Ультразвук в природе и технике.

УЛЬТРАЗВУК – это не слышимые человеческим ухом упругие волны, частоты которых превышают 20 к Гц. Если его частота от до Гц, то такой ультразвук принято называть гиперзвуком.

Область частот ультразвука можно подразделить на три области: Низких частот ( Гц) – УНЧ. Средних частот ( Гц) – УСЧ. Высоких частот ( Гц) – УЗВЧ. Каждая из этих подобластей характеризуется своими особенностями, временем, расстоянием распространения и применением.

Физические свойства и особенности распространения: Частотная граница между звуковыми и ультразвуковыми волнами условна. Однако благодаря более высоким частотам и малым длинам волн имеет место ряд особенностей ультразвука.

Ультразвук в газах, в частности в воздухе, распространяется с большим затуханием. Жидкости и твердые тела представляют собой, как правило, хорошие проводники, затухание в которых значительно меньше.

Совокупность уплотнений и разряжений, сопровождающая распространения ультразвуковой волны, представляет собой своеобразную решетку, 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. Томограмма головного мозга человека.

Физически это приводит к лучевой картине распространения. Отсюда вытекают такие свойства ультразвука, как возможность геометрического отражения и преломления, а также фокусировки звука. Фокусировка ультразвукового пучка в воде плосковогнутой линзой из плексигласа(частота ультразвука 8 МГц)

Волны большой интенсивности сопровождаются рядом эффектов, которые могут быть описаны лишь законами нелинейной акустики. Фазовая скорость гармонической волны

К числу важных нелинейных явлений, возникающих при распространении интенсивного ультразвука 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 ультразвука и захлопываются в положительной фазе давления.

Генерация ультразвука: Устройства для генерирования ультразвуковых колебаний делятся на две группы: Механические(в них источником ультразвука является механическая энергия потока газа или жидкости) Электромеханические(ультразвуковая энергия получается преобразованием электрической) Форма колебаний (сверху) и частотно-амплитудный спектр (снизу) звуков рояля (основная частота 128 Гц).

Механические излучатели: Механические излучатели ультразвука – воздушные и жидкостные свистки и сирены - отличаются простотой устройства и эксплуатации, не требуют дорогостоящей электрической энергии высокой частоты, КПД около 20-30%. Свисток из рога косули.

Основной недостаток – сравнительно широкий спектр излучаемых частот и нестабильность частоты и амплитуды, что не позволяет их использовать в измерительных целях; они применяются главным образом в промышленной ультразвуковой технологии и частично – как средства сигнализации. Каждый маяк имеет свою систему оповещения. Чаще всего это сирены и диафоны.

Предельная интенсивность излучения определяется прочностными и нелинейными свойствами материала излучателей, а также особенностями их использования. Диапазон интенсивности при генерации очень широк. Чтобы получить большую интенсивность, можно использовать фокусировку.

Применение ультразвука: Применения ультразвука чрезвычайно разнообразны. Он служит мощным методом исследования различных областей физики(изучение твердого тела и полупроводников), играет большую роль в изучении вещества. Ультразвук широко применяется в технике, биологии и медицине. Изображение человеческого плода (17 недель), полученное с помощью ультразвука частотой 5 мгц.

Ультразвук в технике. Используя явление отражения ультразвука на границе различных сред, констатируют ультразвуковые приборы для измерения размеров изделий или для определения уровня воды в недоступных емкостях. Ультразвук малой интенсивности широко используется для целей неразрушающего контроля изделий

При помощи ультразвука осуществляется звуковидение: преобразуя ультразвуковые колебания в электрические, а их – в световые, оказывается возможным видеть те или иные предметы в непрозрачной для света среде. Звуковидение по методу поверхностного рельефа: 1 источник звука; 2 объект; 3 вогнутое зеркало; 4 жидкость; 5 сосуд; 6 экран.

Весьма важную роль ультразвук играет в гидроакустике, поскольку упругие волны являются единственным видом волн, хорошо распространяющимся в морской воде. На этом принципе построены такие приборы, как эхолот или гидролокатор. Принцип работы гидролокатора: 1 излучатель; 2 приемник; 3 отражающее тело.

Эксперимент. Для эксперимента взяли ультразвуковой излучатель, создающий воздушные колебания с длиной волны порядка 20 миллиметров. Теоретически, говорят учёные, в таком акустическом поле могут левитировать предметы размером в половину длины волны, а то и меньше. На самом деле: ОНИ ПАРЯТ В ВОЗДУХЕ!

Ультразвук в природе. Целый ряд животных способен воспринимать или излучать частоты упругих волн значительно выше 20 КГц, что используется, например для отпугивания чаек от водоемов с питьевой водой. Колония черноголовых хохотунов

Мелкие насекомые при своем полете создают ультразвуковые волны. Летучие мыши, имея совсем слабое зрение, или вовсе не имея его, ориентируются в полете и ловят добычу методом ультразвуковой локации. Водяная ночница.

Они излучают своим голосовым аппаратом ультразвуковые импульсы с частотой повторения несколько Гц и несущей частотой Гц. Дельфины излучают и воспринимают ультразвук до частот 170 КГц; метод ультразвуковой локации у них еще совершеннее, чем у летучих мышей. Дельфины.

Литература: Энциклопедия Кирилла и Мефодия. Энциклопедия Кирилла и Мефодия. Энциклопедия юного техника. Энциклопедия юного техника. Основы элементарной физики Основы элементарной физики

СПС за Внимание