> Техника, страница 87 > Ультразвуковые колебания
Ультразвуковые колебания
Ультразвуковые колебания, колебания, имеющие столь высокую частоту, что звуки от них не воспринимаются ухом. Частоты У. к. начинаются 15 0004-20 000 Hz. О существовании У. к. было известно уже давно, а после появления в 1883 г. свистка Гальтона, издававшего неслышные звуки, демонстрация их вошла в практику преподавания. Однако до последнего времени У. к. не имели никакого практич. значения, т. к. не существовало достаточно мощных источников У. к. Началом оживления исследований У. к. следует считать 1917—19 гг., когда Ланжевену в Париже удалось применить кварц для получения мощных ультразвуковых волн в воде. В особенности же оживились исследования У. к. после работ Кэди [*], начавшихся в 1922 г.; это оживление продолжается и в данное время.
Способы получения У. к. весьма разнообразны; почти все способы получения колебаний пригодны и для У. к. Не слишком мощные звуки проще всего получаются свистком Гальтона (фигура 1), представляющим воздушный резонатор, собственная частота которого может меняться от 10 000 до 30 000 Hz |к. и против отверстия ко-торого направляется Ж; струя воздуха. Мощ- и| ность такого свистка j|| невелика.ивовсехни- ip жеописываемыхспосо- [В бах источником энер- Г гии ультразвуковой Ц частоты является пе- и ременный электрич. фигура 1. ток,получаемый обычно от автоколебательных электрич. контуров с электронной лампой; исключение представляет только поющая дуга (смотрите), с которой Некле-паевым [2] в 1911 году были получены У. к. и волны с частотами до 3 500 000 Hz, что соответствует длине волны ок. 0,1 миллиметров. Волны были получены в воздухе, и оказалось, что последний весьма сильно их поглощает. Первым мощным источником У. к. был пьезоэлектрич. передатчик Ланжевена [®], предназначенный для работ в воде. Основною частью передатчика Ланжевена является пластинка Q кварца (фигура 2), вырезанная перпендикулярно к электрической оси и снабженная плотно приклеенными к ней обкладками А, А. Если подводить к ним переменный ток, то вследствие пьезоэлектрич. эффекта (смотрите Пьезоэлектричество и Пьезокварц) пластинка кварца расширяется и вжимается с частотою, равной частоте переменного тока. При подходящем выборе частоты, когда собственные колебания передатчика попадают в ре? зонанс с током, они становятся весьма мощными и излучают большую ультразвуковую энергию. В подводном передатчике Ланжевена только одна пластинка А находится в соприкосновении с водою, другая же заключена в корпус, показанный на фигуре 2 схематически пунктиром. Такие передатчики строят обычно на частоты ок. 30 000—40 000 Hz.
Вуд и Люмис [4] употребляли для своих опытов пластинки с весьма тонкими обкладками, практически не влиявшими на собственную частоту пластинки. Т. к. поэтому общая толщина передатчика была у них много меньше, то частота У. к. у них была много больше, именно порядка 5-106 Hz. Мясникову [5] удалось дойти до частот 106—10’ Hz; передатчики в обоих случаях помещались в масляной ванне, где и распространялись ультразвуковые волны. Имеются успешные попытки получать У. к. достаточной мощности и путем использования магнетострикционных колебаний (смотрите Магнето-стрищия). Гейнес [6] получил весьма сильные ультразвуки посредством возбуждения магнетострикционных колебаний в никелевой трубке, на нижнюю часть которой, находящуюся в воздухе, действовало переменное магнитное поле, а верхняя, находящаяся в жидкости, излучала звук. Неудовлетворительные результаты дает и электрич. искра. В настоящее время лучшим практическим способом для получения мощных ультразвуковых передатчиков является способ Ланжевена. Опыты по получению
I
СО i Фигура 2.
тем же способом ультразвуковых волн в воздухе показали, что отдача передатчиков этого типа в воздухе весьма незначительна.
