Интернет-журнал 'Домашняя лаборатория', 2007 №2 - Журнал «Домашняя лаборатория»

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.

2 — Положите на торец вибратора лезвие безопасной бритвы — оно будет громко дребезжать.

3 — Капните каплю воды на торец ферритового вибратора. Настройте генератор на резонансную частоту ферритового вибратора. Капля мгновенно распылится.

Очевидно, наблюдаемые явления объясняются просто тем, что конец вибратора совершает колебания с большой частотой и заметной амплитудой.

Опыт 2: Подскакивающий шарик

Магнитострикционный излучатель с ферритовым вибратором поставьте вертикально на стол и подключите его обмотку возбуждения к выходу ультразвукового генератора. Над вибратором в лапке штатива закрепите стеклянную трубку внутренним диаметром 5–6 мм и длиной примерно 30 см, нижний конец трубки должен находиться на расстоянии 0,5–1 мм от торца вибратора. В трубку на вибратор поместите стальной шарик диаметром около 3 мм.

Включите генератор и выдвижением надстроечного сердечника из каркаса высокочастотного трансформатора постепенно повышайте частоту ультразвука. Как только частота генератора совпадет с основной собственной частотой вибратора, шарик на торце начнет подпрыгивать.

Это свидетельствует о значительном увеличении амплитуды колебаний вибратора при резонансе. Высота, на которую поднимется шарик после нескольких ударов его о торец вибратора, нередко превышает 30 см, так что шарик — если вы окажетесь невнимательны — может просто выскочить из трубки.

Магнитострикционный излучатель ультразвука работает только на резонансных частотах, поэтому имеет смысл немного потренироваться, чтобы в дальнейшем уверенно настраивать ультразвуковой генератор в резонанс с вибратором.

Только что поставленный вами опыт вполне аналогичен (разве лишь более эффектен) опыту с дребезжащим лезвием на вибраторе.

1 — штатив; 2 — стеклянная трубка; 3 — стальной шарик; 4 — излучатель

Опыт 3: Интерференция ультразвуковых волн на бумаге

На мягкую подкладку, состоящую из нескольких слоев тонкой бумаги, поместите плотный бумажный лист белого цвета. На лист через марлевое сито тонким слоем равномерно насыпьте мелкий песок. Расположив излучатель под углом примерно 45° к горизонту, прикоснитесь концом его вибратора к центру листа бумаги и настройте ультразвуковой генератор в резонанс с вибратором.

При этом песок на листе бумаги быстро перераспределится так, что станут видны круговые «волны» с центром в точке прикосновения вибратора. Для получения хорошей картины волн необходимо экспериментально подобрать подкладку и лист бумаги (его толщину и сорт). В опыте непосредственно видно, что ферритовый вибратор излучателя является источником ультразвуковой волны, распространяющейся по поверхности и внутри бумажного листа. Песок по поверхности бумаги перераспределяется так, что обозначает линии равных фаз ультразвуковой волны.

Попробуйте установить некоторые физические свойства ультразвуковой волны на бумаге. Передвигайте излучатель, не отрывая торца его вибратора от бумажного листа. Вы заметите, как вместе с источником перемещается по бумаге и система круговых волн.

Пододвиньте вибратор ближе к краю листа. При этом песок на бумаге обозначит еще одну систему волн, отраженных от края.

Прорежьте в листе бумаги небольшое отверстие и расположите вблизи него вибратор излучателя. Вы увидите, что ультразвуковая волна частично отражается от препятствия и огибает его. Отсюда следует существование дифракции ультразвука.

Опыт 4: Ультразвуковой ветер

При распространении ультразвуковой волны частицы среды колеблются около своих положений равновесия (если не учитывать беспорядочного теплового движения) и не перемещаются вместе с волной Это свойство является одним из признаков волнового движения, при котором происходит перенос энергии а не вещества.

Однако при включении мощного излучателя ультразвука частицы среды наряду с колебательным совершают и поступательное движение: в среде возникает течение, направленное от излучателя и имеющее скорость, много меньшую скорости звука. Такое движение частиц среды получило название ультразвукового ветра.

На расстоянии около 5 мм от пламени свечи расположите торец вибратора магнитострикционного излучателя. Включите ультразвуковой генератор и настройте его в резонанс с вибратором. При этом вы заметите отклонение пламени, обусловленное идущим от вибратора слабым потоком воздуха. Пламя свечи послужило здесь индикатором ультразвукового ветра. Ультразвуковой ветер можно наблюдать и в жидкости.

1 — торец ферритового стержня; 2 — свеча

Ультразвуковая кавитация

1 — ультразвуковой излучатель; 2 — кавитационное облачко 3 — кювета с жидкостью.

При распространении ультразвуковой волны даже сравнительно небольшой интенсивности (всего несколько ватт на квадратный сантиметр) в жидкости возникает переменное звуковое давление, амплитуда которого достигает порядка нескольких атмосфер. Под действием этого давления жидкость попеременно испытывает сжатие и растяжение. Жидкость без существенного изменения ее свойств можно сильно сжать. Иначе обстоит дело, если в жидкости создать разрежение: уже простое уменьшение давления над водой приводит к закипанию и парообразованию внутрь воды.

Нечто аналогичное происходит и при распространении ультразвуковой волны в жидкости: растягивающие усилия в области разрежения волны приводят к образованию в жидкости разрывов, т. е. мельчайших пузырьков, заполненных газом и паром. Эти пузырьки получили название кавитационных, а само явление стали называть ультразвуковой кавитацией.

Кавитационные пузырьки в некоторой области жидкости возникают всякий раз, когда до этой области доходит фаза разрежения ультразвуковой волны.

Как правило, кавитационные, пузырьки долго не живут: уже следующая за разрежением фаза сжатия приводит к захлопыванию, большей их части. Поэтому кавитационные пузырьки исчезают практически сразу вслед за прекращением облучения жидкости ультразвуком. При захлопывании кавитационного пузырька возникает ударная волна, развивающая громадные давления. Если ударная волна встречает на своем пути препятствие, то она слегка разрушает его поверхность.

Поскольку кавитационных пузырьков много и захлопывание их происходит много тысяч раз в секунду, кавитация может произвести значительные разрушения. Кавитация была впервые обнаружена при изучении быстрого движения твердых тел внутри жидкости. Огромную разрушающую силу этого явления почувствовали в первую очередь инженеры, испытывающие гребные винты судов. При большой скорости вращения лопастей винта происходит образование кавитационных пузырьков, аналогичное тому, которое имеет место при распространении ультразвуковой волны. Кавитация приводит к разрушению материала, из которого изготовлены гребные винты. В этом смысле кавитация — вредное явление. Однако создание ультразвуковых генераторов сделало возможным управление кавитационным процессом а значит, и полезное применение его на практике.

Для непосредственного наблюдения ультразвуковой кавитации соберите установку по схеме, изображенной на рисунке. Перед темным фоном расположите склеенную из оргстекла (или изготовленную иным способом) прямоугольную кювету размером 30x60x80 мм, осветите ее сбоку параллельным пучком света, выходящим из объектива проекционного аппарата. В кювету налейте, дистиллированную воду и погрузите в нее на глубину