Простые опыты с ультразвуком - Майер В.В.
Скачать (прямая ссылка):
Ci (1 R) ?пад == ^2^пр'
Подставляя, найденное из последней формулы значение Епр в выражение (50),
окончательно получаем, что радиационное давление на границу раздела сред
равно
s==[l + + _S')]?ne** (51)
Полученная формула почти так же красива, как и те физические явления,
которые она описывает. Особую прелесть ей придает знак минус перед
125
№ Ргс2
тяж
Рис. 76. К выводу формулы радиационного - давления на границу раздела
двух жидкостей.
отношением Ci/C2: он показывает, что в некоторых условиях радиационное
давление может быть отрицательным. Физически это означает (вернитесь к
исходным посылкам приведенного вывода), что радиационное давление может
быть направлено навстречу падающему на границу раздела двух сред
ультразвуковому пучку!
В табл. 1 приведены значения радиационного давления (при ?т,я.ч = 1) для
некоторых пар распростра* ненных жидкостей. Значения S рассчитаны в
предположении, что ультразвуковая волна падает на границу раздела из
жидкости с большей плотностью.
Таблица 1
Гличерин Вода Трансфор- маторное масло Керосин Этиловый
спирт
Ч еты р еххло ри-стый углерод 0,59 0,37 0,35 0,32 0,30
Глицерин -0,15 -0,13 -0,11 -0,11
Вода -0,04 -0,10 -0,15
Трансформаторное масло -0,08 -0,15
Керосин -0,09
Индикатором радиационного давления может служить ультраззуковой фонтан:
его величина и направление могут характеризовать величину и направление
радиационного давления. Поскольку интенсивность ультразвука, даваемого
простыми генераторами и излучателями, обычно недостаточна для образования
заметного фонтана, ультразвуковой пучок следует сфокусировать линзой.
Удобные для постановки описанных ниже опытов жидкости либо растворяют
оргстекло, либо сильно загрязняют его. Поэтому линзовый сосуд лучше
изготовить из стеклянной трубки подходящего диаметра с отогнутыми, как у
пробирки, краями. Способ крепления линзы из оргстекла
126
показан на рис. 77. Такой линзовый сосуд обладает тем преимуществом, что
вышедшую из строя в результате растворения какой-либо жидкостью линзу (а
в ультразвуковом поле процесс растворения идет гораздо быстрее!) можно
легко и быстро заменить новой.
Техника проведения опытов по радиационному давлению достаточно проста: в
линзовый сосуд слоями наливают жидкости, на границах раздела которых
будет изучаться ультразвуковой фонтан, и, обеспечив акустический контакт,
помещают сосуд его дном на вибратор излучателя, дающего ультразвук
частотой 1-3 МГц. Для получения фонтанов наибольших размеров необходимо
экспериментально подобрать оптимальную толщину слоев жидкостей. Этот
подбор следует произвести, учитывая то, что границы раздела жидкостей,
получающиеся в виде менисков, сами фокусируют ультразвук. Поскольку все
жидкости, перечисленные в табл. 1, достаточно прозрачны и бесцветны, ту,
из которой бьет ультразвуковой фонтан, желательно окрасить.
В линзовый сосуд поверх подкрашенного красными чернилами для авторучек и
слегка разбавленного водой спирта наливают керосин (спирт следует
разбавлять лишь до такой степени, чтобы он тонул в керосине; обычно
бывает вполне достаточно подкрасить его). При прохождении ультразвуковой
волны наблюдают фонтан, направленный из спирта в керосин (рис. 78).
В линзовый сосуд последовательно налейте трансформаторное масло,
подкрашенный спирт и керосин. При включении ультразвукового генератора
можно одновременно увидеть три фонтана (рис. 79): из спирта в масло
(радиационное давление отрицательно), из спирта в керосин и из керосина в
воздух (радиационные давления положительны). Еще две фотографии фонтанов
на границах раздела указанных жидкостей
суда.
1 - стеклянная трубка с отогнутыми краями, 2-резиновое кольцо толщиной
1,5-2 мм,'3-шайба из гети-накса, 4-болты, 5-линза.
127
при частотах 1 (а) и 3 Мгц (б) приведены на рис. 80 (кстати, эти
фотографии дают наглядное представле-
Рис. 78. Ультразвуковой фонтан на границе раздела Спирт - керосин. •
В опыте ¦ использован пьезоэлектрический излучатель ультразвука и а
частоту около. З/.'МГц. Линза изготовлена из зубопротезной пластмассы
"Протакрил".
Рис. 79. Ультразвуковые фонтаны на границах раздела масло - спирт, спирт
- керосин и керосин - воздух.
Рис. 80. Ультразвуковые фонтаны на границах раздела масло - спирт (а),
спирт - керосин (б).
ние о размерах фокуса в зависимости от длины ультразвуковой волны).
Если на двух последних рисунках изображены фонтаны, направленные в разные
стороны от среднего
128
слоя жидкости, то на рис. 81 показаны фонтаны, направленные навстречу
друг другу. В линзовый сосуд слоями последовательно налиты
четыреххлористый углерод, трансформаторное масло и подкрашенный
Рис. 81. Направленные навстречу друг другу ультразвуковые фонтаны на
границах раздела четыреххлористый углерод - масло - спирт.
а, 6, в, г - последовательные этапы перехода спирта.
спирт. При прохождении ультразвука в таких условиях наблюдается
любопытное явление: фонтаны, образованные на границах четыреххлористый
