Задачи для самостоятельного решения.

Определение скорости ультразвука.

Цель работы:

Изучение некоторых физических характеритик ультразвука и измерение

скорости ультразвука вводе.

Литература:

1.Антонов В.Ф. и др. Физика и биофизика.- М: ГЭОТАР-Медиа, 2008,

§ 4.1- 4.5.

2.Ремизов А.Н. и др. Медицинская и биологическая физика.-М:ДРОФА, 2004, § 6.6- 6.8.

3.Тищенко А.А. Краткий курс лекций по физике.-Орел: Картуш,2008,

Лекции 3.

4.Федорова В.Н., Фаустов Е.В. Медицинская и биологическая физика.

- М: ГЭОТАР-Медиа, 2009, § 5.1- 5.6.

5. Данное методическое пособие.

Приборы и принадлежности : Ультразвуковой генератор УЗТ-107Ф, осциллограф С1-142, приемник и излучатель ультразвука, кювета с водой, микровинт, макровинт.

Введение.

Ультразвуком называются механические колебания и волны с частотами от 2∙10³ Гц до 10⁹ Гц. Верхний предел определяется межмолекулярными расстояниями и поэтому зависит от агрегатного состояния вещества, в котором распространяется ультразвуковая волна.

Для получения и приема ультразвука используются устройства, называемые ультразвуковыми излучателями и приемниками. Принцип действия таких излучателей основан на явлении обратного пьезоэлектрического эффекта.

Распространение ультразвуковых волн в среде обладает рядом особенностей. Вследствие малой длины волны ультразвук излучается в виде узких направленных пучков. Отражение ультразвуковых волн на границе раздела двух сред происходит по законам геометрической оптики. Скорость распространения и поглощения ультразвука существенно зависят от свойств среды. Скорость распространения в твердых телах значительно выше, чем в жидкостях.

Ультразвук очень сильно поглощается газами и во много раз слабее- жидкостями. Например, коэффициент поглощения ультразвука в воздухе примерно в 1000 раз больше, чем в воде. Поэтому контакт между ультразвуковым излучателем и облучаемым объектом не должен содержать воздушной прослойки. Поглощение ультразвука в данной среде зависит от частоты. При повышении частоты коэффициент поглощения увеличивается.

При распространении ультразвуковых волн в жидкостях возникает явление кавитации – образование и исчезновение внутренних разрывов сплошной жидкости. При этом происходит выделение энергии и нагревание жидкости.

Перечисленные свойства ультразвука позволяют широко использовать его в технике и медицине. Ультразвук ускоряет протекание процессов диффузии и растворения, оказывает влияние на скорость химических реакций. Ультразвук большой мощности вызывает гибель вирусов и бактерий, это используется для стерилизации сред. При воздействии ультразвуковых волн малой мощности увеличивается проницаемость клеточных мембран и активизируются процессы обмена в тканях.

Явление кавитации вызывает дробление материалов, помещенных в жидкость, что используется в фармацевтической промышленности для изготовления эмульсий, суспензий и аэрозолей.

Описание установки.

Установка для определения скорости ультразвука (УЗ) состоит из генератора (УЗГ) (1), излучателя (2), приемника (3), осциллографа (4), кюветы с исследуемой жидкостью (5), микрометрического винта (6).

Рис.1

Если на обкладки излучателя подается напряжение от генератора, меняющееся во времени по закону

,

то в исследуемой среде будет распространяться волна, меняющаяся по закону s=S₀ (exp (–μx)) cos(ω(t-τ))

Напряжение индуцируемое в приемнике (3) будет меняться во времени по этому же закону, однако оно будет запаздывать на время τ , необходимое для того, чтобы УЗ-колебания распространялись от излучателя до приемника. Поэтому напряжение, поступающее на пластины осциллографа, будет изменяться по закону

U = U₀ (exp(–μx)) cos(ω(t-τ))

Время запаздывания определится соотношением, τ = x / υ, где υ - скорость распространения УЗ-колебаний в данной среде, x - расстояние между излучателем и приемником УЗ. Разность фаз колебаний поступающих в излучатель и индуцируемых приемником будет равна

