yavor2 (553175), страница 17
Текст из файла (страница 17)
Звуковая волна, пройдя по наружному слуховому проходу, доходит до барабанной перепонки 1 и вызывает ее вынужденные колебания. Эти колебания проходят через косточки среднего уха 2, которые служат своеобразным усилителем, и поступают в овальное окно 3. Овальное окно вызывает колебания лимфы и через нее — колебания волокон улитки. Сильнее всего раздражаются волокна, собственная частота которых совпадает с частотой звука. Именно благодаря этому мы умеем различать тона и ощущать разницу в тембре.
По существу кортнев орган осуществляет спектральный анализ поступающей в ухо звуковой волны и передает соответствующую информацию в мозг, где она анализируется. 3. Благодаря двум ушам мы умеем определять направление на источник звука (бинауральный эффект). Дело в том, что если источник звука расположен прямо перед наблюдателем, то звук посту- пает в оба уха одновременно; если же он расположен сбоку (рис. 58.7), то звук водно ухо поступит раньше, чем в другое, и мы это запоздание воспримем как сдвиг по фазе.
Если источник отклонен на угол ~р, то разность хода /ъ = ба(п ~р, где бж20 см — расстояние между ушами. Запаздывание по вре- Рис. 58.7. менн т= Л/и=Из)пЧ~/иж5,9 10-' ып ~р. Мы уверенно различаем запаздывание по времени на 0,1 периода (сдвиг фаз 0,2п); при частотах около 1000 Гц это составит т„,„ж 10 ' с. Тогда наименьший угол ~р„,„определится из условия з)п ф„„„= 10-'/5,9 10- ° = = 0,17. Этому соответствует угол ~р„„„ж 10'. й 58.6. Особенности инфра- и ультразвуков 1.
Опыт показывает, что инфразвуки слабо затухают. Поэтому ослабление инфразвуковой волны вызвано только перераспределением энергии по возрастающему фронту волны, если волна близка к сферической. Если же источником является ветровое волнение моря, где длина фронта волны составляет сотни метров, то здесь интенсивность инфразвуковой волны мало меняется с расстоянием. По-видимому, у рыб и морских животных имеется чувствительность к ннфразвукам, благодаря чему они чувствуют приближение шторма. Мощные инфразвуковые волны, возникающие при шторме, практически без затухания распространяются в море на расстояния в сотни и тысячи километров и сигнализируют о его приближении.
2. Ультразвуковые волны характеризуются двумя отличительными особенностями: значительной интенсивностью и возможностью получить направленное излучение. Интенсивность ультразвуковой волны / ='/, рим'А'. Высокая частота позволяет получить волны с интенсивностями до 100 Вт/ем*=10 кВт/м' при использовании преобразователей из титаната бария; обычно на практике используется значительно меньшая мощность, 10 — 20 Вт/см'. При таких больших интенсивностях ультразвуковая волна влияет на свойства вещества н ход технологических процессов. Так, мощные ультразвуковые волны вызывают раздробление вещества (диспергирование), что применяется для получения очень тонких порошков, снятия ржавчины и жировых пленок с поверхности металлов, очистки тканей от устойчивых пятен и загрязнений.
С помощью ультразвуковых паяльников оказалось возможным лужение и пайка алючнння и некоторых иных металлов— ультразвук разрушает пченку окиси на поверхности алюминия и припой надежно соединяется с металлом. Помещая ультразвуковой преобразователь в сосуд, в котороч находятся две несмешивающиеся жидкости (например, вода и масло), получим через некоторое время однородную эмульсию с размерами частиц от долей микрона до нескольких микрон. Этот эффект может быть использован для получения новых типов лекарств путем создания водной эмульсии нерастворимых лекарственных веществ. 3. С помощью ультразвука можно производить механическую обработку материала — резание, шлифование, сверление и т.
