УЛЬТРАЗВУ́К
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
УЛЬТРАЗВУ́К, акустические волны с частотами от 2·104 Гц до 109 Гц. Выделяют У. низких (2·104–105 Гц), средних (105– 107 Гц) и высоких (107–109 Гц) частот. Каждый из этих диапазонов характеризуется специфич. особенностями генерации, приёма, распространения и применения.
Свойства и особенности распространения
По физич. природе У. представляет собой упругие волны, и в этом он не отличается от звука, поэтому частотная граница между звуковыми и УЗ-волнами условна. Однако благодаря более высоким частотам и, следовательно, малым длинам волн (так, длины волн У. высоких частот в воздухе составляют 3,4·10–3–3,4·10–7 м, в воде 1,5·10–4– 1,5·10–6 м, в стали 5·10–4–5·10–6 м) имеет место ряд особенностей распространения ультразвука.
Ввиду малой длины волны У. характер его распространения определяется в первую очередь молекулярной структурой среды, поэтому, измеряя скорость и коэф. затухания У., можно судить о молекулярных свойствах вещества (см. Молекулярная акустика). Характерная особенность распространения У. в многоатомных газах и во многих жидкостях – существование областей дисперсии звука, сопровождающейся сильным возрастанием его поглощения. У. в газах, и в частности в воздухе, распространяется с большим затуханием. Жидкости и твёрдые тела (особенно 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-волны большой интенсивности сопровождаются рядом нелинейных эффектов. Так, для интенсивных плоских УЗ-волн при малом поглощении среды синусоидальная у излучателя волна превращается по мере распространения в слабую периодич. ударную волну; поглощение таких волн оказывается значительно больше, чем волн малой амплитуды. Распространению УЗ-волн в газах и жидкостях сопутствует движение среды (акустическое течение). К числу важных нелинейных явлений, возникающих при распространении интенсивного У. в жидкостях, относится кавитация акустическая.
Генерация и приём
Для излучения У. используют механич. и электромеханич. устройства. Механич. излучатели У. (возд. и жидкостные свистки и сирены) отличаются простотой устройства и эксплуатации, не требуют электрич. энергии высокой частоты. Они применяются гл. обр. в пром. УЗ-технологии и как средства сигнализации.
Электромеханич. излучатели У. преобразуют электрич. колебания в механические. В диапазоне У. низких частот возможно использование электродинамич. и электростатич. излучателей. В этом диапазоне частот широко применяются магнитострикционные преобразователи. Для излучения У. средних и высоких частот служат гл. обр. пьезоэлектрические преобразователи. Для увеличения амплитуды колебаний и излучаемой в среду мощности, как правило, применяются резонансные колебания магнитострикционных и пьезоэлектрич. элементов на их собств. частоте. Для увеличения амплитуды колебаний твёрдых тел в диапазоне У. низких частот используют стержневые УЗ-концентраторы (см. Концентратор акустический).
Магнитострикционные и пьезоэлектрич. преобразователи применяются и для приёма У. Для изучения УЗ-поля используются оптич. методы (см. Акустооптика, Визуализация звукового поля, Дифракция света на ультразвуке).
Применение
УЗ-методы используются в физике твёрдого тела, в частности в физике полупроводников. У. играет большую роль в изучении структуры вещества. Наряду с методами молекулярной акустики для жидкостей и газов, измерение скорости и коэф. поглощения У. используется для определения модулей упругости и диссипативных характеристик твёрдых тел.
У. широко применяется в технике. По данным измерений скорости и коэф. поглощения У. осуществляется контроль за протеканием технологич. процессов. У. сравнительно малой интенсивности применяется для неразрушающего контроля изделий из твёрдых материалов. При помощи У. осуществляется звуковидение. Для получения увеличенных изображений предмета с помощью У. высокой частоты создан акустич. микроскоп (см. Микроскопия акустическая). Важную роль У. играет в гидроакустике. На принципе отражения УЗ-импульсов от препятствий, возникающих на пути их распространения, основана работа эхолота, гидролокатора и др.
У. большой интенсивности (гл. обр. диапазон низких частот) оказывает воздействие на протекание технологич. процессов. Так, при помощи мощного У. ускоряется ряд процессов тепло- и массообмена в металлургии. Воздействие УЗ-колебаний непосредственно на расплавы позволяет получить более мелкокристаллич. и однородную структуру металла. УЗ-кавитация используется для очистки от загрязнений мелких и крупных производств. деталей.
При действии У. на биологич. объекты происходит поглощение и преобразование акустич. энергии в тепловую. Локальный нагрев тканей на доли и единицы градусов, как правило, способствует жизнедеятельности биологич. объектов, повышая интенсивность процессов обмена веществ. В медицине У. используется для диагностики, терапевтич. и хирургич. лечения (см. Ультразвуковая диагностика, Ультразвуковая терапия). О применении У. в химии см. в ст. Сонохимия.
У. способны воспринимать и генерировать некоторые виды животных (летучие мыши, дельфины, некоторые виды птиц и насекомых и др.).