Физическая энциклопедия - ультразвук

упругие волны с частотами прибл. от (1,5-2)•104Гц (15-20 кГц) до 109 Гц (1 ГГц); область частот У. от 109 до 1012-1013 Гц принято наз. гиперзвуком. Область частот У. удобно подразделять на три диапазона: У. низких частот (1,5•104-105 Гц), У. средних частот (105-107 Гц) и область высоких частот У. (107 -109 Гц). Каждый из этих диапазонов характеризуется своими специфич.

особенностями генерации, приёма, распространения и применения. Свойства ультразвука и особенности его распространения. По физ. природе У. представляет собой упругие волны, и в этом он не отличается от звука, поэтому частотная граница между звуковыми и УЗ-выми волнами условна. Однако благодаря более высоким частотам и, следовательно, малым длинам волн (так, длины волн У.

высоких частот в воздухе составляют 3,4•10-3-3,4•10-5 см, в воде 1,5X10-2-1,5 •10-4 см и в стали 5•10-2-5•10-4 см) имеет место ряд особенностей распространения У. Малая длина УЗ-вых волн позволяет в ряде случаев рассматривать их распространение методами геометрической акустики. Это даёт возможность рассматривать отражение, преломление, а также фокусировку с помощью лучевой картины.

Ввиду малой длины волны У. характер его распространения определяется в первую очередь молекулярной структурой среды, поэтому, измеряя скорость с и коэфф. затухания а, можно судить о молекулярных свойствах вещества (см. МОЛЕКУЛЯРНАЯ АКУСТИКА). Характерная особенность распространения У. в многоатомных газах и во мн. жидкостях существование областей дисперсии звука, сопровождающейся сильным возрастанием его поглощения. Эти эффекты объясняются процессами релаксации (см. РЕЛАКСАЦИЯ АКУСТИЧЕСКАЯ). У. в газах, и в частности в воздухе, распространяется с большим затуханием (см. ПОГЛОЩЕНИЕ ЗВУКА). Жидкости и твёрдые тела (в особенности монокристаллы) представляют собой, как правило, хорошие проводники У., затухание в них значительно меньше. Поэтому области использования У. средних и высоких частот относятся почти исключительно к жидкостям и твёрдым телам, а в воздухе и газах применяют только У. низких частот. Др. особенность У.возможность получения большой интенсивности даже при сравнительно небольших амплитудах колебаний, т. к. при данной амплитуде плотность потока энергии пропорциональна квадрату частоты. УЗ-вые волны большой интенсивности сопровождаются рядом нелинейных эффектов.

Так, для интенсивных плоских УЗ-вых волн при малом поглощении среды (в особенности в жидкостях, твёрдых телах) синусоидальная у излучателя волна превращается по мере её распространения в слабую периодич. ударную волну (пилообразной формы); поглощение таких волн оказывается значительно больше (т. н. нелинейное поглощение), чем волн малой амплитуды.

Распространению УЗ-вых волн в газах и в жидкостях сопутствует движение среды, т. н. акустическое течение, скорость к-рого зависит от вязкости среды, интенсивности У. и его частоты; вообще говоря, она мала и составляет долю % от скорости У. К числу важных нелинейных явлений, возникающих при распространении интенсивного У. в жидкостях, относится акустич.

кавитация. Интенсивность, соответствующая порогу кавитации, зависит от рода жидкости и степени её чистоты, частоты звука, темп-ры и др. факторов. В водопроводной воде, содержащей пузырьки воздуха, на частоте 20 кГц она составляет доли Вт/см2. На частотах диапазона УСЧ в УЗ-вом поле с интенсивностью начиная с неск.

Вт/см2 может возникнуть фонтанирование жидкости и распыление её с образованием весьма мелкодисперсного тумана. Акустич. кавитация широко применяется в технологич. процессах; при этом пользуются У. низких частот. Генерация ультразвука. Для излучения У. применяют разнообразные устройства, к-рые могут быть разбиты на 2 группы механические и электромеханические.

Механич. излучатели У.воздушные и жидкостные свистки и сиреныотличаются простотой устройства и эксплуатации, не требуют дорогостоящей электрич. энергии высокой частоты. Их недостаток широкий спектр излучаемых частот и нестабильность частоты и амплитуды, что не позволяет использовать их для контрольно-измерит. целей; они применяются гл. обр. в пром. УЗ-вой технологии и частично как средства сигнализации. Основными излучателями У. являются электромеханические, преобразующие электрич. колебания в механические. В диапазоне У. низких частот возможно применение электродинамич. и электростатич.

излучателей. Широкое применение в этом диапазоне частот нашли магнитострикционные преобразователи, использующие эффект магнитострикции. Для излучения У. средних и высоких частот применяются гл. обр. пьезоэлектрические преобразователи, использующие явление пьезоэлектричества. Для увеличения амплитуды колебаний и излучаемой в среду мощности, как правило, применяются резонансные колебания магнитострикц.

и пьезоэлектрич. элементов на их собств. частоте. Предельная интенсивность излучения У. определяется прочностными и нелинейными свойствами материала излучателей, а также особенностями использования излучателей. Диапазон интенсивности при генерации У. в области средних частот чрезвычайно широк: интенсивности от 10-14-10-15 Вт/см2 до 0,1 Вт/см2 считаются малыми.

