Не смотрите,что для педВУЗов.см на год(1965).Изучение начать с 6 страницы.Счастливой ботвы! (971242), страница 82
Текст из файла (страница 82)
Изменение размеров пластинки под действием электрического поля называется обратным пьезозаектричееким эффектом. 423 На рисунке 300 схематически изображен кристалл кварца н его так называемые кристаллографические оси х, у и г; показано, как вырезается из кварца пластинка так называемого Х-среза (плоскости которой перпендикулярны оси х), а также положение пластинки между электродами (металлические пластины или нанесенный на поверхность кварца слой серебра). Если сжать пластинку вдоль оси х, то с одной ее стороны возникнут положительные заряды, с другой — отрицательные.При растяжении заряды поменяются местами.
Величина заряда на пластинке прямо пропорциональна приложенной силе. Прямой пьезоэлектрический эффект используется в приемниках ультразвуковых и звуковых колеба- Рис. 200. Получение пластинки Х-среза. ннй. Если подать напряжение, возникающее под действием звукового давления на кварце, через усилитель на соответствующий электроизмернтельный прибор (скажем, на осциллограф), то можно измерить давление, действующее на кварц, и сделать видимыми или даже записать колебания давления. Для получения ультразвука используется обратный пьезоэлектрический эффект.
Если частота колебаний напряжения, приложенного к пластинке, совпадает с собственной частотой ее колебаний, то наступает резонанс и амплитуда вынужденных колебаний пластинки достигает максимума (примерно 10 ' мм). В пластинке устанавливаются продольные стоячие волны грис. 301). На рисунке 302 схематически изображено положение волн в кварцевой пластинке и расположение зарядов.
На концах пластинки образуются узлы, поэтому внутри нее должно укладываться целое число полуволн. Колебания, как видно из схемы, возникают, когда в пластине укладывается нечетное число полуволн, так как при четном числе полуволн на обеих сторонах пластины был бы один знак электрического заряда. Следовательно, частоты, которые может излучать пластинка, определяются из соотношения: (17А1) 21 где п=0,1,2, 424 Рис. ЗО!. Стоячие волны в кварце (фотография теневым методом). Рис. 302. К расчету собственной частоты пластинки.
И собственная частота пластинки: 2! (17.42) Так как скорость распространения упругих волн в кварце с = 5600 мосек, то 2800 ч = — кгц, ! (!7.43) 4 8. АКУСТИЧЕСКИЙ РИЗОНАНС При передаче колебаний источников звука для увеличения их мощности используется явление резонанса. Если привести в колебание натянутую нить, звук ее почти не слышен, но, если один конец нити закрепить в крышке спичечной коробки, звук становится отчетливо слышен.
Камертон в руке 428 Предел получению высоких ультразвуковых частот на основной частоте пластинки ставит ее практически возможная толщина. Пластинка тоньше 0,05 мм легко разрушается. Поэтому частоты выше 5,? !Оа гц получают не на основной частоте, а на так называемых гармониках, соответствующих обертонам. При этом интенсивность излучения резко уменьшается.
На гармониках удалось возбудить колебания пластинок с частотой порядка 10' гц. Кварцевые пластинки создают волны сравнительно небольшой интенсивности. Например, пластинка 10 10 1,6 см при частоте 40 кгц излучает в жидкость или в твердое тело около 1 квт энергии. Для получения ультразвука большей интенсивности (порядка 10 квт с 1 см' площади пластинки) используют магнитострикционные излучатели (ряд металлов и сплавов — железо, никель и др.
обладает свойством сжиматься и растягиваться под действием магнитного поля; это явление называется магнитострикцией). звучит едва слышно, но, если его поставить ручкой на деревянную крышку стола, звук также становится достаточно громким, чтобы его слышать на расстоянии нескольких метров. Резонаторами служат, например, для камертонов деревянные ящики — подставки, для музыкальных инструментов — их корпуса. Условие резонанса было установлено ранее: это совпадение собственных частот источника звука (камертоны, струны) и резонатора. Остановимся еще на одном применении резонанса.
В большинстве случаев колебания источников звука негармоннческие и график звуковых волн не синусоида. На рисунке 303 приведены кривые давления в звуковой волне разного происхождения. Но негармонические колебания, как нам известно, могут быть пред» ставлены в виде суммы гармонических колебаний, происходящих с кратными частотами. Явление акустического резонанса позволяет опытным путем находить гармонические составляющие звуковых колебаний сложной формы.
Лля Рне. зоз. Колебания давления в звуковых такого анализа впервые был волнах: использован Гельмгольцем а — »срыве; » — »суна; с — аюна; и — чист»со мука набор резонаторов, получивших в дальнейшем название резонаторов Гельльюлоца. Резонатор Гельмгольца представляет собой полый металлический шар с узким входным «горлом» (рис.
