Простые опыты с ультразвуком - Майер В.В.
Скачать (прямая ссылка):
Сопоставьте результаты опытов, выявите общие черты явлений и различия
между ними.
Продолжим экспериментальное изучение магнито-стрикционного излучателя. Мы
уже говорили, что при совпадении частоты генератора с основной
собственной частотой вибратора в последнем устанавливается стоячая
ультразвуковая волна и на всей длине вибратора укладывается половина
длины волны звука в феррите. При этом мы ссылались на то, .что стоячая
волна в свободном стержне образуется
37
благодаря ?;нтерференции бегущих волн, отраженных от торцов стержня.
Коэффициент отражения звуковой волны на границе твердое вещество - газ мы
принимали равным практически единице.
Теперь экспериментально докажем все это. Пальцами возьмитесь за конец
вибратора, возбужденного на основной частоте (рис. 19,а). Вы
почувствуете, что вибратор стал "скользким". Сожмите пальцы (или прижмите
один из них к торцу вибратора) и у сас возникнет ощущение легкого ожога.
Выключите
Рис. 19. Обнаружение колебаний вибратора магнитострикцион-ного
излучателя.
ультразвук. Все эти ощущения немедленно исчезают. Очевидно, наблюдаемые
явления объясняются просто тем, что конец вибратора совершает колебания с
большой частотой и заметной амплитудой.
Перемещайте пальцы к середине вибратора (рис. 19,б).Тогда ощущение
"скользкости" вибратора уменьшится, а когда вы дойдете до его середины,
оно вообще пропадет. Это говорит о том, что амплитуда колебаний вибратора
постепенно уменьшается к его середине. Из опыта следует, что в середине
вибратора действительно находится узел, а по краям - пучности смещений,
т. е. в вибраторе устанавливается стоячая волна.
На стол под вибратор излучателя налейте несколько капель воды так, чтобы
нижний торец ви-
38
братора оказался в воде. Вновь повторите опыт с дребезжащим лезвием или
прыгающим шариком. Вы обнаружите, что дребезжания сильно ослабли, а шарик
при резонансе подпрыгивает на высоту не более 0,5- 1 см.
Что произошло с излучателем? Куда девалась та энергия, которая заставляла
подпрыгивать шарик до высоты в несколько десятков сантиметров? Да, она
"ушла" буквально в стол!
Коэффициент отражения звука на границе между твердым веществом и
жидкостью значительно меньше единицы. Значит, в опыте от нижнего торца
вибратора отражается ультразвуковая волна, имеющая существенно меньшую
амплитуду, чем в том случае, когда между - вибратором и столом находилась
воздушная прослойка. А так как в вибраторе интерферируют волны разных
амплитуд, то в результате получается и стоячая, и бегущая волны, причем,
поскольку бегущая волна уносит с собой часть энергии, амплитуда стоячей
волны, естественно, уменьшается. Этим и объясняется снижение амплитуды
колебаний торца вибратора.
Внимательно проанализируйте поставленные вами опыты. Постройте из
экспериментальных результатов логическую цепочку, сопоставимую с выводами
элементарной теории магнитострикционного излучателя. Иными словами, из
эксперимента выведите заключения, подтверждающие правильность теории.
Мы уже несколько раз говорили о коэффициенте отражения ультразвука, не
определяя этого понятия. Настало время заменить интуитивное представление
строгим.
Коэффициентом отражения ультразвука называется отношение интенсивности
волны, отраженной от границы раздела двух сред, к интенсивности падающей
волны
R=I отрДпад- (25)
Отношение интенсивности волны, проходящей через границу раздела сред, к
интенсивности падающей волны называется коэффициентом пропускания
(26)
39
Согласно закону сохранения энергии интенсивность проходящей волны равна
разности между интенсивностями падающей и отраженной волн:
^пр = ^пад ^отр* (27)
Отсюда следует, что коэффициенты пропускания и отражения связаны между
собой формулой
D = 1 - R. (28)
Ультразвуковая волна, распространяющаяся по вибратору, падает на его
торец нормально. Торец вибратора является границей раздела двух сред,
например, феррита и воздуха. Смещения частиц, непосредственно примыкающих
к границе раздела двух сред и принадлежащих разным средам, очевидно,
должны быть одинаковы. Но в одной среде смещения частиц обусловлены
падающей и отраженной волнами, а в другой - только проходящей волной.
Поэтому для амплитуд этих трех волн на границе раздела сред можно
записать
Лт + ^отр = Лпр- (29)
Это уравнение совместно с уравнением (27), в котором интенсивности
заменяются их значениями из формулы (11), образует систему
Лпад + 4тр = Лр> (Лпад ~ ^отр) РЛ = ЛпрР2С2-
Решая эту систему уравнений, получим
Лотр = Лтад-р!С' ¦ р2С2 И Апр - Апгл--^-. (30)
отр пад PjCj -t- Р2С2 пр пад PjCi + р2с2 4 '
Проанализируем формулу для амплитуды отраженной волны. Если акустическое
сопротивление среды, из которой падает ультразвук, больше акустического
сопротивления среды, в которую переходит ультразвук, т. е. piCj > р2с2,
то амплитуда отраженной волны имеет тот же знак, что и амплитуда
падающей, Лотр > 0. Если же piCi < р2С2, то Лотр < 0. Отрицательная
амплитуда не имеет физического смысла. Знак минус перед амплитудой в