Распространение ультразвуковых волн в газах и жидкостях в общем подчиняется тем же закономерностям, как и обычные звуковые волны, однако имеются и нек-рые особенности. Ультразвуковые волны в воздухе и газах весьма значительно поглощаются и тем сильнее, чем выше частота ультразвуковых волн. Кратчайшие из них, исследованные Неклепаевым, ослабляются в 100 раз, уже пройдя 6 миллиметров. Волны в 8 раз длиннее ослабляются во столько же раз, пройдя 40 см, и т. д. Кроме того замечена некоторая дисперсия ультразвуковых волн. При больших мощностях ультразвуковых передатчиков от них кроме ультразвукового излучения идет «ветер», впервые обнаруженный Мейсснером [7] на кварцевых пластинках, наблюдающийся и у подводных передатчиков. Если, как в опытах Вуда и Люмиса, ультразвуковые волны падают на границу двух сред (в их опытах масло—воздух и масло—вода), то поверхность соприкосновения их сильно искажается вследствие т. н. звукового давления, образуются целые фонтаны мельчайших брызг, а в опытах с маслом и водой образуется эмульсия масла в воде; ультразвуковые волны, распространяющиеся вдоль по стеклянной палочке, вызывают ощущение ожога при прикосновении к ней, хотя термометр показывает только незначительное повышение Г. Значительны также и физиологии, действия мощных ультразвуковых волн: животные и растительные клетки и бактерии погибают в поле ультразвуковых волн, так что оказалось возможным этим способом стерилизовать молоко; поблизости передатчиков Ланжевена погибали рыбки. Возможно при дальнейшем развитии ультразвуковые волны получат терапевтич. значение. Вследствие чрезвычайно малой длины волны в поле ультразвуковых волн наблюдается диффракция световых волн, как в диффрак-ционных решетках (Дебай и Сирс [8]). Построены (Пирс [9]) интерферометры для ультразвуковых волн, служащие для определения скоростей звука в газах и жидкостях. Разнообразны приложения У. к. в технике, причем почти все основаны на свойствах именно кварцевых резонаторов. В виду того что затухание в колеблющихся кварцевых стержнях, пластинках и в особенности кольцах много меньше, чем в электрич. контурах, последние заменяются первыми во всех случаях, когда необходим резко выраженный резонанс (смотрите). Так получили большое распространение кварцевые стабилизаторы для радиостанций (смотрите Стабилизация частоты)·, свойство кварца светиться при колебаниях, так как на нем появляются электрич. заряды, использовано в волноуказате-лях (Гибе). Частота колебаний, даваемая кварцевыми кольцами, настолько постоянна, что Моррисон [10] использовал их для электрич. часов, превзошедших по своей точности все до того известные, т. ч. кварц в настоящее время является наилучшим стандартом частоты.
Подводные кварцевые передатчики для У. к. получили еще незначительное распространение, однако вследствие их высокой частоты у них имеются два достоинства по сравнению с электромагнитными подводными передатчиками: они обладают, во-первых, большой направленностью, позволяя сосредоточить пучок исходящих от них лучей в узком телесном угле; во-вторых, они имеют (при хорошей конструкции, которая еще не достигнута вполне) большой кпд. В первую очередь они получили применение как приборы по определению глубин в т. н. эхо-лотах. Луч исходящего от передатчика звука направляется ко дну; отражаясь от него, возвращается к тому же передатчику, к-рый его принимает; записывающая установка регистрирует время хода звука от передатчика до дна и обратно, откуда вычисляется глубина. Ультразвуковые передатчики употребляются для телеграфирования с судна на судно, между прочим и для подводных лодок, для которых звуковая связь—почти единственно возможная; при этом ультразвуковой передатчик является и приемником (смотрите Звук и Радиоакустическая сигнализация). Были попытки применения ультразвуковых лучей для открытия подводных лодок и ледяных гор (Бойль и Рейд, 1926), для просвечивания пороков в мет (С. Соколов С11]), однако здесь еще не получены результаты достаточно надежные, чтобы соответствующие установки могли ВОЙТИ в практику. * н. Андреев.
Лит.: !) С a d у W., «Proceed, of the Inst, of Radio •Eng.», 1922, v. 10, p. 83; 1924, v. 12, p. 805; «Phys. Rev.», 1919, v. 19, p. 381; 2) Неклепаев H., «Ш», 1911, t. 43, стр. 101; 3) Langevin P., «Rev. g6n. d’ Electr.», P., 1928, 14; «Pubi, special de Bureau hydrogr. de Monaco», 1924, 3; 4) w о о d R. and Loomis L., «Phil. Mag.», L., 1927, Ser. 7, v. 4, p. 417; &) Мясников Л., «Журн. техн. физ.», М., 1932, т. 2, стр. 125; в) Gaines N., «Physics», 1932, Nov.; ’) Meissner A., «Ztschr. f. techn. Phys.», 1926, B. 7, p. 585; 1927, B. 8, p. 75;
8) D e b у e P. a. Sears F., «Proc. of the National Academy of Sciences of the U. S. of America», Wsh., 1932, v. 18, p. 410; 9) P i e r c e G-., «Proc. of the American Academy of Arts and Sciences», Boston, Cambridge, 1925, v. 60, p. 271; см. также статью Hubbard J., «Journal of the Acoust. Soc. of America», 19 32, v. 4, p. 99; ю) Мог- r i s ο n W., «Bell. System Technical Journal», N. Y., 1929, v. 8, p. 493; ii) Соколов C., «EI. Nachr.-Techn.», Berlin, 1929, B. 6, p. 454; его же, Основы электроакустики, Л. 1932 (литогр.). С. Ржевкин.