Определение скорости распространения УЗ волн в различных средах.

Приборы и принадлежности: установка ультразвуковая демонстра-ционная УД-1, вырабатывающая УЗ-колебания частотой 2,64 МГц, штатив с закрепленным на нем УЗ-излучателем, кювета с раствором крахмала в воде (0,3 г крахмала на 10 мл воды), микроскоп «Мир» с подставкой, лампа.

Задание1. Определить скорость ультразвуковых волн в воде.

Подготовить установку ультразвуковую УД-1 к работе согласно инструкции для чего установить:

а) до начала проведения работ прибор желательно заземлить (черная клемма слева внизу);

б) переключатель напряжения сети в положение «Выкл.»;

в) переключатель «Подстройка частоты» в положение «0».

Внимание!!!Во избежание разрушения кварцевой пластинки УЗ-излу-чателя нельзя при работающем генераторе оставлять излучатель в воздухе ненагруженным, т.е. до включения прибора необходимо налить воды на пластинку излучателя и аккуратно установить кювету с раствором крахмала сверху так, чтобы под кюветой не было пузырьков воздуха.

г) Вставить вилку сетевого провода в штепсельную розетку, переключателем напряжения сети включить аппарат. Дать прогреться аппарату 5–10 минут.

2. Очень аккуратно размешать смесь крахмала с водой в кювете, расположенной на излучателе, придерживая кювету.

3. Подключить УЗ-излучатель к разъёмам «Выход» лицевой панели прибора УД-1. Плавно передвигая переключатель «Подстройка частоты» добиться, чтобы в растворе образовывалась стоячая УЗ волна.

4. Подождать 2–3 минуты, когда в растворе установится стоячая волна (в растворе будут видны столбики, состоящие из светлых и темных полос), настроить микроскоп так, чтобы картина была хорошо видна (лучше всего проводить опыт в затемненном помещении при боковой подсветке от лампы).

5. Меняя положение микроскопа, совместите визирную линию окуляра с одной из пучностей (прозрачная полоса) или узлом (светлая полоса). По шкале окуляра микроскопа определить нулевое положение А₀ .

6. Отсчитать n (3–8) пучностей (узлов) и определите по шкале окуляра микроскопа значение А_n. Измерение провести три раза, изменяя каждый раз начальное положение отсчета и значение n. Данные занести в таблицу 1.

7. Вычислить расстояние между двумя пучностями (узлами) для каждого измерения по формуле: L_i = |A_ni - A_oi | / n_i

7. Вычислить длину волны: l_i = 2L_i.

8. Вычислить среднее значение длины волны l=(l₁+l₂+l₃)/3.

9. Вычислить среднюю скорость распространения УЗ волны в воде

V = ln , где n = 2,64 МГц ; для установки УД-1.

Таблица 1

i	Aoi (мм)	Ani (мм)	ni	Li (мм)	li (м)	Dli (м)	Vi, м/с	i (м/c)
					=	=	=	=

10. Вычислить относительную погрешности измерений ;

11. Записать окончательный результат в виде :

при .

Задание 2. Исследовать поглощение ультразвука в воздухе и определить коэффициент поглощения ультразвука в воздухе.

Ультразвуковые волны характеризуются частотой ν, длиной волны λ,
давлением p (основная количественная характеристика ультразвука,
переменная часть давления, возникающая при прохождении ультразвуковой
волны в среде). Энергетической характеристикой ультразвуковых волн является интенсивность звука I (тоже, что и сила звука, средняя по времени энергия, переносимая за единицу времени ультразвуковой волной через единичную площадку, перпендикулярную направлению распространения волны), которая зависит от амплитуды звукового давления, а также от свойств самой среды и от формы волны (плоская, сферическая). Субъективной характеристикой звука, связанной с его интенсивностью, является громкость звука (величина, характеризующая слуховое ощущение для данного звука), зависящая от частоты и формы колебаний.

Для описания ослабления переменного звукового давления плоской
звуковой волны можно применить закон поглощения плоской звуковой
волны: , где p(0) – амплитуда переменного звукового давления на выходе из источника, p(x) – амплитуда на расстоянии x от источника звуковой волны, а – коэффициент поглощения, являющийся константой при неизменных условиях, и зависящий от частоты волны, температуры среды, количества степеней свободы атомов (или молекул) газа и его относительной влажности.

Интенсивность звуковой волны пропорциональна квадрату давления, , таким образом, уменьшение интенсивности звуковой волны
подчиняется закону: , где .

В данной работе с помощью приемника УЗ излучения и соединенного с ним осциллоскопа НМ400 проводятся измерения переменного звукового давления p через измерение электрического напряжения, снимаемого с приемника УЗ-излучения. Интенсивность звуковой волны вычисляется, исходя из пропорциональности , так как величина напряжения пропорциональна давлению ультразвука. Ожидается уменьшение звукового давления, пропорциональное , т.е. .

Для проведения изме-рений необходимо собрать установку, состоящую из генера-тора УЗ колебаний частотой ν=40000 Гц, излучателя и прием-ника, установленных на направляющей шине, осциллоскопа НМ400 и соедини-тельных проводов.

