Майер В.В. - Простые опыты с ультразвуком (1040531), страница 4
Текст из файла (страница 4)
в стержне устанавливается стоячая звуковая волна, получающаяся в результатеинтерференции падающей на второй конец стержни и отраженной от него волн (рис. 6, б). Если стержень возбуждается на основной собственной частоте, то на нем укладывается половина длины волны звука, так что в середине стержня образуется узел смещений стоячей волны. Именно это позволило закрепить вибратор в каркасе обмотки возбуждения за его середину (см. рнс.
5). Крепление вибратора сделано мягким потому, что при жестком креплении меньше потери энергии, и при резонансе амплитуда колебании настолько возрастает, что ферритовый вибратор сразу терпит излом. 18 Со стоячей ультразвуковой волной мы еще будем иметь возможнос~ь познакомиться подробнее, а сейчас необходимо приступить к настоящей проверке магнитострикционного излучателя, Подключите, как описано выше, излучатель к генератору типа ГЗШ-63. На верхний торец феррвтового вибратора положите лезвие безопасной бритвы (рис. 7).
Включите генератор и, дав ему прогреться, постепенно увеличивайте частоту переменного тока, проходящего по обмотке возбуждения. Вы услышвтс, Рутс. У. Опыт, иллюстрнрующиут рсвонан.кое возбуждение коле- бания ыагнитострикцнонного вибратора.
Леввне нв тор.е внбрвторе служит индикаторны улырвенукаеыл колебании как повышается тон слабого звука, издаваемого излучателем. 1-!ачиная с частоты около 15 кГц, вы почти перестанете воспринимать этот звук. Однако, как только вы достигнете частоты порядка 19 кГц (если опыт проводится с излучателем, вибратор которого имеет длину 140 мм), вы услышите резкий дребезксащий звук, издаваемый лежащим на вибраторе лезвием.
Попробуем объяснить наблюдаемое явление. За счет чего появляется дребезжание лезвия? По-видимому, если вибратор колеблется, а лежащее на нем лезвие не успевает совершать колебания вместе с вибратором, то торец вибратора будет то ударять по лезвию, то уходить от него, и тогда возникает 19 дребезжащий звук. Но почему нет э~ого звука при частотах, отличных от !9 кГц? Видимо, следует предположить, что амплитуда колебаний вибратора на всех других испытанных вами частотах много меньше, чем на частоте 19 кГц, и лезвие успевает совершать колебания вместе с вибратором. Проверьте правильность этих рассуждений. Уберите с вибратора лезвие и вновь медленно подводите частоту к тому ее значению, при котором ранее появлялся дребезжащий звук. Как только вы достигнете его, вы почувствуете давление на барабанные перепонки, а звука по-прежнему слышать почти не будете. Это вновь говорит о том, что при найденной частоте вибратор излучателя колеблется со значительной амплитудой, возбуждая в воздухе почти неслышимую ухом, но воспринимаемую им ультразвуковую волну.
Итак, из выполненного опыта следует, что, вопервых, для получения с помощью данного магннтострикционного излучателя ультразвука максимальной интенсивности следует возбуждать вибратор на одной из собственных частот и, во-вторых, изготовленный вами излучатель работает так, как нужно. Найденная в опыте частота 19 кГц является основной собственной частотой вибратора длиной 140 мм. В этом нетрудно убедиться, если попробовать добиться резонанса на более низкой частоте.
Теория показывает, что амплитуда колебаний вибратора, возбужденного на основной частоте, больше амплитуды колебаний на любой нз гармоник. Поэтому во всех описанных ниже опытах вибратор излучателя совершает колебания именно на основной собственной частоте. Задание 2, Ультразвуковые колебания магнитострнкционного вибратора, возбуждаемого на основной собственной частоте, неслышимы, и это может в какой-то степени препятствовать уяснению сути разбираемых здесь явлений. Поэтому попробуйте поставить опыты, аналогичные описанным, в звуковом диапазоне частот.
Левой рукой возьмите за середину стеклянную трубку диаметром около б мм н длиной примерно 20 60 см. Зажатой в правой руке полотняной тряпочкой., смоченной спиртом или одеколоном, плавно без особого нажима проведите по трубке от ее конца к середине, При этом вы услышите довольно сильный чистый звук, Выясните, появляется ли звук, если возбуждаемую трением трубку держать не за середину. Определите на слух, как зависит частота звука от длины трубки. Задание д.
