§ 28. УЛЬТРАЗВУКИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЯ

Ультразвуки имеют частоты колебаний свыше 20 000 Гц, поэтому длина ультразвуковых волн в различных средах мала, а скорости и ускорения колеблющихся частиц среды и возникающие избыточные давления велики. Интенсивность ультразвукового излучения некоторых источников достигает миллионов ватт на квадратный метр. Однако, прежде чем рассчитывать важнейшие характеристики ультразвуковой волны по формулам (5.25), необходимо проверить, соблюдается ли условие малости на основании которого были получены эти формулы. При частоте и интенсивности по формуле (5.24) получаем для воздуха

Рассчитаем остальные величины:

1) длина волны

2) амплитуда смещения частиц среды

3) амплитуда скорости колебательного движения частиц среды

4) амплитуда ускорений колебательного движения частиц среды При больших частотах и интенсивностях можно получить ускорения, в миллионы раз превышающие ускорение силы тяжести.

Ультразвуки могут быть получены при помощи известных источников слышимых частот, имеющих соответствующие размеры или параметры (миниатюрные камертоны, короткие струны, свистки, сирены с большим числом оборотов ротора и т. д.). Большое применение получили источники ультразвуков, основанные на использовании магнитострикции и электрострикции — изменения размеров тел, помещенных в магнитное и электрическое поля. Если в быстропеременное магнитное поле поместить, например, никелевый стержень, то длина его будет изменяться (на несколько тысячных долей процента) в соответствии с частотой поля. При резонансе между внешним воздействием и собственными колебаниями стержня можно получить большие амплитуды колебаний и, следовательно, большие интенсивности излучаемой волны. Таким же образом получают ультразвуковые волны от пластинки кварца (или другого диэлектрика), помещенного в высокочастотное электрическое поле.

Различные источники ультразвука характеризуются потоком звуковой энергии (звуковой мощностью) (от долей ватта до десятков киловатт) и коэффициентом полезного действия, т. е. отношением этой мощности к потребляемой; В хороших образцах ультразвуковых генераторов этот коэффициент достигает 60—70%. Мощность излучения данного источника зависит от акустического сопротивления среды, в которой возбуждаются звуки. Например, кварцевая пластинка при одинаковой частоте и амплитуде колебаний будет, согласно формуле (5.15), потреблять и излучать в воде в 3500 раз большую мощность, чем в воздухе.

Благодаря малой длине волны ультразвуков их можно фокусировать при помощи вогнутых отражателей или соответствующих «ультразвуковых линз» (например, алюминиевых). При этом можно получить большую концентрацию мощности в единице объема среды. Например, если вся энергия, излучаемая кварцевой пластинкой диаметром см при интенсивности излучения фокусируется в среды, то ежесекундно в этот объем будет поступать энергии. При полном поглощении эта энергия может вызвать нагревание одного грамма воды со скоростью До 2,5° С в секунду.

Кроме зеркал и линз увеличение амплитуды колебаний и интенсивности ультразвука достигается также применением стержней с уменьшающимися сечениями, которые присоединяются к излучающей

поверхности источника ультразвука (рис. 1.68). Можно выбрать вещество стержня, слабо поглощающее энергию колебаний, а при подходящем законе убывания сечения довести до минимума излучение энергии через боковую поверхность стержня. Тогда ежесекундные количества энергии, проходящие через два сечения будут равны и, следовательно,

Так как интенсивность звука пропорциональна квадрату амплитуд смещения, скорости и т. д., то для круглых сечений интенсивность будет обратно пропорциональна квадрату диаметра, а первой степени диаметра стержня.

Высокие значения акустических скоростей, ускорений, избыточных давлений и плотностей, а также хорошо разработанные методы излучения, приема, измерения интенсивности и скорости распространения ультразвуков позволили использовать их для решения многих технических задач. Перечислим важнейшие применения ультразвука:

Рис. 1.68

1) использование ультразвука как средства связи и обнаружения; определение местонахождения предметов и неоднородностей в акустически прозрачных средах; в морях — акустическая локация косяков рыб, подводных лодок» определение глубины; в массивных металлических поковках и отливках — обнаружение внутренних трещин и раковин (дефектоскоп С. Я. Соколова);

2) изучение физических свойств различных твердых, жидких и газообразных веществ (скорость распространения, коэффициент поглощения и т. д.);

3) воздействие на различные физико-химические процессы: кристаллизацию, намагничивание, диффузию, различные электрохимические процессы и т. д.; образование эмульсий;

4) механическая обработка очень твердых или очень хрупких тел; очистка мелких предметов (деталей часовых механизмов и т. д.), помещенных в жидкость; обезгаживание;

5) воздействие на биологические объекты, различные применения в медицине (хирургия, лечение некоторых заболеваний и т. п.).

Некоторые животные и насекомые испускают и воспринимают ультразвуковые колебания различных частот: дельфины — до пчелы — до собаки и мыши слышат ультразвуки до Летучие мыши испускают ультразвуки короткими импульсами; продолжительность каждого импульса составляет тысячные доли секунды, число таких импульсов, в секунду от 5 до 60, частота колебаний от 30 до Интересно, что ночные бабочки, являющиеся пищей для летучих мышей, воспринимают ультразвуки с частотами от 10 до и благодаря этому могут обнаружить грозящую им опасность.