Необходимо заранее, до выполнения лабораторной работы, ознакомиться с основными элементами управления осциллоскопа НМ400.

Отцентрируйте систему, для этого источник и приемник ультразвуковых волн разместите на одной высоте и вдоль одной оси, это удобно делать, глядя на установку сверху и ориентируясь на ось направляющей шины со шкалой.

Включите осциллоскоп. Включите тумблер генератора «ON» (т.к. генератор УЗ колебаний работает от батареек, то без необходимости проведения измерений егоне включать). Проведите серию измерений напряжения, снимаемого с приемника УЗ колебаний с помощью осциллоскопа, от расстояния между излучателем и приемником, расстояние хизмеряется по шкале направляющей шины от правого края черного пластикового держателя излучателя (он слева на рисунке) до левого края такого же держателя приемника УЗ колебаний, закрепленных на шине. Расстояние меняем от 4 см до 50 см.

(В расчетах необходимо учесть поправочный коэффициент для расстояния между источником сигнала и его приемником ), связанный с особенностями крепления элементов установки на оси, где х – измеренное Вами расстояние по шкале направляющей шины). Все данные занесите в таблицу (снять 15 – 20 точек).

№	Измеренное расст-е х	Исправленное расст-е х/	Напряжение U, В	Ln(U)	1/x/
…

Постройте графики зависимостей от и от х^/. По второму графику определите коэффициент поглощения ультразвука в воздухе, для этого воспользуйтесь уравнением прямой , которое даст Вам компьютер, например, в программе EXCEL из пакета Microsoft Office, из уравнения нужно взять по модулю коэффициент при неизвестной.

Задание 3. Определить скорость ультразвуковой волны в твердом теле (офисная белая бумага плотностью 80 г/м², толщина листа 0,1 мм), а также коэффициент отражения R на границе раздела воздух – бумага.

Работа продолжается на экспериментальной установке, собранной при выполнении задания №2.

Необходимо выбрать некоторое фиксированное расстояние х между излучателем и приемником, например, пусть х =16 см и, измерив величину напряжения на экране осциллоскопа , поставить перед приемником лист офисной белой бумаги, снова измерить величину напряжения на экране осциллоскопа . Сделать опыт три раза, изменяя расстояние х между излучателем и приемником, данные занести в таблицу.

№	х (м)	(В)	(В)

Интенсивность звуковой волны , поэтому доля УЗ излучения, прошедшего через лист бумаги, равна , тогда доля излучения, отразившегося от бумаги, равна , и мы можем вычислить коэффициент отражения на границе раздела сред «воздух – бумага» (можно пренебречь поглощением ультразвука в бумаге, т.к. слой бумаги очень мал ≈0,1мм и результаты расчета этого эффекта будут в рамках погрешности расчета коэффициента отражения на границе двух сред).

Рассчитайте значения коэффициента отражения для трех измерений и найдите среднее его значение , а также среднее статистическое отклонение от среднего .

Теоретическое значение коэффициента отражения на границе раздела двух сред имеет следующий вид: , где Z₁ и Z₂ – волновые сопротивления сред. Волновое сопротивление среды равно произведению плотности среды на скорость звука в этой среде: , например, для воздуха при температуре ≈20⁰С плотность скорость звука , тогда получаем волновое сопротивление воздуха .

Для белой офисной бумаги толщиной 0,1 мм необходимо измерить плотность бумаги, для этого надо измерить массу и объем этого листка бумаги и рассчитать плотность по формуле: . Далее, из формулы для коэффициента отражения R можно найти волновое сопротивление бумаги Z₂, (сделайте эти выкладки самостоятельно) и получить в итоге следующее выражение . Зная величину волнового сопротивления бумаги Z₂ можно найти скорость звука в бумаге .

Рассчитайте погрешности для коэффициента отражения R и волнового сопротивления Z.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение механической волны.

2. Какие виды механических волн Вы знаете?

3. К какому виду относятся УЗ-волны в жидкостях и газах? в твердых телах?

4. Перечислите основные характеристики волнового процесса. Как они связаны между собой? Что такое длина волны?

5. При каком условии коэффициент отражения на границе раздела двух сред будет минимальным? а когда максимальным?

6. Каков физический смысл коэффициента поглощения вещества?

7. Сформулируйте условия возникновения стоячих волн и их параметры.

8. Что такое ультразвук? Какие особенности ультразвука позволяют активно использовать его в медицине?

9. Как объяснить явление кавитации?

10. Каковы первичные механизмы действия ультразвука на биологическую среду?

11. Какие свойства ультразвука позволяют применять его в ультразвуковой эхолокации ?

12. Почему в жидкой среде, содержащей твердые частицы происходит нарушение их равномерного распределения?

Литература:

1. А.Н. Ремизов. Медицинская и биологическая физика. М., 1999 (1987), Гл. 7,8.

2. И.А. Эссаулова и др. «Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике» М., 1987.