и. Процесс резания заключается в том, что частицы абразива колеблются вместе с колебаниями режущего инструмента н отрывают частицы материала обрабатываемой детали. В зависимости от формы режущего инструмента в деталях получаются разные отверстия. 4. Обычно размеры преобразователя в несколько раз превосходят длину волны в той среде, куда излучается ультразвуковая волна В результате этого волна излучается более или менее узким конусом, раствор которого определяется формулой з1п 0 = ЫЭ (57.31).
На этом основано применение ультразвука в эхолотах и гидро- локаторах. В дно судна крепится ультразвуковой преобразователь, который посылает короткие ультразвуковые импульсы, длительностью порядка 0,1 с. Волна доходит до дна, отражается и принимается либо тем же преобразователем в промежутках времени между Рис. 58.8. излучением, либо специальным приемником. Отраженные импульсы записываются на ленту, н по заранее установленному масштабу глубина отсчитывается в метрах. Плавательные пузыри рыб заполнены воздухом, который хорошо рассеивает ультразвуковые волны.
Это позволяет с помощью эхолота обнаруживать косяки рыб. На рис. 58.8 изображена эхограмма 88 косяка ставриды у; темная полоса 1 — поверхность воды, наклонная полоса 2 — дио моря. 5. Широкое применение на практике нашли ультразвуковые дефектоскопы, работающие в импульсном режиме. Одна иэ конструкций такого дефектоскопа, предложенного С. Я. Соколовым, изображена на рис 58 9 Генератор излучает короткие импульсы с частотой несколько мегагерц.
Сигнал подается на преобразователь из Рис. 58.9. титаната бария (нли кварца) и излучается в исследуемую деталь. Одновременно на экране осциллографа наблюдается импульс— зубец. Волна, дойдя до нижней грани детали, отразится; ее принимает преобразователь. На экране осциллографа появится второй зубец.
Если на пути ультразвукового пучка окажется дефект, например, раковина, то волна от нее отразится, и зубец, соответствующий отраженному лучу, сместится. Так с помощью ультразвуковых дефектоскопов проверяется качество отливок, сварных швов и т. п. 6. Ультразвук используют также некоторые животные. Летучке мыши ориентир)ются в полете и ловят добычу, используя метод ультразвуковой локации (сонар).
Их голосовой аппарат излучает короткие ультразвуковые импульсы частотой от 20 до 60 кГц; отраженные от преград импульсы воспринимаются большими ушами, что позволяет животным определять, в каком направлении и на каком расстоянии находится преграда. Ультразвуковой локацией пользуются также дельфины, киты, а, возможно, и другие морские животные. Дело в том, что даже в прозрачной морской воде свет очень сильно поглощается, и радиус видимости ограничен буквально несколькими метрами. Ультразвук поглощается значительно слабее — для частоты 50 кГц толщина слоя половинного поглощения равна примерно 2,5 км, а для 100 кГц — порядка 100 м. Поэтому дельфины могут с помощью ультразвуковых импульсов хорошо ориентироваться даже в мутной воде„обнаруживать косяки рыб, обходить всевозможные препятствия, а также чпереговариватьсяэ друг с другом.
ГЛАВА 59 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ й 59.1, Скорость электромагнитных волн 1. В период с 1864 по 1873 гг. Максвелл занимался разработкой теории электромагиетизма. Ему удалось написать уравнения электромагнитного поля — систему дифференциальных уравнений, выражающих связь между векторами поля и его источниками: зарядами и токами. На основе этих уравнений он пришел к выводу, что в вакууме и диэлектриках произвольные возмущения электромагнитного поля распространяются в виде электромагнитной волны.
В 1887 †гг. Генрих Герц поставил ряд опытов, с помощью которых было доказано существование электромагнитных волн, а также показано, что их свойства таковы, как это следует из теории Максвелла. 2. Максвелл показал, что скорость электромагнитных волн в диэлектриках выражается через диэлектрическую а и магнитную р проницаемости вещества: (59.1) где с= 17~~ е,р,— скорость света в вакууме (940.4). На этом основании он прйшел к выводу, что свет — это тоже электромагнитная волна. Для всех веществ, за исключением ферромагнетиков, магнитная проницаемость мало отличается от единицы (Я 42.4, 42.5).