Для достижения больших интенсивностей, к-рые могут быть получены с поверхности излучателя, пользуются фокусировкой У. (см. ФОКУСИРОВКА ЗВУКА). Так, в фокусе параболоида, внутренние стенки к-рого выполнены из мозаики кварцевых пластинок или из пьезокерамики, на частоте 0,5 МГц удаётся получать в воде интенсивности У. большие, чем 105 Вт/см2.

Для увеличения амплитуды колебаний твёрдых тел в диапазоне У. низких частот часто пользуются стержневыми УЗ-выми концентраторами (см. КОНЦЕНТРАТОР АКУСТИЧЕСКИЙ), позволяющими получать амплитуды смещения 10-4 см. Приём и обнаружение ультразвука. Вследствие обратимости пьезоэффекта пьезоэлектрич. преобразователи используются и для приёма У.

Для изучения УЗ-вого поля можно пользоваться и оптич. методами; У., распространяясь в к.-л. среде, вызывает изменение её оптич. показателя преломления, что позволяет визуализировать звуковое поле, если среда прозрачна для света. Совокупность уплотнений и разрежений, сопровождающая распространение УЗ-вой волны, представляет собой своеобразную решётку, дифракцию световых волн на к-рой можно наблюдать в оптически прозрачных телах.

Дифракция света на ультразвуке легла в основу смежной области акустики и оптики акустооптики, к-рая получила большое развитие после возникновения газовых лазеров непрерывного действия. Применения ультразвука. Ультразвуковые методы применяются в физике твёрдого тела, в частности в физике полупроводников, в результате чего возникла новая область акустики акустоэлектроника. На основе её достижений разрабатываются приборы для обработки сигнальной информации в микрорадиоэлектронике. У. играет большую роль в изучении структуры в-ва. Наряду с методами молекулярной акустики для жидкостей и газов в области изучения твёрдых тел измерение скорости с и коэфф. поглощения а используются для определения модулей упругости и диссипативных характеристик в-ва. Получила развитие квантовая акустика, изучающая взаимодействие фононов с электронами проводимости, магнонами и др.

квазичастицами в твёрдых телах. У. широко применяется в технике. По данным измерений с и а во многих технич. задачах осуществляется контроль за протеканием того или иного процесса (контроль концентрации смеси газов, состава разл. жидкостей и т. п.). Используя отражение У. на границе разл. сред, с помощью УЗ-вых приборов измеряют размеры изделий (напр.

, УЗ-вые толщиномеры), определяют уровни жидкостей в ёмкостях, недоступных для прямого измерения. У. сравнительно малой интенсивности (до =0,1 Вт/см2) используется в дефектоскопии для неразрушающего контроля изделий из твёрдых материалов (рельс, крупных отливок, качеств. проката и т. д.). При помощи У. осуществляется звуковидение: преобразуя УЗ-вые колебания в электрич.

, а последние в световые, оказывается возможным при помощи У. видеть те или иные предметы в непрозрачной для света среде. Для получения увеличенных изображений предмета с помощью У. высокой частоты создан акустич. микроскоп, аналогичный обычному микроскопу, преимущество к-рого перед оптическим высокая контрастность, что при биол. исследованиях не требует предварит. окрашивания предмета, и возможность получать изображения оптически непрозрачных объектов. Развитие голографии привело к определённым успехам в области УЗ-вой голографии (см. ГОЛОГРАФИЯ АКУСТИЧЕСКАЯ). Важную роль У. играет в, гидроакустике, поскольку упругие волны являются единств. видом волн, хорошо распространяющихся в морской воде. На принципе отражения УЗ-вых импульсов от препятствий, возникающих на пути их распространения, строится работа эхолота, гидролокатора и др. У. большой интенсивности (гл. обр. диапазон низких частот) применяется в технике, оказывая воздействие на протекание технологич.

процессов посредством нелинейных эффектов кавитации, акустич. потоков и др. Так, при помощи мощного У. ускоряется ряд процессов теплои массообмена в металлургии. Воздействие УЗ-вых колебаний непосредственно на расплавы позволяет получить более мелкокристаллич. и однородную структуру металла. УЗ-вая кавитация применяется для очистки от загрязнений как мелких (часовое производство, приборостроение, электронная техника), так и крупных производств.

деталей (трансформаторное железо, прокат и др.). С помощью У. удаётся осуществить пайку алюминиевых изделий, приварку тонких проводников к напылённым металлич. плёнкам и непосредственно к полупроводникам, сварку пластмассовых деталей, соединение полимерных плёнок и синтетич. тканей. У. позволяет обрабатывать хрупкие детали, а также детали сложной конфигурации.

У. применяется в биологии и медицине. При действии У. на биол. объекты происходит его поглощение и преобразование акустич. энергии в тепловую. Локальный нагрев тканей на доли и единицы градусов, как правило, способствует жизнедеятельности биол. объектов, повышая интенсивность процессов обмена в-в. Однако более интенсивные и длит.

воздействия могут привести к перегреву биологических структур и их разрушению. В медицине У. используется для диагностики, терапевтич. и хирургич. лечения. Способность У. без существенного поглощения проникать в мягкие ткани организма и отражаться от акустич. неоднородностей используется для диагностики внутр. органов. Микромассаж тканей, активация процессов обмена и локальное нагревание тканей под действием У.

используются для терапевтич. целей. УЗ-вая хирургия подразделяется на две разновидности, одна из к-рых связана с разрушением тканей собственно звуковыми колебаниями, а вторая с наложением УЗ-вых колебаний на хирургич. инструмент. .