Простые опыты с ультразвуком - Майер В.В.
Скачать (прямая ссылка):
с тем высоким удельным сопротивлением. Последнее свойство обеспечивает
существенное преимущество ферритовых
И "о н,
О t 0
м, м,
О М0 t О
а)
Рис 4. Графики, поясняющие физическую сущность поляризации
магнитострикционного вибратора. а - стержень в постоянном магнитном поле;
б-стержень в переменном магнитном поле; в-стержень в переменном поле
дополнигельио поляризован постоянным магнитным полем.
вибраторов перед никелевыми: на относительно низких ультразвуковых
частотах потери в ферритовом вибраторе на вихревые токи незначительны,
что позволяет изготовлять из феррита монолитные вибраторы практически
любой необходимой формы. Никелевые вибраторы для уменьшения потерь на
вихревые токи обычно набирают - как и сердечники трансформаторов- в виде
пакетов, состоящих из изолированных друг от друга тонких пластинок.
Основным недостатком феррита является его малая механическая прочность:
ферритовые вибраторы при достижении интенсивности ультразвука порядка
2-4 Вт/см2, как правило, терпят излом. К счастью, ультразвук меньшей
интенсивности все же позволяет поставить большую серию учебных опытов.
14
Задание 1. Поставьте опыт по обнаружению обратного магнитострикционного
эффекта, пользуясь подходящим усилителем низкой частоты бытовой
радиоаппаратуры.
МАГНИТОСТРИКЦ.МОНШЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ
Конструкция магнитострикционного излучателя и его внешний вид изображены
на рис. Ъ,а,б. В качестве вибратора излучателя использован круглый
ферритовый стержень марки М400НН диаметром 8 мм и длиной 100-160 мм.
В каркасе обмотки возбуждения вибратор мягко закреплен с помощью
резинового колечка, расположенного по его середине. Кар-
Рис. 5. Конструкция магнитострикционного излучателя для получения
ультразвука низкой частоты (20-50 кГц) (а) и его внешний вид (б).
1 ферритовый вибратор, 2-резиновое колечко, 3-каркас обмотки во'бу-
ждения, 4-обмотка возбуждения, 5-кольцевые керамические магниты
кас обмотки возбуждения можно выточить на токарном станке из подходящего
материала (оргстекла, эбонита, текстолита, дерева и т. п.) или склеить из
нескольких слоев бумаги. Обмотка возбуждения должна содержать два слоя
провода ПЭЛ 1, 0, намотанных виток к витку на длину, равную примерно
половине длины вибратора. Выводы обмотки возбуждения нужно выполнить^из
многожильных проводников в поли-хлорвиниловой изоляции длиной 30-50 см,
снабженных наконечниками для зажима под клеммы или штеккерами для
включения в гнезда. Обмотку возбуждения следует покрыть слоем лакоткани,
высоко-
15
вольтной изоленты или несколькими слоями бумаги. Впрочем, лучше намотать
всю обмотку проводником в полихлорвиниловой изоляции, которая в этом
случае не должна быть слишком толстой. Для подмагничи-вания вибратора
можно использовать два-три кольцевых керамических магнита диаметром 35 мм
и толщиной 7 мм из школьного набора. Магниты следует надеть на
выступающую часть обмотки возбуждения так, чтобы нерабочий торец
вибратора находился в одной плоскости с поверхностью ближайшего к нему
магнита.
РЕЗОНАНСНОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ КОЛЕБАНИЙ ВИБРАТОРА
Расположив изготовленный вами магнитострикционный излучатель вертикально
на столе, подключите его обмотку возбуждения к клеммам Общ и 600 Ом
школьного звукового генератора типа ГЗШ-бЗ. Включив генератор и установив
частоту переменного напряжения в диапазоне 2-20 кГц, вы услышите слабый
звук.
В этом простеньком опыте вы впервые наблюдали проявление прямого
магнитострикционного эффекта: под действием переменного магнитного поля
вибратор излучателя периодически изменяет свою длину и возбуждает в
воздухе звуковую волну. Малая интенсивность излучаемого в опыте звука
объясняется тем, что магнитострикционный эффект очень невелик -
относительное изменение длины вибратора Д/// не превышает 10~5-10-4 (см.
рис. 2)-поэтому мала и амплитуда колебаний вибратора. Для увеличения
амплитуды колебаний в магнитострикционных излучателях используют явление
резонанса.
Пусть один из концов свободного (незакрепленного) стержня длиной I (рис.
6, а) под действием вынуждающей силы совершает колебания по
гармоническому закону
a1 = ylsin(o/, (15)
где Gi - смещение торца, А - амплитуда колебания, со = 2л/ - круговая
частота и t - время. Тогда по стержню побежит упругая синусоидальная
волна, ко-
16
торая, дойдя до второго конца стержня, отразится без изменения фазы и
вернется к первому. Если пренебречь потерями, то первый конец стержня под
П ft П П П п
I-ЕЗЕЭЕ ЕЕ * *0
Рис. 6. Резонансное возбуждение колебаний вибратора.
С Левый конец стержня колеблется по гармоническому закону (график изобра-
жен над этим кондом); при этом вдоль стержня (вдоль оси х) со скоростью с
распространяется упругая волна ("моментальная фотография" распределения
смещений изображена под стержнем), б. В результате интерференции волны,
падающей на правый конец стержня, и волны, отраженной от иего,
устанавливается стоячая волна, узлы и пучности которой обозначены
соответственно буквами у к п. Стрелками показаны направления колебаний в