Полагая поэтому в (59.1), что р = 1, получим выражение для скорости распространения электромагнитных волн в диэлектрике: и=— (59.2) г' е $59.2. Плоская синусоидальная волна 1. Вдали от источника, совершающего синусоидальиые колебания с круговой частотой ы, волну можно рассматривать как плоскую. Пусть волна распространяется вдоль оси абсцисс. Тогда уравнение волны запишется так: Е =-О, Н„=О, Е„=О, Н„=Н,соз(м( — йх), (59.3) Е,=Е,соз(а1 — йх); Н,=О. График этой волны показан на рис. 59.1. Здесь волновое число й= мlи (56.6), где и — скорость волны (59.2).
2. Как видно, вдоль оси абсцисс, по которой волна распространяется, не происходит колебаний векторов поля (Е„ = Н = 0). Это означает, что электромагнитная волна является поперечной. 90 Этим она принципиально отличается от упругих волн, у которых практически всегда имеется продольная составляющая. Еще до работ Максвелла было известно, что свет — чисто поперечная волна (9 64.4). Это вызывало огромные трудности в волновой теории света Гюйгенса — Юнга — Френеля, где свет рассматривался как процесс в упругой среде,— нельзя было понять причину отсутствия у света продольных составляющих.
Электромагнитная теория света эту трудность устранила. Рис. 593. 3. Из уравнений Максвелла следует, что модули векторов поля Е и Н у электромагнитной волны связаны соотношением рр,Н' = ее,Ее. (59.4) Следовательно, объемные плотности энергии каждой из составляющих электромагнитной волны совпадают: сэ,=ю (9 43.11). Если две величины равны друг другу, то каждая из них равна корню квадратному из их произведения. Итак, Геееде яР„Не ЕН юе =сви =) юе'н~и = ~ 'и ' ~ = 9 ) еее(сРо (59.5) Учитывая выражение (59.1) для скорости волны, получим юг= %и= ЕН (59.6) 4. Плотность энергии волны: ЕН ~е+с и (59.7) Согласно определению (9 55.3) интенсивность волны 7 = Р73 = щи, где ю — среднее значение плотности энергии.
Учитывая (59.7), получим (=ЕН. (59.8) Итак, интенсивность энергии электромагнитной волны равна среднему значению произведения модулей векторов поля. Электромагнитная волна, как и упругая волна, является носителем энергии, причем перенос энергии совершается направленно, в сторону распространения волны. Отсюда неизбежно следует, что электромагнитная волна должна также обладать импульсом, а поэтому оказывает давление на тела. Этот вывод и был сделан М аксвеллом в его «Трактате по электричеству и магнетизму» (!873 г.).
9 59.3. Световое давление 1. Происхождение светового давления можно пояснить на примере воздействия электромагнитной волны иа лист металла (рис. 59.2). Под действием электрической составляющей поля электрон движется в направлении, противоположном направлению вектора напряженности электрического поля Е, соскоростью и= т Е (39.25), где у— ел электропроводность металла, и — концентрация электронов проводимости. Магнитная составляющая паля действует на движущийся электрон с силой Лоренца (41.1): Е =епВ = реепН. Как видно, электромагнитное поле действует на каждый электрон с силой Р„= !"т ЕН, которая согласно Рис.
59.2. (59.7) пропорциональна плотности энергии поля. Давление волны на пластинку равно произведениюсредней силы Р на числоэлектронов а„находящихся на единице площади: (59.9) где К вЂ” характерная для данного вещества постоянная. 2. Максвелл показал, что давление электромагнитной волны р = (1+ Е) ги, (59.10) где Я вЂ” коэффициент отражения. Для зеркальной поверхности )т'„э, = 1 и р„р„—— 2гп; для черной поверхности, которая полностью поглощает излучение, гт'„р„—— 0 и р„р„— — гп. Вывод формулы (59.10) будет приведен в 9 68.5. Итак, хотя выражение (59.9) и было получено с помощью элементарных рассуждений, оно правильно передает зависимость светового давления от объемной плотности энергии волны.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
