Реферат: Ультразвук
План
1. Народження ультразвуку
2. Джерела ультразвуку
3. Ультразвук в природі
4. Застосування ультразвуку
Використані джерела
1. Народження ультразвуку
У 1880 році французькі фізики, брати Пьері Поль Кюри, відмітили, що при стисненні і розтягуванні кристала кварцу з двохсторін на його гранях, перпендикулярних напряму стиснення, з'являютьсяелектричні заряди. Це явище було назване п'єзоелектрикою (від грецького «п'єзо»– «тисну»), а матеріали з такими властивостями – п’єзоелектриками.Пізніше це явище пояснили анізотропією кристала кварцу – різні фізичні властивостіуздовж різних граней.
Під час першої світової війни французькийдослідник Поль Ланжевен запропонував використовувати п'єзоелектричний ефект длявиявлення підводних човнів. Якщо п’єзоелектрик зустрічає на своєму шляхуультразвукову хвилю від гвинта човна, який розповсюджується із швидкістю 1460км/с, то вона стискає його грані, і на них з'являються електричні заряди.Стискаючись і розтискав, кристал як би генерує змінний електричний струм, якийможна зміряти чутливими приладами. Якщо ж до граней кристала прикласти зміннунапругу, він сам почне коливатися, стискаючись і розтискав з частотою змінноїнапруги. Ці коливання кристала передаються середовищу, що граничить з кристалом(повітрю, воді, твердому тілу). Так виникає ультразвукова хвиля.
Ланжевен спробував зарядити гранікварцевого кристала електрикою від генератора змінного струму високої частоти.При цьому він відмітив, що кристал коливається в такт зміні напруги. Щобпідсилити ці коливання, учений вклав між сталевими листами-електродами не одну,а декілька пластинок і добився виникнення резонансу – різкого збільшенняамплітуди коливань. Ці дослідження Ланжевена дозволили створювати ультразвуковівипромінювачі різної частоти. Пізніше з'явилися випромінювачі на основітитанату барії, а також інших кристалів і кераміки, які можуть бути будь-якоїформи і розмірів.
Ультразвук можна отримати і іншимспособом. У 1847 році англійський фізик Джеймс Джоуль виявив, що приперемагнічуванні електричним струмом залізних і нікелевих стрижнів вони тозменшуються, то збільшуються в такт змінам напряму струму. При цьому внавколишньому середовищі збуджуються хвилі, частота яких залежить від коливаньстрижня. Це явище назвали магнітострикцією (від латинського «стриктус» –«стиснення»).
Ультразвук виявився просто знахідкою длявирішення технічних, наукових і медичних завдань. Наприклад, ультразвуковідефектоскопи, об'єднані з комп'ютером, допомагають контролювати якість зварнихшвів, бетонних опор і плит. Ультразвукову апаратуру також з успіхомзастосовують для різання і свердлення металів, скла і інших матеріалів.Ультразвук можна використовувати для подрібнення речовини – наприклад, дляприготування тонко розмолотого цементу або азбесту, для отримання одноріднихемульсій, для очищення рідини або газу від домішок. За допомогою сфокусованогопучка ультразвукових хвиль розпилюють деякі рідини, наприклад, ароматичніречовини, лікарські препарати. «Ультразвуковий туман», що виходить, як правило,якісніший, ніж аерозольний. І сам цей метод екологічно безпечніший, оскількиможна відмовитися від фтормістких газів, які використовуються в аерозольнихбалончиках.
2. Джерела ультразвуку
Частотанадвисокочастотних ультразвукових хвиль, вживаних в промисловості і біології,лежить в діапазоні порядку декількох Мгц. Фокусування таких пучків зазвичайздійснюється за допомогою спеціальних звукових лінз і дзеркал. Ультразвуковийпучок з необхідними параметрами можна отримати за допомогою відповідногоперетворювача. Найбільш поширені керамічні перетворювачі з титанату барії. Утих випадках, коли основне значення має потужність ультразвукового пучка,зазвичай використовуються механічні джерела ультразвуку. Спочатку всіультразвукові хвилі отримували механічним шляхом (камертони, свистки, сирени).
СвистокГальтона
Першийультразвуковий свисток зробив в 1883 році англієць Гальтон. Ультразвук тутстворюється подібно до звуку високого тону на вістря ножа, коли на ньогопотрапляє потік повітря. Роль такого вістря в свистку Гальтона грає «губа» вмаленькій циліндровій резонансній порожнині. Газ, що пропускається під високимтиском через порожнистий циліндр, ударяється об цю «губу»; виникають коливання,частота яких (вона складає близько 170 кГц) визначається розмірами сопла ігуби. Потужність свистка Гальтона невелика. В основному його застосовують дляподачі команд при дресируванні собак.