Закрепите вибратор магнитострикционного излучателя не за середину, а вблизи одного из его концов. Как при этом изменяется амплитуда колебаний вибратора? Повторите опыт с одним из описанных ниже самодельных ультразвуковых генераторов. (20) 2! с = ((стг. Бегущая синусоидальная волна представляет собой распространяющиеся с постоянной скоростью области сжатий и разрежений среды, Если волна в среде распространяется без изменения своей формы, то, очевидно, с той же скоростью в среде будет распространяться мгновенный им- С пульс сжатия или разреже- Рнс 3. К вызову формулы ния.
Таким образом, вме- ллн скорости звуке в упрусто того, чтобы искать ско- том стержне. рость распространения звуковой волны (это несложно, но требует знания специальных разделов высшей математики), достаточно найти скорость движения в среде короткого импульса сжатия или разрежения.
Пусть по торцу бесконечно длинного упругого стержня производится удар так, что сила Р действуег в течение малого промежутка времени И. За время М торец сместится на расстояние Л1 (рис. 8), в результате чего окажется деформированным кусок стержня длиной й Скорость перемещения деформации по стержню Очевидно, это н есть искомая скорость распространенна упругой — звуковой — волны в стержне.
К концу времени Л1 все частицы отрезка стержня длиной 1 приобретут под действием импульса силы ЕЛ1 одинаковую скорость и = Л1/Л1. Это нетрудно представить себе, если вспомнить, что происходит прн толчке паровоза о состав: импульс сжатия с большой скоростью бежит вдоль состава (о его скорости можно судить по последовательному лязгу буферов вагонов), и те ва~оны, до которых дошел импульс, приобретают небольшую скорость в направлении толчка.
Согласно законам динамики импульс силы равен изменению количества движения (21) где ш — масса отрезка стержня длиной 1. Если сечение стержня и его плотность равны соответственно 3 и р, то т = р51. (22) По закону Гука деформирующая сила г численно равна силе упругости г = йЗЛ1/1, (23) где Й вЂ” модуль упругости (Юнга). Подставляя значения т и г из выражений (22) н (23) в формулу (21), получим АБ — Л1 = рЯи.
М Пользуясь тем, что с = 11Л1 и и = Л1/Л1, из последней формулы для скорости звука имеем с =.~й~р. (24) Итак, скорость звука в упругом стержне пропорциональна корню квадратному из модуля упругости, деленного на плотность среды. Раньше эта формула была дана без вывода (см. (8)). Отсюда следует, что путем измерения скорости звука можно определять упругие характеристики вещества. Чтобы понять, как это делается, вычислим модуль упругости феррнтового стержня.
Из опыта вы нашли, 22 что основная собственная частота ферритового впбратора длиной 140 мм равна 19 кГц. Следовательно, по формуле (18) скорость звука в феррите се = 21/ = 2 ° 14 ° 19 ° 102 = 5,32 ° 10' си/с. Плотность феррита примерно равна 4,7 г/см'. Отсюда модуль упругости для феррита й=-рс'= 13,3 ° 10м дин/смз. Зная модуль упругости и плотность, можно решить обратную задачу определения скорости звука в стержне.
А по известным скорости звука и длине вибратора можно определить частоту ультразвуковой волны. Таким образом, вы располагаете одним пз способов градуировки самодельного ультразвукового генератора по частоте, Задание 4. Из листа никеля толщиной 0,1 — 0,2 мм вырежьте полоску шириной около ! см и длиной 12 †!7 см. Вырезать полоску следует либо под углом 45", либо в направлении проката никелевого листа. Полоску изогннте вдоль ее длины и вставьте внутрь каркаса обмотки возбуждения магннтострнкционного излучателя. Пользуясь школьным звуковым генератором типа ГЗШ-63, определите модуль упругости и скорость распространения звука в никеле (плотность никеля р = 8,8 г/смз).
упьтРАзаукОЕОЙ генеРАтОР нА ГРАнзмстОРАх Школьный звуковой генератор типа ГЗШ-63 можно использовать лишь для постановки самых простых опытов с ультразвуком низкой частоты. Поэтому нигке дано описание простого н надежного транзисторного ультразвукового генератора. Принципиальная схема генератора изображена на рнс. 9. Прибор собран на низкочастотных транзисторах и состоит из двух каскадов: задающего генератора на маломощном транзисторе 71 и усилителя, собранного на транзцсторе Г2. Задающий каскад представляет собой автогеиератор с индуктивной обратной связью. Частота 23 генератора определяется параметрами колебательного контура, состоящего из катуни(и индуктивности Е! (первичной обмотки высокочастотного трансформатора Тр21 и конденсатора С2. Плавная настройка генератора на нужную частоту осуществляется перемещением внутри обмоток трансформатора ферритового сердечника (изменением индуктивности ко)пурной Тдг %1 )071 Ги -гг()() г(7-Л7(7 Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
