Кварц в роли излучателя ультразвука
Как видно из предыдущего , излучатель и приёмник УЗ устроены практически одинаково и их можно менять ролями, или можно один и тот же пьезокристалл переключать с излучения на приём УЗ и наоборот.
Поскольку кварц – твёрдое тело, то у него есть собственная частота механических колебаний. И если частота механических колебаний совпадёт с частотой электрических колебаний, то амплитуда излучаемого УЗ колебания резко возрастёт за счёт явления резонанса. Следует заметить, что коэффициент объёмного расширения у кварца очень мал, поэтому резонансная частота имеет очень высокую стабильность. Это свойство используется в кварцевых резонаторах, которые используются в различной радиоэлектронной аппаратуре: электронных часах, радиопередатчиках, мобильных
телефонах, видеоаппаратуре и др.
Существует ещё один способ излучения УЗ колебаний. В его основе лежит физическое явление, которое называется магнитострикцией. Сущность его в том, что если ферромагнетик поместить в переменное магнитное поле, то его геометрические размеры будут изменяться вдоль силовых линий поля в такт с его изменением.
Однако это физическое явление не является обратимым и не может использоваться для приёма УЗ колебаний.
Магнитострикция
Свойства ультразвука.
Следует отметить, что ультразвук – это тот же звук, только большой частоты. Поэтому, отметим его некоторые характерные свойства.
а) Скорость распространения УЗ в различных средах такая же, как и у звука слышимого диапазона
б).Интенсивность УЗ на несколько порядков выше, чем самого громкого звука слышимого диапазона, так как, согласно уравнению Умова,
интенсивность волны пропорциональна квадрату частоты:
I = (ruA2w2)/2
в). Газы сильно поглощают УЗ волну, так как собственная частота молекул газов того же порядка, что и частота УЗ. (резонансное поглощение)
г). При прохождении УЗ волны через границу двух сред с различными акустическими сопротивлениями, наблюдается на границе и отражение и преломление.
д) По законам волновой физики, волна может отразиться только от того тела, которое больше длины волны. Но поскольку длина УЗ волны мала, поэтому УЗ волна может отражаться от препятствий малого размера.
е) По законам волновой физики, волна может быть сфокусирована в пятно, размер которого не может быть меньше длины самой волны. Поскольку длина УЗ волны мала, то она может быть сфокусирована в пятно очень малого размера, плотность энергии в котором достигает гигантской величины
Поглощение ультразвука
Как было сказано выше, газы сильно поглощают УЗ. Но поглощают УЗ не только газы, но и различные другие среды. Выясним, по какому закону идёт ослабление УЗ волны при прохождение через вещество.
Известно, что скорость уменьшения интенсивности УЗ волны пропорциональна её интенсивности. Составим дифференциальное уравнение:
dI =-bI
dt
Разделив переменные и проинтегрировав, получим: lnI = -bx + C
Или окончательно: I = Ioe-bt
Мы получили уравнение экспоненты. Значит, интенсивность УЗ уменьшается по закону экспоненты. Здесь b - коэффициент затухания. Он показывает, какая доля первоначальной интенсивности теряется при прохождении УЗ волной 1см пути.
Следует отметить, что при возрастании частоты коэффициент поглощения растёт. Например, при прохождении УЗ поперёк мышечных волокон при частоте 3 МГц коэффициент поглощения составляет 0,48, а а при частоте 5 МГц - 0,71.