304), Так как диаметр «горла» значительно меньше диаметра сосуда, то скорость воздуха при колебаниях в нем много больше, чем в сосуде. Поэтому воздух в «горле» резонатора работает в качестве поршня или колеблющейся массы, а воздух в сосуде играет роль пружины. Собственная частота колебаний резонатора Гельмгольца: (! 7. 44) где с — скорость звука, 5 — площадь входного отверстия «горла»,1 — его длина, (У вЂ” объем резонатора.
Входящие в состав сложного звука прастые тона сильно возбуждают те резонаторы, собственная частота которых близка к час- Рис. 304. Резонатор Гельмгольца. 426 тоте данного тона. Современные анализаторы сначала преобразуют звуковые колебания в электрические (с помощью, например, микрофона), а затем уже анализируют полученные электрические колебания. 4 9. НспользОВАние ультрдзиукОВ Направленность излучения звука зависит, как мы уже знаем, от соотношения между размерами излучателя и длиной волны, Рис. 305. Получение характеристики направленности телефона. Можно проделать следующий несложный опыт (рис. 305).
Возьмем телефон, соединенный со звуковым генератором, и микрофон, связанный через усилитель с осциллографом или другим электро- измерительным прибором. Возбудим колебания мембраны телефона сначала на низкой частоте. Смещая микрофон по окружности так, чтобы он был все время обращен к телефону, увидим на осциллографе, что колебания имеют максимальную амплитуду, когда ось, перпендикулярная мембране телефона, совпадает с соответствующей осью микрофона. Амплитуда уменьшается с увеличением угла между указанными осями, но звук попадает на микрофон, даже когда оси составляют угол 90'. Следовательно, телефон излучает полусферическую волну. Если мы резко увеличим частоту колебаний, что соответственно уменьшит длину звуковой волны, то на осциллографе колебания перестают быть заметными при значительно меньших углах между осями, т. е.
звуковая волна становится направленной. 4В7 Отложим на графике из общей точки направление от центра мембраны телефона к центру мембраны микрофона при нх различных взаимных положениях. На полученных прямых в общем масштабе нанесем отрезки, пропорциональные величине амплитуде колебаний луча осциллографа (которая пропорциональна звуковому давлению в точках нахождения микрофона).
Соединив концы нанесенных отрезков плавной кривой, получим так называемую ео' то' бо бо Рнс. Зоб. Характеристики направленности излучателя: 2Я ! йн 1 2Я в-С-точччныа ннточннн, т †. = †, 3 в = †, а †. = И й в' 'ч й' к 2Я 3 2Я б — — = —; в — =б. з' л характеристику направленности излучателя.
При повышении частоты (уменьшенни длины волны) угол расхождения лучей уменьшается, направленность излучения возрастает. На рисунке 306 приведены характеристики направленности, полученные при различных соотношениях размеров излучателя и длины волны.
Использование ультразвуков, обладающих высокой частотой и малой длиной волны, позволяет получить при небольших размерах излучателя острую характеристику направленности, т. е. сосредоточить в узком конусе всю мощность излучаемых источником упругих волн. На рисунке 307 приведена фотография фонтана, который возникает в масляной ванне над кристаллом кварца, излучающим ультразвук. Основной недостаток ультразвуковых колебаний — быстрое нх затухание, которое, как нам известно, при прочих равных условиях прямо пропорционально квадрату частоты и кинематической вязкости среды. В воздухе ультразвуки затухают настолько быстро, что практически для целей сигнализации и связи не применяются.
Эато в воде вследствие ее малой кинематической вязкости затухание ультразвука значительно меньше. Поэтому ультразвуки находят широкое применение в гидроакустике. 428 Можно показать, что моп4ность звука, излучаемая с пластины в среду, обратно пропорциональна звуковому сопротивлению среды. С помощью источника электрической энергии в кварцевой пластинке возбуждаются волны ультразвуковой частоты, мощность которых определяется соотношением У = /,3, где (, — интенсивность волн в кварце, 3 — сечение пластинки.
Падая на границу кварц — вода илн кварц — воздух, волны частично отражаются, а частично проходят сквозь границу. Соотношение между интенсивностью падающей и преломленной волн даны приближенным равенством (17.24). Мощность, излучаемая кварцем в воду илн воздух: фонтан, созданный М = )1„8 4 — ма 7„5, (17.45) с„р~ где с,р, — акустическое сопротивление кварца, сзрз — акустическое сопротивление воздуха или воды. Так как акустическое сопротивление воздуха примерно в 3500 раз меньше акустического сопротивления воды, то, следовательно, в воду излучается с кварца при прочих равных условиях мощность значительно большая, чем в воздух.
Звуковыми волнами малой амплитуды или малой мощности считаются настолько слабые волны, которые практически не изменяют физических свойств среды. К широко распространенным в народном хозяйстве применениям ультразвуков малой интенсивности относятся гидролокация и ультразвуковая дефектоскопил. Используя явление эхо, можно измерять расстояния, если известна скорость звука в среде.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
