Страница 15 из 33
Совокупность уплотнений и разрежений, сопровождающая распространение ультразвуковой волны, представляет собой своеобразную решётку, дифракцию световых волн на которой можно наблюдать в оптически прозрачных телах. Малая длина ультразвуковых волн является основой для того, чтобы рассматривать их распространение в ряде случаев методами геометрической акустики . Физически это приводит к лучевой картине распространения. Отсюда вытекают такие свойства У., как возможность геометрического отражения и преломления, а также фокусировки звука (рис. 1 ).
Следующая важная особенность У, — возможность получения большой интенсивности даже при сравнительно небольших амплитудах колебаний, так как при данной амплитуде плотность потока энергии пропорциональна квадрату частоты. Ультразвуковые волны большой интенсивности сопровождаются рядом эффектов, которые могут быть описаны лишь законами нелинейной акустики . Так, распространению ультразвуковых волн в газах и в жидкостях сопутствует движение среды, которое называют акустическим течением (рис. 2 ). Скорость акустического течения зависит от вязкости среды, интенсивности У. и его частоты; вообще говоря, она мала и составляет доли % от скорости У.
К числу важных нелинейных явлений, возникающих при распространении интенсивного У. в жидкостях, относится акустическая кавитация — рост в ультразвуковом поле пузырьков из имеющихся субмикроскопических зародышей газа или пара в жидкостях до размеров в доли мм, которые начинают пульсировать с частотой У. и захлопываются в положительной фазе давления. При захлопывании пузырьков газа возникают большие локальные давления порядка тысяч атмосфер, образуются сферические ударные волны. Возле пульсирующих пузырьков образуются акустические микропотоки. Явления в кавитационном поле приводят к ряду как полезных (получение эмульсий, очистка загрязнённых деталей и др.), так и вредных (эрозия излучателей У.) явлений. Частоты У., при которых используется ультразвуковая кавитация в технологических целях, лежат в области УНЧ. Интенсивность, соответствующая порогу кавитации, зависит от рода жидкости, частоты звука, температуры и др. факторов. В воде на частоте 20 кгц она составляет около 0,3 вт/см2 . На частотах диапазона УСЧ в ультразвуковом поле с интенсивностью от нескольких вт/см2 может возникнуть фонтанирование жидкости (рис. 3 ) и распыление её с образованием весьма мелкодисперсного тумана.
Генерация ультразвука . Для генерирования ультразвуковых колебаний применяют разнообразные устройства, которые могут быть разбиты на 2 основные группы — механические, в которых источником У. является механическая энергия потока газа или жидкости, и электромеханические, в которых ультразвуковая энергия получается преобразованием электрической. Механические излучатели У.— воздушные и жидкостные свистки и сирены — отличаются сравнительной простотой устройства и эксплуатации, не требуют дорогостоящей электрической энергии высокой частоты, кпд их составляет 10—20%. Основной недостаток всех механических ультразвуковых излучателей — сравнительно широкий спектр излучаемых частот и нестабильность частоты и амплитуды, что не позволяет их использовать для контрольно-измерительных целей; они применяются главным образом в промышленной ультразвуковой технологии и частично — как средства сигнализации.
Основной метод излучения У.— преобразование тем или иным способом электрических колебаний в колебания механические. В диапазоне УНЧ возможно применение электродинамических и электростатических излучателей. Широкое применение в этом диапазоне частот нашли излучатели У., использующие магнитострикционный эффект (см. Магнитострикция ) в никеле и в ряде специальных сплавов, также в ферритах . Для излучения УСЧ и УЗВЧ используется главным образом явление пьезоэлектричества . Основными пьезоэлектрическими материалами для излучателей У. служат пьезокварц, ниобат лития, дигидрофосфат калия, а в диапазоне УНЧ и УСЧ — главным образом различные пьезокерамические материалы. Магнитострикционные излучатели представляют собой сердечник стержневой или кольцевой формы с обмоткой, по которой протекает переменный ток, а пьезоэлектрические — пластинку (рис. 4 ) или стержень из пьезоэлектрического материала с металлическими электродами, к которым прикладывается переменное электрическое напряжение. В диапазоне УНЧ широкое распространение получили составные пьезоизлучатели, в которых пьезокерамическая пластинка зажимается между металлическими блоками. Как правило, для увеличения амплитуды колебаний и излучаемой в среду мощности применяются колебания магнитострикционных и пьезоэлектрических элементов на их собственной резонансной частоте.
Предельная интенсивность излучения У. определяется прочностными и нелинейными свойствами материала излучателей, а также особенностями использования излучателей. Диапазон интенсивности при генерации У. в области УСЧ чрезвычайно широк: интенсивности от 10-14 —10-15 вт/см2 до 0,1 вт/см2 считаются малыми. Для многих целей необходимо получить гораздо большие интенсивности, чем те, которые могут быть получены с поверхности излучателя. В этих случаях можно воспользоваться фокусировкой У. Так, в фокусе параболоида, внутренние стенки которого выполнены из мозаики кварцевых пластинок или из пьезокерамики титаната бария, на частоте 0,5 мгц удаётся получать в воде интенсивности У. большие, чем 105 вт/см2 . Для увеличения амплитуды колебаний твёрдых тел в диапазоне УНЧ часто пользуются стержневыми ультразвуковыми концентраторами (см. Концентратор акустический ), позволяющими получать амплитуды смещения до 10-4 см.
Выбор метода генерации У. зависит от области частот У., характера среды (газ, жидкость, твёрдое тело), типа упругих волн и необходимой интенсивности излучения.
Приём и обнаружение ультразвука. Вследствие обратимости пьезоэффекта он широко применяется и для приёма У. Изучение ультразвукового поля может производиться и оптическими методами: У., распространяясь в какой-либо среде, вызывает изменение её оптического показателя преломления, благодаря чему его можно визуализировать, если среда прозрачна для света. Смежная область акустики и оптики (акустооптика) получила большое развитие, в особенности после появления газовых лазеров непрерывного действия; развились исследования по дифракции света на У. и её различным применениям.
Применения ультразвука. Применения У. чрезвычайно разнообразны. У. служит мощным методом исследования различных явлений во многих областях физики. Так, например, ультразвуковые методы применяются в физике твёрдого тела и физике полупроводников; возникла целая новая область физики — акусто-электроника, на основе достижений которой разрабатываются различные приборы для обработки сигнальной информации в микроэлектронике. У. играет большую роль в изучении вещества. Наряду с методами молекулярной акустики для жидкостей и газов, в области изучения твёрдых тел измерение скорости с и коэффициента поглощения a используются для определения модулей упругости и диссипативных характеристик вещества. Получила развитие квантовая акустика, изучающая взаимодействие квантов упругих возмущений — фононов — с электронами , магнонами и др. квазичастицами и элементарными возбуждениями в твёрдых телах. У. широко применяется в технике, а также ультразвуковые методы всё больше проникают в биологию и медицину.