 2 см тонкостенную пробирку. На поверхность вибратора несимметричного магнитострикционного излучателя, обеспечивающего получение ультразвука частотой 1 МГц, нанесите капл1о трансформаторного или иного масла.
Пробирку с приготовленным составом поместите ее дном в каплю. Включите генератор и настройте его в резонанс с вибратором. Спустя 20 — 40 с после начала облучения мутный белесоватый раствор впробиркестанеттемнофиолетовым. Результат опыта объясняется тем, что при облучении ультразвуком водного раствора четыреххлористого углерода в нем образуется свободный хлор, который замещает в йодистом калии йод.
Выделяющийся при этом йод взаимодействует с крахмалом и окрашивает раствор в синий или фиолетовый цвет. Экспериментально установлено, что реакция наиболее интенсивно протекает при частотах порядка 300 кГц, причем выделение йода происходит в пучиостях давлений стоячей ультразвуковой волны, возникающей в растворе.
Задание 4б. Поместив рядом с работающим в воде излучателем тонкую алюминиевую фольгу, еще раз докажите разрушающее действие ультразвуковой кавитации. Повторите опыт, используя вместо воды 10%-ный раствор едкого калия. Сравните результаты экспери. ментов. диФРАКция сВетА нА ультРАзвукОВОЙ ВОлне Выше неоднократно отмечалось, что ультразвуковая волна представляет собой сжатия и разрежения, распространяющиеся в упругой среде. Можно ли непосредственно с помощью соответствующего эксперимента доказать это утверждение? Пусть ультразвуковая волна распространяется в жидкости.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