Рідиннийультразвуковий свисток
Більшістьультразвукових свистків можна пристосувати для роботи в рідкому середовищі. Впорівнянні з електричними джерелами ультразвука рідинні ультразвукові свисткималопотужні, але іноді, наприклад, для ультразвукової гомогенізації, вониволодіють істотною перевагою. Оскільки ультразвукові хвилі виникаютьбезпосередньо в рідкому середовищі, то не відбувається втрати енергіїультразвукових хвиль при переході з одного середовища в іншу.
Мабуть, найбільшвдалою є конструкція рідинного ультразвукового свистка, виготовленогоанглійськими ученими Коттелем і Гудменом на початку 50-х років 20 століть. Унім потік рідини під високим тиском виходить з еліптичного сопла і прямує насталеву пластинку. Різні модифікації цієї конструкції набули досить широкогопоширення для отримання однорідних середовищ.
Завдяки простотіі стійкості своєї конструкції (руйнується пластинка, що тільки коливається)такі системи довговічні і недорогі.
Сирена
Інший різновидмеханічних джерел ультразвуку – сирена. Вона володіє щодо великою потужністю ізастосовується в міліційних і пожежних машинах. Всі ротаційні сиренискладаються з камери, закритої зверху диском (статором), в якому зробленавелика кількість отворів. Стільки ж отворів є і на диску, що обертаєтьсяусередині камери, – роторі. При обертанні ротора положення отворів в німперіодично співпадає з положенням отворів на статорі. У камеру безперервноподається стисле повітря, яке виривається з неї в ті короткі миті, коли отворина роторі і статорі співпадають. Основне завдання при виготовленні сирен – це,по-перше, зробити якомога більше отворів в роторі і, по-друге, досягти великоїшвидкості його обертання. Проте практично виконати обидва ці вимоги дуже важко.
3. Ультразвук в природі
Кажани, щовикористовують при нічному орієнтуванні ехолокацію, випускають при цьому ротомабо що має форму параболічного дзеркала носовим отвором сигнали надзвичайновисокої інтенсивності. На відстані 1–5см від голови тварини тиск ультразвукудосягає 60 мбар, тобто відповідає в чутній нами частотній області тиску звуку,що створюється відбійним молотком. Відлуння своїх сигналів кажани здатнісприймати при тиску всього 0,001 мбар, тобто в 10000 разів менше, ніж усигналів, що випускаються. При цьому кажани можуть обходити при польотіперешкоди навіть у тому випадку, коли на ехолокаційні сигнали накладаютьсяультразвукові перешкоди з тиском 20 мбар. Механізм цієї високоїперешкодостійкості ще невідомий. При локалізації кажанами предметів, наприклад,вертикально натягнутих ниток з діаметром всього 0,005 – 0,008 мм на відстані20см (половина розмаху крил), вирішальну роль грають зміщення в часі і різницяв інтенсивності між сигналами, що випускаються і відбитим. Подковоноси можутьорієнтуватися і за допомогою тільки одного вуха (моноурально), що істотнополегшується великими безперервно рухомими вушними раковинами. Вони здатнікомпенсувати навіть частотне зрушення між сигналами, що випускаються івідбитими, обумовленого ефектом Доплера (при наближенні до предмету луна єбільш високочастотною, ніж посланий сигнал). Знижуючи під час польотуехолокаційнну частоту так, щоб частота відбитого ультразвуку залишалася вобласті максимальної чутливості їх «слухових» центрів, вони можуть визначити швидкістьвласного переміщення.
У нічнихметеликів з сімейства ведмедиць розвинувся генератор ультразвукових перешкод,що «збиває із сліду» кажанів, переслідуючих цих комах.
Не менш умілінавігатори – жирні дрімлюги, або гуахаро. Населяють вони гірські печери ЛатинськоїАмерики – від Панами на північному заході Перу на півдні і Сурінама на сході.Найбільший подарунок природи – це здібність гуахаро до ехолокації. Живучи внепроглядній тьмі, жирні дрімлюги, проте, пристосувалися віртуозно літати попечерах. Вони видають неголосні клацаючі звуки, що вільно уловлюються ілюдським вухом (їх частота приблизно 7 000 Герц). Кожне клацання триваєодну-дві мілісекунди. Звук клацання відбивається від стенів підземелля, різнихвиступів і перешкод і сприймається чуйним птахом.
