Что такое ультразвук ? Это слово состоит из слова звук и приставки ультра (от латинского слова ultra- сверх, за пределами, по ту сторону). А что такое звук ?
Под звуком понимают механические колебания атомов или молекул вещества.
Любое вещество будь-то газ, жидкость или твердое тело состоит из атомов или молекул, которые постоянно подвергаются внешнему воздействию со стороны других атомов или молекул, также и электромагнитное излучение может вызвать механическое смещение элементарных частичек вещества.
В зависимости от конкретного вещества скорость распространения механических колебаний (скорость звука) имеет разное значение. Кроме того, любое колебание характеризуется своей частотой.
В зависимости от конкретного вещества скорость распространения механических колебаний (скорость звука) имеет разное значение. Кроме того, любое колебание характеризуется своей частотой.
Так вот приставка ультра к слову звук означает, что звуковые колебания имеют частоту от 20 кГц до 1 ГГц.
В природе существует большое разнообразие источников звука. Природные явления создают звуковой шум, в спектре которого присутствуют и ультразвуковые частоты. Классический пример естественного источника ультразвука - шум морского прибоя.
Шум ветра, шелест листвы, грозовые явления -ультразвук встречается повсюду.
Конечно, мощность излучения природного ультразвука незначительна, и его воздействие на окружающую среду невелико. Однако существуют живые организмы (летучие мыши, дельфины, некоторые насекомые), которые очень чутко реагируют на ультразвуковые колебания и даже сами способны генерировать ультразвук. Человек не может слышать ультразвук, и хотя имеются сообщения об отдельных уникумах, способных воспринимать ухом частоты порядка 20 кГц, все же это исключение из правила.
Человечество научилось создавать рукотворные источники ультразвука, оформленные в виде научной аппаратуры или технологического инструмента.
Ультразвук применяется во многих сферах человеческой деятельности (тяжелая и легкая промышленность, приборостроение, медицина, биология, гидроакустика, микроэлектроника).
От первых экспериментальных установок научных лабораторий до современного прибора массового производства – таков путь развития ультразвукового генератора.
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА УЛЬТРАЗВУКА
Ультразвук представляет собой колебания, распространяющиеся в веществе в виде волны. Ультразвуковые волны, как и любые другие волны, характеризуются скоростью распространения, длиной волны и частотой. Эти параметры вычисляются по формуле:
С = λ*υ , где С – скорость звука λ – длина звуковой волны, υ – частота звука.
Частота волны - величина обратная периоду волны и определяется по формуле: υ = 1 / Т, где Т – период волны.
Скорость ультразвуковой волны зависит от плотности вещества и его механической упругости.
Чем меньше плотность вещества, тем выше скорость распространения в нем ультразвуковых волн.
Однако не следует думать, что в газе скорость ультразвука выше, чем в твердом теле (плотность газа меньше плотности твердого тела). Ультразвук хорошо распространяется лишь в упругих средах.
В вакууме ультразвук, как и звук любого другого частотного диапазона, вообще не распространяется.
Высокая частота ультразвуковой волны определяет специфические особенности ультразвука, а именно возможность распространения направленными пучками и их фокусирования.
Различают продольные и поперечные волны (возможны и поверхностные волны, как частный случай поперечных волн).
При продольной волне направление распространения ультразвуковой волны совпадает с направлением смещения атомов или молекул вещества.
При поперечной волне направление распространения ультразвуковой волны перпендикулярно направлению смещения частиц вещества.
Амплитуда колебаний ультразвуковой волны определяет ее мощность. Чем больше амплитуда волны, тем выше переносимая мощность ультразвука.
Для технических применений важен такой параметр как интенсивность ультразвука, т.е. энергия, переносимая ультразвуковой волной через единицу площади за единицу времени (в системе СИ единица измерения интенсивности- Вт/м²). Интенсивность ультразвука в среде зависит не только от мощности генератора ультразвука, но и от свойств вещества, в котором распространяется ультразвук.
В любом веществе ультразвуковая волна затухает по мере распространения.
Затухание (уменьшение амплитуды колебаний) вызывается рассеиванием ультразвука на неоднородностях, а также поглощением ультразвуковой энергии веществом.
Кроме того, при прочих равных условиях, интенсивность ультразвука от сферического вибратора уменьшается сильнее, чем от плоского.
При прохождении ультразвука через границу двух сред происходит частичное отражение ультразвуковой волны. Доля отраженной энергии зависит от так называемого волнового сопротивления, которое определяется плотностью вещества и скоростью звука в веществе.
Например, если ультразвуковая волна попадает на границу воздух/твердое тело со стороны твердого тела, то большая часть энергии отразится обратно, но стоит поместить твердое тело в жидкость, ультразвуковая волна почти беспрепятственно перейдет в жидкость.
Как и любым другим волнам, ультразвуковым волнам свойственна дифракция и интерференция.
Дифракция ультразвука проявляется в огибании ультразвуковой волной препятствий, когда размеры препятствий больше длины волны ультразвука.
Интерференция ультразвука проявляется в неоднородности пространственного распределения амплитуды суммарной волны, когда накладываются друг на друга несколько волн, имеющих одинаковую частоту.