Δφ=ωτ= 2πνх / υ

Между скоростью υ , длиной волны λ и частотой ν существует связь υ= λν

Тогда Δφ = 2πνх / λν =2πх / λ и, если , то x = λ

Следовательно, если расстояние между излучателем и приемником изменять на величину равную длине УЗ-волны в данной среде, то, зная частоту ν, можно определить скорость распространения УЗ-колебаний υ= λν

Перемещая приемник (3) с помощью микрометрического винта (6) наблюдают смещение синусоиды на экране осциллографа (4). Когда синусоида сместится на период Т, это означает, что приемник переместиться на расстояние равное длине волны λ. Зная частоту генератора можно рассчитать скорость ультразвука υ= λν

Поглощение ультразвука в среде происходит по закону

I =I₀ exp(-µx),

где I₀ - интенсивность УЗ, подающегося на слой вещества; I - интенсивность УЗ, прошедшего слой вещества толщиной x; μ - коэффициент поглощения.

Интенсивность упругой волны (вектор Умова) зависит от плотности среды квадрата амплитуды колебаний А, квадрата частоты колебаний ω и скорости распространения волны υ.

I = ρA²ω²υ / 2

Амплитуда напряжения U, индуцируемая ультразвуком в приемнике, пропорциональна амплитуде колебания частиц среды А. Следовательно, интенсивность ультразвука в точке нахождения приемника УЗ пропорциональна квадрату амплитуды индуцируемого напряжения.

I=k U²

Если между излучателем и приемником УЗ поместить пластину вещества

толщиной x=L, то интенсивность ультразвука уменьшится и станет , ,

после логарифмирования получаем:

-

Полученное соотношение позволяет рассчитать или коэффициент поглощения , или толщину слоя вещества .

Описание установки.

В установку входит измерительный блок (рис.2), состоящий из кюветы с водой (1), излучателя (2), приемника (3), направляющих (4) для перемещения держателя (5) приемника (3), микрометрического винта (6), держателя образцов (7), макровинта (8) для перемещения образцов.

Рис.2

Ход работы.

1. Определение скорости ультразвуковой волны в воде.

а) Собрать установку, для чего подсоединить УЗ-излучатель к разъему "Излучатель" УЗ-генератора, а приемник ультразвука соединить с входным гнездом канала "С" осциллографа. Разъем "Излучатель" УЗ-генератора соединить с гнездом "B" (см. рис.1).

б) Подключить генератор и осциллограф к сети 220 В и включить их.

в) На УЗ-генераторе установить интенсивность (интен) 0,1- 0,5 Вт/см², время про­цедуры (время) 10 мин.

г)На осциллографе нажмите кнопки "B,C,I:10 , ABT", время развертки канала "С" установите 0,5 s.

д) Ручками "ВРЕМЯ / ДЕЛ", "СТАБИЛЬН", "УРОВЕНЬ" добейтесь получения устойчивой картины синусоид УЗ-волн на экране осциллографа.

е) Перемещая микрометрическим винтом (6) приемника УЗ (3) добейтесь смещения картины на экране осциллографа на один период.

ж) По шкале микрометрического винта определите длину смещения приемника.Она будет равна длине волны УЗ-волны.

з) Опыт повторить 5 раз.

и) Для каждого случая рассчитайте скорость УЗ-волны: υ= λν , ν=0,88МГц

к) Данные измерений и вычислений занесите в таблицу I.

Таблица 1
№	отсчет по шкале микрометра	длина волны λ, мм	частота ν,Гц	Скорость υ, м/с	υ=<υ>±Δυ, м/с
n1	n2

Вопросы для самоконтроля.

1. Что называется ультразвуком?

2. В чем заключаются особенности распространения УЗ-волн ? 3. Сформулируйте закон поглощения ультразвука в веществе?

4. Как измеряется скорость ультразвука в среде в данной работе?

5. Укажите применение ультразвука в медицине.

Задачи для самостоятельного решения.

1. На сколько процентов изменится частота ультразвука при отражении его от движущихся эритроцитов в артерии? Среднюю скорость движения эритроцитов принять равной 40 см/с.

2. Найдите разность фаз колебаний двух точек, лежащих на луче и отстоящих на расстоянии Δy = 1,75 м друг от друга, если длина волны λ = 1м.

3. Точка, находящаяся на расстоянии y = 0,5 м от источника колебаний, имеет в момент t = Т/3 смещение, равное половине амплитуды. Найдите длину волны, если при t = 0 смещение источника равно нулю.

Работа № 3