 |
Ультразвуки и их применение
|
|
|
|
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.
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 — изменении 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 с собственными колебаниями стержня можно получить большие амплитуды колебаний и, следовательно, большие интенсивности изучаемой волны. Таким же образом получают ультразвуковые волны от пластинки кварца (или другого диэлектрика), помещенного в высокочастотное электрическое поле.
Различные источники ультразвука характеризуются мощностью акустического излучения (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 развивать в воде в 3500 раз большую мощность, чем в воздухе.
|
|
|
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:
1) использование ультразвука как средства связи и обнаружения; определение местонахождения предметов и неоднородностей в акустических прозрачных средах; в морях — акустическая локация косяков рыб, подводных лодок, определение глубины; в массивных металлических поковках и отливках — обнаружение внутренних трещин и раковин;
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 а т. д.), помещенных в жидкость; обезгаживание;
5) воздействие на биологические объекты.
Некоторые животные и насекомые испускают и воспринимают ультразвуковые колебания различных частот; дельфины — до 50 кГц, пчелы — до 22 кГц, собаки и мыши слышат ультразвуки до 100 кГц и т. д. Летучие мыши испускают ультразвуки короткими импульсами. Продолжительность каждого импульса составляет доли секунды, число таких импульсов в секунду от 5 до 60, частота колебаний от 30 до 120 кГц. Интересно, что ночные бабочки, являющиеся пищей для летучих мышей, воспринимают ультразвуки с частотами от 10 до 200 кГц, и благодаря этому могут обнаружить грозящую им опасность.
|
|
|
2. Прочитайте текст, составьте реферат.
Сила
В механике рассматриваются следующие результаты воздействия на данное тело со стороны других тел:
1)тело под воздействием других тел изменяет скорость своего движения, т. е. приобретает ускорение;
2)тело под воздействием других тел деформируется, т. е. изменяет свою форму и размеры.
Для описания этих явлений пользуются понятием силы: силой называется всякое воздействие на данное тело, сообщающее ему ускорение или вызывающее его деформацию.
Рассмотрим сначала деформацию тел под воздействием различных сил. Деформация называется упругой, если при прекращении действия сил тело принимает в точности первоначальную форму и размеры. Реальные тела всегда обнаруживают в той или иной степени «остаточную деформацию», т. е. после удаления сил они не возвращаются в точности к первоначальным размерам. Если деформирующие силы слабые, то вызываемые ими небольшие деформации тел оказываются почти упругими.
Рассмотрим простейший вид деформации — удлинение стержня или проволоки под действием некоторой растягивающей силы Р. Пусть первоначальная длина стержня 1 под действием силы Р увеличивается на Д1 [1].
Опыт показывает, что при упругой деформации величина Δ1 пропорциональна растягивающей силе Р, длине 1, обратно пропорциональна площади поперечного сечения стержня s и зависит от упругих свойств веществ, из которого сделан стержень. Эта зависимость записывается в виде
где величина Е, называемая модулем упругости (Юнга) на растяжение, учитывает сопротивляемость вещества стержня растягивающим силам.
Силы, сообщающие телам ускорения или деформирующие их, можно разделить на две группы:
а) силы, распределенные по объему тела и пропорциональные массам отдельных частей тела. Такой «распределительной» силой является, например, сила тяготения. Заметим, что распределенные силы не зависят от того, каким образом связаны между собой отдельные части данного тела. Если тело, притягивающееся к Земле, разрезать на части, то силы тяготения, действующие на эти части, остаются без изменения;
б) силы сосредоточенные, т.е. приложенные к определенному месту тела – в какой-нибудь точке, вдоль некоторой линии или поверхности. В этом случае действие внешней силы передается от одних частей тела к другим благодаря существованию взаимной связи между ними.
|
|
|
Рассмотрим действие распределенных и сосредоточенных сил. Если на тело действует распределенная сила, сообщающая каждому элементу этого тела одно и то же ускорение (по величине и направлению), то все тело будет двигаться с этим ускорением и при этом не будет деформировано. Например, тело малых размеров, свободно падающее в поле тяготения Земли, не деформировано, так как все его составные части движутся с одинаковыми ускорениями. Распределенные силы могут вызвать деформацию тела в том случае, если ускорения, которые сообщаются отдельным элементам тела, несколько отличаются по численному значению или направлению.
Если на тело действует сосредоточенная сила, то тело всегда деформируется. Рассмотрим пример. Допустим, что к сложной пружине, состоящей из четырех одинаковых элементов, в точке А приложена некоторая сосредоточенная сила. Вследствие этого вся пружина движется с ускорением в направлении действия силы (рис.1). Пружина деформируется и при том тем сильнее, чем больше ускорение. Кроме того, элементы пружины, расположенные ближе к точке приложения сил, растянуты больше, чем элементы, находящиеся дальше от этой точки. Действительно, деформация элемента 1 должна быть такой, чтобы сила, приложенная со стороны этого элемента к точке В, сообщала ускорение элементам 2, 3 и 4. Деформация элемента 2 должна быть меньше, так как этот элемент сообщает ускорение только третьей и четвертой пружинам и т.д.
Рис. 1.
Из изложенного видно, что величину силы можно определить как по ускорению, которое эта сила может сообщить, так и по деформации, которую эта сила вызывает.
|
|
|