4. Застосування ультразвуку
Різання металуза допомогою ультразвуку
На звичайнихметалоріжучих верстатах не можна просвердлити в металевій деталі вузький отвірскладної форми, наприклад у вигляді п'ятикутної зірки. Тут без слюсаря необійдешся, а за допомогою ультразвуку це можна зробити. Магнітострикційнийвібратор може просвердлити отвір будь-якої форми. Ультразвукове долото цілкомзамінює фрезерний верстат. При цьому таке долото набагато простіше за фрезернийверстат і обробляти їм металеві деталі дешевші і швидші, ніж фрезернимверстатом. Ультразвуком можна навіть робити гвинтову нарізку в металевихдеталях, в склі, в рубіні, в алмазі. Зазвичай різьблення спочатку робиться вм'якому металі, а потім вже деталь піддають гарту. На ультразвуковому верстатірізьблення можна робити у вже загартованому металі і в найтвердіших сплавах. Тож і з штампами. Зазвичай штамп загартовують вже після його ретельної обробки.На ультразвуковому верстаті складну обробку проводить абразив (наждак,корундовий порошок) в полі ультразвукової хвилі. Безперервно коливаючись в поліультразвуку, частинки твердого порошку «вгризаються в оброблюваний сплав івирізують отвір такої ж форми, як і у долота. Більшість ультразвуковихверстатів працюють безшумно. У недалекому майбутньому в цехах металообробнихзаводів не буде ні брязкоту, ні гуркоту. Шлях до тиші йде через звук.
Приготуваннясумішей за допомогою ультразвуку
Широкозастосовується ультразвук для приготування однорідних сумішей (гомогенізації).Ще в 1927 році американські учені Лімус і Вуд виявили, що якщо дві рідини(наприклад, масло і воду), що не змішуються, злити в одну мензурку і піддатиопромінюванню ультразвуком, то в мензурці утворюється емульсія, тобто дрібнасуспензія масла у воді. Подібні емульсії грають велику роль в промисловості: целаки, фарби, фармацевтичні вироби, косметика.
Застосуванняультразвуку в біології
Здатністьультразвуку розривати оболонки кліток знайшла застосування в біологічнихдослідженнях, наприклад, при необхідності відокремити клітку від ферментів.Ультразвук використовується також для руйнування таких внутріклітиннихструктур, як мітохондрії і хлоропласти з метою вивчення взаємозв'язку між їхструктурою і функціями (аналітична цитологія). Інше застосування ультразвуку вбіології пов'язане з його здатністю викликати мутації. Дослідження, проведені вОксфорді, показали, що ультразвук навіть малій інтенсивності може пошкодитимолекулу ДНК. Штучне цілеспрямоване створення мутацій грає велику роль вселекції рослин. Головна перевага ультразвуку перед іншими мутагенами(рентгенівські промені, ультрафіолетові промені) полягає в тому, що з нимнадзвичайно легко працювати.
Застосуванняультразвуку для очищення
У лабораторіях іна виробництві застосовуються ультразвукові ванни для очищення лабораторного посудуі деталей від дрібних частинок. У ювелірній промисловості ювелірні виробиочищають від дрібних частинок полірувальної пасти в ультразвукових ваннах. Удеяких пральних машинах застосовують ультразвук для прання білизни.
Застосуванняультразвуку для очищення коренеплодів
У деяких харчовихвиробництвах застосовують ультразвукові ванни для очищення коренеплодів(картоплі, моркви, буряка і ін.) від частинок землі.
Застосуванняультразвуку в ехолокації
У рибнійпромисловості застосовують ультразвукову ехолокацію для виявлення косяків риб.Ультразвукові хвилі відбиваються від косяків риб і приходять в приймач ультразвукураніше, ніж ультразвукова хвиля, що відбилася від дна.
Застосуванняультразвуку у витратометрії
Для контролювитрати і обліку води і теплоносія з 60-х років минулого століття впромисловості застосовуються ультразвукові витратоміри. Незаперечні достоїнстваультразвукових витратомірів: мала або повна відсутність гідравлічного опору,надійність (оскільки немає рухомих механічних елементів), висока точність,швидкодія, перешкодозахисна – визначили їх широке розповсюдження.
Використаніджерела
1. И.П. Голямина. Ультразвук. – М.: Советская энциклопедия,1979.
2. И.Г. Хорбенко. В мире неслышимых звуков. – М.:Машиностроение, 1971.
3. В.П. Северденко, В.В. Клубович. Применение ультразвука впромышленности. – Минск: Наука и техника, 1967.